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Ch9 设备管理设备分类9.1 输入输出设备9.2 协助存储器设备管理(9.3)设备安排(9.4)输入输出管理程序(9.5)Windows NT一体化的输入输出系统(9.6)设备分类设备分类特性分类：外存特性分类：外存/辅存，辅存，IO设备设备从属关系：从属关系：系统设备：系统设备：OS生成时已配置于系统的各种标准生成时已配置于系统的各种标准设备设备用户设备：用户后来自己供应，由系统管理，非用户设备：用户后来自己供应，由系统管理，非标准标准信息组织和处理方式：信息组织和处理方式：块设备：信息按字符块组织和处理（面对块的设块设备：信息按字符块组织和处理（面对块的设备）备）字符设备：信息按字符组织和处理（面对字符的字符设备：信息按字符组织和处理（面对字符的设备）设备）资源安排方式：资源安排方式：独占设备：一旦安排给某进程或用户就始终占用独占设备：一旦安排给某进程或用户就始终占用直至用完。直至用完。共享设备：多个进程或用户可以交替运用的设备。共享设备：多个进程或用户可以交替运用的设备。虚拟设备：用软件技术把慢速独占设备变成共享虚拟设备：用软件技术把慢速独占设备变成共享设备。一般是通过借用大容量共享设备的一部分设备。一般是通过借用大容量共享设备的一部分空间来充当缓冲而实现的。把这部分空间称为空间来充当缓冲而实现的。把这部分空间称为“虚拟设备虚拟设备”。（Spooling 技术）技术）9.1 输入输出组织和输入输出处理机输入输出组织和输入输出处理机 计算机系统的I/O设备管理是操作系统的主要功能之一。微型机：总线结构(图9.1)输入：I/O设备=I/O接口=数据总线=处理机输出：I/O设备=I/O接口=数据总线 设备限制器=I/O通道=存储器输出：I/O设备=设备限制器=I/O通道=存储器 DMA干脆存储器访问：用于高速大容量存储器与设备之间的数据传送。I/O设备 DMA限制器 设备接口 存储器输入输出接口(IO接口)IO子系统构成：子系统构成：IO设备：为计算机执行某种特定功能（打印，设备：为计算机执行某种特定功能（打印，显示，存取数据）。显示，存取数据）。IO接口：接口：功能：功能：限制限制IO设备按设备按CPU吩咐工作；吩咐工作；把计算机的数据格式转换成把计算机的数据格式转换成IO设备所要求的设备所要求的格式或反之；格式或反之；发送中断恳求并接受处理机发来的中断响应发送中断恳求并接受处理机发来的中断响应回答；回答；为为IO设备供应数据缓冲。设备供应数据缓冲。构成：数据缓冲寄存器，状态寄存器构成：数据缓冲寄存器，状态寄存器输入输出处理机（通道）术语术语“通道通道”：大型机：指特地用来负责大型机：指特地用来负责IO工作的处理机，工作的处理机，即即IO处理机。比处理机。比CPU功能弱，速度慢，价功能弱，速度慢，价格便宜。格便宜。微型机：指与微型机：指与DMA限制器或限制器或IO处理机相连处理机相连设备的单纯数据传输通路，非设备的单纯数据传输通路，非IO处理机，处理机，不具有处理机的功能。不具有处理机的功能。本书本书“通道通道”：指：指IO处理机。处理机。通道程序：通道程序：IO处理机：由运算和限制逻辑，累加器，寄存处理机：由运算和限制逻辑，累加器，寄存器构器构 成，有指令系统，由通道程成，有指令系统，由通道程序限制。序限制。