[精选]第五章 设备管理9352.pptx

第五章第五章设备管理设备管理设备管理设备管理设备管理设备管理内容内容内容内容vv（1 1 1 1）I/OI/OI/OI/O组成；组成；组成；组成；vv（2 2 2 2）I/OI/OI/OI/O控制；控制；控制；控制；指指指指I/OI/OI/OI/O完成的方法。完成的方法。完成的方法。完成的方法。vv（3 3 3 3）I/OI/OI/OI/O缓冲；缓冲；缓冲；缓冲；vv（4 4 4 4）I/OI/OI/OI/O分配；分配；分配；分配；vv（5 5 5 5）I/OI/OI/OI/O处理。处理。处理。处理。指具体指具体指具体指具体I/OI/OI/OI/O命令的完成过程。命令的完成过程。命令的完成过程。命令的完成过程。设备管理设备管理设备管理设备管理5.1 I/O5.1 I/O5.1 I/O5.1 I/O系统系统系统系统 5.1.1 I/O5.1.1 I/O5.1.1 I/O5.1.1 I/O设备设备设备设备vv一、类型一、类型一、类型一、类型（1 1 1 1）按速度分：）按速度分：）按速度分：）按速度分：低：键盘低：键盘低：键盘低：键盘 中：打印机中：打印机中：打印机中：打印机 高：磁盘。高：磁盘。高：磁盘。高：磁盘。（2 2 2 2）按信息交换单位分：）按信息交换单位分：）按信息交换单位分：）按信息交换单位分：块：磁盘块：磁盘块：磁盘块：磁盘,可定位可定位可定位可定位 字符：打印机、串口字符：打印机、串口字符：打印机、串口字符：打印机、串口设备管理设备管理设备管理设备管理5.1 I/O5.1 I/O5.1 I/O5.1 I/O系统系统系统系统 5.1.1 I/O5.1.1 I/O5.1.1 I/O5.1.1 I/O设备设备设备设备vv一、类型一、类型一、类型一、类型（3 3 3 3）按设备的共享属性分：）按设备的共享属性分：）按设备的共享属性分：）按设备的共享属性分：独占：如临界资源独占：如临界资源独占：如临界资源独占：如临界资源 共享：磁盘共享：磁盘共享：磁盘共享：磁盘 虚拟：如本身因有属性为独占，但将其虚拟：如本身因有属性为独占，但将其虚拟：如本身因有属性为独占，但将其虚拟：如本身因有属性为独占，但将其虚拟为几个逻辑设备。虚拟为几个逻辑设备。虚拟为几个逻辑设备。虚拟为几个逻辑设备。设备管理设备管理设备管理设备管理二、设备与控制器之间的接口：二、设备与控制器之间的接口：二、设备与控制器之间的接口：二、设备与控制器之间的接口：(图图图图5.15.15.15.1)vvCPUCPUCPUCPU控制器控制器控制器控制器设备设备设备设备vv三种信号：三种信号：三种信号：三种信号：（1 1 1 1）数据信号：）数据信号：）数据信号：）数据信号：双向，有缓存双向，有缓存双向，有缓存双向，有缓存（2 2 2 2）控制信号：控制器发给设备；要求其完成）控制信号：控制器发给设备；要求其完成）控制信号：控制器发给设备；要求其完成）控制信号：控制器发给设备；要求其完成相关操作相关操作相关操作相关操作（3 3 3 3）状态信号：设备发给控制器，后者）状态信号：设备发给控制器，后者）状态信号：设备发给控制器，后者）状态信号：设备发给控制器，后者“显示显示显示显示”；设备管理设备管理设备管理设备管理5.1.2 5.1.2 5.1.2 5.1.2 设备控制器设备控制器设备控制器设备控制器vv一、功能：接收一、功能：接收一、功能：接收一、功能：接收CPUCPUCPUCPU命令，控制命令，控制命令，控制命令，控制I/OI/OI/OI/O设备工作，解放设备工作，解放设备工作，解放设备工作，解放CPU.CPU.CPU.CPU.1.1.1.1.接收和识别命令。接收和识别命令。接收和识别命令。接收和识别命令。应有相应的应有相应的应有相应的应有相应的RegisterRegisterRegisterRegister来存放命令（来存放命令（来存放命令（来存放命令（“命令寄存器命令寄存器命令寄存器命令寄存器”）2.2.2.2.数据交换数据交换数据交换数据交换 CPUCPUCPUCPU控制器的数据寄存器控制器的数据寄存器控制器的数据寄存器控制器的数据寄存器设备设备设备设备 3.3.3.3.设备状态的了解和报告设备状态的了解和报告设备状态的了解和报告设备状态的了解和报告 设备控制器中应用设备控制器中应用设备控制器中应用设备控制器中应用“状态寄存器状态寄存器状态寄存器状态寄存器”4.4.