ch-4設(shè)備管理ppt課件

1、第第4 4章章 設(shè)備管理設(shè)備管理1.2.3.本章講述內(nèi)容：本章講述內(nèi)容：4. 完成一個完成一個I/O懇求的步驟；懇求的步驟；如何管理和分配系統(tǒng)中的設(shè)備如何管理和分配系統(tǒng)中的設(shè)備 ；數(shù)據(jù)傳輸?shù)母鞣N控制方式；數(shù)據(jù)傳輸?shù)母鞣N控制方式；設(shè)備管理中常用的假設(shè)干技術(shù)設(shè)備管理中常用的假設(shè)干技術(shù) 。4.1 概述概述4.1.1 計算機(jī)設(shè)備的分類計算機(jī)設(shè)備的分類1、按設(shè)備從屬關(guān)系、按設(shè)備從屬關(guān)系 1系統(tǒng)設(shè)備：鍵盤、顯示器、打印機(jī)系統(tǒng)設(shè)備：鍵盤、顯示器、打印機(jī) 2用戶設(shè)備：用戶設(shè)備：o2、 按設(shè)備分配特性按設(shè)備分配特性o1獨享設(shè)備：打印機(jī)獨享設(shè)備：打印機(jī)o2共享設(shè)備：磁盤共享設(shè)備：磁盤o3虛擬設(shè)備：虛擬設(shè)備：SPO

2、OLing技術(shù)技術(shù)o3、按設(shè)備的任務(wù)特性、按設(shè)備的任務(wù)特性o1輸入輸入/輸出設(shè)備：鍵盤輸出設(shè)備：鍵盤o2存儲設(shè)備：磁盤存儲設(shè)備：磁盤柱面柱面扇區(qū)扇區(qū)磁臂磁臂磁頭磁頭物理地址方式：物理地址方式： 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)號一次訪盤懇求：一次訪盤懇求：讀讀/ /寫，磁盤地址設(shè)備號，柱面號，磁寫，磁盤地址設(shè)備號，柱面號，磁頭號，扇區(qū)號，內(nèi)存地址源頭號，扇區(qū)號，內(nèi)存地址源/ /目目4.1.2 設(shè)備管理的目的和功能設(shè)備管理的目的和功能1、設(shè)備管理的目的、設(shè)備管理的目的提高外設(shè)的利用率提高外設(shè)的利用率為用戶提供便利、一致的運用界面為用戶提供便利、一致的運用界面2、設(shè)備

3、管理的功能、設(shè)備管理的功能1提供一組提供一組I/O命令命令2進(jìn)展設(shè)備的分配與回收進(jìn)展設(shè)備的分配與回收3對緩沖區(qū)管理對緩沖區(qū)管理4實現(xiàn)真正的實現(xiàn)真正的I/O操作操作4.2 輸入、輸出的處置步驟輸入、輸出的處置步驟設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)備驅(qū)動程序初始化并啟動初始化并啟動I/O完成真正的完成真正的I/O前往輸入前往輸入/輸出管理程序輸出管理程序設(shè)備中斷處置程序設(shè)備中斷處置程序維護(hù)中斷現(xiàn)場維護(hù)中斷現(xiàn)場傳送數(shù)據(jù)傳送數(shù)據(jù)恢復(fù)現(xiàn)場恢復(fù)現(xiàn)場調(diào)用設(shè)備驅(qū)動程序調(diào)用設(shè)備驅(qū)動程序用戶進(jìn)程程序用戶進(jìn)程程序 Read(input,buffer);Buffer(緩沖區(qū)緩沖區(qū)) 輸入輸入/輸出管理程序輸出管理程序阻塞調(diào)用進(jìn)程阻塞調(diào)用