通道程序：通道程序：由通道指令组成；由通道指令组成；由由CPU按数据传送的不同要求自动生成；按数据传送的不同要求自动生成；放在主存中；放在主存中；其在主存中的起始地址通知其在主存中的起始地址通知IO处理机：处理机：大型机：主存中一固定单元大型机：主存中一固定单元通道地址字通道地址字CAW；微型机：微型机：CPU与与IO处理机通信区；处理机通信区；每一条通道指令称为通道吩咐字每一条通道指令称为通道吩咐字CCW。通道状态字通道状态字PSW：IO处理机的状态，包含有该处理机的状态，包含有该通道及与之相连的限制器和设备的状态。通道及与之相连的限制器和设备的状态。通道配置：通道配置：大型机：多个；大型机：多个；微型机：微型机：12个。个。通道管理：通道管理：大型机：大型机：IO处理机和处理机和CPU共享主存。共享主存。为各为各IO处理机和处理机和CPU规定不同优先次序；规定不同优先次序；CPU最低优先级；最低优先级；当发生竞争时，存储器限制逻辑按优先次序予以当发生竞争时，存储器限制逻辑按优先次序予以响应；响应；IO处理机得到响应处理机得到响应IO处理机从处理机从CPU那里那里“窃用窃用”了存储周期。（窃用周期）了存储周期。（窃用周期）微型机：微型机：IO处理机和处理机和CPU共享总线。共享总线。CPU限制总线运用权；限制总线运用权；当当CPU响应某响应某IO处理机发出的恳求总线信号，把处理机发出的恳求总线信号，把总线运用权短暂转让给总线运用权短暂转让给IO处理机处理机IO处理机处理机从从CPU那里那里“窃用窃用”了总线周期。（窃用周期）了总线周期。（窃用周期）9.2 协助存储器/外存磁带硬件特性磁带机：启停设备。启动后磁带高速旋转，加速到正常速度时读写头才能正确地进行信息的读写。磁头：读写磁头。磁带机高速旋转时磁头对磁带进行读写。磁道：在磁层沿磁头相对运动的方向上形成记录信息的路径，称为磁道。串行存储一系列二进制代码。技术指标：磁带宽度：1(in),1/2(in),1/4(in)磁带长度：国产600m,750m,900m横向记录密度：磁带横向磁道数（7磁道，9磁道，16磁道）纵向记录密度：单位距离信息位数(10bit/mm，20bit/mm)归0制：写1时，写磁头线圈中通过正脉冲，写0时通过负脉冲，写完一位，电流回0。带速，启停时间。磁带信息组织：依次性设备，半依次性设备。依次性磁带的信息组织：依次性磁带：磁带上信息的定位和存取严格按其上信息的物理位置依次进行。信息记录组成块：多个逻辑记录放进一个物理记录块中，相邻块间有确定间隙（启停时间）。存取信息以块为单位：信息块可不等长(8008000B)带 带 间 信 间 带 间 信 间 带头 息 息 尾标 标 隙 块 隙 标 隙 块 隙 标一条通道吩咐一般只读写一块信息。半依次性磁带的信息组织：信息组等长(512/1024B)带 组 间 信 间 组 间 信 间 带 头 息 息 尾 标 号 隙 组 隙 号 隙 组 隙 标 磁鼓硬件特性及信息的组织：磁鼓硬件特性及信息的组织：种类：种类：立式磁鼓：转子轴垂直于水平面；立式磁鼓：转子轴垂直于水平面；卧式磁鼓：转子轴平行于水平面；卧式磁鼓：转子轴平行于水平面；磁道：磁鼓表面划分成很多首尾相接的环行磁磁道：磁鼓表面划分成很多首尾相接的环行磁道。道。磁道密度一般为磁道密度一般为45磁道磁道/厘米。厘米。磁道的起点：规定磁鼓表面上的某一条母线为磁道的起点：规定磁鼓表面上的某一条母线为各磁各磁道记录信息的起点。道记录信息的起点。物理段或物理记录：每个磁道从起点起先沿圆物理段或物理记录：每个磁道从起点起先沿圆周方向划分成若干个信息区作为记录信息的基周方向划分成若干个信息区作为记录信息的基本单位。本单位。物理记录定位：道号，物理记录号。物理记录定位：道号，物理记录号。