操作系统-设备管理.ppt

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1、第五章设备管理第五章 设备管理5.2 I/O控制方式5.3 缓冲管理5.4 I/O软件5.5 设备分配5.6 磁盘存储器管理5.1 I/O系统5.1 I/O系统n引述引述n在计算机系统中，除了处理机和存储器外，还有用于在计算机系统中，除了处理机和存储器外，还有用于实现信息输入、输出和存储的设备，以及相应的设备实现信息输入、输出和存储的设备，以及相应的设备控制器，控制器，I/O通道或通道或I/O处理机等。处理机等。n设备管理的对象设备管理的对象n主要是主要是I/O设备，另外还有设备控制器和设备，另外还有设备控制器和I/O通道。通道。n设备管理的基本任务设备管理的基本任务n完成用户提出的完成用户提

2、出的I/O请求，提高请求，提高I/O速率以及提高速率以及提高I/O设备的利用设备的利用率。率。nI/O设备种类多，且特性和操作方式相差很大，使得设设备种类多，且特性和操作方式相差很大，使得设备管理成为备管理成为OS中最繁杂且与硬件最紧密相关的部分。中最繁杂且与硬件最紧密相关的部分。nI/O性能经常成为系统性能的瓶颈。性能经常成为系统性能的瓶颈。5.1 I/O系统n5.1.1 I/O设备设备n1、I/O设备的类型设备的类型n（1）按使用特性分类）按使用特性分类n存储设备：如磁盘。存储设备：如磁盘。n输入输入/输出设备：输出设备：输入：如键盘、鼠标、扫描仪、摄像头、传感器输出：如打印机显示器、音响

3、输出。n（2）按传输速率分类）按传输速率分类n低速设备：速度每秒几字节至数百个字节低速设备：速度每秒几字节至数百个字节如键盘、鼠标器、语音的输入输出等设备。n中速设备：每秒数千个字节至数十万个字节中速设备：每秒数千个字节至数十万个字节如行式打印机、激光打印机等。n高速设备：每秒数百个千字节至千兆字节高速设备：每秒数百个千字节至千兆字节如磁带机、磁盘机、光盘机等。5.1 I/O系统n5.1.1 I/O设备设备n1、I/O设备的类型设备的类型n（3）按信息交换的单位分类）按信息交换的单位分类n块设备：以数据块为单位存取信息，如磁盘。块设备：以数据块为单位存取信息，如磁盘。传输速率高几兆位每秒，可寻

4、址n字符设备：以字符为单位存取信息，如键盘、打印机等。字符设备：以字符为单位存取信息，如键盘、打印机等。传输速率低，几百至几千字节，不可寻址，常采用中断驱动方式进行输入输出。n（4）按共享属性分类）按共享属性分类n独占设备：一段时间内存只允许一个进程访问的设备。独占设备：一段时间内存只允许一个进程访问的设备。n共享设备：一段时间内允许多个进程同时访问的设备。共享设备：一段时间内允许多个进程同时访问的设备。n虚拟设备：通过虚拟技术将一台独占设备变幻成多台逻辑设备，供多个进程同时使虚拟设备：通过虚拟技术将一台独占设备变幻成多台逻辑设备，供多个进程同时使用。用。5.1 I/O系统n5.1.1 I/O

5、设备设备n2、I/O设备与控制器之间的接口设备与控制器之间的接口n通常，设备并不是直接与通常，设备并不是直接与CPU进行通信，而是与设备控制器通信。因此，在进行通信，而是与设备控制器通信。因此，在设备与设备控制器之间应有一接口。设备与设备控制器之间应有一接口。n数据信号线：传输数据信号数据信号线：传输数据信号n控制信号线：发送控制信号，规定设备执行的操作控制信号线：发送控制信号，规定设备执行的操作n状态信号线：指示设备当前状态信号状态信号线：指示设备当前状态信号5.1 I/O系统n5.1.2 设备控制器设备控制器n1、基本概念、基本概念n设备控制器是设备控制器是CPU与与I/O设备间的接口设备

6、间的接口n设备控制器接收从设备控制器接收从CPU发来的命令，并控制发来的命令，并控制I/O设备工作，使处理机从繁杂的设备工作，使处理机从繁杂的设备控制事务中解脱出来。设备控制事务中解脱出来。n设备控制器常做成印刷电路卡形式，称为接口卡，如显卡、声卡等。设备控制器常做成印刷电路卡形式，称为接口卡，如显卡、声卡等。n设备控制器可控制一个或多个同类设备控制器可控制一个或多个同类I/O设备。设备。5.1 I/O系统n5.1.2 设备控制器设备控制器n2、基本功能、基本功能n（1）接收和识别命令）接收和识别命令 n（2）数据交换）数据交换 n（3）标识和报告设备的状态）标识和报告设备的状态 n（4）地址

