操作系統(tǒng)——設備管理節(jié)選課件

1、1.1.輸入輸出管理輸入輸出管理2.2.數據傳送控制方式數據傳送控制方式3.3.緩沖技術緩沖技術4.4.設備分配設備分配5.5.磁盤設備管理磁盤設備管理6.Spooling6.Spooling系統(tǒng)系統(tǒng)設備管理的目標設備管理的目標 提高系統(tǒng)資源利用率提高系統(tǒng)資源利用率 方便用戶使用方便用戶使用 q設備的有效使用設備的有效使用q讓用戶方便使用設備讓用戶方便使用設備q設備和設備和CPUCPU的并行工作的并行工作：按照用戶的要求來控制設備操作：按照用戶的要求來控制設備操作，對外部設備進行管理，是操作系統(tǒng)中最具，對外部設備進行管理，是操作系統(tǒng)中最具多樣性、復雜性的部分。多樣性、復雜性的部分。按照按照用戶

2、的要求用戶的要求控制控制I IO O設備工作，完成設備工作，完成用戶所希望的用戶所希望的I IO O操作操作按照一定的按照一定的算法算法把把I IO O設備分配給對該設設備分配給對該設備提出請求的進程備提出請求的進程充分有效地使用充分有效地使用I IO O設備設備 I/OI/O管理功能管理功能1.1.狀態(tài)跟蹤狀態(tài)跟蹤 設備控制塊設備控制塊是存放設備管理和控制信息的數據結構，動態(tài)的記錄各種設備的狀態(tài)。2.2.制訂設備分配策略制訂設備分配策略 決定設備分配策略，以確定誰、何時使用設備，使用多長時間。3.3.設備分配與回收設備分配與回收 作業(yè)級靜態(tài)分配進程級動態(tài)分配4.4.設備控制設備控制 實施設備

3、驅動和中斷處理的工作。設備控制包括設備的驅動、完成和故障中斷處理。 按使用特性分類按使用特性分類：存儲設備存儲設備輸入輸出設備輸入輸出設備終端設備終端設備 脫機設備脫機設備按從屬關系分類：按從屬關系分類：系統(tǒng)設備系統(tǒng)設備用戶設備用戶設備 按信息組織方式分類按信息組織方式分類：塊設備塊設備字符設備字符設備按設備的從屬關系分類 操作系統(tǒng)時，就已經登記過的各種標準操作系統(tǒng)時，就已經登記過的各種標準設備，如：鍵盤，顯示器，打印機設備，如：鍵盤，顯示器，打印機 系統(tǒng)設備之外的非標準設備，安裝時，系統(tǒng)設備之外的非標準設備，安裝時，需要裝驅動程序，如：繪圖儀，掃描儀需要裝驅動程序，如：繪圖儀，掃描儀 按操作

4、特性分類按操作特性分類 ：向主機輸入信息和輸出主機：向主機輸入信息和輸出主機信息的設備。如：鍵盤，顯示器信息的設備。如：鍵盤，顯示器 ：計算機中用來存放各種信息的載：計算機中用來存放各種信息的載體，如：磁盤，磁帶，磁鼓體，如：磁盤，磁帶，磁鼓按設備共享屬性分類 ：該類設備一旦分配給某進程，直到該進程結束之后才能釋放設備 ：在一段時間內允許多個進程訪問的設備，如：磁盤 ：通過虛擬技術，將獨享設備變換為若干臺邏輯設備，供若干個進程同時使用設備獨立性設備獨立性1. 1. 設備獨立性的概念設備獨立性的概念（1 1）邏輯設備名）邏輯設備名邏輯設備名是用戶自己定義的設備名（或設邏輯設備名是用戶自己定義的設

5、備名（或設備號）。它是暫時的，可更改的。備號）。它是暫時的，可更改的。（2 2）物理設備名）物理設備名物理設備名是系統(tǒng)提供的設備的標準名稱，物理設備名是系統(tǒng)提供的設備的標準名稱，它是永久的、不可更改的它是永久的、不可更改的。（3 3）設備獨立性）設備獨立性 設備獨立性是指用戶在編程序時所使用的設備設備獨立性是指用戶在編程序時所使用的設備與實際與實際設備無關設備無關。也就是在用戶程序中可使用。也就是在用戶程序中可使用邏輯設備名。邏輯設備名。 3. 3. 設備獨立性的優(yōu)點設備獨立性的優(yōu)點方便用戶編程方便用戶編程提高系統(tǒng)資源的利用率提高系統(tǒng)資源的利用率 使用程序運行不受具體的機器環(huán)境的限制。使用程序

6、運行不受具體的機器環(huán)境的限制。 提高系統(tǒng)的可擴展性和可適應性提高系統(tǒng)的可擴展性和可適應性 外部設備外部設備在在中央處理機中央處理機 的控制下完成工作。的控制下完成工作。？中央處理機做多少工作？中央處理機做多少工作？外部設備做多少工作？外部設備做多少工作？決定決定 CPU I/OCPU I/O設備設備 并行能力并行能力2.2.數據傳送控制方式數據傳送控制方式設備控制器設備控制器一一 設備控制器設備控制器 什么是數據傳送控制方式：什么是數據傳送控制方式： 數據傳送控制方式是指如何控數據傳送控制方式是指如何控制制設備設備與與內存內存之間之間的數據傳輸的數據傳輸過程的方式過程的方式。設備控制器設備控制

