设备管理概论

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1、1主要内容：主要内容：I/O硬件概念，设备控制器，硬件概念，设备控制器，I/O控制方式，缓冲控制方式，缓冲技术，设备的使用方法，技术，设备的使用方法，I/O层次结构，磁盘管理。层次结构，磁盘管理。重点：重点：I/O控制方式，缓冲区的种类，设备分配。控制方式，缓冲区的种类，设备分配。难点：难点：磁盘调度策略。磁盘调度策略。2 人人-机交互设备机交互设备(字节设备字节设备,发送接收以字节方式发送接收以字节方式)；存储类型设备存储类型设备(块设备块设备,读写以数据块方式）；读写以数据块方式）；网络通信的设备网络通信的设备(网络接口，调制解调器网络接口，调制解调器)。I/OI/O设备的特点：设备的特点

2、：数据传输速率不同；数据传输速率不同；数据传输单位不同；数据传输单位不同；控制的复杂性不同；控制的复杂性不同；设备的使用目的不同。设备的使用目的不同。3n I/OI/O设备通常包含一个机械部件和一个电设备通常包含一个机械部件和一个电子部件。电子部件被称做子部件。电子部件被称做I/OI/O部件或设备控部件或设备控制器（当控制多设备时：又叫总线控制器，制器（当控制多设备时：又叫总线控制器，通道控制器）。通道控制器）。n 操作系统一般只与控制器打交道，而非设操作系统一般只与控制器打交道，而非设备本身。备本身。n 早期早期CPUCPU是直接控制外部设备的，在引入是直接控制外部设备的，在引入I/OI/O

3、部件之后，才将部件之后，才将CPUCPU逐渐从与外设的交互逐渐从与外设的交互细节中解放出来。细节中解放出来。4 PCI PCI总线总线 控制器控制器 处理机处理机 （CPUCPU）主存主存 显卡显卡 SCSI SCSI 控制器控制器 外设外设 控制器控制器控控制制器器控控制制器器连接连接CPUCPU、主存、设备控制器和、主存、设备控制器和I/OI/O设备模型设备模型 磁带磁带磁盘磁盘外设外设SCSI总线总线主板总线主板总线设备控制器的功能：设备控制器的功能：1、接收和识别来自、接收和识别来自CPU的各种命的各种命令令;2、实现、实现CPU与设备控制器、设备与设备控制器、设备控制器与设备之间的数

4、据交换控制器与设备之间的数据交换;3、记录设备的状态供、记录设备的状态供CPU查询查询;4、识别控制器的每个设备的地址、识别控制器的每个设备的地址;5 控制器的任务是在外部设备与控制器的任务是在外部设备与CPUCPU（内存）之间完（内存）之间完成比特流（外部信号）和字节流（块）之间的转成比特流（外部信号）和字节流（块）之间的转换换。磁盘磁盘 控制器控制器主存主存比特流比特流字节块字节块转换、校验转换、校验CRT CRT 控制器控制器主存主存显示信号显示信号字节流字节流转换转换6每个控制器都有一些用来与每个控制器都有一些用来与CPUCPU通信的通信的I/OI/O寄寄存器。操作系统通过向这些寄存器

5、写命令字存器。操作系统通过向这些寄存器写命令字来执行来执行I/OI/O功能。功能。键盘键盘060-063060-063硬盘硬盘320 320 32F 32F打印机打印机378 378 37F 37F软盘软盘3F0 3F0 3F7 3F7彩色显示器彩色显示器3D0 3D0 3DF 3DFIBM PCIBM PC的的I/OI/O地址地址内内存存0kn控制器寄存器控制器寄存器7 （1）程序直接控制方式）程序直接控制方式CPUCPU直接控制直接控制I/OI/O操作的全过程，包括测试设操作的全过程，包括测试设备状态、发送读写命令、传输数据。备状态、发送读写命令、传输数据。处理机指令集应包括指令下述指令：

