[精选]第5章 设备管理【南理工王晓峰老师版权所有】.pptx

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1、第5章 设备管理操作系统中负责操作系统中负责I/OI/O设备管理的局部称为设备管理的局部称为I/OI/O系统，完成设备管理功能，对系统，完成设备管理功能，对OSOS影响非常大。影响非常大。与处理机管理、存储器管理密切相关，设备与处理机管理、存储器管理密切相关，设备管理因此常常作为操作系统内核的一局部。管理因此常常作为操作系统内核的一局部。设备管理的主要对象：设备管理的主要对象：I/O设备，设备控制设备，设备控制器和器和I/O通道。通道。设备管理的基本任务：完成用户提出的设备管理的基本任务：完成用户提出的I/O请求，提高请求，提高I/O效率，提高效率，提高I/O设备的利用设备的利用率。率。设备管

2、理的主要功能：缓冲区管理，设备分设备管理的主要功能：缓冲区管理，设备分配，设备处理，虚拟设备，实现设备独立性。配，设备处理，虚拟设备，实现设备独立性。I/O设备种类多操作差异大，设备管理是操设备种类多操作差异大，设备管理是操作系统中最繁杂且与硬件最紧密相关的局部。作系统中最繁杂且与硬件最紧密相关的局部。5.1 I/O5.1 I/O系统概述系统概述I/OI/O系统的组成主要包括：系统的组成主要包括：I/OI/O设备、设备控设备、设备控制器及相关接口、总线等，大型主机还包括制器及相关接口、总线等，大型主机还包括I/OI/O通道。通道。5.1.1 I/O设备1 1、I/OI/O设备的类型设备的类型1

3、 1按传输速率分类按传输速率分类低速：键盘、鼠标、语音输入输出设备。低速：键盘、鼠标、语音输入输出设备。中速：行式打印机、激光打印机。中速：行式打印机、激光打印机。高速：磁盘、磁带、光盘。高速：磁盘、磁带、光盘。2 2按信息交换单位分类信息组织方式按信息交换单位分类信息组织方式：块设备：信息的存取以数据块为单位，如磁块设备：信息的存取以数据块为单位，如磁盘适合盘适合DMADMA方式方式字符设备：信息的存取以字符为单位，如打字符设备：信息的存取以字符为单位，如打印机、交互式终端。印机、交互式终端。3 3按设备共享属性分类：按设备共享属性分类：独占：如打印机独占：如打印机共享：如磁盘共享：如磁盘虚

4、拟：通过虚拟技术将一台独占设备变换为虚拟：通过虚拟技术将一台独占设备变换为假设干台逻辑设备，供多个进程同时使用。假设干台逻辑设备，供多个进程同时使用。2 2、设备与控制器之间的接口、设备与控制器之间的接口设备不直接同计算机连接，一般是通过专用设备不直接同计算机连接，一般是通过专用的电缆线连接控制器与设备。的电缆线连接控制器与设备。两者传递的信号主要是三类：两者传递的信号主要是三类：1数据信号：控制器到设备输出、数据信号：控制器到设备输出、设备到控制器输入设备到控制器输入2控制信号：控制器到设备控制信号：控制器到设备3状态信号：设备到控制器状态信号：设备到控制器在小型机和微型机中，控制器一般直接

5、做成在小型机和微型机中，控制器一般直接做成印刷电路板插入计算机在微机中习惯称为印刷电路板插入计算机在微机中习惯称为卡，如图形加速卡，网卡卡，如图形加速卡，网卡5.1.2I/O管理目标管理目标设备管理要到达的主要目标是：设备管理要到达的主要目标是：1.提供统一界面、方便用户使用提供统一界面、方便用户使用使用逻辑操作和逻辑设备名掩盖设备的物使用逻辑操作和逻辑设备名掩盖设备的物理细节。理细节。程序对设备的独立性：在源程序和目标程程序对设备的独立性：在源程序和目标程序中都使用设备符号名逻辑设备名；序中都使用设备符号名逻辑设备名；提供设备管理与文件系统的统一接口；向提供设备管理与文件系统的统一接口；向程

6、序提供设备重定向功能。程序提供设备重定向功能。2.发挥系统的并行性，提高发挥系统的并行性，提高I/O设备使用效设备使用效率。率。采用各种软硬结合的技术使设备、采用各种软硬结合的技术使设备、CPU、用、用户程序、人这四者到达最高程度的并行户程序、人这四者到达最高程度的并行采用的技术有：中断技术、缓冲技术、设备采用的技术有：中断技术、缓冲技术、设备共享和假脱机技术。共享和假脱机技术。3.实现设备的正确、安全使用实现设备的正确、安全使用设备保护设备保护技术：掩盖细节的高级接口；命名与权限管技术：掩盖细节的高级接口；命名与权限管理；只有特权指令才能使用设备硬件接口。理；只有特权指令才能使用设备硬件接口