7、识别）地址识别 n（5）数据缓冲）数据缓冲 n（6）差错控制）差错控制5.1 I/O系统n5.1.2 设备控制器设备控制器n3、设备控制器的组成、设备控制器的组成n设备控制器处于设备控制器处于CPU与设备之间，它既要与与设备之间，它既要与CPU通信，又要与设备通信，还通信，又要与设备通信，还应具有应具有 按照按照CPU所发来的命令去控制设备工作的功能。所发来的命令去控制设备工作的功能。n由以下三部分组成：由以下三部分组成：n设备控制器与设备控制器与CPU的接口的接口 n设备控制器与设备的接口设备控制器与设备的接口 nI/O逻辑逻辑 设备控制器设备控制器CPUCPU设备设备1 1设备设备i i5

8、.1 I/O系统n5.1.2 设备控制器设备控制器n3、设备控制器的组成、设备控制器的组成设备控制器设备控制器设设备备1 1设设备备i iCPU5.1 I/O系统n5.1.3 I/O通道通道n1、I/O通道的引入通道的引入n虽然在虽然在CPU与与I/O设备之间增加了设备控制器，但当外设很多时，设备之间增加了设备控制器，但当外设很多时，CPU的负担的负担仍很重。为此，在仍很重。为此，在CPU和设备控制器之间又增设了和设备控制器之间又增设了I/O通道。其目的是使一些通道。其目的是使一些原来由原来由CPU处理的处理的I/O任务转由通道来承担，从而进一步把任务转由通道来承担，从而进一步把CPU从繁杂的

9、从繁杂的I/O任任务中解脱出来。务中解脱出来。nI/O通道是一种特殊的处理机，专门负责数据的输入输出操作。具有执行通道是一种特殊的处理机，专门负责数据的输入输出操作。具有执行I/O指指令的能力，令的能力，I/O指令用来控制指令用来控制I/O操作。操作。5.1 I/O系统n5.1.3 I/O通道通道n2、I/O通道的类型通道的类型n字节多路通道字节多路通道n主通道以字节为单位传送数据，多个子通道与每主通道以字节为单位传送数据，多个子通道与每个设备连接，子通道按时间片轮转方式共享主通个设备连接，子通道按时间片轮转方式共享主通道。抢占式。道。抢占式。n数组选择通道数组选择通道n主通道按数组方式传送数

10、据，只有一个子通道连主通道按数组方式传送数据，只有一个子通道连接设备，子通道非抢占式使用通道传输数据。接设备，子通道非抢占式使用通道传输数据。n数组多路通道数组多路通道n主通道按数组方式传送数据，多个子通道与设备主通道按数组方式传送数据，多个子通道与设备连接，子通道按时间片轮转方式共享主通道。连接，子通道按时间片轮转方式共享主通道。5.1 I/O系统n5.1.3 I/O通道通道n2、I/O通道的类型通道的类型n字节多路通道的工作原理字节多路通道的工作原理5.1 I/O系统n5.1.3 I/O通道通道n3、“瓶颈瓶颈”问题问题n由于通道价格昂贵，致使机器中所设置的通道数量势必较少，这又往往使它由

11、于通道价格昂贵，致使机器中所设置的通道数量势必较少，这又往往使它成为成为I/O 的瓶颈，进而造成整个系统吞吐量的下降。的瓶颈，进而造成整个系统吞吐量的下降。5.1 I/O系统n5.1.3 I/O通道通道n3、“瓶颈瓶颈”问题问题n解决方案：增加设备到主机间的通路而不增加通道。解决方案：增加设备到主机间的通路而不增加通道。5.1 I/O系统n5.1.4 总线系统总线系统n计算机系统中的各部件，如计算机系统中的各部件，如cpu、存储器及各种、存储器及各种I/O设备之间的联系，都设备之间的联系，都是通过总线实现的。是通过总线实现的。5.1 I/O系统n5.1.4 总线系统总线系统n与主板连接的接口主

12、要与主板连接的接口主要ISA、EISA、VESA、PCI、AGP等几种。等几种。nISA和和EISA总线带宽窄、速度慢，总线带宽窄、速度慢，VESA总线扩展能力总线扩展能力差，这三种总线已经被市场淘汰。差，这三种总线已经被市场淘汰。n现在常见的是现在常见的是PCI和和AGP接口。接口。nPCI总线接口，以总线接口，以1/2或或1/3的系统总线频率工作，如果的系统总线频率工作，如果要在处理图像数据的同时处理其它数据，那么流经要在处理图像数据的同时处理其它数据，那么流经PCI总线的全部数据就必须分别地进行处理，这样势必存总线的全部数据就必须分别地进行处理，这样势必存在数据滞留现象，在数据量大时，在