优点：记录查找时间少，数据传送速率很高。优点：记录查找时间少，数据传送速率很高。缺点：容量小，小于磁盘缺点：容量小，小于磁盘技术指标：磁道数，每道容量，每转所用时间，技术指标：磁道数，每道容量，每转所用时间，最大查找时间，平均查找时间，数据传送速率最大查找时间，平均查找时间，数据传送速率 磁盘的硬件特性及信息的组织：磁盘：铝合金制成的金属圆盘，表面两侧涂以磁性材料。磁道：磁盘上一系列记录信息的同心圆=分割成很多相等的弧段扇区/物理记录，编号：0，1，n 扇区所处的磁道位置不同，物理长度不同，但所记录的信息量是相等的（内部密度高些，读写时变更磁头的驱动电流）。IDE(Integrated Drive Electronics)驱动器：外圈扇区数比内圈多，增加磁盘容量。磁盘分类：固定头磁盘：盘面上的每一条磁道都有一个读写头。移动头磁盘：每个盘面只有一个读写磁头，可沿半径方向移动。每次磁盘操作先通过“找寻操作”对准所要访问的磁道（图9.5）。磁盘的硬件特性及信息的组织（续）：磁盘组：由若干磁盘组成，绕枢轴高速旋转，可达3600转/分n个盘片，2n-2个盘面可用：有效盘片数n-1。一个盘面用作“同步伺服面”：用于存储信息的有效盘面数2n-3。物理记录定位：柱面号：各盘面全部的读写头同时移动，并定位在同样的垂直位置的磁盘上，这些磁道形成了一个柱面。由外向内是：0，1，2，L。磁头号：磁盘迭的全部有效盘面（除去最外层的二面）从上到下依次编号：0,1,2,H。磁头号与盘面号是相对应的。扇区号：将各盘面分割成若干大小相等的扇区，编号：0,1,2,3,n技术指标：P158例 枢轴 柱面扇 枢轴 磁道i 柱面 i 9.3设备管理概述设备标识:设备确定号:将系统中的每一台设备按某种原则进行编号,这些编号就作为硬件区分和识别设备的代号,称为此设备的确定号(确定地址).单道程序:用户独占系统全部资源,包括全部外设,通过设备确定号运用系统的设备.设备类型号:多道程序中 操作系统完成外设的调度和管理.用户通过外部设备类型号向系统说明所要运用的设备类型.由操作系统进行调度确定具体安排哪个设备.(如UNIX系统中主设备号+次设备号表示一台设备)设备确定号=类型标识+台标识=设备类型号+设备相对号设备符号名:指用来代表某类设备的符号名称为设备符号名.用于编程语言。设备相对号:设备符号名后跟的一数字表示相对号.设备管理的任务基本任务基本任务:依据用户的要求来限制外设的工作依据用户的要求来限制外设的工作.以完成用户所希以完成用户所希 望的输入输出操作望的输入输出操作.功能功能:记住设备限制器通道的状态记住设备限制器通道的状态-I/O交通限制程序交通限制程序;依据用户要求启动具体设备进行数据传输操作依据用户要求启动具体设备进行数据传输操作,并且处理设备的并且处理设备的中断中断-设备管理程序设备管理程序.(每类设备的多台设备公用一个每类设备的多台设备公用一个)依据确定的算法在诸进程间调度和安排设备依据确定的算法在诸进程间调度和安排设备-I/O调度程序调度程序.目标目标:便利性：标准输入输出限制系统供用户实现输入输出操作便利性：标准输入输出限制系统供用户实现输入输出操作设备独立性：用户程序应运用设备相对号；并尽可能与设备类型设备独立性：用户程序应运用设备相对号；并尽可能与设备类型无关；不对具体的物理设备进行操作，而是对虚拟设备（如文件，无关；不对具体的物理设备进行操作，而是对虚拟设备（如文件，数据集，数据流等）进行操作，由数据集，数据流等）进行操作，由OS实现虚拟设备和物理设备实现虚拟设备和物理设备的联系。的联系。