7、器 在微型機和小型機中的控制器，常做成印刷電在微型機和小型機中的控制器，常做成印刷電路卡形式，因而也成接口卡，可將它插入計算路卡形式，因而也成接口卡，可將它插入計算機機( (插槽中插槽中) )。 設備控制器是計算機中的一個實體，其主要職設備控制器是計算機中的一個實體，其主要職責是控制一個或多個責是控制一個或多個( (同類同類)I/O)I/O設備，以實現設備，以實現I/OI/O設備和計算機之間的設備和計算機之間的數據交換數據交換。它是。它是CPUCPU和和I/OI/O設備之間的設備之間的接口接口，它接收從，它接收從CPUCPU發(fā)來的命令，發(fā)來的命令，并去控制并去控制I/OI/O設備工作，以使處理

8、機從繁雜的設設備工作，以使處理機從繁雜的設備控制事務中解脫出來。備控制事務中解脫出來。程序（程序（CPUCPU）直接控制方式（直接控制方式（中斷驅動方式（中斷驅動方式（DMADMA控制方式控制方式 （通道控制方式（通道控制方式（）程序直接控制方式：程序直接控制方式：早期采用早期采用“被動式被動式”，控制器設置一個，控制器設置一個完成標志完成標志，等待，等待CPUCPU來查詢來查詢由由CPUCPU直接控制內存和外圍設備之間的信息傳送。直接控制內存和外圍設備之間的信息傳送。I/OI/O操作操作由程序發(fā)起，并等待操作完成。數據的每次讀寫通過由程序發(fā)起，并等待操作完成。數據的每次讀寫通過CPU CPU

9、 控控制，包括發(fā)送讀寫命令、循環(huán)測試設備狀態(tài)、傳輸數據。制，包括發(fā)送讀寫命令、循環(huán)測試設備狀態(tài)、傳輸數據。接下頁接下頁（b）接收到接收到Start命令命令做接收或發(fā)送數據準備做接收或發(fā)送數據準備等待等待CPU來的下條命令來的下條命令標志觸發(fā)器置標志觸發(fā)器置“Done”執(zhí)行下條命令執(zhí)行下條命令開始數據傳送開始數據傳送等待等待發(fā)發(fā)Start命令命令準備完畢？準備完畢？設備標志觸發(fā)設備標志觸發(fā)器為器為“Done”外圍設備外圍設備（a）否否是是CPU是是否否程序直接控制方式圖示程序直接控制方式圖示接下頁接下頁返回返回優(yōu)點：控制簡單。優(yōu)點：控制簡單。缺點：缺點：1 1）CPUCPU和外圍設備只能串行工作

10、。和外圍設備只能串行工作。2 2）CPUCPU在一段時間內只能和一臺外圍設備交換數在一段時間內只能和一臺外圍設備交換數據信息，從而不能實現設備之間的并行工據信息，從而不能實現設備之間的并行工 作。作。 3 3）由于程序直接控制方式依靠）由于程序直接控制方式依靠測試設備標志觸發(fā)器測試設備標志觸發(fā)器的狀態(tài)位的狀態(tài)位來控制數據傳送，因此無法發(fā)現和處理由于設備來控制數據傳送，因此無法發(fā)現和處理由于設備或其他硬件產生的錯誤?；蚱渌布a生的錯誤。適合：專用控制系統(tǒng)；外設較少、適合：專用控制系統(tǒng)；外設較少、CPUCPU速度較慢的系統(tǒng)速度較慢的系統(tǒng)。 工作方式：工作方式：CPUCPU向向I/OI/O部件發(fā)出

11、命令后，轉去做其他有部件發(fā)出命令后，轉去做其他有用的工作。用的工作。當當I/OI/O部件準備好一個數據（對輸入）或輸出完一個數據部件準備好一個數據（對輸入）或輸出完一個數據后（對輸出）后，利用中斷通知后（對輸出）后，利用中斷通知CPUCPU，再由再由CPUCPU完成設完成設備與內存的數據傳輸。備與內存的數據傳輸。特點：特點： CPUCPU不必反復測試寄存器狀態(tài)，節(jié)約了時間。不必反復測試寄存器狀態(tài)，節(jié)約了時間。CPUCPU可以與設備并行工作。但每可以與設備并行工作。但每個字節(jié)的數據個字節(jié)的數據傳輸都必須傳輸都必須經過經過CPUCPU寄存器轉發(fā)。寄存器轉發(fā)。接下頁接下頁中斷控制方式處理過程中斷控制

12、方式處理過程中斷處理（處理數據傳輸）中斷處理（處理數據傳輸）接收到接收到CPUCPU到到StartStart指令指令準備數據并將其準備數據并將其置入緩沖寄存器置入緩沖寄存器標志觸發(fā)器置標志觸發(fā)器置“DoneDone”調度程序調度其他程序調度程序調度其他程序向設備發(fā)向設備發(fā)StartStart命令，命令，將中斷允許位置將中斷允許位置1 1緩沖寄存緩沖寄存器滿嗎？器滿嗎？收到中斷信號收到中斷信號了嗎？了嗎？設備設備否否是是CPUCPU是是否否其他進程執(zhí)行其他進程執(zhí)行被中斷進程執(zhí)行被中斷進程執(zhí)行接下頁接下頁優(yōu)點：優(yōu)點：CPUCPU利用率較程序直接控制器有大大的利用率較程序直接控制器有大大的 提高，且

