7、第八章設(shè)備與IO管理ppt課件

1、第八章第八章 設(shè)備與設(shè)備與I/O管理管理n 設(shè)備管理是指操作系統(tǒng)對(duì)除了CPU和內(nèi)存以外的一切輸入/輸出設(shè)備的管理，諸如設(shè)備控制器、通道、中斷控制器等等，因此為了提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的整體效率，除了需求對(duì)中央處置器CPU合理調(diào)度、對(duì)內(nèi)存合理運(yùn)用之外，對(duì)系統(tǒng)中的設(shè)備也要實(shí)施行之有效的管理，這樣才干真正發(fā)揚(yáng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的整體效率。8.1 設(shè)備的分類設(shè)備的分類n 按設(shè)備性質(zhì)分類：存儲(chǔ)設(shè)備、輸入輸出設(shè)備；n 按設(shè)備所屬關(guān)系分類：系統(tǒng)設(shè)備、用戶設(shè)備；n 按設(shè)備共享屬性分類：獨(dú)享設(shè)備、共享設(shè)備、虛擬設(shè)備；n 按信息交換單位分類：塊設(shè)備、字符設(shè)備。設(shè)備管理的主要義務(wù)設(shè)備管理的主要義務(wù)n 強(qiáng)調(diào)設(shè)備獨(dú)立性；n 選擇和控制

2、設(shè)備與內(nèi)存、中央處置器進(jìn)展交換傳輸數(shù)據(jù)；n 按照一定的算法把設(shè)備分配給對(duì)該設(shè)備提出懇求的進(jìn)程，保證系統(tǒng)正常任務(wù)；n 充分有效地運(yùn)用設(shè)備，盡能夠提高設(shè)備的并行操作程度，使操作系統(tǒng)獲得最正確的效率。設(shè)備管理的根本功能設(shè)備管理的根本功能1、設(shè)備分配2、設(shè)備控制3、緩沖管理8.3 I/O傳輸方式傳輸方式n 程序控制查詢方式n 由CPU擔(dān)任在機(jī)器內(nèi)存與設(shè)備控制器、數(shù)據(jù)存放器之間進(jìn)展數(shù)據(jù)傳送。n 中斷驅(qū)動(dòng)方式n 為了減少設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序不斷地訊問控制器形狀、存放器的開銷。當(dāng)I/O操作終了后，由設(shè)備控制器自動(dòng)通知設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。n DMA方式n 通道方式8.3.1 程序控制查詢方式程序控制查詢方式優(yōu)點(diǎn)：任務(wù)過程簡(jiǎn)

3、單，不需求更多的硬件支持。缺陷：1、CPU和外設(shè)只能串行任務(wù)；2、CPU在同一時(shí)間內(nèi)只能和一臺(tái)外設(shè)交換數(shù)據(jù)，不能實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的并行任務(wù)；3、程序控制查詢方式只適宜于那些CPU執(zhí)行速度較慢，而且外設(shè)較少的系統(tǒng)。8.3.2 中斷驅(qū)動(dòng)方式中斷驅(qū)動(dòng)方式n 為了減少CPU測(cè)試等待時(shí)間和CPU與外設(shè)的并行任務(wù)才干，引入了中斷驅(qū)動(dòng)方式。n 1、需求數(shù)據(jù)的進(jìn)程經(jīng)過CPU發(fā)出START指令啟動(dòng)外設(shè)輸入數(shù)據(jù)的指令。該指令同時(shí)置形狀存放器的中斷允許位；n 2、在進(jìn)程發(fā)出指令啟動(dòng)設(shè)備之后，該進(jìn)程放棄CPU，等待輸入完成。這時(shí)，進(jìn)程調(diào)度程序可以調(diào)度其他就緒進(jìn)程占據(jù)CPU；8.3.2 中斷驅(qū)動(dòng)方式中斷驅(qū)動(dòng)方式3、當(dāng)輸入任