并行性：各设备的数据传输与并行性：各设备的数据传输与CPU运行高度重叠，充分并行运行高度重叠，充分并行有效性和均衡性：设备有效地工作，充分地保持劳碌！有效性和均衡性：设备有效地工作，充分地保持劳碌！字符编码的独立性：有适于各设备的字符编码的变换机构。字符编码的独立性：有适于各设备的字符编码的变换机构。9.4 设备安排策略设备类型不同，设备安排策略也不同。设备限制块UCB：每台设备均有自己的UCB。设备标识符；设备状态；与设备相连的限制器表；等待此设备的进程表。设备安排等待队列：等待设备的进程表，按FIFO原则排列。通道限制块CCB:通道标识符，通道状态，与通道相连的限制器表；等待此通道的进程表。限制器限制块CUCB：限制器标识符，限制器状态，与限制器相连的通道表；等待此限制器的进程表。独享设备的安排独享设备的安排策略策略:简洁的先来先服务简洁的先来先服务FCFS；优先数安排。；优先数安排。死锁问题：防止死锁问题：防止,避开避开(独享设备的运用性质独享设备的运用性质是构成死锁的必要条件之一是构成死锁的必要条件之一)。硬件通道安排：考虑整个数据传输通路的安硬件通道安排：考虑整个数据传输通路的安排，即设备，限制器和通道同时安排。排，即设备，限制器和通道同时安排。慢速设备：与字节多路通道连接，通道分时慢速设备：与字节多路通道连接，通道分时为设备服务为设备服务安排设备后无须安排数据通安排设备后无须安排数据通道！道！安排型子通道或其他通道类型：安排整个数安排型子通道或其他通道类型：安排整个数据通路！（设备，限制器和通道之间接受多据通路！（设备，限制器和通道之间接受多重通路）重通路）虚拟设备和虚拟设备和SPOOL系统系统虚拟设备技术：指通过共享设备来模拟独占型设备的动作，使独占型设备成为共享设备，从而提高了设备利用率和系统的效率的技术。SPOOL系统：实现虚拟设备技术的硬件和软件系统称为SPOOL系统Spooling系统假脱机系统。构成：输入SPOOL和输出SPOOL。输出SPOOL前提：设备接受虚拟设备技术。例如：系统中全部行式打印机接受虚拟设备技术。进程要求打印机；在某共享设备上的输出SPOOL存储区中为其安排一块存储空间；并为该进程的输出数据建立一个文件相当于虚拟的行式打印机。各进程的输出都以文件形式短暂存放在输出SPOOL存储区中并形成了一个输出队列。输出SPOOL限制打印机进程，依次将输出队列中的各进程的输出文件最终实际地打印出来。输出SPOOL（续）SPOOL系统的特点：用户进程并未真正分得打印机，即打印机未分给某个进程独占；用户进程实际被分得的是共享设备中的一个存储区（或文件），即虚拟设备。实际的打印机由SPOOL调度依次逐个地打印SPOOL存储区中的数据。独享设备运用效率提高了，因而系统效率也提高了。输出SPOOL的程序结构：P162在SPOOL系统中的关键技术：缓冲区技术同步与互斥问题。共享设备的安排和调度共享设备的安排和调度磁盘磁盘移动头磁盘：物理记录定位：柱面号，磁头号，扇区号。定位过程：按柱面号将读写磁头随磁臂移到指定柱面上查找操作。所需时间叫查找时间。盘上该物理块必需随着整个回旋转到读写头下面。所需时间叫旋转拖延时间（简称拖延时间）。读写头对该物理块中数据的实际访问，所用时间称为数据传输时间。总计对某特定物理块的访问时间约为0.010.1s之间。其中查找时间占70%。改进：削减传输时间：一个逻辑记录的奇偶字节记在上下两个盘面上，两面磁道并行读写。削减旋转延迟时间：一个记录同时存放在一个磁道的相距180度的两个扇区中。