13、能支持多道程序和設備的并行操提高，且能支持多道程序和設備的并行操 作。作。缺點：缺點：1 1）在一次數據（若干字節(jié)）傳送過程中，）在一次數據（若干字節(jié)）傳送過程中， 發(fā)生中斷次數較多。發(fā)生中斷次數較多。 2 2）CPUCPU由于中斷次數增多而無法響應中由于中斷次數增多而無法響應中 斷和出現數據丟失。斷和出現數據丟失。適合：適合：低速的字符設備低速的字符設備返回返回以上介紹的程序控制方式和中斷方式，主機與外設進行的數據傳送都是以CPU為中心組織的。DMADMA方式方式: :直接存取方式直接存取方式 其基本思路是在外部設備和內存其基本思路是在外部設備和內存之間開辟之間開辟直接的數據交換通路直接的數

14、據交換通路 直接存取方式直接存取方式: :直接存儲訪問方式直接存儲訪問方式( (DMA, Direct Memory DMA, Direct Memory Access)Access)工作方式工作方式：由程序設置由程序設置DMADMA控制器中的控制器中的若干寄存器值（如內存始址，傳送字若干寄存器值（如內存始址，傳送字節(jié)數），然后發(fā)起節(jié)數），然后發(fā)起I/OI/O操作；在操作；在DMADMA控控制之下完成內存與外設的成批數據交制之下完成內存與外設的成批數據交換，在操作完成時由換，在操作完成時由DMADMA控制器向控制器向CPUCPU發(fā)出中斷。發(fā)出中斷。接下頁接下頁DMA方式的傳送結構2、DMA控制

15、器的組成控制器的組成為了實現在主機與控制器之間成塊數據成塊數據的直接交換 1) 命令命令/狀態(tài)寄存器狀態(tài)寄存器CR。用于接收從。用于接收從CPU發(fā)來的發(fā)來的I/O命令或有命令或有關控制信息，或設備的狀態(tài)。關控制信息，或設備的狀態(tài)。 2) 內存地址寄存器內存地址寄存器MAR。在輸入時，它存放把數據從設備傳。在輸入時，它存放把數據從設備傳送到內存的起始目標地址；在輸出時，它存放由內存到設備的送到內存的起始目標地址；在輸出時，它存放由內存到設備的內存源地址。內存源地址。 3) 數據寄存器數據寄存器DR。用于暫存從設備到內存，或從內存到設備。用于暫存從設備到內存，或從內存到設備的數據。的數據。 4)

16、數據計數器數據計數器DC。存放本次。存放本次CPU要讀或寫的字要讀或寫的字(節(jié)節(jié))數。數。DRMARDCCRI/O控制邏輯主機控制器接口控制器與塊設備接口count內存CPU命令系統(tǒng)總線DMA控制器 在DMA方式中，I/O控制除了控制狀態(tài)寄存器和數據緩沖寄存器之外，DMA控制器中還包括傳送字節(jié)計數器、內存地址寄存器等。 DMA方式竊取或挪用CPU的一個工作周期把數據緩沖寄存器中的數據直接送到內存地址寄存器所指向的內存區(qū)域。DMADMA傳輸數據步驟：傳輸數據步驟：1.1.一進程請求設備一進程請求設備I/OI/O，CPUCPU做如下事：做如下事： 內存起始地址內存起始地址DMADMA控制器的地址寄

17、存器控制器的地址寄存器 傳輸字節(jié)數傳輸字節(jié)數 DMADMA控制器的字節(jié)計數器控制器的字節(jié)計數器 啟動啟動DMADMA控制器控制器2.2.該進程阻塞，等待該進程阻塞，等待I/OI/O完成完成3.DMA3.DMA與內存進行數據傳輸，成批數據傳送由字節(jié)計數器計與內存進行數據傳輸，成批數據傳送由字節(jié)計數器計算控制算控制4.4.傳輸完，向傳輸完，向CPUCPU發(fā)中斷完成信號發(fā)中斷完成信號5.CPU5.CPU接受接受DMADMA中斷請求，轉中斷處理程序中斷請求，轉中斷處理程序6.6.數據傳送完成，喚醒被阻塞進程數據傳送完成，喚醒被阻塞進程優(yōu)點優(yōu)點：CPUCPU只需干預只需干預I/OI/O操作的開始和結束，