7、。5.1.3I/O管理功能管理功能1.缓冲区管理缓冲区管理计计算算机机系系统统中中各各个个部部件件速速度度的的差差异异很大。很大。中中央央处处理理机机的的速速度度以以纳纳秒秒计，计，外外部部设设备备的的处处理理速速度度则则以以毫毫秒秒甚甚至至秒秒计。计。在在不不同同时时刻，刻，系系统统各各部部分分的的负负荷荷也也常常常常很很不不均均衡。为充分发挥并行性，衡。为充分发挥并行性，引入缓冲技术。引入缓冲技术。2.外围设备的分配外围设备的分配按按照照设设备备的的类类型型独独享、享、共共享享或或虚虚拟拟和和系系统统中中所所采采用用的的分分配配算算法，法，决决定定把把一一个个I/O设设备备分分配配给给哪哪

8、一一个个要要求求该该类类设设备备的的进进程。程。在在大、大、中中系系统统中，中，分分配配设设备备的的同同时，时，还还应应分分配配相相应应的的控控制制器器和和通通道，道，以以保保证证I/O设设备备与与CPU之之间间有有传传递递信信息息的的通通路；路；凡凡未未分分配配到到所所需需设设备备或或控控制制器器或或通通道道的的进进程，程，应应放入放入相相应应的的等等待待队队列。列。设设备备分分配配程程序序就就是是用用来来实实现现这这一一功功能能的。的。3.设备处理设备处理设备处理程序又叫设备驱动程序。设备处理程序又叫设备驱动程序。4.虚拟设备及实现设备独立性虚拟设备及实现设备独立性5.1.4I/O应用接口

9、应用接口I/O系统必须采用某种技术使系统必须采用某种技术使I/O设备可以设备可以按统一的标准方式对待。按统一的标准方式对待。采用的方式有：抽象、包装与软件分层采用的方式有：抽象、包装与软件分层可以从不同的可以从不同的I/O设备中抽象出一些通用类设备中抽象出一些通用类型。每个通用类型都可以通过一组标准函数型。每个通用类型都可以通过一组标准函数即接口来访问。具体的差异被内核模块即接口来访问。具体的差异被内核模块设备驱动程序所封装。设备驱动程序所封装。不同设备有自己的驱动程序，但提供了一组不同设备有自己的驱动程序，但提供了一组标准接口。标准接口。设备驱动程序层为内核设备驱动程序层为内核I/O子系统隐

10、藏设备子系统隐藏设备控制器之间的差异，从而简化了控制器之间的差异，从而简化了OS开发人员开发人员的任务，也有利于硬件制造商。的任务，也有利于硬件制造商。每种每种OS都有自己的设备驱动程序接口。故一都有自己的设备驱动程序接口。故一个特定设备可能有多种设备驱动程序。个特定设备可能有多种设备驱动程序。而而I/O系统调用又为上层应用程序包装了硬系统调用又为上层应用程序包装了硬件细节。件细节。5.1.5设备管理的总体结构设备管理的总体结构划分为四层：划分为四层：设备中断处理程序；设备中断处理程序；中断处理程序是设备驱动程序中的一局部中断处理程序是设备驱动程序中的一局部设备驱动程序；设备驱动程序；与设备无

11、关的操作系统软件与设备无关的操作系统软件设备无关层设备无关层负责将逻辑设备名转换为物理设备名，实现负责将逻辑设备名转换为物理设备名，实现设备的分配和回收，进行缓冲区管理。设备的分配和回收，进行缓冲区管理。用户级软件指用户空间的用户级软件指用户空间的I/OI/O软件软件用户与设备管理模块的接口，负责解释用户用户与设备管理模块的接口，负责解释用户的应用请求，并将这种请求转化为具体的输的应用请求，并将这种请求转化为具体的输入入/输出操作。输出操作。相关层较低的层用于将硬件特征与无关相关层较低的层用于将硬件特征与无关层较高的层隔离开，而无关层较高的层较高的层隔离开，而无关层较高的层则参与向用户提供一个

12、友好、清晰而标层则参与向用户提供一个友好、清晰而标准的接口。准的接口。从功能上看，无关层是从功能上看，无关层是I/O管理的主要局部，管理的主要局部，从代码量看，驱动层是从代码量看，驱动层是I/O管理的主要局部。管理的主要局部。内核内核I/OI/O结构结构LifeCycleofAnI/ORequest5.1.6I/O控制方式控制方式询问方式，又称程序直接控制方式。询问方式，又称程序直接控制方式。中断方式中断方式DMA方式方式通道技术通道技术5.2内核内核I/O子系统子系统内核内核I/O子系统是建立在硬件和设备驱动程子系统是建立在硬件和设备驱动程序之上的。提供与序之上的。提供与I/O有关的效劳，如