6、处理机指令集应包括指令下述指令：控制类控制类 测试类测试类 读写类读写类I/OI/O。示例示例:从外存读数据块到内存从外存读数据块到内存(见下一页见下一页)8向向I/OI/O部件部件发读命令发读命令读读I/OI/O部件部件状态寄存器状态寄存器从从I/OI/O部件部件读字数据读字数据将该字写将该字写入内存入内存未未OKOKOKOK出错出错OKOK下一下一指令指令未未OKOK检查状态检查状态该块读完该块读完?9向向I/OI/O部件部件发读命令发读命令读读I/OI/O部件部件状态寄存器状态寄存器检查状态检查状态从从I/OI/O部件部件读字数据读字数据将该字写将该字写入内存入内存OKOK出错处理出错处

7、理该块读完该块读完OKOK下一下一指令指令未未OKOK中断中断（2）中断控制方式）中断控制方式优点：优点：CPU不不必反复测试，节必反复测试，节约了时间。约了时间。缺点：缺点：仍然消耗仍然消耗大量的大量的CPU时间时间10（3 3）DMADMA方式方式DMADMA方式的思想：方式的思想：DMADMA（直接内存存取）负责完成（直接内存存取）负责完成整个整个I/OI/O操作，无需再经操作，无需再经CPUCPU寄存器转发，并在全寄存器转发，并在全部传输结束后向部传输结束后向CPUCPU发中断信号。发中断信号。给给DMADMA的命令中应包括：的命令中应包括：操作类别操作类别 I/OI/O设备的地址设备

8、的地址 读写数据在内存中的首地址读写数据在内存中的首地址 字数。字数。向向DMADMA部件部件发读命令发读命令读取读取DMADMA部件状态部件状态中断中断下一条指令下一条指令注意：注意：DMA的功能可以的功能可以以独立的以独立的DMA部件在系部件在系统统I/O总线上完成，也总线上完成，也可整合到可整合到I/O部件中完部件中完成。成。缺点：缺点：DMA部件需与部件需与CPU竞争控制总线。竞争控制总线。11CPUCPU直接控制外部设备直接控制外部设备引入引入I/OI/O部件，部件，CPUCPU直接控制直接控制I/OI/O部件部件引入中断驱动方式引入中断驱动方式引入引入DMADMAI/OI/O通道或

9、通道或I/OI/O处理机处理机输入输入/输出控制方式的发展过程输出控制方式的发展过程12 一、设备相关系统调用一、设备相关系统调用1.1.申请设备。有参数说明要申请的设备名称，操申请设备。有参数说明要申请的设备名称，操作系统处理该系统调用时，会按照设备特性（独作系统处理该系统调用时，会按照设备特性（独占还是分时共享）及设备的占用情况来分配设备，占还是分时共享）及设备的占用情况来分配设备，返回申请是否成功标志。返回申请是否成功标志。2.2.将数据写入设备。将数据写入设备。3.3.从设备读取数据。从设备读取数据。4.4.释放设备。这是申请设备的逆操作。释放设备。这是申请设备的逆操作。说明：说明：n

10、 主要用于对人主要用于对人-机交互类慢速外设的使用。机交互类慢速外设的使用。n 对于存储类外设，用户程序一般通过文件的访问。对于存储类外设，用户程序一般通过文件的访问。13在在UNIXUNIX中，可以用如下的系统调用将数据中，可以用如下的系统调用将数据直接写入软盘中：直接写入软盘中：n fd=open(fd=open(“/dev/fd0/dev/fd0”,O,ORDRW)RDRW)；申请软盘，；申请软盘，/dev/fd0/dev/fd0代表软盘代表软盘。n lseek(fd,1004,0)lseek(fd,1004,0)；将软盘当前；将软盘当前I/OI/O位置定位到位置定位到10241024字

11、节位置。字节位置。n Write(fd,buffer,36)Write(fd,buffer,36)；将用户缓冲区；将用户缓冲区bufferbuffer中中的的3636个字节写入软盘个字节写入软盘1024102410591059字节。字节。n close(fd)close(fd)；释放软盘。；释放软盘。14 二、独占式使用设备二、独占式使用设备如打印机如打印机申请申请空闲吗？空闲吗？独占使用独占使用等待等待释放释放15三、分时式共享使用设备三、分时式共享使用设备独占式使用设备时，设备利用率很低。独占式使用设备时，设备利用率很低。分时式共享：分时式共享：以一次以一次I/OI/O为单位分时使用为单位