调度策略调度策略查找优化策略查找优化策略目标：降低查找时间目标：降低查找时间评价：吞吐量，平均响应时间，响应时间的可预评价：吞吐量，平均响应时间，响应时间的可预期性（或变更幅度）。期性（或变更幅度）。优化：移动磁头所花时间正比于所需移动的总的优化：移动磁头所花时间正比于所需移动的总的距离。距离。查找优化策略：查找优化策略：先来先服务（先来先服务（FCFS）最短查找时间优先（最短查找时间优先（SSTF）扫描策略扫描策略(SCAN)/（电梯调度算法）（电梯调度算法）循环扫描策略（循环扫描策略（C-SCAN）N步扫描策略步扫描策略 先来先服务先来先服务(FCFS)：原则：各进程对磁盘恳求的等待队列按原则：各进程对磁盘恳求的等待队列按提出恳求的时间进行排序，并按此次序提出恳求的时间进行排序，并按此次序赐予服务。赐予服务。评价：评价：访问恳求匀整分布整个盘面，而不具有访问恳求匀整分布整个盘面，而不具有某种集中倾向时，导致随机访问模式某种集中倾向时，导致随机访问模式无法对访问优化！无法对访问优化！访问恳求较多时，降低设备服务的吞吐访问恳求较多时，降低设备服务的吞吐量，提高响应时间；量，提高响应时间；响应时间变更幅度较小！响应时间变更幅度较小！应用：访问恳求不很多时可接受，且算应用：访问恳求不很多时可接受，且算法较简洁。法较简洁。FCFS：当前磁道=100；磁头移动总距离=1604磁道 最短查找时间优先最短查找时间优先(SSTF)：原则：选择恳求队列中柱面号最接近于原则：选择恳求队列中柱面号最接近于当前磁头所在柱面的访问恳求作为下一当前磁头所在柱面的访问恳求作为下一个服务对象，即先执行查找时间最小的个服务对象，即先执行查找时间最小的那个恳求，而不管是否在磁臂的前进方那个恳求，而不管是否在磁臂的前进方向上还是相反。向上还是相反。优点：较好的吞吐量（比优点：较好的吞吐量（比FCFS），较低），较低的平均响应时间。的平均响应时间。缺点：缺点：响应时间变更幅度很大，因为响应时间变更幅度很大，因为对用户恳求的响应机会不均等对用户恳求的响应机会不均等:对中间磁对中间磁道的访问恳求得到最好的服务，对内，道的访问恳求得到最好的服务，对内，外两侧磁道的服务随偏离中心磁道的距外两侧磁道的服务随偏离中心磁道的距离而越远越差离而越远越差;响应时间变更幅度很大响应时间变更幅度很大:服务恳求很多时服务恳求很多时可能造成对内，外边缘磁道的恳求将会可能造成对内，外边缘磁道的恳求将会无限期地被拖延。无限期地被拖延。SSTF：当前磁道=100；磁头移动总距离=700磁道 扫描策略扫描策略(SCAN)：或基本扫描策略：或基本扫描策略SSTF算法的变种算法的变种原则：原则：选择恳求队列中按磁臂前进方向最接近选择恳求队列中按磁臂前进方向最接近于磁头当前所在柱面的访问要求作为下于磁头当前所在柱面的访问要求作为下一一 个服务对象。个服务对象。由内向外，由外向内，反复地扫描访问由内向外，由外向内，反复地扫描访问恳求，依次赐予服务。恳求，依次赐予服务。若沿此方向不再有访问恳求时，不必接若沿此方向不再有访问恳求时，不必接着扫描，而是变更移动方向着扫描，而是变更移动方向使磁臂使磁臂的移动频率和距离最小。的移动频率和距离最小。优点：吞吐量比较大，平均响应时间较优点：吞吐量比较大，平均响应时间较小。小。缺点：两侧磁道访问频率仍低于中间磁缺点：两侧磁道访问频率仍低于中间磁道道响应时间变更幅度仍有不同，但响应时间变更幅度仍有不同，但优于优于SSTF。SCAN：当前磁道=100；移动方向=OUT (向0道)磁头移动总距离=490磁道 循环扫描策略（循环扫描策略（C-SCAN）：）：SCAN扫描算法的变种。