13、调度、有关的效劳，如调度、缓冲、高速缓冲、假脱机、错误处理等。缓冲、高速缓冲、假脱机、错误处理等。5.2.1I/O调度调度I/O调度是指调度是指OS根据一定算法按照一定的顺根据一定算法按照一定的顺序为系统中的序为系统中的I/O请求提供效劳。从而改善请求提供效劳。从而改善系统性能，使进程公平地共享设备。系统性能，使进程公平地共享设备。OS通过为每个设备维护一个请求队列来实现通过为每个设备维护一个请求队列来实现调度。调度。I/O调度根据需要重新安排队列顺序以改善调度根据需要重新安排队列顺序以改善系统总体效率和应用程序的平均响应时间。系统总体效率和应用程序的平均响应时间。5.2.2 缓冲管理缓冲管理

14、缓冲区是用来保存在两个设备之间或在设备和应用缓冲区是用来保存在两个设备之间或在设备和应用程序之间所传输数据的内存区域。程序之间所传输数据的内存区域。1.1.引入缓冲区的原因引入缓冲区的原因1 1处理数据的生产者和消费者速度不匹配。如处理数据的生产者和消费者速度不匹配。如从调制解调器上收到文件并保存到硬盘上。从调制解调器上收到文件并保存到硬盘上。2 2协调传输数据大小不一致的设备。协调传输数据大小不一致的设备。如计算机网络上，发送方消息被分成假设干包，接如计算机网络上，发送方消息被分成假设干包，接收方在缓冲区中重组数据。收方在缓冲区中重组数据。3 3减少对减少对CPUCPU的中断频率的中断频率4

15、 4提高提高CPUCPU和和I/OI/O设备之间的并行性设备之间的并行性2.2.单缓冲单缓冲single buffersingle buffer：当用户进程发出当用户进程发出I/OI/O请求时，请求时，OSOS便在主存中为便在主存中为之分配一个缓冲区。之分配一个缓冲区。一个缓冲区，一个缓冲区，CPUCPU和外设轮流使用，一方处理和外设轮流使用，一方处理完之后接着等待对方处理。完之后接着等待对方处理。3.3.双缓冲双缓冲double bufferdouble buffer：为了加快输入和输出速度，引入双缓冲区。为了加快输入和输出速度，引入双缓冲区。设备输入时，先将数据送入第一缓冲区，装设备输入时

16、，先将数据送入第一缓冲区，装满后再转向第二缓冲区。满后再转向第二缓冲区。此时此时OSOS可以从第一缓冲区移出数据，送入用可以从第一缓冲区移出数据，送入用户进程所在内存。户进程所在内存。两个缓冲区，两个缓冲区，CPUCPU和外设都可以连续处理而无和外设都可以连续处理而无需等待对方。要求需等待对方。要求CPUCPU和外设的速度相近。和外设的速度相近。4.4.循环缓冲循环缓冲环形缓冲环形缓冲circular buffercircular buffer：多个缓冲区，多个缓冲区，CPUCPU和外设的处理速度可以相差较大。可参见和外设的处理速度可以相差较大。可参见“生产者消费者问题，生产者消费者问题，以上

17、的缓冲区仅适用于特定的以上的缓冲区仅适用于特定的I/OI/O进程和计算进程和计算进程，属于专用缓冲区。系统较大时，会有进程，属于专用缓冲区。系统较大时，会有多个专用缓冲区，消耗大量内存空间，利用多个专用缓冲区，消耗大量内存空间，利用率低，目前广泛使用公用缓冲池，池中设置率低，目前广泛使用公用缓冲池，池中设置了多个供假设干进程共享的缓冲区。了多个供假设干进程共享的缓冲区。5.缓冲池缓冲池 1 缓冲池的冲池的组成成既可用于既可用于输入，又可用于入，又可用于输出，出，缓冲池中有冲池中有三三类缓冲区：冲区：空闲缓冲区队列空闲缓冲区队列emqemq输入缓冲区队列输入缓冲区队列inqinq：由装满输入数据

18、的：由装满输入数据的缓冲区链成的队列。缓冲区链成的队列。输出缓冲区队列输出缓冲区队列outqoutq：由装满输出数据的：由装满输出数据的缓冲区链成的队列。缓冲区链成的队列。2 对缓冲池的操作：对缓冲池的操作：收容输入收容输入设备输入数据设备输入数据提取输入提取输入计算进程读入数据计算进程读入数据收容输出收容输出计算进程输出数据计算进程输出数据提取输出提取输出向向设备输出数据。设备输出数据。上述操作访问各个缓冲区队列时，需要进行上述操作访问各个缓冲区队列时，需要进行相应的互斥操作。相应的互斥操作。5.2.3 设备分配与回收与回收当进程向系统提出当进程向系统提出I/OI/O请求时，只要是可能和请求