13、数据滞留现象，在数据量大时，PCI总线就显得很紧总线就显得很紧张。张。nAGP接口可以解决这个问题，它是一种专用的显示接接口可以解决这个问题，它是一种专用的显示接口，具有独占总线的特点，只有图像数据才能通过口，具有独占总线的特点，只有图像数据才能通过AGP端口，数据传输率高。端口，数据传输率高。5.1 I/O系统n5.1.4 总线系统总线系统5.1 I/O系统n5.1.4 总线系统总线系统5.1 I/O系统n5.1.4 总线系统总线系统第五章 设备管理5.2 I/O控制方式5.3 缓冲管理5.4 I/O软件5.5 设备分配5.6 磁盘存储器管理5.1 I/O系统5.2 I/O控制方式n 随着计

14、算机技术的发展，随着计算机技术的发展，I/O控制方式也在不断地控制方式也在不断地发展。发展。nI/O控制方式的发展经历了以下四个阶段：控制方式的发展经历了以下四个阶段：n5.2.1 程序程序I/O方式方式n5.2.2 中断驱动中断驱动I/O控制方式控制方式n5.2.3 直接存储器访问直接存储器访问(DMA)I/O控制方式控制方式n5.2.4 I/O通道控制方式通道控制方式5.2 I/O控制方式n5.2.1 程序程序I/O方式方式n又称忙又称忙等待方式。等待方式。n在该方式中，由于在该方式中，由于CPU的高速性和的高速性和I/O设备的设备的低速性，致使低速性，致使CPU的的绝大部分时间都处于绝大

15、部分时间都处于等待等待I/O设备完成数据设备完成数据I/O的循环测试中，的循环测试中，造成对造成对CPU的极大浪费。的极大浪费。5.2 I/O控制方式n5.2.2 中断驱动中断驱动I/O控制方式控制方式n在在I/O设备输入每个数据过程中设备输入每个数据过程中，无须，无须CPU干预，可使干预，可使CPU与与I/O设备并行工作。仅当传输完设备并行工作。仅当传输完一个数据时，才需一个数据时，才需CPU花极短花极短时间处理中断。时间处理中断。n这样可使这样可使CPU和和I/O设备都设备都处于忙碌状态，从而提高处于忙碌状态，从而提高了整个系统的资源利用率及了整个系统的资源利用率及吞吐量。吞吐量。n这种方

16、式适用于打印机、这种方式适用于打印机、键盘等以字符为单位传送键盘等以字符为单位传送的字符设备。的字符设备。5.2 I/O控制方式n5.2.3 直接存储器访问直接存储器访问(DMA)I/O控制方式控制方式n虽然中断驱动虽然中断驱动I/O比程序比程序I/O方式方式更有效，但它是以字更有效，但它是以字(节节)为单位为单位进行进行I/O的，若将这种方式用于的，若将这种方式用于块设备的块设备的I/O，显然将会是极其，显然将会是极其低效的。低效的。n为进一步减少为进一步减少CPU对对I/O的干预，的干预，引入了直接存储器访问引入了直接存储器访问(Direct Memory Access)方式。方式。nDM

17、A控制方式适用于磁盘等块设备的控制方式适用于磁盘等块设备的I/O。5.2 I/O控制方式n5.2.3 直接存储器访问直接存储器访问(DMA)I/O控制方式控制方式n特点特点n 数据传输的基本单位是数据块；数据传输的基本单位是数据块；n 所传送的数据是从设备直接送入内存的，或者相反；所传送的数据是从设备直接送入内存的，或者相反；n 仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时，才需仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时，才需CPU干预，整块数据的干预，整块数据的传送是在控制器的控制下完成的。传送是在控制器的控制下完成的。n可见，可见，DMA方式较之中断驱动方式，又是成百倍地减少了方式较之中断驱动方式，

18、又是成百倍地减少了CPU对对I/O的干预，的干预，进一步提高了进一步提高了CPU与与I/O设备的并行操作程度。设备的并行操作程度。5.2 I/O控制方式n5.2.3 直接存储器访问直接存储器访问(DMA)I/O控制方式控制方式nDMA控制器的组成控制器的组成n主机与主机与DMA控制器的接口；控制器的接口；nDMA控制器与块设备的接口；控制器与块设备的接口；nI/O控制逻辑；控制逻辑；5.2 I/O控制方式n5.2.3 直接存储器访问直接存储器访问(DMA)I/O控制方式控制方式nDMA从处理器那里取得控制权，通过系统总线在主存和设备之间传输数从处理器那里取得控制权，通过系统总线在主存和设备之间

19、传输数据据nDMA使用使用“周期挪用技术周期挪用技术”挪用一个总线周期来传输数据挪用一个总线周期来传输数据,使得使得CPU的执的执行变得慢了。行变得慢了。5.2 I/O控制方式n5.2.4 I/O通道控制方式通道控制方式n采用采用DMA方式可一次性读取一个数据块的内容，但当方式可一次性读取一个数据块的内容，但当我们需要一次去读多个数据块且将它们分别传送到不我们需要一次去读多个数据块且将它们分别传送到不同的内存区域时，则需要同的内存区域时，则需要CPU进行多次中断来处理。进行多次中断来处理。nI/O通道方式是通道方式是DMA方式的发展，可一次完成多个数据方式的发展，可一次完成多个数据块的读块的读