扫描算法的变种。原则：原则：磁臂总是从磁臂总是从0号柱面至最大号柱面依次扫描，到号柱面至最大号柱面依次扫描，到头后干脆返回头后干脆返回0号柱面再重复进行号柱面再重复进行_看作最大号磁看作最大号磁道的隔壁（单向扫描）道的隔壁（单向扫描）当磁臂由外向内移动过程中，只服务于在磁臂本当磁臂由外向内移动过程中，只服务于在磁臂本次移动起先前到达的访问恳求，而忽视在磁臂单次移动起先前到达的访问恳求，而忽视在磁臂单向移动过程中到达的新的访问恳求向移动过程中到达的新的访问恳求留给下一留给下一次。次。每次扫描直到对最内柱面上的访问恳求满足后，每次扫描直到对最内柱面上的访问恳求满足后，磁臂即干脆向外移动，使磁头停留在全部新的访磁臂即干脆向外移动，使磁头停留在全部新的访问恳求最外面的柱面上。然后再对本次移动前到问恳求最外面的柱面上。然后再对本次移动前到达的访问恳求依次赐予服务。达的访问恳求依次赐予服务。N步扫描策略步扫描策略:分步（组）扫描法分步（组）扫描法原则：将原则：将I/O恳求分成组，每组不超过恳求分成组，每组不超过N个恳求，个恳求，每次选一组进行扫描，处理完一组后再选下一组。每次选一组进行扫描，处理完一组后再选下一组。优点：能使优点：能使I/O恳求的等待时间不至于过长，不恳求的等待时间不至于过长，不会发生饿死现象。会发生饿死现象。C-SCAN：当前磁道=100；移动方向=IN（向内）磁头移动总距离=642磁道 当有多个磁盘驱动器的恳求同时到达，系统还必需有优先启动哪个磁盘组的恳求的决策。调度策略调度策略旋转优化策略旋转优化策略目标：削减旋转拖延时间。方法：对同一柱面上各磁道的物理块的多个访问恳求也需重新排队最短拖延时间优先！例如：P165图9.8 9.5 输入输出管理程序I/O管理系统：IO调度程序，IO交通限制程序，IO设备管理程序。概念：用户进程如何与设备管理程序发生作用？UNIX系统：设备作为一种特殊的文件来处理对输入输出的管理通过五个文件操作的功能调用来实现（打开，关闭，读，写，查找文件）普遍方法：为每一台设备建立一个管理进程，具体负责和管理该台设备的输入输出工作该类设备自己的设备管理程序的一次运行输入输出进程。用户进程通过进程通信原语与输入输出进程发生作用。设备管理程序功能：接受用户的输入输出恳求：IORB=恳求队列队尾将恳求队列的队头IORB拿来，并依据其参数要求为之形成通道程序。启动该设备工作(或执行通道程序)：设备连接字节多路通道或非安排型子通道：依设备忙闲启动设备；设备连接安排型子通道或多重通路：先由IO调度程序安排限制器和通道。处理来自设备的中断结束中断处理：UCB,CCB,CHCB状态置闲;恳求队列再调度传输错误中断处理：向系统报告错误，或执行重复处理故障中断处理：向系统报告故障。输入输出调度程序功能：为用户的数据传输恳求安排通道，限制器和设备（或虚拟设备）。依据确定的调度策略来确定先满足哪个用户的恳求。独享设备：预防和避开死锁共享设备：查找优化策略和旋转优化策略为用户恳求安排设备和传输通道（相应的限制器的通道）查找该类设备的UCB表：确定一个可用的设备；查找该设备的UCB：确定该设备与哪些限制器相连，每个限制器与哪些通道相连；安排可用的限制器和通道；否则等待。Windows NT一体化的输入输出系统I/O设备的虚拟界面：把文件系统，高速缓冲存储器，设备管理，网络管理组织成界面和操作一样的I/O系统。I/O系统的层次结构：I/O管理程序，文件系统，缓冲存储管理器，设备驱动器，网络管理器。统一的驱动程序模型：全部的驱动程序是统一的结构；具有异步I/O操作；具有映象文件I/O功能。