19、时，只要是可能和安全的，设备分配程序便按照一定的策略把安全的，设备分配程序便按照一定的策略把设备分配给请求进程。设备分配给请求进程。有的系统中还要分配相应的控制器和通道。有的系统中还要分配相应的控制器和通道。1 设备分配中的数据结构1 设备控制表设备控制表DCT,Device Control DCT,Device Control TableTable每个设备一张，描述设备特性和状态。反映每个设备一张，描述设备特性和状态。反映设备的特性、设备和控制器的连接情况。设备的特性、设备和控制器的连接情况。DCTDCT的内容主要包括：的内容主要包括：设备标识：用来区别不同的设备；设备标识：用来区别不同的设

20、备；设备类型：反映设备的特性；如：块设备设备类型：反映设备的特性；如：块设备或字符设备；或字符设备；设备配置：设备配置：I/OI/O地址等；地址等；设备状态：忙设备状态：忙/闲，等待闲，等待/不等待；假设不等待；假设与设备链接的控制器或通道忙，则等待与设备链接的控制器或通道忙，则等待等待队列：等待使用该设备的进程队列；等待队列：等待使用该设备的进程队列；与设备连接的控制器表指针。与设备连接的控制器表指针。2 系统设备表系统设备表SDT,System Device SDT,System Device TableTable系统内一张，反映系统中设备资源的状态，系统内一张，反映系统中设备资源的状态，

21、记录所有设备的状态及其设备控制表的入口。记录所有设备的状态及其设备控制表的入口。SDTSDT表项的主要组成：表项的主要组成：DCTDCT指针：指向相应设备的指针：指向相应设备的DCTDCT；设备使用进程标识：正在使用该设备的进设备使用进程标识：正在使用该设备的进程标识；程标识；DCTDCT信息：为引用方便而保存的信息：为引用方便而保存的DCTDCT信息，信息，如：设备标识、设备类型等；如：设备标识、设备类型等；3控制器控制表控制器控制表COCT,COntroller COCT,COntroller Control TableControl Table每个设备控制器一张，描述每个设备控制器一张，

22、描述I/OI/O控制器的配置控制器的配置和状态。如和状态。如DMADMA控制器所占用的中断号、控制器所占用的中断号、DMADMA数据通道的分配。数据通道的分配。4 4通道控制表通道控制表CHCT,CHannel Control CHCT,CHannel Control TableTable每个通道一张，描述通道工作状态。每个通道一张，描述通道工作状态。控制器标识符控制器标识符控制器状态：忙/空闲与控制器连接的通道指针等待控制器的进程队列指针系统设备表系统设备表设备控制表设备控制表控制器控制器控制表控制表1 1通道控制表通道控制表设备设备控制表控制表1 1控制器控制器控制表控制表2 2控制器控制

23、器控制表控制表n n设备设备控制表控制表n npcbpcbpcbpcb(5)(5)表格之间的关系表格之间的关系pcbpcb2 设备分配时应考虑的因素设备分配的原则是合理使用外设公平和防设备分配的原则是合理使用外设公平和防止死锁，提高设备使用率。止死锁，提高设备使用率。1 1 考虑考虑设备的固有属性设备的固有属性独享设备：打印机等。进程使用完自己释放，独享设备：打印机等。进程使用完自己释放，一般不能剥夺；一般不能剥夺；共享设备：磁盘、网卡等。多个进程并发使共享设备：磁盘、网卡等。多个进程并发使用，需合理调度；用，需合理调度；虚拟设备：虚拟打印机等。可有多个进程使虚拟设备：虚拟打印机等。可有多个进

24、程使用，但用，但FCFS。2 2 设备分配算法设备分配算法与进程调度类似，但简单一些；与进程调度类似，但简单一些；先来先效劳先来先效劳FCFSFCFS：按按I/OI/O请求的先后请求的先后顺序，排成顺序，排成I/OI/O请求命令队列；按请求命令队列；按FCFSFCFS分配分配设备；设备；基于优先级：依据进程的优先级，指定基于优先级：依据进程的优先级，指定I/OI/O请求的优先级，优先级高的排在设备队请求的优先级，优先级高的排在设备队列的队首；同优先级则列的队首；同优先级则FCFSFCFS；按优先级上；按优先级上下分配设备。下分配设备。3 3 设备分配中的安全性设备分配中的安全性安全分配方式安全

25、分配方式进程发出进程发出I/OI/O请求后阻塞，完成后唤醒，即进请求后阻塞，完成后唤醒，即进程运行时不占有任何设备资源，摈弃了程运行时不占有任何设备资源，摈弃了“请请求保持条件。缺点：求保持条件。缺点：CPUCPU与与I/OI/O设备是串行设备是串行工作。工作。不安全分配方式不安全分配方式进程发出进程发出I/OI/O请求后仍继续运行，又可发出请求后仍继续运行，又可发出I/OI/O请求，仅当进程所请求的设备已被另一进请求，仅当进程所请求的设备已被另一进程占用时，进程才进入阻塞状态。优点：多程占用时，进程才进入阻塞状态。优点：多个设备并行操作；缺点：可能造成死锁。个设备并行操作；缺点：可能造成死锁