20、/写及有关的控制和管理，期间不需要写及有关的控制和管理，期间不需要CPU的干的干预，从而实现预，从而实现CPU、通道、通道、I/O设备三者并行操作，提设备三者并行操作，提高系统资源利用率。高系统资源利用率。n例如，当例如，当CPU要完成一组相关的读要完成一组相关的读(或写或写)操作及有关控操作及有关控制时，只需向制时，只需向I/O通道发送一条通道发送一条I/O指令，以给出其所要指令，以给出其所要执行的通道程序的首址和要访问的执行的通道程序的首址和要访问的I/O设备，通道接到设备，通道接到该指令后，通过执行通道程序便可完成该指令后，通过执行通道程序便可完成CPU指定的指定的I/O任务。任务。第五

21、章 设备管理5.2 I/O控制方式5.3 缓冲管理5.4 I/O软件5.5 设备分配5.6 磁盘存储器管理5.1 I/O系统5.3 缓冲管理n5.3.1 缓冲的引入缓冲的引入n目的目的n(1)缓和缓和CPU与与I/O设备间速度不匹配的矛盾。设备间速度不匹配的矛盾。n(2)减少对减少对CPU的中断频率，的中断频率，放宽对放宽对CPU中断响应时间的限制。中断响应时间的限制。n(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。n缓冲技术缓冲技术n 单缓冲单缓冲n 双缓冲双缓冲n 循环缓冲循环缓冲n 缓冲池缓冲池5.3 缓冲管理n5.3.2 单缓冲和双缓冲单缓冲和双缓冲n1、单缓冲、单

22、缓冲n单缓冲是单缓冲是OS提供的最简单的一种缓冲形式。每当一个用户进程发出一提供的最简单的一种缓冲形式。每当一个用户进程发出一I/O请求请求时，操作系统便在主存中为之分配一缓冲区。时，操作系统便在主存中为之分配一缓冲区。n在块设备输入时，缓冲区用于暂存块设备输入的一块数据；在块设备输入时，缓冲区用于暂存块设备输入的一块数据；n在字符设备输入时，缓冲区用于暂存用户输入的一行数据。在字符设备输入时，缓冲区用于暂存用户输入的一行数据。5.3 缓冲管理n5.3.2 单缓冲和双缓冲单缓冲和双缓冲n1、单缓冲、单缓冲n系统对每一块数据的处理时间表示为系统对每一块数据的处理时间表示为Max(C,T)+M。5

23、.3 缓冲管理n5.3.2 单缓冲和双缓冲单缓冲和双缓冲n2、双缓冲、双缓冲n为了加快输入、输出速度和提高设备利用率，又引入了双缓冲工作方式，也为了加快输入、输出速度和提高设备利用率，又引入了双缓冲工作方式，也称为缓冲对换（称为缓冲对换（Buffer Swapping）方式。）方式。n在设备输入时，先将数据输入第一缓冲区，装满后便转向第二缓冲区。在设备输入时，先将数据输入第一缓冲区，装满后便转向第二缓冲区。此时此时操作系统可从第一缓冲区中移出数据送用户进程区，接着由操作系统可从第一缓冲区中移出数据送用户进程区，接着由CPU对数据进行对数据进行计算。计算。5.3 缓冲管理n5.3.2 单缓冲和双

24、缓冲单缓冲和双缓冲n2、双缓冲、双缓冲n在双缓冲时，系统处理一块数据的时间可粗略地认为是在双缓冲时，系统处理一块数据的时间可粗略地认为是Max(C,T)。5.3 缓冲管理n5.3.2 单缓冲和双缓冲单缓冲和双缓冲n2、双缓冲、双缓冲n当两台机器之间通信时，如果采用单缓冲技术，它们之间的任一时刻都只能当两台机器之间通信时，如果采用单缓冲技术，它们之间的任一时刻都只能实现单方向的数据传输。为了实现双向数据传输，必须在两台机器中都设置实现单方向的数据传输。为了实现双向数据传输，必须在两台机器中都设置两个缓冲区。两个缓冲区。5.3 缓冲管理n5.3.3 循环缓冲循环缓冲n当输入、输出或生产者当输入、输

25、出或生产者-消费者的速度相差甚远时，双缓冲的效果则不够消费者的速度相差甚远时，双缓冲的效果则不够理想，但可以增加缓冲区数量而使情况有所改善。因此，引入了多缓冲，理想，但可以增加缓冲区数量而使情况有所改善。因此，引入了多缓冲，并将多缓冲组织成循环缓冲形式。并将多缓冲组织成循环缓冲形式。5.3 缓冲管理n5.3.3 循环缓冲循环缓冲n循环缓冲的组成循环缓冲的组成n多个缓冲区：每个缓冲区大小相同，分成三类：多个缓冲区：每个缓冲区大小相同，分成三类：n空缓冲区空缓冲区R、已装满数据的缓冲区、已装满数据的缓冲区G、现行工作缓冲区、现行工作缓冲区Cn多个指针多个指针nNextg指示计算进程下一个可用的缓冲