4、進(jìn)程驗證驗證I/O懇求懇求調(diào)用設(shè)備驅(qū)動程序調(diào)用設(shè)備驅(qū)動程序校驗設(shè)備形狀校驗設(shè)備形狀激活調(diào)用進(jìn)程激活調(diào)用進(jìn)程發(fā)出發(fā)出I/O懇求懇求4.3 設(shè)備的分配與調(diào)度算法設(shè)備的分配與調(diào)度算法o4.3.1 管理設(shè)備時的數(shù)據(jù)構(gòu)造管理設(shè)備時的數(shù)據(jù)構(gòu)造o1.設(shè)備控制塊：記錄每一臺設(shè)備的根本信息設(shè)備控制塊：記錄每一臺設(shè)備的根本信息DCB1DCBiDCBn設(shè)備標(biāo)識設(shè)備標(biāo)識設(shè)備類型設(shè)備類型設(shè)備狀態(tài)設(shè)備狀態(tài)設(shè)備請求隊列指針設(shè)備請求隊列指針設(shè)備驅(qū)動程序起址設(shè)備驅(qū)動程序起址其他其他o2.系統(tǒng)設(shè)備表：整個系一致張系統(tǒng)設(shè)備表：整個系一致張表目表目1表目表目i表目表目n設(shè)備標(biāo)識設(shè)備標(biāo)識設(shè)備類型設(shè)備類型設(shè)備設(shè)備DCT指針指針4.3.2

5、 獨享設(shè)備的分配獨享設(shè)備的分配獨享設(shè)備：排他性設(shè)備。鍵盤，磁帶機(jī)，打印機(jī)。獨享設(shè)備：排他性設(shè)備。鍵盤，磁帶機(jī)，打印機(jī)。 靜態(tài)分配靜態(tài)分配絕對號：設(shè)備的內(nèi)部編號絕對號：設(shè)備的內(nèi)部編號相對號：用戶對設(shè)備的編號設(shè)備類，相對號相對號：用戶對設(shè)備的編號設(shè)備類，相對號設(shè)備類設(shè)備類擁有設(shè)擁有設(shè)備臺數(shù)備臺數(shù)現(xiàn)存現(xiàn)存臺數(shù)臺數(shù)設(shè)備表設(shè)備表地地 址址輸入機(jī)輸入機(jī)42打印機(jī)打印機(jī)20絕對號絕對號狀態(tài)狀態(tài)使用情使用情況況占用作占用作業(yè)名業(yè)名相對號相對號001好好已分配已分配Job1002002好好空閑空閑003好好空閑空閑004好好已分配已分配Job2001絕對號絕對號狀態(tài)狀態(tài)使用情使用情況況占用作占用作業(yè)名業(yè)名相對號

6、相對號005好好已分配已分配Job1001006好好已分配已分配Job30024.3.3 共享磁盤的調(diào)度共享磁盤的調(diào)度o完成過程由三個動作組成：完成過程由三個動作組成：o查找時間：磁頭挪動定位到指定磁道查找時間：磁頭挪動定位到指定磁道o等待時間：等待指定扇區(qū)旋轉(zhuǎn)到磁頭下等待時間：等待指定扇區(qū)旋轉(zhuǎn)到磁頭下o傳輸時間：數(shù)據(jù)在磁盤與內(nèi)存之間的實踐傳傳輸時間：數(shù)據(jù)在磁盤與內(nèi)存之間的實踐傳輸輸磁盤的調(diào)度磁盤的調(diào)度o磁盤是可被多個進(jìn)程共享的設(shè)備。當(dāng)有多個磁盤是可被多個進(jìn)程共享的設(shè)備。當(dāng)有多個進(jìn)程都懇求訪問磁盤時，訪問的磁道位置不進(jìn)程都懇求訪問磁盤時，訪問的磁道位置不一樣。一樣。o如何在公平情況下縮短尋道時

7、間？如何在公平情況下縮短尋道時間？磁盤磁盤調(diào)度算法。調(diào)度算法。o先來先效力、最短尋道時間優(yōu)先、掃描算法、先來先效力、最短尋道時間優(yōu)先、掃描算法、循環(huán)掃描算法等。循環(huán)掃描算法等。 磁盤移臂調(diào)度算法磁盤移臂調(diào)度算法 1. 1. 先來先效力先來先效力 (FCFS)(FCFS)最簡單的磁盤調(diào)度算法。最簡單的磁盤調(diào)度算法。根據(jù)進(jìn)程懇求訪問磁盤的先后次序進(jìn)展調(diào)度。根據(jù)進(jìn)程懇求訪問磁盤的先后次序進(jìn)展調(diào)度。優(yōu)點優(yōu)點: :公平、簡單，且每個進(jìn)程的懇求都能依次公平、簡單，且每個進(jìn)程的懇求都能依次得四處置，不會出現(xiàn)某進(jìn)程的懇求長期得不得四處置，不會出現(xiàn)某進(jìn)程的懇求長期得不到滿足的情況。到滿足的情況。由于未對尋道進(jìn)展

