第十八讲操作系统.ppt

q教学目的教学目的掌握缓冲的引入和种类掌握缓冲的引入和种类掌握缓冲池的管理掌握缓冲池的管理第第8章章 设备管理设备管理掌握设备的分配掌握设备的分配掌握掌握I/O进程控制进程控制了解设备驱动程序了解设备驱动程序掌握掌握SPOOLing系统系统12/20/20221内蒙古工业大学计算机系q教学内容教学内容9.4 缓冲技术缓冲技术9.5 设备分配设备分配9.6 I/O进程控制进程控制9.7 设备驱动程序设备驱动程序第第8章章 设备管理设备管理9.8 SPOOLing系统系统12/20/20222内蒙古工业大学计算机系q缓冲技术缓冲技术缓冲的引入原因缓冲的引入原因第第8章章 设备管理设备管理为了匹配外设与CPU之间的处理速度。为了减少中断次数和CPU的中断处理时间。为了解决DMA或通道方式时的瓶颈问题。提高CPU和I/O设备的并行性和设备利用率。12/20/20223内蒙古工业大学计算机系缓冲的种类缓冲的种类第第8章章 设备管理设备管理单缓冲双缓冲在设备和处理机之间设置一个缓冲器。在设备和处理机之间设置两个缓冲器。12/20/20224内蒙古工业大学计算机系第第8章章 设备管理设备管理多缓冲缓冲池把多个缓冲区连接起来组成两部分，一部分专门用于输入，另一部分专门用于输出。把多个缓冲区连接起来统一管理，既可用于输入又可用于输出。12/20/20225内蒙古工业大学计算机系第第8章章 设备管理设备管理缓冲池的管理缓冲池的管理缓冲池的结构缓冲池的结构缓冲池由多个缓冲区组成。而一个缓冲区由两部分组成：一部分是用来标识该缓冲器和用于管理的缓冲首部，另一部分是用于存放数据的缓冲体。12/20/20226内蒙古工业大学计算机系第第8章章 设备管理设备管理图9.9缓冲首部 12/20/20227内蒙古工业大学计算机系第第8章章 设备管理设备管理系统把各缓冲区按其使用状况连成3种队列：图9.10缓冲区队列 12/20/20228内蒙古工业大学计算机系第第8章章 设备管理设备管理缓冲池管理缓冲池管理图9.11缓冲池的工作缓冲区 12/20/20229内蒙古工业大学计算机系第第8章章 设备管理设备管理对应缓冲池的对应缓冲池的4个操作过程：个操作过程：v 从三种缓冲区队列中按一定的选取规则取出一个缓冲区的过程take_buf(type);v 把缓冲区按一定的选取规则插入相应的缓冲区队列的过程add_buf(type,number);12/20/202210内蒙古工业大学计算机系第第8章章 设备管理设备管理v 供进程申请缓冲区的过程get_buf(type,number);v 供进程将缓冲区放入相应缓冲区队列的过程put_buf(type,work_buf);过程get_buf和put_buf的描述如下：设互斥信号量S(type)，其初值为1设描述资源数目的信号量RS(type)，其初值为n，(n为type队列长度)12/20/202211内蒙古工业大学计算机系第第8章章 设备管理设备管理12/20/202212内蒙古工业大学计算机系第第8章章 设备管理设备管理进程首先向设备管理程序提出资源申请，然后，由设备分配程序根据相应的分配算法为进程分配资源。q 设备分配设备分配如果申请进程得不到它所申请的资源时，将被放入资源等待队列中等待，直到所需要的资源被释放。12/20/202213内蒙古工业大学计算机系第第8章章 设备管理设备管理设备分配用数据结构设备分配用数据结构v 设备控制表设备控制表设备控制表(device control table,DCT)反映设备的特性、设备和I/O控制器的连接情况。包括：设备标识符设备类型设备号或设备地址设备状态等待队列指针I/O控制器指针12/20/202214内蒙古工业大学计算机系第第8章章 设备管理设备管理v 系统设备表系统设备表系统设备表(system device table,SDT)整个系统一张，它记录已被连接到系统中的所有物理设备的情况，并为每个物理设备设一表项。