18、操作的開始和結束，而而一批數據一批數據傳輸由傳輸由DMADMA控制，無需控制，無需CPUCPU控制，控制，提高了提高了CPUCPU與設備的并行工作程度，排除了與設備的并行工作程度，排除了中斷方式中的數據丟失現象。適于高速設備。中斷方式中的數據丟失現象。適于高速設備。如：磁盤如：磁盤返回返回 缺點：缺點： DMA方式對外圍設備的管理和某些操方式對外圍設備的管理和某些操作仍由作仍由CPU控制。系統(tǒng)中多個控制。系統(tǒng)中多個DMA同同時使用，可能造成內存地址沖突。管時使用，可能造成內存地址沖突。管理和控制復雜化。理和控制復雜化。 DMA方式方式一次只能傳送一批地址連續(xù)一次只能傳送一批地址連續(xù)的數據塊，如

19、果需傳送多個地址不連的數據塊，如果需傳送多個地址不連續(xù)的數據塊，則需啟動續(xù)的數據塊，則需啟動DMA多次。多次。通道控制方式通道控制方式 與DMA方式不同的是： 在DMA方式中，數據的傳送方向、存放數據的內存始址以及傳送的數據塊長度等都由CPU控制，而在通道方式中，這些都由專管輸入輸出的硬件通道來進行控制。 DMA方式時每臺設備至少一個DMA控制器相比，通道控制方式可以做到一個通道控制多臺設備與內存進行數據交換，從而，通道方式進一步減輕了CPU的工作負擔和增加了計算機系統(tǒng)的并行工作程度。 由于通道是一個專管輸入輸出操作控制的硬件，有必要更進一步完整地描述一下通道的定義：通道是一個獨立于CPU的專

20、管輸入輸出控制的處理機，它控制設備與內存直接進行數據交換。它有自己的通道指令，這些通道指令受CPU啟動，并在操作結束時向CPU發(fā)中斷信號。優(yōu)點：優(yōu)點：啟動一次通道執(zhí)行一個通道程序可以傳啟動一次通道執(zhí)行一個通道程序可以傳送幾批地址不連續(xù)的數據塊。數據傳輸過程中送幾批地址不連續(xù)的數據塊。數據傳輸過程中對對CPUCPU的干擾比的干擾比DMADMA更少，更少，CPUCPU利用率更高，對利用率更高，對通道的控制更簡單。通道的控制更簡單。通道通過執(zhí)行通道程序控制輸入輸出，比通道通過執(zhí)行通道程序控制輸入輸出，比較靈活較靈活。返回返回程序（程序（CPUCPU）直接控制方式（直接控制方式（中斷驅動方式（中斷驅動

21、方式（DMADMA控制方式控制方式 （通道控制方式（通道控制方式（）在IO系統(tǒng)中增加，用以代替CPU與各設備控制器通信，對它們進行控制。具有通道裝置的計算機系統(tǒng)，整個輸入輸出系統(tǒng)呈現如圖所示的四級連接、三級控制方式。 一個通道可以以分時方式同時執(zhí)行幾個通道指令程序。按照信息交換方式不同，一個系統(tǒng)中可設立三種類型的通道，即字節(jié)多路通道、數組多路通道和選擇通道。圖9.7 通道方式的數據傳送結構字節(jié)多路通道字節(jié)多路通道以字節(jié)為單位以字節(jié)為單位傳送數據，它主傳送數據，它主要用來連接大量的低速設備，如終端、打印要用來連接大量的低速設備，如終端、打印機等機等2. 數組多路通道數組多路通道以塊為單位以塊為單

22、位傳送數據，它具有傳送數據，它具有傳送速率高和能分時操作不同的設備等優(yōu)點傳送速率高和能分時操作不同的設備等優(yōu)點。數組多路通道主要用來連接中速塊設備，。數組多路通道主要用來連接中速塊設備，如磁帶機等。如磁帶機等。 數組多路通道和字節(jié)多路通道都可以分時執(zhí)行不同的通道指令程序。但是，選擇通道一次只能執(zhí)行一個通道指令程序。所以，選擇通道一次只能控制一臺設備進行 I/O操作。不過，選擇通道具有傳送速度高的特點，因而它被用來連接高速外部設備，并以塊為單位成批傳送數據。受選擇通道控制的外設有磁盤機等。緩沖的概念緩沖的概念1. 1. 為什么要使用緩沖為什么要使用緩沖（1）兩種設備之間傳輸信息時速度不匹配兩種設

23、備之間傳輸信息時速度不匹配 （2）負載不均勻負載不均勻 系統(tǒng)有時會產生大量的數據需要系統(tǒng)有時會產生大量的數據需要I/O，有時又會很，有時又會很長時間沒有長時間沒有I/O，造成，造成I/O負荷的不均勻。負荷的不均勻。慢速設備快速設備慢速設備快速設備中速設備緩沖2. 2. 什么是緩沖什么是緩沖緩沖是用來在兩種不同速度的設備之間傳輸信息時平滑傳輸過程的常用手段。緩沖技術是用來匹配CPU與設備之間速度差異和負荷的不均勻。3. 3. 緩沖的實現緩沖的實現（1）緩沖器用來暫時存放數據的一種硬件存儲裝置，容量較小。（2）軟件緩沖區(qū) I/O操作期間，用來臨時存放I/O數據的一塊主存區(qū)域。 單緩沖單緩沖( (s