8、優(yōu)化，致使平均尋道時間能由于未對尋道進(jìn)展優(yōu)化，致使平均尋道時間能夠較長。夠較長。6568492810017016048194從110#磁道開始訪問的磁道號移動距離(磁道數(shù))4531921727010112146050100150200FCFS調(diào)度算法l磁頭挪動的磁道數(shù)：磁頭挪動的磁道數(shù)：45+3+19+21+72+70+10+112+146=49845+3+19+21+72+70+10+112+146=4982. 2. 最短尋道時間優(yōu)先最短尋道時間優(yōu)先(SSTF)(SSTF)SSTFSSTF算法選擇這樣的進(jìn)程，其要求訪問的磁算法選擇這樣的進(jìn)程，其要求訪問的磁道與當(dāng)前磁頭所在的磁道間隔最近，使得

9、道與當(dāng)前磁頭所在的磁道間隔最近，使得每次的尋道時間最短。每次的尋道時間最短。但不能保證平均尋道時間最短。但不能保證平均尋道時間最短。1006865494828160170194從110#磁道開始訪問的磁道號移動距離(磁道數(shù))10323161201321024050100150200SSTF調(diào)度算法l磁頭挪動的磁道數(shù)：磁頭挪動的磁道數(shù)：10+32+3+16+1+20+132+10+24=24810+32+3+16+1+20+132+10+24=2483. 3. 掃描算法掃描算法(SCAN)(SCAN)掃描算法不僅要思索欲訪問的磁道與當(dāng)前掃描算法不僅要思索欲訪問的磁道與當(dāng)前磁道的間隔，更優(yōu)先思索的

10、是磁頭的當(dāng)磁道的間隔，更優(yōu)先思索的是磁頭的當(dāng)前挪動方向。前挪動方向。1601701941006865494828從110#磁道開始訪問的磁道號移動距離(磁道數(shù))5010249432316120050100150200SCAN調(diào)度算法l磁頭挪動的磁道數(shù)：磁頭挪動的磁道數(shù)：50+10+24+94+32+3+16+1+20=25050+10+24+94+32+3+16+1+20=2504. 4. 單向掃描調(diào)度算法單向掃描調(diào)度算法( CSCAN)( CSCAN)SCANSCAN存在的問題：當(dāng)磁頭剛從里向外挪動存在的問題：當(dāng)磁頭剛從里向外挪動過某一磁道時，恰有一進(jìn)程懇求訪問此過某一磁道時，恰有一進(jìn)程懇求

11、訪問此磁道，這時該進(jìn)程必需等待，待磁頭從磁道，這時該進(jìn)程必需等待，待磁頭從里向外、然后再從外向里掃描完一切要里向外、然后再從外向里掃描完一切要訪問的磁道后，才處置該進(jìn)程的懇求，訪問的磁道后，才處置該進(jìn)程的懇求，致使該進(jìn)程的懇求被嚴(yán)重地推遲。致使該進(jìn)程的懇求被嚴(yán)重地推遲。 1601701942848496568100從110#磁道開始訪問的磁道號移動距離(磁道數(shù))5010249432316120050100150200CSCAN調(diào)度算法l磁頭挪動的磁道數(shù)：磁頭挪動的磁道數(shù)：50+10+24+94+32+3+16+1+20=25050+10+24+94+32+3+16+1+20=250例題例題P9

12、9o例例4-1o例例4-24.4 數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞綌?shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞給4.4.1 設(shè)備控制器設(shè)備控制器oI/O設(shè)備包括一個機(jī)械部件和一個電子部件。設(shè)備包括一個機(jī)械部件和一個電子部件。o電子部件稱為設(shè)備控制器或適配器，在電子部件稱為設(shè)備控制器或適配器，在PC中，中，經(jīng)常是插入主板擴(kuò)展槽的印刷電路板；經(jīng)常是插入主板擴(kuò)展槽的印刷電路板；o機(jī)械部件那么是設(shè)備本身。機(jī)械部件那么是設(shè)備本身。磁盤打印機(jī)內(nèi) 存控制器CPU控制器控制器單總線構(gòu)造的I/O系統(tǒng)構(gòu)造實例 設(shè)備控制器組成設(shè)備控制器組成控控制制邏邏輯輯電電路路CPU控制存放器控制存放器形狀存放器形狀存放器數(shù)據(jù)存放器數(shù)據(jù)存放器外外部部設(shè)設(shè)備備控控制制器器與與設(shè)