包括：DCT指针正在使用设备的进程标识设备类型和设备标识符12/20/202215内蒙古工业大学计算机系第第8章章 设备管理设备管理v 控制器表控制器表控制器表(cOntroler control table,COCT)每个控制器一张，它反映I/O控制器的使用状态以及和通道的连接情况等(DMA方式该项没有)。包括：控制器标识控制器状态CHCT指针等待队列指针12/20/202216内蒙古工业大学计算机系第第8章章 设备管理设备管理v 通道控制表通道控制表通道控制表(cHannel control table,CHCT)每个通道一张。包括：通道标识通道状态等待队列指针12/20/202217内蒙古工业大学计算机系第第8章章 设备管理设备管理图9.12数据结构表 12/20/202218内蒙古工业大学计算机系第第8章章 设备管理设备管理设备分配的原则设备分配的原则既要充分发挥设备的使用效率，又要避免由于不合理的分配方法造成进程死锁；另外还要做到用户程序和具体物理设备隔离开来，实现设备的独立性。12/20/202219内蒙古工业大学计算机系第第8章章 设备管理设备管理设备分配方式设备分配方式v 静态分配方式是在用户作业开始执行之前，由系统一次分配该作业所要求的全部设备、控制器和通道。一旦分配之后，这些设备、控制器和通道就一直为该作业所占用，直到该作业被撤销。12/20/202220内蒙古工业大学计算机系第第8章章 设备管理设备管理v 动态分配方式是在进程执行过程中根据执行需要进行。当进程需要设备时，通过系统调用命令向系统提出设备请求，由系统按照事先规定的策略给进程分配所需要的设备、I/O控制器和通道，一旦用完之后，便立即释放。12/20/202221内蒙古工业大学计算机系第第8章章 设备管理设备管理图9.13设备分配流程图 12/20/202222内蒙古工业大学计算机系第第8章章 设备管理设备管理设备分配策略设备分配策略v 先请求先分配v 优先级高者先分配12/20/202223内蒙古工业大学计算机系第第8章章 设备管理设备管理设备分配算法设备分配算法根据设备分配策略和原则，使用系统提供的SDT、DCT、COCT及CHCT等数据结构，当某个进程提出I/O设备请求之后，按图9.13所示流程进行设备分配。12/20/202224内蒙古工业大学计算机系第第8章章 设备管理设备管理q I/O进程控制进程控制I/OI/O控制控制:从用户进程的输入输出请求开始，给用户进程分配设备和启动有关设备进行I/O操作，以及在I/O操作完成之后响应中断，进行善后处理为止的整个系统控制过程称为I/O控制。I/OI/O控制的引入控制的引入12/20/202225内蒙古工业大学计算机系第第8章章 设备管理设备管理I/OI/O控制的功能控制的功能图9.14I/O控制的功能 12/20/202226内蒙古工业大学计算机系第第8章章 设备管理设备管理I/OI/O控制的实现控制的实现I/O控制过程在系统中可以按3种方式实现：作为请求I/O操作的进程的一部分实现。作为当前进程的一部分实现。I/O控制由专门的系统进程I/O进程完成。12/20/202227内蒙古工业大学计算机系第第8章章 设备管理设备管理I/OI/O进程的实现进程的实现I/O进程也可分为3种方式实现：每类(个)设备设一专门的I/O进程，且该进程只能在系统态下执行。整个系统设一I/O进程，全面负责系统的数据传送工作。每类(个)设备设一专门的I/O进程，但该进程既可在用户态也可在系统态下执行。12/20/202228内蒙古工业大学计算机系第第8章章 设备管理设备管理设备驱动程序是驱动物理设备和DMA控制器或I/O控制器等直接进行I/O操作的子程序集合。为了对驱动程序进行管理，系统中设置有设备开关表DST(device switch table)。设备开关表中给出相应设备的各种操作子程序的入口地址，例如打开、关闭、读、写和启动设备子程序的入口地址。