24、ingle buffer)single buffer)：設一個緩沖區(qū)，設一個緩沖區(qū)，CPUCPU和外設輪流使用，和外設輪流使用， 一方處理完之后接著等待對方處理。一方處理完之后接著等待對方處理。 雙緩沖雙緩沖( (double buffer)double buffer)：設兩個緩沖區(qū)，設兩個緩沖區(qū)，CPUCPU和外設都可以連和外設都可以連 續(xù)處理而無需等待對方。要求續(xù)處理而無需等待對方。要求CPUCPU和外設的速度相近。和外設的速度相近。 多緩沖多緩沖( (multiply buffer)multiply buffer)：多個緩沖區(qū)，多個緩沖區(qū)，CPUCPU和外設的處理速和外設的處理速 度可以

25、相差較大。如用于輸入或輸出的環(huán)形緩沖區(qū)。（一般是度可以相差較大。如用于輸入或輸出的環(huán)形緩沖區(qū)。（一般是 專用）專用）緩沖池緩沖池( (bufferbufferpool)pool)：由多個緩沖區(qū)構成，既可用于輸入也由多個緩沖區(qū)構成，既可用于輸入也 可用于輸出，多個進程共享，可用于多種設備。（通用，利用可用于輸出，多個進程共享，可用于多種設備。（通用，利用 率高）率高）I/O設備設備輸入輸入用戶進程用戶進程操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)I/O設備設備輸入輸入用戶進程用戶進程操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)輸入輸入I/O設備設備用戶進程用戶進程操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)(a)(b)(c)( (a)a)單緩沖單緩沖 ;( ;(b)b)雙緩沖

26、雙緩沖; (; (c)c)循環(huán)緩沖循環(huán)緩沖操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)緩沖區(qū)緩沖區(qū)A緩沖區(qū)緩沖區(qū)B用戶進程用戶進程用戶區(qū)用戶區(qū)I/O設備設備輸入傳送雙緩沖工作流程示意圖雙緩沖工作流程示意圖以下數據結構用來記錄設備或部件的標識狀態(tài)等信息：以下數據結構用來記錄設備或部件的標識狀態(tài)等信息：系統(tǒng)設備表系統(tǒng)設備表SDTSDT：每個系統(tǒng)設備占一表目每個系統(tǒng)設備占一表目設備控制表設備控制表DCTDCT：每個設備一張每個設備一張控制器控制表控制器控制表COCTCOCT：每個控制器一張每個控制器一張通道控制表通道控制表CHCTCHCT：每個通道一張每個通道一張表目表目i表目表目1DCT指針指針獲得設備的進程獲得設備的進程設

27、備標識設備標識設備類型設備類型控制器等待隊列尾控制器等待隊列尾控制器等待隊列首控制器等待隊列首COCT指針指針設備忙閑標記設備忙閑標記設備標識設備標識設備類型設備類型控制忙閑標記控制忙閑標記控制器等待隊列尾控制器等待隊列尾控制器等待隊列首控制器等待隊列首CHCT指針指針控制器標識控制器標識通道忙閑標記通道忙閑標記通道等待隊列尾通道等待隊列尾通道等待隊列首通道等待隊列首通道標識通道標識SDFDCT設備控制表設備控制表控制器控制表控制器控制表COCTCHCT通道控制表通道控制表等待進程隊列等待進程隊列設備分配流程圖設備分配流程圖分配過程：如下所示分配過程：如下所示進程申請進程申請I/OI/O分配設

28、備分配設備分配分配控制器控制器分配通道分配通道進程加入設進程加入設備等待隊列備等待隊列進程加入通進程加入通道等待隊列道等待隊列進程加入控制進程加入控制字等待隊列字等待隊列成功成功成功成功成功成功成功成功不成功不成功不成功不成功不成功不成功啟動啟動I/OI/O與設備分配有關的設備屬性與設備分配有關的設備屬性：獨享設備：打印機等；獨享設備：打印機等；共享設備：磁盤、網卡等；虛擬設備。共享設備：磁盤、網卡等；虛擬設備。設備分配方式：設備分配方式：靜態(tài)分配靜態(tài)分配：在進程分創(chuàng)建時分配，在進程退出時釋放；：在進程分創(chuàng)建時分配，在進程退出時釋放；優(yōu)缺點：不會出現死鎖；優(yōu)缺點：不會出現死鎖；設備利用率不高；

29、設備利用率不高；動態(tài)分配動態(tài)分配：在進程執(zhí)行過程中根據需要分配，使用結束后釋放；：在進程執(zhí)行過程中根據需要分配，使用結束后釋放；優(yōu)缺點優(yōu)缺點：需要考慮死鎖問題需要考慮死鎖問題有利于提高設備利用率有利于提高設備利用率設備分配的原則：設備分配的原則：合理使用外設合理使用外設( (公平和避免死鎖公平和避免死鎖) )，提高設備利用率。，提高設備利用率。設備分配策略設備分配策略：針對特定的設備采用特定的分配策略。：針對特定的設備采用特定的分配策略。先來先服務先來先服務( (FCFS)FCFS)：按按I/OI/O請求的先后順序，排成請求的先后順序，排成I/OI/O請請求命令隊列；按求命令隊列；按FCFSF