13、設(shè)備備接接口口數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)形狀形狀控制控制4.4.2 程序循環(huán)測試方式程序循環(huán)測試方式o設(shè)備控制器設(shè)備控制器o 數(shù)據(jù)存放器數(shù)據(jù)存放器o 形狀存放器形狀存放器oCPUo 啟動輸入啟動輸入/輸出指令，輸出指令，starto 測試設(shè)備控制器中形狀存放器內(nèi)容的指令，測試設(shè)備控制器中形狀存放器內(nèi)容的指令，testo數(shù)據(jù)傳輸方式數(shù)據(jù)傳輸方式o 用戶進(jìn)程運用用戶進(jìn)程運用start指令啟動設(shè)備，不斷執(zhí)指令啟動設(shè)備，不斷執(zhí)行行test指令，測試設(shè)備的形狀存放器。完成操指令，測試設(shè)備的形狀存放器。完成操作，停頓測試。作，停頓測試。4.4.3 中斷方式中斷方式o中斷：使中斷：使CPU暫時中止正在執(zhí)行的程序而轉(zhuǎn)暫時中止正

14、在執(zhí)行的程序而轉(zhuǎn)去處置特殊事件的操作。去處置特殊事件的操作。CPU內(nèi)存儲器內(nèi)存儲器打印機(jī)控制器打印機(jī)控制器啟動位啟動位 中斷允許位中斷允許位形狀存放器形狀存放器數(shù)據(jù)存放器數(shù)據(jù)存放器系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線特點：特點： CPU啟動設(shè)備后，不用忙著查詢啟動設(shè)備后，不用忙著查詢I/O預(yù)備情況，預(yù)備情況，CPU和和I/O設(shè)備可實現(xiàn)部分并行。設(shè)備可實現(xiàn)部分并行。 I/O操作包括：啟動設(shè)備，數(shù)據(jù)傳輸，操作包括：啟動設(shè)備，數(shù)據(jù)傳輸，I/O管理管理及善后處置。及善后處置。 數(shù)據(jù)存放器滿，控制器發(fā)送中斷懇求，一次數(shù)數(shù)據(jù)存放器滿，控制器發(fā)送中斷懇求，一次數(shù)據(jù)傳輸能夠要發(fā)生多次中斷。據(jù)傳輸能夠要發(fā)生多次中斷。4.4.4 直

15、接存儲器存取方式直接存儲器存取方式DMA：直接存儲器存?。褐苯哟鎯ζ鞔嫒irect Memory Access適用于高速適用于高速I/O設(shè)備設(shè)備CPU內(nèi)存儲器內(nèi)存儲器磁盤控制器磁盤控制器啟動位啟動位 中斷允許位中斷允許位形狀存放器形狀存放器地址存放器地址存放器計計數(shù)數(shù)數(shù)據(jù)存放器數(shù)據(jù)存放器字節(jié)計數(shù)器字節(jié)計數(shù)器磁盤驅(qū)動器磁盤驅(qū)動器DMA控制器控制器 系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線特點特點1DMA控制器是在獲得總線控制權(quán)的情況下控制器是在獲得總線控制權(quán)的情況下直接與內(nèi)存儲器進(jìn)展數(shù)據(jù)交換，直接與內(nèi)存儲器進(jìn)展數(shù)據(jù)交換，CPU不介入不介入數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜魏问乱藬?shù)據(jù)傳輸?shù)娜魏问乱?DMA方式下，設(shè)備與內(nèi)存儲器之間進(jìn)展的方式