地址识别地址识别地址识别地址识别 CPUCPUCPUCPU通过通过通过通过“地址地址地址地址”与设备通信，设备控制器应能识别与设备通信，设备控制器应能识别与设备通信，设备控制器应能识别与设备通信，设备控制器应能识别它所控制的设备地址以及其各寄存器的地址。它所控制的设备地址以及其各寄存器的地址。它所控制的设备地址以及其各寄存器的地址。它所控制的设备地址以及其各寄存器的地址。设备管理设备管理设备管理设备管理5.1.2 5.1.2 5.1.2 5.1.2 设备控制器设备控制器设备控制器设备控制器vv一、功能：接收一、功能：接收一、功能：接收一、功能：接收CPUCPUCPUCPU命令，控制命令，控制命令，控制命令，控制I/OI/OI/OI/O设备工作，解放设备工作，解放设备工作，解放设备工作，解放CPUCPUCPUCPU，5.5.5.5.数据缓冲数据缓冲数据缓冲数据缓冲 6.6.6.6.差错控制差错控制差错控制差错控制vv二、组成（图二、组成（图二、组成（图二、组成（图5.25.25.25.2）各类寄存器：数据、命令、状态各类寄存器：数据、命令、状态各类寄存器：数据、命令、状态各类寄存器：数据、命令、状态 信号线：数据线信号线：数据线信号线：数据线信号线：数据线(独立寻址、内存寻址独立寻址、内存寻址独立寻址、内存寻址独立寻址、内存寻址)、地址线、控制、地址线、控制、地址线、控制、地址线、控制线线线线 I/OI/OI/OI/O逻辑：在其控制下完成与逻辑：在其控制下完成与逻辑：在其控制下完成与逻辑：在其控制下完成与CPUCPUCPUCPU、设备的通信。、设备的通信。、设备的通信。、设备的通信。设备管理设备管理设备管理设备管理5.1.3 I/O5.1.3 I/O5.1.3 I/O5.1.3 I/O通道通道通道通道vv一、引入一、引入一、引入一、引入 通道通道通道通道一种特殊的执行一种特殊的执行一种特殊的执行一种特殊的执行I/OI/OI/OI/O指令的处理机，与指令的处理机，与指令的处理机，与指令的处理机，与CPUCPUCPUCPU共享共享共享共享内存，可以有自己的总线。内存，可以有自己的总线。内存，可以有自己的总线。内存，可以有自己的总线。引入目的引入目的引入目的引入目的解脱解脱解脱解脱CPUCPUCPUCPU对对对对I/OI/OI/OI/O的组织、管理。的组织、管理。的组织、管理。的组织、管理。CPUCPUCPUCPU只需发送只需发送只需发送只需发送I/OI/OI/OI/O命令给通道，通道通过调用内命令给通道，通道通过调用内命令给通道，通道通过调用内命令给通道，通道通过调用内存中的相应通道程序完成任务。存中的相应通道程序完成任务。存中的相应通道程序完成任务。存中的相应通道程序完成任务。设备管理设备管理设备管理设备管理5.1.3 I/O5.1.3 I/O5.1.3 I/O5.1.3 I/O通道通道通道通道vv二、类型二、类型二、类型二、类型 1.1.1.1.字节多路通道：（图字节多路通道：（图字节多路通道：（图字节多路通道：（图5-35-35-35-3）各子通道以时间片轮转方式共享通道，适用各子通道以时间片轮转方式共享通道，适用各子通道以时间片轮转方式共享通道，适用各子通道以时间片轮转方式共享通道，适用于低、中速设备。于低、中速设备。于低、中速设备。于低、中速设备。2.2.2.2.数组选择通道：数组选择通道：数组选择通道：数组选择通道：无子通道，仅一主通道，某时间由某设备独无子通道，仅一主通道，某时间由某设备独无子通道，仅一主通道，某时间由某设备独无子通道，仅一主通道，某时间由某设备独占，适于高速设备。占，适于高速设备。占，适于高速设备。占，适于高速设备。但通道未共享，利用率低。但通道未共享，利用率低。但通道未共享，利用率低。但通道未共享，利用率低。3.3.3.3.数组多路通道：数组多路通道：数组多路通道：数组多路通道：在图在图在图在图5-35-35-35-3中，多子通道不是以时间片方式，中，多子通道不是以时间片方式，中，多子通道不是以时间片方式，中，多子通道不是以时间片方式，而是而是而是而是“按需分配按需分配按需分配按需分配”，综合了前面，综合了前面，综合了前面，综合了前面2 2 2 2种通道类种通道类种通道类种通道类型的优点。型的优点。型的优点。型的优点。