q 设备驱动程序设备驱动程序12/20/202229内蒙古工业大学计算机系第第8章章 设备管理设备管理设备开关表也是I/O进程的一个数据结构。I/O控制过程为进程分配设备和缓冲区之后，可以使用设备开关表调用所需的驱动程序进行I/O操作。12/20/202230内蒙古工业大学计算机系第第8章章 设备管理设备管理为了缓和为了缓和CPU的高速性与的高速性与I/O设备低速性间的设备低速性间的矛盾而引入了脱机输入、矛盾而引入了脱机输入、脱机输出技术。脱机输出技术。该该技术是利用专门的外围控制机，技术是利用专门的外围控制机，将低速将低速I/O设设备上的数据传送到高速磁盘上；或者相反。备上的数据传送到高速磁盘上；或者相反。q SPOOLing技术技术什么是什么是SPOOLing12/20/202231内蒙古工业大学计算机系第第8章章 设备管理设备管理事实上，事实上，当系统中引入了多道程序技术后，当系统中引入了多道程序技术后，完全可以利用其中的一道程序，来模拟脱机输完全可以利用其中的一道程序，来模拟脱机输入时的外围控制机功能，把低速入时的外围控制机功能，把低速I/O设备上的数设备上的数据传送到高速磁盘上；再用另一道程序来模拟据传送到高速磁盘上；再用另一道程序来模拟脱机输出时外围控制机的功能，把数据从磁盘脱机输出时外围控制机的功能，把数据从磁盘传送到低速输出设备上。这样，便可在主机的传送到低速输出设备上。这样，便可在主机的直接控制下，实现脱机输入、直接控制下，实现脱机输入、输出功能。输出功能。此此时的外围操作与时的外围操作与CPU对数据的处理同时进行，对数据的处理同时进行，我们把这种在联机情况下实现的同时外围操作我们把这种在联机情况下实现的同时外围操作称为称为SPOOLing(Simultaneaus Periphernal Operating On-Line)，或称为假脱机操作。，或称为假脱机操作。12/20/202232内蒙古工业大学计算机系第第8章章 设备管理设备管理SPOOLing系统的组成系统的组成12/20/202233内蒙古工业大学计算机系第第8章章 设备管理设备管理SPOOLing系统的应用共享打印机系统的应用共享打印机 共享打印机技术已被广泛地用于多用户系统和局域共享打印机技术已被广泛地用于多用户系统和局域网络中。网络中。当用户进程请求打印输出时，当用户进程请求打印输出时，SPOOLing系统同意为它打印输出，系统同意为它打印输出，但并不真正立即把打印机但并不真正立即把打印机分配给该用户进程，分配给该用户进程，而只为它做两件事：而只为它做两件事：由输由输出进程在输出井中为之申请一个空闲磁盘块区，出进程在输出井中为之申请一个空闲磁盘块区，并并将要打印的数据送入其中；将要打印的数据送入其中；输出进程再为用户输出进程再为用户进程申请一张空白的用户请求打印表，并将用户的进程申请一张空白的用户请求打印表，并将用户的打印要求填入其中，打印要求填入其中，再将该表挂到请求打印队列上。再将该表挂到请求打印队列上。12/20/202234内蒙古工业大学计算机系第第8章章 设备管理设备管理SPOOLing系统的特点系统的特点 提高了提高了I/OI/O的速度。的速度。将独占设备改造为共享设备。将独占设备改造为共享设备。实现了虚拟设备功能。实现了虚拟设备功能。12/20/202235内蒙古工业大学计算机系第第8章章 设备管理设备管理总结总结尽可能地提高设备和设备之间、设备和尽可能地提高设备和设备之间、设备和CPUCPU之间的并行操作度以及设备利用率。之间的并行操作度以及设备利用率。利用中断技术和缓冲技术使得整个系统利用中断技术和缓冲技术使得整个系统获得最佳效能。获得最佳效能。设备分配保证设备有高的利用率和避免设备分配保证设备有高的利用率和避免死锁。死锁。q 本章小结本章小结设备管理的主要任务是控制设备和CPU之间进行I/O操作。12/20/202236内蒙古工业大学计算机系