30、CFS分配設備；分配設備；1)1) 基于優(yōu)先級基于優(yōu)先級：依據進程的優(yōu)先級，指定：依據進程的優(yōu)先級，指定I/OI/O請求的優(yōu)先級，請求的優(yōu)先級，排成不同優(yōu)先級隊列；按優(yōu)先級高低分配設備；排成不同優(yōu)先級隊列；按優(yōu)先級高低分配設備；設備驅動程序設備驅動程序 驅動物理設備和驅動物理設備和DMADMA控制器或控制器或I/OI/O控制控制器等直接進行器等直接進行I/OI/O操作的子程序操作的子程序的集合。負責設置相應設備有關寄存器的集合。負責設置相應設備有關寄存器的值，啟動設備進行的值，啟動設備進行I/OI/O操作，指操作，指定操作的類型和數據流向等。定操作的類型和數據流向等。 引入：在多道批處理系統(tǒng)中

31、，專門利用一道或幾道程序來完成對設引入：在多道批處理系統(tǒng)中，專門利用一道或幾道程序來完成對設備的備的I/OI/O操作。無需使用外圍操作。無需使用外圍I/OI/O處理機。處理機。利用假脫機技術利用假脫機技術( (SPOOLing, Simultaneous Peripheral Operation On SPOOLing, Simultaneous Peripheral Operation On Line, Line, 也稱為虛擬設備技術也稱為虛擬設備技術) )可可把獨享設備轉變成具有共享特征的虛擬設把獨享設備轉變成具有共享特征的虛擬設備備，從而提高設備利用率。，從而提高設備利用率。Applic

32、ation AApplication BSPOOLingProgramDeviceVirtual I/OActual I/O 虛擬分配虛擬分配1. 1. 什么是虛擬技術什么是虛擬技術所謂虛擬技術，是在一類物理設備（如外存）上模擬另一類物理設備（如打印機）的技術，是將獨占設備轉化為共享設備的技術。2. 2. 什么是虛擬設備什么是虛擬設備通常把用來代替獨占設備的那部分外存空間代替獨占設備的那部分外存空間（包括有關的控制表格）稱為虛擬設備。3. 3. 虛擬分配虛擬分配當進程需要與獨占型設備交換信息時，系統(tǒng)將分配磁盤空間，并建立相應的數據結構，這種分配方法稱為設備的虛擬分配。例：共享打印機例：共享打印

33、機 共享打印機技術已被廣泛地用于多用戶系統(tǒng)和局共享打印機技術已被廣泛地用于多用戶系統(tǒng)和局域網絡中。當用戶進程請求打印輸出時，域網絡中。當用戶進程請求打印輸出時，SPOOLingSPOOLing系統(tǒng)同意為它打印輸出，但并不真正立系統(tǒng)同意為它打印輸出，但并不真正立即把打印機分配給該用戶進程，而只為它做兩件即把打印機分配給該用戶進程，而只為它做兩件事：事：由輸出進程在由輸出進程在輸出井輸出井中為之申請一個空閑磁盤塊區(qū)，中為之申請一個空閑磁盤塊區(qū)，并將要打印的數據送入其中；并將要打印的數據送入其中；輸出進程再為用戶進程申請一張空白的用戶請求打輸出進程再為用戶進程申請一張空白的用戶請求打印表，并將用戶的

34、打印要求填入其中，再將該表掛到印表，并將用戶的打印要求填入其中，再將該表掛到請求打印隊列上。請求打印隊列上。SPOOLingSPOOLing系統(tǒng)的特點系統(tǒng)的特點 1) 1) 提高了提高了I/OI/O的速度的速度 2) 2) 將獨占設備改造為共享設將獨占設備改造為共享設備備 3) 3) 實現了虛擬設備功能實現了虛擬設備功能CPUCPU和內存的和內存的訪問速度訪問速度比磁盤要快若干個數比磁盤要快若干個數量級，磁盤系統(tǒng)的性能量級，磁盤系統(tǒng)的性能對整個系統(tǒng)的性能對整個系統(tǒng)的性能有重要影響有重要影響。磁盤設備管理的目標磁盤設備管理的目標: :就是提高磁盤系統(tǒng)的性能就是提高磁盤系統(tǒng)的性能 ? 從哪些方面可

35、以提高磁盤系統(tǒng)的性能提高磁盤系統(tǒng)的性能磁盤的調度算法磁盤的調度算法數據的合理組織數據的合理組織 一一 磁盤的調度算法磁盤的調度算法 減少減少設備機械運動所帶來的設備機械運動所帶來的時間浪費時間浪費 當多個訪盤請求在等待時，當多個訪盤請求在等待時，采用一定的采用一定的策略策略，對這些請求的服務順序調整安排，對這些請求的服務順序調整安排，降低平均磁盤服務時間，達到高效公，降低平均磁盤服務時間，達到高效公平。平。1 1 認識磁盤認識磁盤直接（隨機）存取設備直接（隨機）存取設備存取磁盤上任一物理塊的時間不依賴存取磁盤上任一物理塊的時間不依賴物理塊所處的位置物理塊所處的位置67 磁盤是將若干個涂有鐵磁的