4、務(wù)完成時(shí)，I/O控制器經(jīng)過中斷懇求線向CPU發(fā)出中斷信號(hào)。CPU在接納到中斷信號(hào)之后，轉(zhuǎn)去執(zhí)行設(shè)備中斷處置程序。設(shè)備中斷處置程序輸入數(shù)據(jù)存放器中的數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的位置上去。同時(shí)把等待輸入完成的進(jìn)程喚醒，再前往到被中斷的進(jìn)程繼續(xù)執(zhí)行；4、在以后的某個(gè)時(shí)辰，進(jìn)程調(diào)度程序選中提出懇求輸入的進(jìn)程，該進(jìn)程從指定的內(nèi)存單元中取出數(shù)據(jù)做進(jìn)一步處置。優(yōu)缺陷優(yōu)缺陷優(yōu)點(diǎn)：與程序控制查詢方式相比，中斷驅(qū)動(dòng)方式使CPU的利用率大幅度提高了。缺陷：1、I/O控制存放器的數(shù)據(jù)存放器小，對(duì)大量數(shù)據(jù)傳輸中斷次數(shù)較多，耗去CPU大量時(shí)間；2、不適宜于高速I/O設(shè)備。也就是說外設(shè)將數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)存放器發(fā)出中斷懇求后，CPU有足夠的

5、時(shí)間將數(shù)據(jù)取走，否那么能夠呵斥CPU來不及取走數(shù)據(jù)而呵斥數(shù)據(jù)的喪失。8.3.3 DMA方式方式nDMA方式，又稱存儲(chǔ)器直接存取方式。內(nèi)存和外設(shè)之間開辟直接的數(shù)據(jù)交換通路，由DMA控制器完成數(shù)據(jù)交換。nDMA方式在傳送開場(chǎng)需求CPU做一些初始化和傳輸終了做一些善后處置任務(wù)之外，在整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸過程中，不需求CPU任何干涉。n1、當(dāng)進(jìn)程要求設(shè)備輸入數(shù)據(jù)時(shí)，CPU將預(yù)備存放輸入數(shù)據(jù)的內(nèi)存始址以及要傳送的字節(jié)數(shù)分別送入DMA控制器中的內(nèi)存地址存放器和傳送字節(jié)計(jì)數(shù)器，預(yù)備開場(chǎng)進(jìn)展數(shù)據(jù)輸入并允許中斷；8.3.3 DMA方式方式2、發(fā)出數(shù)據(jù)要求的進(jìn)程進(jìn)入等待形狀，進(jìn)程調(diào)度程序調(diào)度其他進(jìn)程占據(jù)CPU；3、輸入設(shè)

6、備不斷地挪用CPU任務(wù)周期，將數(shù)據(jù)存放器中的數(shù)據(jù)源源不斷地寫入內(nèi)存，直到所要求的字節(jié)全部傳送終了；4、DMA控制器在完成數(shù)據(jù)傳送后，經(jīng)過中斷懇求線發(fā)出中斷信號(hào)，CPU收到中斷信號(hào)后轉(zhuǎn)到中斷處置程序，喚醒等待輸入完成的進(jìn)程，并前往被中斷程序；5、中斷處置程序終了后，CPU前往被中斷的進(jìn)程繼續(xù)執(zhí)行或運(yùn)轉(zhuǎn)重新被調(diào)度的進(jìn)程。DMA方式與中斷驅(qū)動(dòng)方式的區(qū)別方式與中斷驅(qū)動(dòng)方式的區(qū)別1、前者在全部數(shù)據(jù)傳送終了時(shí)才中斷CPU；后者每傳送一個(gè)數(shù)據(jù)中斷一次CPU。2、中斷驅(qū)動(dòng)方式的數(shù)據(jù)傳送在中斷處置時(shí)由CPU控制完成；而DMA方式那么是在DMA控制器的控制下完成。8.3.4 通道方式通道方式n 通道又稱I/O處置

7、機(jī)。它也是完成內(nèi)存與外設(shè)之間的直接的數(shù)據(jù)交換。采用通道技術(shù)后，不僅能實(shí)現(xiàn)CPU與通道之間的并行操作，而且通道與通道之間、各通道上銜接的外設(shè)之間都能實(shí)現(xiàn)并行操作。n 它與DMA方式類似，但不同于DMA的是：通道有本人的通道指令，并設(shè)有通道控制器和本人的指令執(zhí)行機(jī)構(gòu)。只需CPU發(fā)出通道啟動(dòng)指令，指出通道相應(yīng)的操作和I/O設(shè)備，該指令就可啟動(dòng)通道并使通道從內(nèi)存調(diào)出相應(yīng)的通道指令執(zhí)行。通道分類按信息交換方式通道分類按信息交換方式1字節(jié)多路通道。字節(jié)多路通道可銜接多個(gè)慢速外圍設(shè)備，如打印機(jī)。它以字節(jié)為單位交叉地與外設(shè)進(jìn)展數(shù)據(jù)交換。但一臺(tái)設(shè)備傳送一個(gè)字節(jié)后，立刻轉(zhuǎn)去為另一臺(tái)設(shè)備傳送一個(gè)字節(jié)。2數(shù)組選擇通道