12、分时使用设备，不同进程的设备，不同进程的I/OI/O操作请求以排队方式操作请求以排队方式分时地占用设备进行分时地占用设备进行I/OI/O。注：注：针对一个逻辑上完整的数据的针对一个逻辑上完整的数据的I/OI/O操操作。作。如：如：终端设备，磁盘设备。终端设备，磁盘设备。16请求设备请求设备请求请求I/O释放设备释放设备P1请求设备请求设备请求请求I/O释放设备释放设备P2请求请求请求请求设备设备图图6.6 排队使用设备排队使用设备17产生的条件：产生的条件：I/OI/O中断；通道；磁盘。中断；通道；磁盘。SPOOLingSPOOLing（并发的外部设备联机操作）（并发的外部设备联机操作）的基本

13、思的基本思想想：用磁盘设备作为主机的直接输入用磁盘设备作为主机的直接输入/输出设备输出设备,即主机从磁盘选取作业并运行即主机从磁盘选取作业并运行,结果也存在磁盘中。结果也存在磁盘中。相应的通道则负责磁盘与慢速外设的传输。利用相应的通道则负责磁盘与慢速外设的传输。利用通道和中断机制通道和中断机制,作业的输入作业的输入/输出与作业在处理输出与作业在处理机上的运行可很好地并行起来。机上的运行可很好地并行起来。四、以四、以SPOOLingSPOOLing方式使用外设方式使用外设18通道通道主机主机通道通道通道通道卡片机卡片机打印机打印机SPOOLingSPOOLing系统图示磁盘磁盘19例如例如:所有

14、输出数据已经写到文件当中，并排到所有输出数据已经写到文件当中，并排到打印输出队列，打印进程申请占用打印机后，成打印输出队列，打印进程申请占用打印机后，成批读出文件中数据，并送打印机打印出去。批读出文件中数据，并送打印机打印出去。打印请求队列打印请求队列（含要打印文（含要打印文件）件）打印打印daemon daemon 进程进程打印机打印机206.2.2 I/O6.2.2 I/O层次结构层次结构 通常，操作系统将设备管理系统划分并组通常，操作系统将设备管理系统划分并组织成三个层次：织成三个层次：用户层用户层I/OI/O；设备无关的设备无关的I/OI/O；设备驱动及中断处理；设备驱动及中断处理；用

15、户层用户层I/OI/O设备驱动及中断处理设备驱动及中断处理硬件硬件系统调用接口，设备无关的操作系统软件系统调用接口，设备无关的操作系统软件21用户进程用户进程用户层用户层I/OI/O设备无关设备无关的的I/OI/O设备驱动及设备驱动及中断处理中断处理硬件硬件设备管理子系统设备管理子系统逻辑结构图逻辑结构图22一、用户层一、用户层I/OI/On 与设备的控制细节无关。与设备的控制细节无关。n 将所有的设备看做逻辑资源，为用户进程将所有的设备看做逻辑资源，为用户进程提供各类提供各类I/OI/O函数。用户以设备标识符和一函数。用户以设备标识符和一些简单的函数来使用设备，如打开、关闭、些简单的函数来使

16、用设备，如打开、关闭、读、写等。读、写等。n 如如C C库中的函数库中的函数fopen()fopen()，fread()fread()，fwrite()fwrite()，fclose()fclose()等。等。23二、设备无关的二、设备无关的I/OI/O基本功能：基本功能：执行适用于所有设备的公共执行适用于所有设备的公共I/OI/O功能，功能，并向其上层提供统一的系统调用接口。并向其上层提供统一的系统调用接口。任务包括：任务包括：1.1.设备名及与设备驱动程序的映射。在设备名及与设备驱动程序的映射。在UNIXUNIX中，中，如如/dev/tty00/dev/tty00惟一地确定了一个惟一地确定