设备管理设备管理设备管理设备管理5.1.3 I/O5.1.3 I/O5.1.3 I/O5.1.3 I/O通道通道通道通道vv三、通道三、通道三、通道三、通道“瓶颈瓶颈瓶颈瓶颈”问题：问题：问题：问题：解决：采用复联方式解决：采用复联方式解决：采用复联方式解决：采用复联方式 图图图图5.45.45.45.4设备管理设备管理设备管理设备管理5.1.4 5.1.4 5.1.4 5.1.4 总线系统总线系统总线系统总线系统 微机微机微机微机I/OI/OI/OI/O系统系统系统系统设备控制器：与设备是一对多的关系，系统是通设备控制器：与设备是一对多的关系，系统是通过它与设备通信过它与设备通信系统系统设备控制器设备控制器 设备设备如：磁盘设备，打印设备如：磁盘设备，打印设备缺点：总线瓶颈，缺点：总线瓶颈，CPUCPU瓶颈。瓶颈。设备管理设备管理设备管理设备管理5.1.4 5.1.4 5.1.4 5.1.4 总线系统总线系统总线系统总线系统vv二、主机二、主机二、主机二、主机I/OI/OI/OI/O系统（四级结构）系统（四级结构）系统（四级结构）系统（四级结构）计算机计算机计算机计算机I/OI/OI/OI/O通道通道通道通道I/OI/OI/OI/O控制器控制器控制器控制器设备设备设备设备 I/OI/OI/OI/O通道相当于对总线的扩展，即多总线方式，且通通道相当于对总线的扩展，即多总线方式，且通通道相当于对总线的扩展，即多总线方式，且通通道相当于对总线的扩展，即多总线方式，且通道有一定的智能性，能与道有一定的智能性，能与道有一定的智能性，能与道有一定的智能性，能与CPUCPUCPUCPU并行，解决其负担。并行，解决其负担。并行，解决其负担。并行，解决其负担。ISA/EISA/LocalBUS/VESA/PCIISA/EISA/LocalBUS/VESA/PCIISA/EISA/LocalBUS/VESA/PCIISA/EISA/LocalBUS/VESA/PCI 设备管理设备管理设备管理设备管理5.2 I/O5.2 I/O5.2 I/O5.2 I/O控制方式控制方式控制方式控制方式vv四个阶段：四个阶段：四个阶段：四个阶段：程序程序程序程序I/OI/OI/OI/O中断中断中断中断I/ODMAI/ODMAI/ODMAI/ODMA控制控制控制控制通道控通道控通道控通道控制。制。制。制。趋势：提高并行度。趋势：提高并行度。趋势：提高并行度。趋势：提高并行度。设备管理设备管理设备管理设备管理5.2.1 5.2.1 5.2.1 5.2.1 程序程序程序程序I/OI/OI/OI/O（忙（忙（忙（忙等待方式）等待方式）等待方式）等待方式）查询方式：查询方式：查询方式：查询方式：CPUCPUCPUCPU需花代价不需花代价不需花代价不需花代价不断查询断查询断查询断查询I/OI/OI/OI/O状态（图状态（图状态（图状态（图5-7a5-7a5-7a5-7a）CPUCPUCPUCPU资源浪费极大。资源浪费极大。资源浪费极大。资源浪费极大。例：例：例：例：99.9ms+0.1ms=100ms 99.9ms+0.1ms=100ms 99.9ms+0.1ms=100ms 99.9ms+0.1ms=100ms 在在在在5.2.15.2.15.2.15.2.1中中中中99.999.999.999.9在忙等在忙等在忙等在忙等设备管理设备管理设备管理设备管理5.2.2 5.2.2 5.2.2 5.2.2 中断中断中断中断I/OI/OI/OI/Ovv向向向向I/OI/OI/OI/O发命令发命令发命令发命令返回返回返回返回执执执执行其它任务。行其它任务。行其它任务。行其它任务。vvI/OI/OI/OI/O中断产生中断产生中断产生中断产生CPUCPUCPUCPU转相应转相应转相应转相应中断处理程序。中断处理程序。中断处理程序。中断处理程序。vv如：读数据，读完后以中断如：读数据，读完后以中断如：读数据，读完后以中断如：读数据，读完后以中断方式通知方式通知方式通知方式通知CPUCPUCPUCPU，CPUCPUCPUCPU完成数据完成数据完成数据完成数据从从从从I/OI/OI/OI/O内存内存内存内存设备管理设备管理设备管理设备管理5.2.3 DMA5.2.3 DMA5.2.3 DMA5.2.3 DMA方式方式方式方式用于块设备中用于块设备中用于块设备中用于块设备中vv一、引入一、引入一、引入一、引入 中断中断中断中断I/OI/OI/OI/O，CPU“CPU“CPU“CPU“字节字节字节字节”干预一次，即每干预一次，即每干预一次，即每干预一次，即每“字节字节字节字节”传送产生一次中断。传送产生一次中断。