26、。3 设备的独立性1 1 设备独立性设备独立性Device independenceDevice independence的概念的概念设备独立性指除了直接与设备打交道的底层设备独立性指除了直接与设备打交道的底层软件之外，其它局部的软件并不依赖于硬件。软件之外，其它局部的软件并不依赖于硬件。可以提高软件的设计效率。可以提高软件的设计效率。为了实现设备独立性：引入物理设备、逻辑为了实现设备独立性：引入物理设备、逻辑设备设备应用程序使用逻辑设备名调用设备；应用程序使用逻辑设备名调用设备；OSOS实际实际执行时，使用物理设备名。执行时，使用物理设备名。OSOS负责将逻辑设备名转换为物理设备名。负责将逻

27、辑设备名转换为物理设备名。2设备独立性带来如下好处：设备独立性带来如下好处：设备分配时的灵活性设备分配时的灵活性进程请求设备时，进程请求设备时，OS可从一类设备中选择空可从一类设备中选择空闲的分配，不会因特定设备忙而阻塞。闲的分配，不会因特定设备忙而阻塞。实现实现I/O重定向重定向I/O重定向：实现重定向：实现I/O操作的设备可以更换，操作的设备可以更换，而不必改变应用程序。而不必改变应用程序。如，调试程序时先输出到屏幕，最后再打印如，调试程序时先输出到屏幕，最后再打印3 3逻辑设备名到物理设备名映射的实现逻辑设备名到物理设备名映射的实现逻辑设备表逻辑设备表LUTLUT当进程用逻辑设备名请求当

28、进程用逻辑设备名请求I/OI/O设备时，系统为设备时，系统为它分配相应的物理设备，并在它分配相应的物理设备，并在LUTLUT中建立一个中建立一个表目。表目。LUTLUT的设置可采用两种方式的设置可采用两种方式整个系统一张，不能有相同逻辑设备名。整个系统一张，不能有相同逻辑设备名。每个用户一张，放入每个用户一张，放入PCB中中4.4.基本的设备分配程序基本的设备分配程序1分配设备分配设备2分配控制器分配控制器3分配通道分配通道系统设备表系统设备表设备控制表设备控制表控制器控制器控制表控制表1 1通道控制表通道控制表设备设备控制表控制表1 1控制器控制器控制表控制表2 2控制器控制器控制表控制表n

29、 n设备设备控制表控制表n npcbpcbpcbpcbpcbpcb5.2.4 SPOOLing技术利用假脱机技术利用假脱机技术SPOOLing,Simultaneous SPOOLing,Simultaneous Peripheral Operation On Line,Peripheral Operation On Line,也称为虚也称为虚拟设备技术可把独享设备转变成具有共享拟设备技术可把独享设备转变成具有共享特征的虚拟设备，从而提高设备利用率。特征的虚拟设备，从而提高设备利用率。1 1、什么是、什么是SPOOLingSPOOLing引入：在多道程序系统中，专门利用一道程引入：在多道程序系

30、统中，专门利用一道程序序SPOOLingSPOOLing程序来完成对设备的程序来完成对设备的I/OI/O操作。操作。无需使用外围无需使用外围I/OI/O处理机。处理机。让主机直接控制让主机直接控制I/O称为联机称为联机I/O；让另一；让另一台台“外围机代替主机控制外围机代替主机控制I/O称为脱机称为脱机I/O。SPOOLing用联机用联机I/O模拟脱机模拟脱机I/O操作，操作，故称为故称为“假脱机。假脱机。原理：原理：SPOOLingSPOOLing程序和外设进行数据交换，可以称为程序和外设进行数据交换，可以称为“实际实际I/OI/O。一方面，一方面，SPOOLingSPOOLing程序预先从

31、外设程序预先从外设输入数据并加以缓冲输入井，在以后需要的输入数据并加以缓冲输入井，在以后需要的时候输入到应用程序；另一方面，时候输入到应用程序；另一方面，SPOOLingSPOOLing程序程序接受应用程序的输出数据并加以缓冲输出井，接受应用程序的输出数据并加以缓冲输出井，在以后适当的时候输出到外设。在以后适当的时候输出到外设。应用程序进行应用程序进行I/OI/O操作时，只是和操作时，只是和SPOOLingSPOOLing程序程序交换数据，可以称为交换数据，可以称为“虚拟虚拟I/OI/O。这时候的虚这时候的虚拟拟I/OI/O实际上是实际上是SPOOLingSPOOLing程序从缓冲池中读出数程

32、序从缓冲池中读出数据或把数据送入缓冲池，而不是跟实际的外设进据或把数据送入缓冲池，而不是跟实际的外设进行行I/OI/O操作。操作。2 2、SPOOLingSPOOLing系统的组成系统的组成1 1输入井和输出井：在磁盘上。输入井和输出井：在磁盘上。2 2输入缓冲区和输出缓冲区：在内存。输入缓冲区和输出缓冲区：在内存。缓和缓和CPUCPU和磁盘速度不匹配的矛盾。和磁盘速度不匹配的矛盾。3 3输入进程和输出进程：守护输入进程和输出进程：守护daemondaemon进程进程3 3、SPOOLingSPOOLing系统的特点系统的特点优点：优点：高速虚拟高速虚拟I/OI/O操作：应用程序的虚拟操作：应