8、。它銜接磁帶、磁盤等快速設(shè)備，以塊為單位與外設(shè)進(jìn)展數(shù)據(jù)交換。但在同一時(shí)間內(nèi)，它只能為一臺(tái)設(shè)備效力，直到I/O懇求完成，再選擇與通道相連的另一臺(tái)設(shè)備。3數(shù)組多路通道。它是字節(jié)和選擇通道技術(shù)的綜合，通道所銜接的幾個(gè)設(shè)備可并行任務(wù)。先選擇一臺(tái)傳送一批數(shù)據(jù)，再選擇另一臺(tái)，即幾臺(tái)設(shè)備的通道程序都在執(zhí)行中。它相當(dāng)于多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)在通道中的運(yùn)用。通道方式的數(shù)據(jù)輸入過程通道方式的數(shù)據(jù)輸入過程1、當(dāng)進(jìn)程要求輸入數(shù)據(jù)時(shí)，CPU發(fā)出啟動(dòng)指令，指明I/O操作、設(shè)備號(hào)和對(duì)應(yīng)通道。2、對(duì)應(yīng)通道接納到CPU發(fā)來的啟動(dòng)指令之后，把存放在內(nèi)存中的通道指令程序讀出，并執(zhí)行通道程序。3、假設(shè)數(shù)據(jù)傳送終了，就向CPU發(fā)出中斷懇求。

9、CPU收到中斷信號(hào)后轉(zhuǎn)中斷處置程序，喚醒等待輸入完成的進(jìn)程，并前往被中斷程序。4、在以后的某個(gè)時(shí)辰，進(jìn)程調(diào)度程序選中提出懇求輸入的進(jìn)程，該進(jìn)程從指定的內(nèi)存始址取出數(shù)據(jù)，做進(jìn)一步處置。8.7 緩沖技術(shù)緩沖技術(shù)n 緩沖的引入：n 中斷技術(shù)和通道技術(shù)的引入，提供了CPU、通道和I/O設(shè)備之間的并行操作的能夠性，但由于計(jì)算機(jī)外設(shè)的開展會(huì)產(chǎn)生通道缺乏而產(chǎn)生的“瓶頸景象，使并行程度遭到限制，因此引入了緩沖技術(shù)。n 目的：n 1、改善CPU和I/O設(shè)備之間速度不匹配的情況；n 2、可以減少I/O設(shè)備對(duì)CPU的中斷次數(shù)及放寬對(duì)CPU的中斷呼應(yīng)時(shí)間要求。緩沖的實(shí)現(xiàn)方法緩沖的實(shí)現(xiàn)方法n 硬緩沖：采用硬件緩沖器實(shí)現(xiàn)

10、，在設(shè)備中設(shè)置緩沖區(qū)。例如I/O控制器中的數(shù)據(jù)緩沖存放器。n 軟緩沖：內(nèi)存中開辟一個(gè)空間，專門用降暫時(shí)存放輸入/輸出數(shù)據(jù)，這個(gè)區(qū)域稱為緩沖區(qū)。n 優(yōu)點(diǎn)：易于改動(dòng)緩沖區(qū)的大小和數(shù)量靈敏；n 缺陷：占據(jù)內(nèi)存空間。緩沖的種類緩沖的種類1、單緩沖當(dāng)用戶進(jìn)程發(fā)出I/O懇求時(shí)，操作系統(tǒng)在主存的系統(tǒng)空間為該操作分配一個(gè)緩沖區(qū)，可以實(shí)現(xiàn)預(yù)讀和滯后寫。2、雙緩沖可以實(shí)現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)區(qū)與緩沖區(qū)之間交換數(shù)據(jù)和緩沖區(qū)與外設(shè)之間交換數(shù)據(jù)的并行。3、多緩沖：又稱循環(huán)緩沖多個(gè)緩沖區(qū)銜接起來一致管理。緩沖的種類緩沖的種類4、緩沖池把系統(tǒng)內(nèi)的緩沖區(qū)一致管理起來，變公用為通用。緩沖池的構(gòu)造由假設(shè)干個(gè)大小一樣的緩沖區(qū)組成。當(dāng)某進(jìn)程需求