传送产生一次中断。传送产生一次中断。DMADMADMADMA：由：由：由：由DMADMADMADMA控制器直接控制总线传递数据块。控制器直接控制总线传递数据块。控制器直接控制总线传递数据块。控制器直接控制总线传递数据块。DMADMADMADMA控制器完成从控制器完成从控制器完成从控制器完成从I/OI/OI/OI/O内存。内存。内存。内存。图图图图5.7c5.7c5.7c5.7cvv二、组成二、组成二、组成二、组成 一组寄存器一组寄存器一组寄存器一组寄存器+控制逻辑。图控制逻辑。图控制逻辑。图控制逻辑。图5.85.85.85.8 CRCRCRCR（命令（命令（命令（命令/状态）状态）状态）状态）;DR;DR;DR;DR（数据）（数据）（数据）（数据）;MAR;MAR;MAR;MAR（内存（内存（内存（内存地址）地址）地址）地址）;DC;DC;DC;DC（计数）（计数）（计数）（计数）DMADMADMADMA工作过程（例）：工作过程（例）：工作过程（例）：工作过程（例）：设备管理设备管理设备管理设备管理Direct Memory Access Direct Memory Access 设备管理设备管理设备管理设备管理DMADMA设备管理设备管理设备管理设备管理DMADMA设备管理设备管理设备管理设备管理DMADMA设备管理设备管理设备管理设备管理5.2.4 I/O5.2.4 I/O5.2.4 I/O5.2.4 I/O通道控制方式通道控制方式通道控制方式通道控制方式 vvDMADMADMADMA方式：对需多离散块的读取仍需要多次中断。方式：对需多离散块的读取仍需要多次中断。方式：对需多离散块的读取仍需要多次中断。方式：对需多离散块的读取仍需要多次中断。vv通道方式：通道方式：通道方式：通道方式：CPUCPUCPUCPU只需给出只需给出只需给出只需给出（1 1 1 1）通道程序首址。）通道程序首址。）通道程序首址。）通道程序首址。（2 2 2 2）要访问）要访问）要访问）要访问I/OI/OI/OI/O设备设备设备设备后，通道程序就可完成一组块操作后，通道程序就可完成一组块操作后，通道程序就可完成一组块操作后，通道程序就可完成一组块操作 操作操作P PRecordRecord计数计数内存地址内存地址WriteWrite0 00 08080813813WriteWrite0 00 014014010341034WriteWrite0 01 1606058305830WriteWrite0 01 130030020002000WriteWrite0 00 025025018501850WriteWrite1 11 1250250720720设备管理设备管理设备管理设备管理5.3 5.3 5.3 5.3 缓冲管理缓冲管理缓冲管理缓冲管理v目的：组织管理、分配、释放目的：组织管理、分配、释放bufferbufferv5.3.1 5.3.1 引入引入1.1.缓和缓和CPUCPU和和I/OI/O设备间速度不匹配的矛盾。设备间速度不匹配的矛盾。如：计算如：计算打印打印bufferbuffer打印打印2.2.减少对减少对CPUCPU的中断频率的中断频率如：如：bufferbuffer越大，越大，“buffer“buffer满满”信号发生频率越低。信号发生频率越低。3.3.提高提高CPUCPU和和I/OI/O并行性并行性 设备管理设备管理设备管理设备管理5.3 5.3 5.3 5.3 缓冲管理缓冲管理缓冲管理缓冲管理v5.3.2 5.3.2 单缓冲单缓冲由于由于C C和和T T可并行，可并行，M M和和C C或或M M和和T T不能并行，因此处理一不能并行，因此处理一块数据时间：块数据时间：Max(C,T)+MMax(C,T)+M用户进程何时阻塞？用户进程何时阻塞？设备管理设备管理设备管理设备管理5.3 5.3 5.3 5.3 缓冲管理缓冲管理缓冲管理缓冲管理v5.3.25.3.2双缓冲双缓冲效率有所提高，且进一步平滑了传输峰值。效率有所提高，且进一步平滑了传输峰值。系统处理一块数据的时间约为：系统处理一块数据的时间约为：MAX(C,T)MAX(C,T)收发可双向同时传送。（图收发可双向同时传送。