26、区指示计算进程下一个可用的缓冲区G；nNexti指示输入进程下次可用的空缓冲区指示输入进程下次可用的空缓冲区R；nCurrent指示计算进程正在使用的缓冲区单元。指示计算进程正在使用的缓冲区单元。5.3 缓冲管理n5.3.4 缓冲池（缓冲池（Buffer Pool）n1、缓冲池的组成、缓冲池的组成n循环缓冲属专用缓冲。当系统较大时，为了提高缓冲区的利用率，目前广泛循环缓冲属专用缓冲。当系统较大时，为了提高缓冲区的利用率，目前广泛流行公用缓冲池，池中的缓冲区可供多个进程共享。流行公用缓冲池，池中的缓冲区可供多个进程共享。n由以下部分组成由以下部分组成n多个缓冲区队列多个缓冲区队列n四种工作缓冲区

27、四种工作缓冲区5.3 缓冲管理n5.3.4 缓冲池（缓冲池（Buffer Pool）n1、缓冲池的组成、缓冲池的组成n多个缓冲区队列多个缓冲区队列n空缓冲队列空缓冲队列emqn输入队列输入队列inq装满输入数据n输出队列输出队列outq装满输出数据n四种工作缓冲区四种工作缓冲区n用于收容输入数据的工作缓冲区；用于收容输入数据的工作缓冲区；n用于提取输入数据的工作缓冲区；用于提取输入数据的工作缓冲区；n用于收容输出数据的工作缓冲区；用于收容输出数据的工作缓冲区；n用于提取输出数据的工作缓冲区。用于提取输出数据的工作缓冲区。5.3 缓冲管理n5.3.4 缓冲池（缓冲池（Buffer Pool）n2

28、、工作方式、工作方式n缓冲区可以工作在收容输入、提取输入、收容输出、提取输出四种工作方式。缓冲区可以工作在收容输入、提取输入、收容输出、提取输出四种工作方式。第五章 设备管理5.2 I/O控制方式5.3 缓冲管理5.4 I/O软件5.5 设备分配5.6 磁盘存储器管理5.1 I/O系统5.4 I/O软件n5.4.1 I/O软件的设计目标软件的设计目标nI/O软件的总体目标是高效率和通用性软件的总体目标是高效率和通用性n高效率：确保高效率：确保I/O设备和设备和CPU的并发性的并发性n通用性：尽量提供简单抽象、清晰统一的接口。通用性：尽量提供简单抽象、清晰统一的接口。n通常将通常将I/O软件组织

29、成层次结构软件组织成层次结构n低层：用于实现与硬件相关的操作，屏蔽硬件细节低层：用于实现与硬件相关的操作，屏蔽硬件细节n高层：向用户提供一个简洁、友好、规范的接口。高层：向用户提供一个简洁、友好、规范的接口。5.4 I/O软件n5.4.1 I/O软件的设计目标软件的设计目标nI/O软件的具体目标软件的具体目标n(1)设备无关性设备无关性：屏蔽细节，与具体设备无关：屏蔽细节，与具体设备无关n(2)统一命名统一命名：使用逻辑名称访问设备，逻辑名称在不同情况下可能对应不同：使用逻辑名称访问设备，逻辑名称在不同情况下可能对应不同具体的物理设备。具体的物理设备。n(3)对错误的处理对错误的处理：尽量在接

30、近硬件的低层，低层能解决的错误高层不需要知：尽量在接近硬件的低层，低层能解决的错误高层不需要知道。道。n(4)缓冲技术缓冲技术：缓解：缓解CPU和设备的速度，不论以块还是字节为单位，都屏蔽，和设备的速度，不论以块还是字节为单位，都屏蔽，使高层与抽象设备交互。使高层与抽象设备交互。n(5)设备的分配和释放设备的分配和释放：对共享设备、独占设备等需要妥善解决。：对共享设备、独占设备等需要妥善解决。n(6)I/O控制方式控制方式：对不同传输速率设备采取不同：对不同传输速率设备采取不同I/O控制方式，低速采用中断控制方式，低速采用中断驱动，高速采取驱动，高速采取DMA等。等。5.4 I/O软件n5.4

31、.1 I/O软件的设计目标软件的设计目标nI/O软件的层次结构软件的层次结构n通常分为四层层次通常分为四层层次n5.4.5 用户层软件：用户可直接调用的对设备操作的函数。用户层软件：用户可直接调用的对设备操作的函数。n5.4.4 设备独立性软件：实现前述设备独立性软件：实现前述I/O软件具体的目标软件具体的目标n5.4.3 设备驱动程序：对设备发出操作指令，调用驱动程序设备驱动程序：对设备发出操作指令，调用驱动程序n5.4.2 中断处理程序：保存中断现场，进行处理，恢复现场中断处理程序：保存中断现场，进行处理，恢复现场5.4 I/O软件n5.4.2 中断处理程序中断处理程序n一般分成以下几个步