17、了一个i-nodei-node数据结构，数据结构，其中包含了主设备号，通过主设备号可以找到相其中包含了主设备号，通过主设备号可以找到相应的设备驱动程序。应的设备驱动程序。2.2.设备保护设备保护:许可权限保护。许可权限保护。3.3.缓冲缓冲I/OI/O：块设备：块设备、字符设备。字符设备。4 4.错误报告：报告驱动程序产生的错误信息。错误报告：报告驱动程序产生的错误信息。5.5.分配及释放独占型设备：申请、关闭。分配及释放独占型设备：申请、关闭。24 三、设备驱动与中断处理三、设备驱动与中断处理 1.1.设备驱动程序设备驱动程序 包括了所有与设备相关的代码，其功能是从与设包括了所有与设备相关的

18、代码，其功能是从与设备无关的软件中接收备无关的软件中接收I/OI/O的请求，排入请求队列或的请求，排入请求队列或执行之；执行时，将请求转化为更具体的形式。执行之；执行时，将请求转化为更具体的形式。2.2.中断处理中断处理 当进程进行当进程进行I/OI/O操作时，将其阻塞至操作时，将其阻塞至I/OI/O操作结操作结束并发生中断。中断发生时，由中断处理程序启束并发生中断。中断发生时，由中断处理程序启动请求排队的下一请求并解除等动请求排队的下一请求并解除等I/OI/O进程的阻塞状进程的阻塞状态，使其能够继续执行。态，使其能够继续执行。256.2.3 6.2.3 设备驱动程序设备驱动程序 一设备驱动程

19、序接口函数一设备驱动程序接口函数驱动程序初始化函数驱动程序初始化函数：做一些针对驱动程序本身的初始化：做一些针对驱动程序本身的初始化工作，如向操作系统登记该驱动程序的接口函数，该初始工作，如向操作系统登记该驱动程序的接口函数，该初始化函数在系统启动时或驱动程序安装入内核时执行。化函数在系统启动时或驱动程序安装入内核时执行。驱动程序卸载函数驱动程序卸载函数：在支持驱动程序可动态加载卸载的系：在支持驱动程序可动态加载卸载的系统中才需要。统中才需要。申请设备函数申请设备函数：申请一个驱动程序所管理的设备，按照设：申请一个驱动程序所管理的设备，按照设备特性进行独占式占用或者分时共享式占用。备特性进行独

20、占式占用或者分时共享式占用。释放设备函数释放设备函数I IO O操作函数操作函数：实现对设备的：实现对设备的I IO O。对独占型设备：包含。对独占型设备：包含了启动了启动I IO O的指令；分时共享型设备：将的指令；分时共享型设备：将I IO O请求形成一请求形成一个请求包，将其排到设备请求队列。个请求包，将其排到设备请求队列。中断处理函数中断处理函数：在设备：在设备I IO O完成时向完成时向CPUCPU发中断，然后被调发中断，然后被调用。该函数对用。该函数对I IO O完成做善后处理。完成做善后处理。26 二、设备管理有关的数据结构二、设备管理有关的数据结构描述设备、控制器等部件的表格：

21、描述设备、控制器等部件的表格：系统中常常为每一个部系统中常常为每一个部件、每一台设备分别设置一张表格，常称为件、每一台设备分别设置一张表格，常称为设备表设备表或或部件部件控制块控制块。这类表格具体描述设备的类型、标识符、进行状。这类表格具体描述设备的类型、标识符、进行状态，以及当前使用者的进程标识符等。态，以及当前使用者的进程标识符等。建立同类资源的队列：建立同类资源的队列：通常在设备表的基础上通过指针将通常在设备表的基础上通过指针将相同物理属性的设备连成队列（称设备队列）。相同物理属性的设备连成队列（称设备队列）。面向进程面向进程I/OI/O请求的动态数据结构：请求的动态数据结构：每当进程发

22、出块每当进程发出块I/OI/O请请求时，系统建立一张表格（称求时，系统建立一张表格（称I/OI/O请求包请求包）。将此次）。将此次I/OI/O请请求的参数填入表中，同时也将该求的参数填入表中，同时也将该I/OI/O有关的系统缓冲区地址有关的系统缓冲区地址等信息填入表中。等信息填入表中。I/OI/O请求包随着请求包随着I/OI/O的完成而被删除。的完成而被删除。建立建立I/OI/O队列：队列：如请求包队列如请求包队列。27 设备表设备表 设备表设备表 设备表设备表请求包请求包请求包请求包设备管理有关数据结构关系 28 一、单缓冲一、单缓冲 当用户进程发出当用户进程发出I/OI/O请求时，操作系统