33、用程序的虚拟I/OI/O比比实际实际I/OI/O速度提高，缩短应用程序的执行时速度提高，缩短应用程序的执行时间尽快完成计算，并释放占用的计算机间尽快完成计算，并释放占用的计算机资源。资源。实现对独享设备的共享：实现对独享设备的共享：SPOOLingSPOOLing系统中，系统中，未为任何进程分配设备，是在输入井和输未为任何进程分配设备，是在输入井和输出井中为进程分配一个存储区、建立一张出井中为进程分配一个存储区、建立一张I/OI/O请求表。请求表。由由SPOOLingSPOOLing程序提供虚拟设备，使每个使程序提供虚拟设备，使每个使用独占设备的进程都认为是自己独占了一用独占设备的进程都认为是

34、自己独占了一个设备。个设备。4 4、举例：、举例：打印机设备和可由打印机管理器管理的打打印机设备和可由打印机管理器管理的打印作业队列。如：印作业队列。如：Windows NTWindows NT中，应用程中，应用程序直接向针式打印机输出需要序直接向针式打印机输出需要1515分钟，而分钟，而向打印作业队列输出只需要向打印作业队列输出只需要1 1分钟，此后用分钟，此后用户可以关闭应用程序而转入其他工作，在户可以关闭应用程序而转入其他工作，在以后适当的时候由打印机管理器完成以后适当的时候由打印机管理器完成1515分分钟的打印输出而无需用户干预。钟的打印输出而无需用户干预。又如又如Internet I

35、nternet 上的上的USENETUSENET电子邮件系统，电子邮件系统，要向某人发邮件，先调用一个称为要向某人发邮件，先调用一个称为sendsend的的程序，程序，sendsend接到要发的邮件，然后将它送接到要发的邮件，然后将它送入一个入一个SPOOLingSPOOLing目录，待以后发送。目录，待以后发送。5.2.5出错处理出错处理设备和设备和I/O传输的出错有多种方式：传输的出错有多种方式：短暂出错短暂出错OS可以弥补，如磁盘可以弥补，如磁盘read错可以错可以重重read永久错误永久错误OS就不可能从中恢复。如磁盘控制就不可能从中恢复。如磁盘控制器故障。器故障。I/O系统调用通常返

36、回一位调用状态信息，系统调用通常返回一位调用状态信息，以表示成功或失败。以表示成功或失败。UNIX系统用一个全局系统用一个全局变量表示出错代码，以表示出错原因。变量表示出错代码，以表示出错原因。5.3设备处理5.3.1 设备驱动程序的功能和特点一、设备驱动程序的功能一、设备驱动程序的功能1 1将上层软件发来的抽象要求转换为具体将上层软件发来的抽象要求转换为具体的要求，发送给设备控制器。如将盘块号转的要求，发送给设备控制器。如将盘块号转换为磁盘的盘面、磁道号及扇区号。换为磁盘的盘面、磁道号及扇区号。2 2检查用户检查用户I/OI/O请求的合法性，了解设备的请求的合法性，了解设备的状态，传递有关参

37、数，设置设备的工作方式。状态，传递有关参数，设置设备的工作方式。3 3发出发出I/OI/O命令，假设设备空闲则启动。假命令，假设设备空闲则启动。假设设备忙，则将请求者的请求块挂在设备队设设备忙，则将请求者的请求块挂在设备队列上。列上。4 4及及时时响响应应通道或控制器通道或控制器发发来的来的中断请求，中断请求，调用相应的中断处理程序。调用相应的中断处理程序。5.5.对于设置有通道的，自动构成通道程序对于设置有通道的，自动构成通道程序二、设备处理方式二、设备处理方式1 1作为应用进程的一局部执行：与程序控制作为应用进程的一局部执行：与程序控制I/OI/O相对应，难以对外设发出的中断作实时响应；相

38、对应，难以对外设发出的中断作实时响应；2 2作为系统进程执行：作为系统进程执行：为每类设备设置一个进程；为每类设备设置一个进程；或整个系统设置一个或整个系统设置一个I/OI/O进程，负责对各类设备的进程，负责对各类设备的I/OI/O进程的管理；也可设置一个输入进程和一个输进程的管理；也可设置一个输入进程和一个输出进程；出进程；3 3不设进程，不设进程，作为作为OS核心中的设备驱动程序核心中的设备驱动程序，供，供用户或系统进程调用。用户或系统进程调用。三、设备驱动程序的特点三、设备驱动程序的特点1 1设备驱动程序是在设备驱动程序是在I/OI/O请求进程与设备控制器请求进程与设备控制器之间的桥梁，