36、圓形金屬或塑料片組合在一起構成的盤組，每個圓盤有上下兩個盤面每個盤面有一個讀寫磁頭，讀寫磁盤時，磁頭通過存取臂在盤面上移動，而盤體繞中心軸高速旋轉.68盤組旋轉一周，磁頭在盤面上的移動軌跡盤組旋轉一周，磁頭在盤面上的移動軌跡稱為磁道（一個圓），各個盤面上半徑相稱為磁道（一個圓），各個盤面上半徑相同的磁道合起來構成一個柱面同的磁道合起來構成一個柱面一個磁道又被分成許多扇區(qū)，一般每條磁一個磁道又被分成許多扇區(qū)，一般每條磁道上扇區(qū)數目在道上扇區(qū)數目在8 8至至3232之間，每個扇區(qū)的之間，每個扇區(qū)的字節(jié)數相同（一般為字節(jié)數相同（一般為512512）磁道磁道扇區(qū)扇區(qū)格式格式化化格式化格式化1 1、劃分

37、磁道和扇區(qū)。、劃分磁道和扇區(qū)。2 2、建立目錄區(qū)和文件分配表。（、建立目錄區(qū)和文件分配表。（0 0磁道磁道0 0柱面，柱面，1 1扇區(qū)）扇區(qū)）3 3、檢查整個磁盤上有無帶缺陷的、檢查整個磁盤上有無帶缺陷的磁道，并對其加注標記，避免被磁道，并對其加注標記，避免被使用使用 柱面柱面扇區(qū)扇區(qū)磁臂磁臂磁頭磁頭盤面中處于盤面中處于同一磁道號同一磁道號上的所有磁上的所有磁道組成一個道組成一個柱面柱面物理地址形式：物理地址形式： 磁頭號（盤面號）磁頭號（盤面號） 磁道號（柱面號）磁道號（柱面號） 扇區(qū)號扇區(qū)號 磁盤系統(tǒng)由磁盤系統(tǒng)由磁盤本身磁盤本身和和驅動控制設備驅動控制設備組組成，實際存取讀寫的動作過程是由

38、成，實際存取讀寫的動作過程是由磁盤磁盤驅動控制設備驅動控制設備按照主機要求完成的。按照主機要求完成的。 一次訪盤請求：一次訪盤請求： 讀讀/ /寫，磁盤地址（設備號，柱面寫，磁盤地址（設備號，柱面 號，號，磁頭號，扇區(qū)號），內存地址（源磁頭號，扇區(qū)號），內存地址（源/ /目）目） 柱面柱面定位時間定位時間：磁頭移動到指定柱面的機：磁頭移動到指定柱面的機 械運動時間；械運動時間； 旋轉旋轉延遲時間延遲時間：磁盤旋轉到指定扇區(qū)的機：磁盤旋轉到指定扇區(qū)的機械運動時間；它與磁盤轉速相關。械運動時間；它與磁盤轉速相關。 數據數據傳送時間傳送時間：從指定扇區(qū)讀寫數據的時：從指定扇區(qū)讀寫數據的時間。間。返回

39、返回設備占用等待時間I/O通道占用等待時間柱面定位時間旋轉延遲時間數據傳送時間磁盤設備忙一次訪盤時間一次訪盤時間 = = 定位時間定位時間+ +延遲時間延遲時間+ +存取時間存取時間磁盤調度考慮的問題：磁盤調度考慮的問題：減少柱面定位時間減少柱面定位時間減少旋轉延遲時間減少旋轉延遲時間 Os:Os:減少設備機械運動所帶來的時間浪費減少設備機械運動所帶來的時間浪費 3 3 磁盤的驅動調度磁盤的驅動調度 定位時間定位時間和延遲時間延遲時間盡可能小驅動調度有“移臂調度移臂調度”和“旋轉調度旋轉調度”兩部分組成。柱面定位時間在訪問時間中占主要部分。A A 移臂調度移臂調度 來自不同進程的磁盤I/O請求

40、構成一個隨機分布的請求隊列。磁盤 I/O調度的主要目標減少尋找柱面的時間，使得平均柱面定位時間縮短 常用的移臂調度算法有： 先來先服務算法先來先服務算法 最短尋找時間優(yōu)先算法最短尋找時間優(yōu)先算法 電梯調度算法電梯調度算法 78（1 1）先進先出（）先進先出（FCFSFCFS）先來先服務：按訪問請求到達的先后次序服務。先來先服務：按訪問請求到達的先后次序服務。 假設磁頭初始位置是假設磁頭初始位置是100100，磁盤訪問請求柱面序，磁盤訪問請求柱面序列：列：5555、5858、3939、1818、9090、160160、150150、3838、184184磁頭移動總距離（道數）：磁頭移動總距離（道

41、數）： 45+3+19+21+72+70+10+112+146=49845+3+19+21+72+70+10+112+146=498平均尋道長度：平均尋道長度：498/9 = 55.33498/9 = 55.33 由于由于柱面定位時間柱面定位時間在訪問時間中占主要部分，在訪問時間中占主要部分，合理組成磁盤數據的合理組成磁盤數據的存儲位置存儲位置可提高磁盤可提高磁盤I/OI/O性能。性能。例子：讀一個例子：讀一個128128KBKB大小的文件：大小的文件：(1)(1)文件由文件由8 8個連續(xù)磁道個連續(xù)磁道( (每個磁道每個磁道3232個扇區(qū)個扇區(qū)) )上的上的256256個扇區(qū)構成：個扇區(qū)構成：