11、運(yùn)用緩沖區(qū)時(shí)，提出懇求，由管理程序分配給它，用完后釋放緩沖區(qū)。這樣可用少量的緩沖區(qū)為更多的進(jìn)程效力。8.6 設(shè)備調(diào)度設(shè)備調(diào)度n 讀寫一個(gè)磁盤塊的時(shí)間由三個(gè)要素決議：n 1、尋道時(shí)間：將磁臂挪動(dòng)到相應(yīng)的柱面上所需的時(shí)間。n 2、旋轉(zhuǎn)延遲：等待相應(yīng)扇區(qū)旋轉(zhuǎn)到磁頭下所需的時(shí)間。n 3、實(shí)踐傳輸時(shí)間。一、查找優(yōu)化一、查找優(yōu)化n 查找優(yōu)化就是減少平均尋道時(shí)間的算法。n 1、先到先效力算法FCFSn 思索一個(gè)具有40個(gè)柱面的磁盤。假設(shè)一個(gè)讀柱面11上一個(gè)數(shù)據(jù)塊的懇求到達(dá)。當(dāng)對(duì)柱面11尋道時(shí)，又順序到達(dá)了新的懇求，要求尋道1，36，16，34，9和12，系統(tǒng)這些懇求進(jìn)程插入等待隊(duì)列。當(dāng)前懇求柱面11效力終了

12、后，磁盤驅(qū)動(dòng)程序要選擇下一個(gè)懇求進(jìn)展處置。一、查找優(yōu)化一、查找優(yōu)化假設(shè)采用FCFS算法，系統(tǒng)首先選擇柱面1，然后是柱面36，以此類推。這個(gè)算法要求磁臂分別挪動(dòng)10，35，20，18，25和3個(gè)柱面，總共需求挪動(dòng)111個(gè)柱面。2、最短查找時(shí)間優(yōu)先算法SSTF對(duì)于上例懇求序列，假設(shè)采用SSTF算法，系統(tǒng)會(huì)依次訪問12，9，16，1，34，36柱面。磁臂分別要挪動(dòng)1，3，7，15，33和2個(gè)柱面，總共需求挪動(dòng)61個(gè)柱面。SSTF算法和FCFS算法相比，將磁臂挪動(dòng)間隔幾乎減小了一半。一、查找優(yōu)化一、查找優(yōu)化3、掃描/電梯算法Scan/Look具有方向性的SSTF。對(duì)于上例懇求序列，假設(shè)采用電梯算法，系統(tǒng)會(huì)依次訪問12，16，34，36，9，1柱面。改良的電梯算法：?jiǎn)蜗驋呙柁D(zhuǎn)向時(shí)能看到的訪問循環(huán)掃描二、旋轉(zhuǎn)優(yōu)化二、旋轉(zhuǎn)優(yōu)化n 為減少旋轉(zhuǎn)延遲，對(duì)同一磁道上的延續(xù)讀寫信息進(jìn)展合理分布稱為旋轉(zhuǎn)優(yōu)化。n 思索10個(gè)數(shù)據(jù)塊A，B，J存放在同一個(gè)磁道上，設(shè)每個(gè)磁道有10個(gè)扇區(qū)。假設(shè)按A，B，J順序從0扇區(qū)開場(chǎng)依次存放，并且順序處置這些數(shù)據(jù)。n 當(dāng)磁盤旋轉(zhuǎn)速度為20ms，處置程序讀出每個(gè)記錄后花4ms時(shí)間處置。那么讀出并處置數(shù)據(jù)塊A后，將轉(zhuǎn)到數(shù)據(jù)塊D的開場(chǎng)。所以為了讀出記錄B，必需再轉(zhuǎn)一周。二、旋轉(zhuǎn)優(yōu)化二、旋轉(zhuǎn)優(yōu)化處置1