39、之间的桥梁，中转数据和控制中转数据和控制。2 2设备驱动程序与设备驱动程序与I/OI/O设备特性、控制方式及硬设备特性、控制方式及硬件密切相关，一般由厂商提供。件密切相关，一般由厂商提供。3 3向上屏蔽设备细节：不同类型设备通常其设备向上屏蔽设备细节：不同类型设备通常其设备驱动程序接口不同，同类设备的接口相同。因此，驱动程序接口不同，同类设备的接口相同。因此，同类设备的不同型号，只要更换设备驱动程序则可同类设备的不同型号，只要更换设备驱动程序则可由由OSOS使用。使用。5.3.2 设备驱动程序的处理过程1 1将抽象要求转化为具体要求。将抽象要求转化为具体要求。2 2检查检查I/OI/O请求的合

40、法性请求的合法性3 3读出和检查设备的状态读出和检查设备的状态4 4传送参数传送参数5 5设置工作方式设置工作方式6 6启动启动I/OI/O设备设备5.3.3 中断处理程序的处理过程1 1唤醒被阻塞驱动程序进程唤醒被阻塞驱动程序进程2 2保护被中断进程的上下文保护被中断进程的上下文3 3分析中断原因并转入相应的中断处理程分析中断原因并转入相应的中断处理程序序4 4中断处理中断处理5 5恢复被中断进程的现场恢复被中断进程的现场5.4 磁盘存储器管理磁盘存储器：随机读写共享设备，可移动介磁盘存储器：随机读写共享设备，可移动介质质特点特点:容量大，速度快。容量大，速度快。管理要求：合理分配空间、访问

41、效率高，容管理要求：合理分配空间、访问效率高，容错能力强。其性能直接影响文件系统的性能错能力强。其性能直接影响文件系统的性能指标。指标。5.4.1 磁盘的性能简述1、数据的组织数据的组织地址格式：驱动器号、磁道号、磁头号、扇区号地址格式：驱动器号、磁道号、磁头号、扇区号2、磁盘的类型磁盘的类型1固定头磁盘固定头磁盘2移动头磁盘移动头磁盘3、磁盘访问时间磁盘访问时间1寻道时间：与寻道距离成正比寻道时间：与寻道距离成正比2旋转延迟时间旋转延迟时间3传输时间传输时间影响磁盘访问时间的主要参数是寻道时间。影响磁盘访问时间的主要参数是寻道时间。5.4.2磁盘调度磁盘调度提高磁盘提高磁盘I/O速度的途径：

42、速度的途径：1硬件解决硬件解决2好的调度算法好的调度算法3缓冲区缓冲区来自不同进程的磁盘来自不同进程的磁盘I/O请求构成一个随机请求构成一个随机分布的请求队列。磁盘分布的请求队列。磁盘I/O调度算法的主要调度算法的主要目标就是减少请求队列对应的平均柱面定位目标就是减少请求队列对应的平均柱面定位时间寻道时间。时间寻道时间。1、先来先效劳、先来先效劳FCFS磁盘磁盘I/O执行顺序为磁盘执行顺序为磁盘I/O请求的先后顺请求的先后顺序。序。该算法的特点是公平性；在磁盘该算法的特点是公平性；在磁盘I/O负载较负载较轻且每次读写多个连续扇区时，性能较好。轻且每次读写多个连续扇区时，性能较好。2、最短寻道时

43、间优先、最短寻道时间优先SSTFShortSeekTimeFirst考虑磁盘考虑磁盘I/O请求队列中各请求的磁头定位请求队列中各请求的磁头定位位置，选择从当前磁头位置出发，移动最少位置，选择从当前磁头位置出发，移动最少的磁盘的磁盘I/O请求。该算法的目标是使每次磁请求。该算法的目标是使每次磁头移动时间最少。头移动时间最少。访问磁道与当前磁头所在位置最近，但不能访问磁道与当前磁头所在位置最近，但不能保证平均寻道时间最短，但比保证平均寻道时间最短，但比FIFO算法有更算法有更好的性能。进程有可能好的性能。进程有可能“饿死。饿死。3、扫描、扫描SCAN算法：算法：电梯调度算法。选择在磁头前进方向上从

44、当电梯调度算法。选择在磁头前进方向上从当前位置移动最少的磁盘前位置移动最少的磁盘I/O请求执行，没有请求执行，没有前进方向上的请求时才改变方向。该算法是前进方向上的请求时才改变方向。该算法是对对SSTF算法的改进，磁盘算法的改进，磁盘I/O较好，且没有较好，且没有进程会饿死。进程会饿死。4、循环扫描算法、循环扫描算法CSCANCircularSCAN：在一个方向上使用扫描算法，当到达边沿时在一个方向上使用扫描算法，当到达边沿时直接移动到另一沿的第一个位置，即磁头向直接移动到另一沿的第一个位置，即磁头向一个方向移动，到头后立即返回。该算法可一个方向移动，到头后立即返回。该算法可改进扫描算法对中间