32、骤一般分成以下几个步骤n（1）唤醒被阻塞的驱动程序）唤醒被阻塞的驱动程序n（2）保护被中断进程的）保护被中断进程的CPU环境环境n（3）转入相应的设备处理程序）转入相应的设备处理程序n（4）中断处理）中断处理n（5）恢复被中断进程的现场）恢复被中断进程的现场5.4 I/O软件n5.4.3 设备驱动程序设备驱动程序nI/O进程与设备控制器之间的通信程序。进程与设备控制器之间的通信程序。n接收上层软件发来的抽象接收上层软件发来的抽象I/O请求，如请求，如read/write，转换成为具体要求，转换成为具体要求，发给设备控制器，启动设备去执行。发给设备控制器，启动设备去执行。n将由设备控制器发来的信

33、号传给上层软件。将由设备控制器发来的信号传给上层软件。n由于驱动程序与硬件密切相关，故应为每类设备设置一种驱动程序。有由于驱动程序与硬件密切相关，故应为每类设备设置一种驱动程序。有时也为类似几类设备设置一个驱动程序。时也为类似几类设备设置一个驱动程序。5.4 I/O软件n5.4.4 设备独立性软件设备独立性软件n为了提高为了提高OS的可适应性和可扩展性，的可适应性和可扩展性，OS都实现了设备独立性（都实现了设备独立性（Device Independence），也称为设备无关性。），也称为设备无关性。n含义：应用程序独立于具体使用的物理设备。含义：应用程序独立于具体使用的物理设备。n在应用程序中

34、，使用逻辑设备名称来请求使用某类设备；而在系统实际执行在应用程序中，使用逻辑设备名称来请求使用某类设备；而在系统实际执行时，还必须使用物理设备名称。因此，系统须具有将逻辑设备名称转换为某时，还必须使用物理设备名称。因此，系统须具有将逻辑设备名称转换为某物理设备名称的功能，类似于存储器管理中介绍的逻辑地址和物理地址的概物理设备名称的功能，类似于存储器管理中介绍的逻辑地址和物理地址的概念。念。5.4 I/O软件n5.4.4 设备独立性软件设备独立性软件n设备独立性带来的好处：设备独立性带来的好处：n设备分配时的灵活性；设备分配时的灵活性；n以逻辑名称请求某类设备，系统可将该类中任一以逻辑名称请求某

35、类设备，系统可将该类中任一台分配给进程，如果使用物理名称则只能分配某台分配给进程，如果使用物理名称则只能分配某一台。一台。n易于实现易于实现I/O重定向重定向nI/O重定向：指更改重定向：指更改I/O时的设备，而不需要改应时的设备，而不需要改应用程序。如：调试程序时输出送屏幕，正式运行用程序。如：调试程序时输出送屏幕，正式运行时可改成打印机。时可改成打印机。5.4 I/O软件n5.4.5 用户层的用户层的I/O软件软件n一般来说，大部分的一般来说，大部分的I/O软件都在软件都在os内部，还有一部分在用户层，如程序内部，还有一部分在用户层，如程序相关的库函数等。相关的库函数等。n用户层软件如果想

36、调用用户层软件如果想调用os内部的内部的I/O服务，必须通过系统调用来进行。服务，必须通过系统调用来进行。n高级语言一般提供了与各系统调用对应的库函数，如与高级语言一般提供了与各系统调用对应的库函数，如与read对应的对应的scanf、fread等，与等，与write对应的对应的printf，fwrite等。等。n形式上，系统调用与库函数类似。并且由于系统调用多数都采用形式上，系统调用与库函数类似。并且由于系统调用多数都采用c语言编写，语言编写，所以用户程序除了调用库函数外还可以直接调用系统调用。所以用户程序除了调用库函数外还可以直接调用系统调用。第五章 设备管理5.2 I/O控制方式5.3

37、缓冲管理5.4 I/O软件5.5 设备分配5.6 磁盘存储器管理5.1 I/O系统5.5 设备分配n5.5.1 设备分配中的数据结构设备分配中的数据结构n多道程序环境下，设备供所有进程共享，并由系统统一分配。多道程序环境下，设备供所有进程共享，并由系统统一分配。n进程向系统提出进程向系统提出I/O请求，只要是可能和安全的，设备分配程序就按照一请求，只要是可能和安全的，设备分配程序就按照一定的策略，把设备分配给进程。定的策略，把设备分配给进程。n设备一般通过设备控制器或通道与设备一般通过设备控制器或通道与CPU通信，所以还要给进程分配使用通信，所以还要给进程分配使用相应的控制器和通道。相应的控制