（图5 51313）设备管理设备管理设备管理设备管理5.3 5.3 5.3 5.3 缓冲管理缓冲管理缓冲管理缓冲管理v5.3.3 5.3.3 循环多缓冲循环多缓冲类型：类型：R:R:空缓冲；空缓冲；G G：满缓冲；：满缓冲；C C：当前缓冲：当前缓冲设备管理设备管理设备管理设备管理循环多缓冲的使用循环多缓冲的使用循环多缓冲的使用循环多缓冲的使用vnextnextg g：指示下一个应取数据的：指示下一个应取数据的bufbufvnextnexti i：指示下一个空：指示下一个空buf.buf.vGetbufGetbuf：取取nextnextg g对应缓冲区提供使用，将对应缓冲区提供使用，将NextNextg g置为空，置为空，NextNextg g=（NextNextg g+1+1）Mod NMod N将将NextNexti i对应缓冲区提供使用，将对应缓冲区提供使用，将NextNexti i置为满，置为满，NextNexti i=（NextNexti i+1+1）Mod NMod NvReleasebuf:Releasebuf:若若C C满，则改为满，则改为G G；若若C C空，则改为空，则改为R R；设备管理设备管理设备管理设备管理循环多缓冲的同步问题循环多缓冲的同步问题循环多缓冲的同步问题循环多缓冲的同步问题vNextNexti i 追上追上NextNextg g：表示输入速度表示输入速度 输出速度，全部输出速度，全部bufbuf满，这时输入进程满，这时输入进程阻塞阻塞vNextNextg g追上追上NextNexti i：输入速度输入速度 read();dev_op-read();设备管理设备管理设备管理设备管理5.4.3 5.4.3 5.4.3 5.4.3 设备独立性设备独立性设备独立性设备独立性三三.名字映射名字映射LUTLUT的生成的生成在用户进程第一次请求设备时完成映射并在在用户进程第一次请求设备时完成映射并在LUTLUT中生成相中生成相应项应项LUTLUT的配置的配置（1 1）整个系统一张）整个系统一张LUTLUT表：表：要求：逻辑名不重复，（一般用于单用户系要求：逻辑名不重复，（一般用于单用户系统）统）（2 2）每个用户一张）每个用户一张LUTLUT表。表。可重名可重名/可限制用户对某些设备的使用。可限制用户对某些设备的使用。逻辑设备逻辑设备物理设备物理设备DriverDriver入口入口设备管理设备管理设备管理设备管理5.4.4 5.4.4 5.4.4 5.4.4 独占设备分配程序独占设备分配程序独占设备分配程序独占设备分配程序 进程进程n n请求设备：请求设备：beginbegin search(sdt,phdevice)search(sdt,phdevice)ifif not busy(phdevice)then not busy(phdevice)then begin begin compute(safe)compute(safe)对独占设备对独占设备 if safe then alloc(n,phdevice);if safe then alloc(n,phdevice);else begin else begin insert(DL(phdevice),n);-insert(DL(phdevice),n);-将将n n插入设备等待队列插入设备等待队列DLDL上上 return return end;end;end;end;设备管理设备管理设备管理设备管理设备忙设备忙elseelse begin;begin;insert(DL(phdevice),n);insert(DL(phdevice),n);return;return;end;end;controllerid=controllerid(COCT ptr(dct);controllerid=controllerid(COCT ptr(dct);devicedevice分配成功分配成功if not busy(COCT(controllerid)thenif not busy(COCT(controllerid)then alloc(n,controllerid);alloc(n,controllerid);else beginelse begin insert(col,n);insert(col,n);return;return;end;end;channeled=channeled(chatptr(controllerid);channeled=channeled(chatptr(controllerid);控制器分配成功控制器分配成功设备管理设备管理设备管理设备管理if not busy(chct(channelid)thenif