45、磁道的偏好。改进扫描算法对中间磁道的偏好。实验说明，该算法在中负载或重负载时，磁实验说明，该算法在中负载或重负载时，磁盘盘I/O性能比扫描算法好。性能比扫描算法好。以上算法无法解决磁臂粘着问题。以上算法无法解决磁臂粘着问题。5N-Step-SCAN算法：算法：把磁盘把磁盘I/O请求队列分成长度为请求队列分成长度为N的段，每的段，每次使用扫描算法处理这次使用扫描算法处理这N个请求，即将请个请求，即将请求的任务分成长度为求的任务分成长度为N的假设干个队列，的假设干个队列，队列间的调度采用队列间的调度采用FCFS方式，队列内部的方式，队列内部的请求以请求以SCAN方式调度。方式调度。该算法的目标是解

46、决磁臂粘着问题。该算法的目标是解决磁臂粘着问题。当当N值很大时，该算法接近于值很大时，该算法接近于SCAN;而而N=1时该算法变为时该算法变为FCFS。6FSCAN调度算法调度算法将将N-Step-SCAN算法中的队列数目定为算法中的队列数目定为2。把磁盘把磁盘I/O请求分成两个队列，交替使用扫请求分成两个队列，交替使用扫描算法处理一个队列，新生成的磁盘描算法处理一个队列，新生成的磁盘I/O请请求放入另一队列中。该算法的目标与求放入另一队列中。该算法的目标与N步扫步扫描算法一致。描算法一致。作业作业某磁盘有某磁盘有1000个柱面个柱面0999，设磁头，设磁头当前位置是当前位置是756，磁头正向

47、，磁头正向0磁道运动。按照磁道运动。按照FIFO排列的磁盘请求队列如下：排列的磁盘请求队列如下：811,348,153,968,407,500画图说明画图说明FCFS、SCAN、SSTF算法完成上算法完成上述磁盘请求的调度情况，并计算为满足上述述磁盘请求的调度情况，并计算为满足上述请求，各算法中磁头运动的磁道数。请求，各算法中磁头运动的磁道数。5.4.3磁盘高速缓存磁盘高速缓存1.磁盘高速缓存的形式磁盘高速缓存的形式指利用内存空间暂存从磁盘中读出的盘块信指利用内存空间暂存从磁盘中读出的盘块信息。是一组逻辑上属于磁盘，物理上驻留内息。是一组逻辑上属于磁盘，物理上驻留内存的盘块。存的盘块。磁盘高速

48、缓存在内存中有两种形式：磁盘高速缓存在内存中有两种形式：大小固定，不受应用程序多少的影响。大小固定，不受应用程序多少的影响。所有未利用的内存空间作为一个缓冲池，所有未利用的内存空间作为一个缓冲池，供请求分页系统和磁盘供请求分页系统和磁盘I/O共享，因共享，因I/O的频繁程度而改变大小。的频繁程度而改变大小。2.数据交付方式数据交付方式某进程访问磁盘数据，某进程访问磁盘数据，OS核心首先查看磁盘核心首先查看磁盘高速缓存，假设有则拷贝。否则访问磁盘，高速缓存，假设有则拷贝。否则访问磁盘，将所需数据交付请求进程，同时在高速缓存将所需数据交付请求进程，同时在高速缓存中复制一份，假设以后需要可直接交付。

49、中复制一份，假设以后需要可直接交付。交付方式：交付方式：1将高速缓存中的数据直接传送到请求进将高速缓存中的数据直接传送到请求进程的内存区。程的内存区。2交付给请求进程的是指向所需数据的指交付给请求进程的是指向所需数据的指针。针。3.置换算法置换算法类似于请求调页系统。将磁盘中的数据读入类似于请求调页系统。将磁盘中的数据读入高速缓存时，假设高速缓存中已装满数据，高速缓存时，假设高速缓存中已装满数据，则需要置换。则需要置换。常用的置换算法：最近最久未用常用的置换算法：最近最久未用LRU、最近、最近未使用未使用NRU、最少使用算法。、最少使用算法。设计高速缓存要考虑数据的一致性：系统发设计高速缓存要

50、考虑数据的一致性：系统发生故障，可能会造成内存高速缓存中的数据生故障，可能会造成内存高速缓存中的数据与磁盘数据不一致。与磁盘数据不一致。解决方案：解决方案：备用电源；备用电源；OS定期回写机制：定期回写机制：UNIX系统每隔系统每隔30秒将秒将高速缓存中所有高速缓存中所有“dirty块、内存专用块、块、内存专用块、活动活动i结点都写回到外存原来位置。结点都写回到外存原来位置。有的系统将高速缓存中的所有盘块拉成一条有的系统将高速缓存中的所有盘块拉成一条LRU链，会严重影响数据一致性的盘块和可链，会严重影响数据一致性的盘块和可能不再使用的盘块放在队首，使它们被优先能不再使用的盘块放在队首，使它们被