38、器和通道。n为了实现设备分配，必须设置相应的数据结构。为了实现设备分配，必须设置相应的数据结构。n设备控制表、控制器控制表、通道控制表、系统设备表设备控制表、控制器控制表、通道控制表、系统设备表5.5 设备分配n5.5.1 设备分配中的数据结构设备分配中的数据结构n设备控制表（设备控制表（DCT）n每个设备一张，记录本设备情况每个设备一张，记录本设备情况5.5 设备分配n5.5.1 设备分配中的数据结构设备分配中的数据结构n控制器控制表（控制器控制表（COCT）n每个控制器一张，记录本控制情况每个控制器一张，记录本控制情况5.5 设备分配n5.5.1 设备分配中的数据结构设备分配中的数据结构n

39、通道控制表（通道控制表（CHCT）n每个通道一张每个通道一张5.5 设备分配n5.5.1 设备分配中的数据结构设备分配中的数据结构n系统设备表（系统设备表（SDT）n系统中所有设备的情况，每个设备一个表目。系统中所有设备的情况，每个设备一个表目。5.5 设备分配n5.5.2 设备分配时应考虑的因素设备分配时应考虑的因素n为使系统有条不紊工作，设备分配时应考虑为使系统有条不紊工作，设备分配时应考虑n（1）设备的固有属性）设备的固有属性n独占设备：只有一个进程用完才能分给另一进程独占设备：只有一个进程用完才能分给另一进程n共享设备：多个进程共享，注意先后次序的调度共享设备：多个进程共享，注意先后次

40、序的调度n虚拟设备：多个进程共享，注意先后次序的调度虚拟设备：多个进程共享，注意先后次序的调度n（2）设备分配算法）设备分配算法 n先来先服务先来先服务n优先级高者优先优先级高者优先n（3）设备分配的安全性）设备分配的安全性n安全分配方式安全分配方式n不安全分配方式不安全分配方式 5.5 设备分配n5.5.3 SPOOLing技术技术n1、基本概念、基本概念nSPOOLing技术就是将一台独占设备改造成共享设备的技术。技术就是将一台独占设备改造成共享设备的技术。n2、引入、引入n第一章曾介绍过，为了缓和第一章曾介绍过，为了缓和CPU的高速性与的高速性与I/O设备低速性间设备低速性间的矛盾而引入

41、了脱机输入、的矛盾而引入了脱机输入、脱机输出技术。脱机输出技术。该技术是利用专该技术是利用专门的外围控制机，将低速门的外围控制机，将低速I/O设备上的数据传送到高速磁盘上；设备上的数据传送到高速磁盘上；或者相反。或者相反。5.5 设备分配n5.5.3 SPOOLing技术技术n2、引入、引入n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，来模拟脱机输入时的外围控制机功能，把低速序，来模拟脱机输入时的外围控制机功能，把低速I/O设备上设备上的数据传送到高速磁盘上；再用另一道程序来模拟脱机输出时的数据传送到高速磁盘上；再用另一道程序

42、来模拟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，便可在主机的直接控制下，实现脱机输入、样，便可在主机的直接控制下，实现脱机输入、输出功能。输出功能。n此时的外围操作与此时的外围操作与CPU对数据的处理同时进行，对数据的处理同时进行，把这种在联把这种在联机情况下实现的同时外围操作称为机情况下实现的同时外围操作称为SPOOLing(Simultaneaus Periphernal Operating On-Line)，或称为假脱机操作。，或称为假脱机操作。5.5 设备分配n5.5.3 SPOOLing技术技术n3、SP

43、OOLing系统的组成系统的组成 输入井和输出井输入井和输出井 输入缓冲区和输出缓冲区输入缓冲区和输出缓冲区 输入进程输入进程Spi和输出进程和输出进程SPo o输入进程SPi输出进程 SPo输入缓冲区Bi输出缓冲区Bo输入井输出井磁盘输入设备输出设备5.5 设备分配n5.5.3 SPOOLing技术技术n4、举例：共享打印机、举例：共享打印机 SPOOLing技术可将一台打印机改造成可供多个用户使用。技术可将一台打印机改造成可供多个用户使用。当当用用户户进进程程请请求求打打印印输输出出时时，SPOOLing系系统统同同意意为为它它打打印印输输出出，但但并并不不真真正正立立即即把把打打印印机机

44、分分配配给给该该用用户户进进程程，而而只只为为它它做两件事：做两件事：n由由输输出出进进程程在在输输出出井井中中为为之之申申请请一一个个空空闲闲磁磁盘盘块块区区，并并将将要要打打印印的的数数据据送送入入其其中；中；n输输出出进进程程再再为为用用户户进进程程申申请请一一张张空空白白的的用用户户请请求求打打印印表表，并并将将用用户户的的打打印印要要求求填填入其中，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。若若打打印印机机空空闲闲，输输出出进进程程将将从从请请求求打打印印队队列列的的对对首首取取出出一一张张请请求求打打印印表表，根根据据表表中中的的要要求求将将要要打打印印的的数