not busy(chct(channelid)then allocation(n,channelid);allocation(n,channelid);else beginelse begin insert(chl,n)insert(chl,n)return;return;end;end;end;end;优化：优化：1 1）增加设备的独立性）增加设备的独立性2 2）考虑多通路情况）考虑多通路情况设备管理设备管理设备管理设备管理5.4.5 SPOOLING5.4.5 SPOOLING5.4.5 SPOOLING5.4.5 SPOOLING技术技术技术技术 v1 1概念概念假脱机技术，在联机情况下同时出现外围操作假脱机技术，在联机情况下同时出现外围操作 作用：通过缓冲方式，将独占设备改造为共享设备作用：通过缓冲方式，将独占设备改造为共享设备 设备管理设备管理设备管理设备管理2 2 2 2、spoolingspoolingspoolingspooling组成：组成：组成：组成：v1.1.输入和输出：输入和输出：在磁盘上开辟的在磁盘上开辟的2 2个大存储空间，模拟输入和输出设备。个大存储空间，模拟输入和输出设备。v2.2.输入输入bufbuf和输出和输出bufbuf（内存中）（内存中）输入设备输入设备输入输入bufbuf输入输入#用户区（用户区（1 1）用户区用户区输出输出#输出输出bufbuf设备（设备（2 2）v3.3.输入输入SpiSpi和输出和输出SPoSPo进程。进程。分别控制（分别控制（1 1），（），（2 2）的动作。）的动作。SPiSPi相当于脱机输入控制器。相当于脱机输入控制器。SPoSPo相当于脱机输出控制器。相当于脱机输出控制器。设备管理设备管理设备管理设备管理3 3 3 3例例例例v(1)(1)输入输入a.a.进程进程n n请求请求 SPi SPi为为n n在输入中分配空间在输入中分配空间设设备数据由输入备数据由输入bufbuf送输入送输入#生成生成输入请求表输入请求表挂输入请挂输入请求队列。求队列。b.CPUb.CPU空空取请求表中的任务取请求表中的任务,送进程缓冲区。送进程缓冲区。v（2 2）输出：（打印）输出：（打印）a.a.进程进程n n请求请求SPoSPo为为n n在输出在输出#中分配空间中分配空间将数将数据由进程据由进程bufbuf转到输出转到输出#生成一生成一打印请求表打印请求表挂打印请挂打印请求队列。求队列。b.b.打印机空打印机空查打印请求表中的任务查打印请求表中的任务 取输出取输出中对于数据中对于数据输出输出buf buf 打印打印设备管理设备管理设备管理设备管理4 4 4 4特点特点特点特点 v1.1.提高提高I/OI/O速度：速度：对低速设备操作对低速设备操作变为对输入变为对输入/出出#操作。操作。v2.2.将独占设备改造为共享设备将独占设备改造为共享设备分配设备的实质时分配输入分配设备的实质时分配输入/出出#v3.3.实现了虚拟设备功能实现了虚拟设备功能设备管理设备管理设备管理设备管理5.55.55.55.5设备处理设备处理设备处理设备处理v设备处理程序即是设备驱动程序。设备处理程序即是设备驱动程序。v设备驱动程序的功能和特点设备驱动程序的功能和特点v设备驱动程序的处理过程设备驱动程序的处理过程设备管理设备管理设备管理设备管理设备驱动程序的功能和特点设备驱动程序的功能和特点设备驱动程序的功能和特点设备驱动程序的功能和特点v功能：功能：接收进程的接收进程的I/O命令命令检查命令合法性检查命令合法性检查设备状态检查设备状态设置设备工作方式设置设备工作方式驱动驱动I/O操作操作响应设备中断响应设备中断构成通道程序构成通道程序设备管理设备管理设备管理设备管理设备驱动程序的功能和特点设备驱动程序的功能和特点设备驱动程序的功能和特点设备驱动程序的功能和特点v特点：特点：和硬件紧密相关、各个设备有自己的设备驱动和硬件紧密相关、各个设备有自己的设备驱动设备管理设备管理设备管理设备管理5.5.25.5.25.5.25.5.2设备驱动程序处理过程设备驱动程序处理过程设备驱动程序处理过程设备驱动程序处理过程v包括包括启动过程启动过程中断处理过程中断处理过程v启动过程启动过程将抽象要求转化为具体要求将抽象要求转化为具体要求检查检查I/O请求合法性请求合法性读出和检查设备状态读出和检查设备状态传送必要的参数传送必要的参数设置工作方式设置工作方式启动启动I/