23、在主存的请求时，操作系统在主存的系统空间为该操作分配一个缓冲区，可以实现预系统空间为该操作分配一个缓冲区，可以实现预先读和延迟写。先读和延迟写。引入原因：引入原因：（1）可以改善进程运行速度与）可以改善进程运行速度与I/O传输速度之间的速差矛传输速度之间的速差矛盾。盾。（2）减少中断）减少中断CPU的次数。的次数。（3）提高）提高CPU和和I/O设备之间的并行性。设备之间的并行性。操作系统操作系统I/O设备设备 输入输入用户进程用户进程移动移动6.2.4 6.2.4 缓冲技术缓冲技术29 二、双缓冲二、双缓冲 可以实现用户数据区与缓冲区之间交换可以实现用户数据区与缓冲区之间交换数据和缓冲区与外

24、设之间交换数据的并行。数据和缓冲区与外设之间交换数据的并行。操作系统操作系统I/O设备设备 输入输入用户进程用户进程移动移动30 三、循环缓冲三、循环缓冲 引入系统缓冲池，采用有限缓冲区的生引入系统缓冲池，采用有限缓冲区的生产者产者/消费者模型对缓冲池中的缓冲区进行消费者模型对缓冲池中的缓冲区进行循环使用。循环使用。缓冲区结合预先读和延迟写技术对具有重缓冲区结合预先读和延迟写技术对具有重复性及阵发性复性及阵发性I/OI/O进程、提高进程、提高I/OI/O速度很有速度很有帮助。帮助。操作系统操作系统I/O设备设备 输入输入用户进程用户进程移动移动316.3 存储设备6.3.1 常见存储外设 磁盘

25、磁盘 数据组织数据组织一个磁盘有多个盘面组成，盘面有同心圆磁道组一个磁盘有多个盘面组成，盘面有同心圆磁道组成，磁道有扇区组成，扇区为基本传输单位。成，磁道有扇区组成，扇区为基本传输单位。物理特性物理特性单磁头，多磁头。单磁头，多磁头。32存取装置存取装置主轴主轴动臂动臂盘片盘片柱面柱面磁道磁道读写头读写头多磁头活动头盘示意图 33 光学存储设备光学存储设备 CD-ROMCD-ROM；CD-R,CD-RWCD-R,CD-RW。346.3.2 6.3.2 磁盘调度磁盘调度磁盘地址：磁盘地址：台号台号+柱面号柱面号+盘面号盘面号+扇区号扇区号读写一次磁盘信息所需的时间可分解为：寻读写一次磁盘信息所需

26、的时间可分解为：寻找时间找时间(寻道时间寻道时间)、延迟时间、传输时间。、延迟时间、传输时间。为提高磁盘传输效率，软件应着重考虑减为提高磁盘传输效率，软件应着重考虑减少寻找时间和延迟时间。少寻找时间和延迟时间。35 一、减少寻找时间一、减少寻找时间(寻道时间寻道时间)的方法的方法减少寻找时间是提高磁盘传输效率的关键。减少寻找时间是提高磁盘传输效率的关键。因为因为“寻找时间寻找时间”在几十毫秒时间量级。在几十毫秒时间量级。操作系统磁盘驱动程序可以通过对磁盘的访操作系统磁盘驱动程序可以通过对磁盘的访问请求顺序合理调度多道进程，达到减少磁问请求顺序合理调度多道进程，达到减少磁盘平均服务时间的目的。盘