45、数据据从从输输出出井井传传送送到到内内存缓冲区，再由打印机打印。存缓冲区，再由打印机打印。5.5 设备分配n5.5.3 SPOOLing技术技术5.5 设备分配n5.5.3 SPOOLing技术技术n5、SPOOLing系统的特点系统的特点 n提高了提高了I/O的速度的速度n将独占设备改造为共享设备将独占设备改造为共享设备n实现了虚拟设备功能实现了虚拟设备功能第五章 设备管理5.2 I/O控制方式5.3 缓冲管理5.4 I/O软件5.5 设备分配5.6 磁盘存储器管理5.1 I/O系统5.6 磁盘存储器管理n5.6.1 磁盘性能简述磁盘性能简述n1、磁盘简介、磁盘简介n磁盘容量大，存取速度快，

46、可以随即存取，用来存放程序和数据等文件。磁盘容量大，存取速度快，可以随即存取，用来存放程序和数据等文件。n对文件的操作，都涉及对磁盘的访问，因此磁盘对文件的操作，都涉及对磁盘的访问，因此磁盘I/O速度的高低和磁盘系统的速度的高低和磁盘系统的可靠性，都将直接影响系统性能。可靠性，都将直接影响系统性能。5.6 磁盘存储器管理n5.6.1 磁盘性能简述磁盘性能简述n2、数据的组织和格式、数据的组织和格式n磁盘设备可以包含磁盘设备可以包含一或多个物理盘片，一或多个物理盘片，每个磁盘片分一个每个磁盘片分一个或两个存储面或两个存储面（surface）。）。5.6 磁盘存储器管理n5.6.1 磁盘性能简述磁

47、盘性能简述n2、数据的组织和格式、数据的组织和格式n磁盘设备可以包含磁盘设备可以包含一或多个物理盘片，一或多个物理盘片，每个磁盘片分一个每个磁盘片分一个或两个存储面或两个存储面（surface）。）。5.6 磁盘存储器管理n5.6.1 磁盘性能简述磁盘性能简述n2、数据的组织和格式、数据的组织和格式n磁盘设备可以包含磁盘设备可以包含一或多个物理盘片，一或多个物理盘片，每个磁盘片分一个每个磁盘片分一个或两个存储面或两个存储面（surface）。）。5.6 磁盘存储器管理n5.6.1 磁盘性能简述磁盘性能简述n2、数据的组织和格式、数据的组织和格式n每个磁盘面被每个磁盘面被组织成若个同心环，组织成

48、若个同心环，称为磁道（称为磁道（track），），各磁道间留有间隙。各磁道间留有间隙。n每条磁道大小相每条磁道大小相同，内层磁道密度高。同，内层磁道密度高。n每条磁道被逻辑上划分成每条磁道被逻辑上划分成若干扇区（若干扇区（sectors），），也称为盘块，一般也称为盘块，一般512字节，软盘大约字节，软盘大约832个，硬盘可多达数百个，各扇区之个，硬盘可多达数百个，各扇区之间保留间隙。间保留间隙。5.6 磁盘存储器管理n5.6.1 磁盘性能简述磁盘性能简述n2、数据的组织和格式、数据的组织和格式n例如，一个例如，一个10GB容量的磁盘，有容量的磁盘，有8个双面可存储盘片，供个双面可存储盘片，供

49、10个存储面，每面个存储面，每面有有16383个磁道，每个磁道个磁道，每个磁道63个扇区。个扇区。5.6 磁盘存储器管理n5.6.1 磁盘性能简述磁盘性能简述n2、数据的组织和格式、数据的组织和格式为了在磁盘上存储数据，必须先将磁盘格式化。为了在磁盘上存储数据，必须先将磁盘格式化。每个扇区容量每个扇区容量600个字节，其中个字节，其中512字节存放数据。字节存放数据。5.6 磁盘存储器管理n5.6.1 磁盘性能简述磁盘性能简述n3、磁盘的类型、磁盘的类型n可以从多个角度对磁盘分类，如硬盘和软盘，单片盘和多片盘，固定头磁盘可以从多个角度对磁盘分类，如硬盘和软盘，单片盘和多片盘，固定头磁盘和活动头

50、磁盘。和活动头磁盘。n固定头磁盘固定头磁盘n每条磁道有一个磁头，所有磁头被装在一个刚性磁臂上，可以进行并行读每条磁道有一个磁头，所有磁头被装在一个刚性磁臂上，可以进行并行读/写，写，I/O速度快，主要用在大容量磁盘上。速度快，主要用在大容量磁盘上。n活动头磁盘活动头磁盘n每个盘面配一个磁头，为了能访问盘面上所有磁道，磁头必须能移动，只能以串行每个盘面配一个磁头，为了能访问盘面上所有磁道，磁头必须能移动，只能以串行读读/写，写，I/O速度慢，但结构简单，广泛应用与中小型磁盘设备中。速度慢，但结构简单，广泛应用与中小型磁盘设备中。5.6 磁盘存储器管理n5.6.1 磁盘性能简述磁盘性能简述n4、磁