O设备设备设备管理设备管理设备管理设备管理5.5.35.5.35.5.35.5.3中断处理程序中断处理程序中断处理程序中断处理程序v流程流程设备启动设备启动I/O完成完成发送中断发送中断CPU调用中断处理调用中断处理过程过程v中断处理过程中断处理过程唤醒被阻塞的唤醒被阻塞的驱动驱动程序进程程序进程保护被中断进程环境保护被中断进程环境转入相应的设备处理程序转入相应的设备处理程序中断处理中断处理(特性特性)恢复被中断进程的现场恢复被中断进程的现场设备管理设备管理设备管理设备管理5.65.65.65.6磁盘存储器管理磁盘存储器管理磁盘存储器管理磁盘存储器管理v5.6.1 5.6.1 磁盘性能简述磁盘性能简述 一、数据组织和格式（图一、数据组织和格式（图5 52222）磁道磁道扇区扇区字节字节二、类型二、类型1.1.固定头磁盘：固定头磁盘：每个磁道上有一个磁头，快每个磁道上有一个磁头，快2.2.移动头磁盘：移动头磁盘：每个盘面仅有一个磁头，慢每个盘面仅有一个磁头，慢 设备管理设备管理设备管理设备管理5.6.1 5.6.1 5.6.1 5.6.1 磁盘性能简述磁盘性能简述磁盘性能简述磁盘性能简述v三、磁盘访问时间：三、磁盘访问时间：v1.1.寻道时间：寻道时间：T TS S=m*n+S=m*n+Sm m：常量，：常量，n n：磁道数，：磁道数，s s：磁盘启动时间。：磁盘启动时间。v2.2.旋转延时间旋转延时间TrTr：指定扇区旋转到磁头下所需时间。指定扇区旋转到磁头下所需时间。设每秒设每秒r r转，则转，则TrTr1/2r1/2r（均值）（均值）v3.3.数据传输时间数据传输时间TtTtb/rNb/rNb b：读写字节数：读写字节数N N：每道上的字节数：每道上的字节数访问时间：访问时间：Ta=Ts+1/2r+b/rNTa=Ts+1/2r+b/rNv可见，由于特定磁盘，只有集中放数据，集中读写（可见，由于特定磁盘，只有集中放数据，集中读写（b b大）大）才能更好提高传输效率。才能更好提高传输效率。设备管理设备管理设备管理设备管理例子例子例子例子vv寻道时间寻道时间寻道时间寻道时间:20ms:20ms:20ms:20msvv磁盘通道传输速率磁盘通道传输速率磁盘通道传输速率磁盘通道传输速率:1MB/s:1MB/s:1MB/s:1MB/svv转速转速转速转速r=3600rpmr=3600rpmr=3600rpmr=3600rpmvv每扇区每扇区每扇区每扇区512512512512字节字节字节字节vv每磁道每磁道每磁道每磁道32 32 32 32 扇区扇区扇区扇区vv目标：读目标：读目标：读目标：读 128k 128k 128k 128k 数据数据数据数据设备管理设备管理设备管理设备管理时间比较时间比较时间比较时间比较v60*16k=960k1MB/s60*16k=960k1MB/s60*16k=960k1MB/s60*16k=960k1MB/sv顺序组织顺序组织顺序组织顺序组织(20(20(20(208.38.38.38.316.7)16.7)16.7)16.7)(8.3(8.3(8.3(8.316.7)716.7)716.7)716.7)7220(ms)220(ms)220(ms)220(ms)v随机组织随机组织随机组织随机组织(20(20(20(208.38.38.38.30.5)2560.5)2560.5)2560.5)2567373(ms)7373(ms)7373(ms)7373(ms)设备管理设备管理设备管理设备管理5.6.2 5.6.2 5.6.2 5.6.2 磁盘调度磁盘调度磁盘调度磁盘调度 v目标：减少寻道时间目标：减少寻道时间v一、一、FCFSFCFS（Fisrt Come First SecondFisrt Come First Second）特点：简单，寻道时间长，相当于随机访问模式。特点：简单，寻道时间长，相当于随机访问模式。v二、二、SSTFSSTF（最短寻道优先）（最短寻道优先）v三、扫描算法。三、扫描算法。1.1.进程进程“饥饿现象饥饿现象”SSTFSSTF存在。存在。