42、2020ms+(8.3ms+16.7ms)ms+(8.3ms+16.7ms)* *8=220ms;8=220ms;其中，柱面定位時間為其中，柱面定位時間為2020msms，旋轉延遲時間為旋轉延遲時間為8.38.3msms，一個磁道上一個磁道上3232個個扇區(qū)數據傳送時間為扇區(qū)數據傳送時間為16.716.7msms；(2)(2)文件由文件由256256個隨機分布的扇區(qū)個隨機分布的扇區(qū)構成：構成：(20(20ms+8.3ms+0.5ms)ms+8.3ms+0.5ms)* *256=7373ms;256=7373ms;其中，其中，1 1扇區(qū)數據傳送時間為扇區(qū)數據傳送時間為0.50.5msms；隨機分

43、布時的訪問時間為連續(xù)分布時的隨機分布時的訪問時間為連續(xù)分布時的33.533.5倍倍。先來先服務先來先服務優(yōu)點：簡單，公平；優(yōu)點：簡單，公平；缺點：效率不高，相鄰兩次請求可能會缺點：效率不高，相鄰兩次請求可能會造成最內到最外的柱面尋道，使磁頭造成最內到最外的柱面尋道，使磁頭反復移動，增加了服務時間，對機械反復移動，增加了服務時間，對機械也不利也不利 （2 2） 最短查找時間優(yōu)先算法最短查找時間優(yōu)先算法 ( (SSTF, Shortest Service Time First)SSTF, Shortest Service Time First) 考慮磁盤考慮磁盤I/OI/O請求隊列中各請求的柱面位

44、置，選請求隊列中各請求的柱面位置，選擇從當前磁頭位置出發(fā)，移動臂擇從當前磁頭位置出發(fā)，移動臂移動距離最短移動距離最短的磁盤的磁盤I/OI/O請求。請求。請求柱面序列：請求柱面序列：5555、5858、3939、1818、9090、160160、150150、3838、184184調度順序：調度順序：9090、5858、5555、3939、3838、1818、150150、160160、184184最短查找時間優(yōu)先最短查找時間優(yōu)先( (SSTF, Shortest Service Time First)SSTF, Shortest Service Time First)算法算法： 考慮磁盤考慮磁

45、盤I/OI/O請求隊列中各請求的柱面位置，選擇從當前磁頭位置請求隊列中各請求的柱面位置，選擇從當前磁頭位置 出發(fā)，移動臂出發(fā)，移動臂移動距離最短移動距離最短的磁盤的磁盤I/OI/O請求。請求。該算法的目標是使每次磁頭移動時間最少。它不一定是最短平該算法的目標是使每次磁頭移動時間最少。它不一定是最短平 均柱面定位時間，但比均柱面定位時間，但比FIFOFIFO算法有更好的性能。算法有更好的性能?？赡軙羞M程處于可能會有進程處于饑餓狀態(tài)饑餓狀態(tài)。掃描掃描( (SCAN)SCAN)算法算法： 選擇在磁頭選擇在磁頭前進方向上從當前位置前進方向上從當前位置移動距離最短的磁盤移動距離最短的磁盤I/OI/O請

46、求執(zhí)請求執(zhí) 行，沒有前進方向上的請求時才改變方向。（也叫電梯調度算法）行，沒有前進方向上的請求時才改變方向。（也叫電梯調度算法）該算法是對該算法是對SSTFSSTF算法的改進，磁盤算法的改進，磁盤I/OI/O較好，且沒有進程會餓死。較好，且沒有進程會餓死。 磁頭移動總距離（道數）：磁頭移動總距離（道數）： 10+32+3+16+1+20+132+10+24=248 10+32+3+16+1+20+132+10+24=248 平均尋道長度：平均尋道長度：248/9 = 27.55248/9 = 27.55優(yōu)點：優(yōu)點：改善了磁盤平均服務時間改善了磁盤平均服務時間缺點：可能造成某些訪問請求長期等待得

47、不到服務，缺點：可能造成某些訪問請求長期等待得不到服務，可能會有進程處于可能會有進程處于饑餓狀態(tài)饑餓狀態(tài)調度順序：調度順序：9090、5858、5555、3939、3838、1818、150150、160160、184184（3）掃描算法（掃描算法（SCANSCAN） （電梯算法）（電梯算法） 既考慮了距離，同時又考慮了方向既考慮了距離，同時又考慮了方向 具體做法：當設備無訪問請求時，磁頭不動；具體做法：當設備無訪問請求時，磁頭不動；當有訪問請求時，磁頭當有訪問請求時，磁頭按一個方向按一個方向移動，在移動移動，在移動過程中對遇到的訪問請求進行服務，然后判斷該過程中對遇到的訪問請求進行服務，然后判斷該方向上是否還有訪問請求，如果有則繼續(xù)掃描；方向上是否還有訪問請求，如果有則繼續(xù)掃描；否則否則改變移動方向改變移動方向，并為經過的訪問請求服務，并為經過的訪問請求服務，如此反復如此反復請求柱面序列：55、58、39、18、90、160、150、3