27、平均服务时间的目的。361、先来先服务、先来先服务FCFS(First Come First Server)：这是最简单的这是最简单的磁盘调度策略，它根据进程请求访问磁盘的时间顺序进行调度。磁盘调度策略，它根据进程请求访问磁盘的时间顺序进行调度。2、最短寻道时间优先、最短寻道时间优先SSFT(Shortest Seek Time First)：它是它是根据磁头当前的位置，选择请求队列中距离磁头最短的请求响应。根据磁头当前的位置，选择请求队列中距离磁头最短的请求响应。3、SCAN：也称电梯策略，要求磁头臂仅仅沿一个方向移动，并也称电梯策略，要求磁头臂仅仅沿一个方向移动，并在途中满足所有未完成的请

28、求，直到它到达这个方向的最后一个磁在途中满足所有未完成的请求，直到它到达这个方向的最后一个磁道，或这个方向没有别的请求为止，然后倒转服务方向，同样按顺道，或这个方向没有别的请求为止，然后倒转服务方向，同样按顺序完成的有请求。序完成的有请求。4、CSCAN：是循环扫描法，当到达最后一个磁道时，磁头臂是循环扫描法，当到达最后一个磁道时，磁头臂返回到磁头的另一端，并再次开始扫描。返回到磁头的另一端，并再次开始扫描。37为避免磁头臂的粘性，磁盘请求队列被分为避免磁头臂的粘性，磁盘请求队列被分成段，一次只有一个段被完全处理成段，一次只有一个段被完全处理1、N-Step-SCAN：2、FSCAN：38假设

29、磁盘有假设磁盘有200个磁道，磁盘请求队列中是一些随个磁道，磁盘请求队列中是一些随机请求。被请求的磁道按接收顺序分别为：机请求。被请求的磁道按接收顺序分别为：55、58、39、18、90、160、150、38、184，当前，当前磁头在磁头在100磁道处磁道处FCFS策略磁头臂的移动轨迹如下：策略磁头臂的移动轨迹如下：18 3839555890150 16018410039假设磁盘有假设磁盘有200个磁道，磁盘请求队列中是一个磁道，磁盘请求队列中是一些随机请求。被请求的磁道按接收顺序分别为：些随机请求。被请求的磁道按接收顺序分别为：55、58、39、18、90、160、150、38、184，当前

30、磁头在，当前磁头在100磁道处磁道处SSTF策略磁头臂的移动轨迹如下：策略磁头臂的移动轨迹如下：18 3839555890150 16018410040假设磁盘有假设磁盘有200个磁道，磁盘请求队列中是一些个磁道，磁盘请求队列中是一些随机请求。被请求的磁道按接收顺序分别为：随机请求。被请求的磁道按接收顺序分别为：55、58、39、18、90、160、150、38、184，当，当前磁头在前磁头在100磁道处磁道处SCAN策略磁头臂的移动轨迹如下：策略磁头臂的移动轨迹如下：18383955589015016018410020041假设磁盘有假设磁盘有200个磁道，磁盘请求队列中是一个磁道，磁盘请求

31、队列中是一些随机请求。被请求的磁道按接收顺序分别为：些随机请求。被请求的磁道按接收顺序分别为：55、58、39、18、90、160、150、38、184，当前磁头在，当前磁头在100磁道处磁道处C-SCAN策略磁头臂的移动轨迹如下策略磁头臂的移动轨迹如下：18383955589015016018410020042（a）FCFS（b）SSTF（c）SCAN（d）C-SCAN下一个被访下一个被访问的磁道问的磁道横跨的横跨的磁道数磁道数下一个被下一个被访问的磁访问的磁道道横跨的横跨的磁道数磁道数下一个被访下一个被访问的磁道问的磁道横跨的横跨的磁道数磁道数下一个被访下一个被访问的磁道问的磁道横跨的横跨

32、的磁道数磁道数554590101505015050583583216010160103919553184241842418213916909418166907238158323820160701820553391150101501323916551638112160103815831841461842418209032平均寻平均寻道长度道长度55.3平均寻平均寻道长度道长度27.5平均寻平均寻道长度道长度27.8平均寻平均寻道长度道长度27.543二、减少延迟时间的方法二、减少延迟时间的方法一般常将盘面扇区交替编号；磁盘迭中不一般常将盘面扇区交替编号；磁盘迭中不同盘面错开命名。同盘面错开命名。0415736270413625370462516370251444n作业：P169 6.7，6.11演讲完毕，谢谢观看！