2.SCAN2.SCAN算法：算法：在移动方向固定的情况下采用了在移动方向固定的情况下采用了SSTFSSTF，以避免饥饿现，以避免饥饿现象象 FCFSFCFS调度算法调度算法调度算法调度算法 SSTF SSTF调度算法调度算法调度算法调度算法100道开始道开始被访问的下一被访问的下一个磁道个磁道移动距离移动距离5545583391918219072160701501038112184146平均寻道长度：平均寻道长度：55.3100道开始道开始被访问的下一被访问的下一个磁道个磁道移动距离移动距离90105832553391638118201501321601018424平均寻道长度：平均寻道长度：27.5设备管理设备管理设备管理设备管理5.6.2 5.6.2 5.6.2 5.6.2 磁盘调度磁盘调度磁盘调度磁盘调度v四、循环扫描四、循环扫描CSCANCSCAN（图（图9-59-5）一个方向读完，不是象一个方向读完，不是象SCANSCAN那样回头，而是循环。那样回头，而是循环。访问时间：访问时间：2T2TT+SmaxT+Smaxv五、五、NStepSCANNStepSCAN和和FSCANFSCAN算法。算法。1.NStepSCAN1.NStepSCAN粘臂：由于连续对某磁道访问引起的垄断访问，将磁粘臂：由于连续对某磁道访问引起的垄断访问，将磁盘请求队列分为长为盘请求队列分为长为N N的子队列的子队列m m个，如下图处理。当个，如下图处理。当N=1N=1时，为时，为FCFSFCFS。当。当N N时，为时，为SCAN.SCAN.设备管理设备管理设备管理设备管理5.6.2 5.6.2 5.6.2 5.6.2 磁盘调度磁盘调度磁盘调度磁盘调度v2.FSCAN 2.FSCAN SCANSCAN调度算法调度算法调度算法调度算法 CSCAN CSCAN调度算法调度算法调度算法调度算法100道开始，增加方向道开始，增加方向被访问的下一被访问的下一个磁道个磁道移动距离移动距离1505016010184249094583255339163811820平均寻道长度：平均寻道长度：27.8100道开始，增加方向道开始，增加方向被访问的下一被访问的下一个磁道个磁道移动距离移动距离15050160101842418166382039155165839032平均寻道长度：平均寻道长度：27.5设备管理设备管理设备管理设备管理5.6.3 5.6.3 磁盘高速缓存磁盘高速缓存磁盘高速缓存磁盘高速缓存v形式形式逻辑上是磁盘、物理上是驻留在内存中的盘块逻辑上是磁盘、物理上是驻留在内存中的盘块固定大小和可变大小固定大小和可变大小v数据交付方式数据交付方式数据交付指将磁盘高速缓存中的数据传送给请求者进程数据交付指将磁盘高速缓存中的数据传送给请求者进程步骤：先查缓存、后查磁盘并更新缓存步骤：先查缓存、后查磁盘并更新缓存方式：方式：数据交付数据交付指针交付指针交付设备管理设备管理设备管理设备管理5.6.3 5.6.3 磁盘高速缓存磁盘高速缓存磁盘高速缓存磁盘高速缓存v置换算法置换算法最近最久最近最久访问频率访问频率可预见性可预见性数据一致性：将需要一致性的块放在替换队列的头部，数据一致性：将需要一致性的块放在替换队列的头部，优先回写。优先回写。v周期性回写磁盘周期性回写磁盘例：例：msdos采用写穿透方式采用写穿透方式设备管理设备管理设备管理设备管理5.6.4 5.6.4 提高磁盘提高磁盘提高磁盘提高磁盘I/OI/O速度的其它方法速度的其它方法速度的其它方法速度的其它方法v提前读提前读v延迟写延迟写访问频率高的磁盘块放在替换队列的尾部，减少回写访问频率高的磁盘块放在替换队列的尾部，减少回写次数次数v优化物理块的分布优化物理块的分布目的是减小磁头移动距离目的是减小磁头移动距离簇分配方式：一个簇为多个连续的块簇分配方式：一个簇为多个连续的块v虚拟盘（虚拟盘（RAM盘）盘）和磁盘高速缓存区别：虚拟盘由用户控制；磁盘高速和磁盘高速缓存区别：虚拟盘由用户控制；磁盘高速缓存由系统控制。缓存由系统控制。设备管理设备管理设备管理设备管理5.6.5 5.6.5 5.6.5 5.6.5 廉价磁盘冗余阵列廉价磁盘冗余阵列廉价磁盘冗余阵列廉价磁盘冗余阵列vv并行交叉存取（条化存取）并行交叉存取（条化存取）并行交叉存取（条化存取）并行交叉存取（条化存取）vv冗余存取冗余存取冗余存取冗余存取vv校验存取校验存取校验存取校验存取vv优点优点优点优点 可靠性高可靠性高可靠性高可靠性高 磁盘磁盘磁盘磁盘I/OI/O速度高速度高速度高速度高 性价比高性价比高性价比高性价比高设备管理设备管理设备管理设备管理RAID 0(RAID 0(RAID 0(RAID 0(不冗余）不冗余）不冗余）不冗余）设备管理设备管理设备管理设备管理RAID 0RAID 0设备管理设备管理设备管理设备