16、下，設(shè)備與內(nèi)存儲器之間進(jìn)展的是成批數(shù)據(jù)傳輸是成批數(shù)據(jù)傳輸3DMA方式傳輸時，方式傳輸時，CPU不得運用總線，不得運用總線，無并行任務(wù)問題無并行任務(wù)問題4DMA方式下，方式下，CPU只作啟動和藹后處置只作啟動和藹后處置任務(wù)，數(shù)據(jù)傳輸和任務(wù)，數(shù)據(jù)傳輸和I/O管理均管理均DMA擔(dān)任。擔(dān)任。4.4.5 通道方式通道方式o通道：獨立于通道：獨立于CPU的，專門用于輸入輸出的處置機(jī)。的，專門用于輸入輸出的處置機(jī)。o通道命令字：通道自行的指令通道命令字：通道自行的指令o通道程序：通道命令字構(gòu)成，通道執(zhí)行，規(guī)定設(shè)備通道程序：通道命令字構(gòu)成，通道執(zhí)行，規(guī)定設(shè)備自行的操作和順序。自行的操作和順序。o通道地址字：通

17、道程序存放在內(nèi)存中的起始地址。通道地址字：通道程序存放在內(nèi)存中的起始地址。CPU通道通道1通道通道2控制器控制器1控制器控制器2控制器控制器3控制器控制器4設(shè)備設(shè)備4-1設(shè)備設(shè)備4-0設(shè)備設(shè)備3-1設(shè)備設(shè)備3-0設(shè)備設(shè)備2-1設(shè)備設(shè)備2-0設(shè)備設(shè)備1-1設(shè)備設(shè)備1-0帶有通道的帶有通道的I/O構(gòu)造圖構(gòu)造圖中央處置器中央處置器用戶程序用戶程序操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)維護(hù)進(jìn)程維護(hù)進(jìn)程j j現(xiàn)場現(xiàn)場組織組織CCWCCWCCWCCW首址送首址送CAWCAW發(fā)發(fā)SIOSIO分析條件碼分析條件碼出錯進(jìn)展處置出錯進(jìn)展處置啟動勝利進(jìn)程啟動勝利進(jìn)程j j等等待待選進(jìn)程選進(jìn)程K K運轉(zhuǎn)運轉(zhuǎn)維護(hù)進(jìn)程維護(hù)進(jìn)程K K現(xiàn)場現(xiàn)場分

18、析中斷文件分析中斷文件處置處置I/OI/O中斷中斷選擇進(jìn)程運轉(zhuǎn)選擇進(jìn)程運轉(zhuǎn)判別形狀構(gòu)成判別形狀構(gòu)成條件碼條件碼執(zhí)行執(zhí)行CCWCCW控制設(shè)備操作控制設(shè)備操作記錄操作形狀記錄操作形狀到到CSWCSW產(chǎn)生中斷事件產(chǎn)生中斷事件CSWCSW存入主存存入主存通道號、設(shè)備號通道號、設(shè)備號存入主存特定單存入主存特定單元元發(fā)發(fā)I/OI/O中斷中斷執(zhí)行規(guī)定執(zhí)行規(guī)定I/OI/O操作操作控制器和控制器和設(shè)備終了設(shè)備終了中斷中斷通道通道I/OI/O控制器和設(shè)備控制器和設(shè)備懇求懇求I/OI/O進(jìn)程進(jìn)程j j進(jìn)程進(jìn)程k k進(jìn)程進(jìn)程j j或或k k通道通道I/O過程過程特點特點 CPU對對I/O懇求只作啟動和藹后處置，輸出輸

19、懇求只作啟動和藹后處置，輸出輸出及數(shù)據(jù)傳輸全部由通道獨立完成，出及數(shù)據(jù)傳輸全部由通道獨立完成，CPU與與設(shè)備之間真正并行操作。設(shè)備之間真正并行操作。4.5 設(shè)備管理中的假設(shè)干技術(shù)設(shè)備管理中的假設(shè)干技術(shù)4.5.1 I/O緩沖技術(shù)緩沖技術(shù)緩沖：為了匹配緩沖：為了匹配CPU和設(shè)備之間的速度差別和設(shè)備之間的速度差別例：假定某打印機(jī)緩沖存儲器大小例：假定某打印機(jī)緩沖存儲器大小32KB，假設(shè)，假設(shè)打印打印64KB數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)，CPU將前將前32KB傳送到緩沖傳送到緩沖區(qū)后執(zhí)行其他操作。打印完成，向區(qū)后執(zhí)行其他操作。打印完成，向CPU發(fā)出發(fā)出中斷，中斷，CPU再傳送后再傳送后32KB。 假設(shè)沒有中斷和緩沖，假

20、設(shè)沒有中斷和緩沖，CPU必需等待打印機(jī)必需等待打印機(jī)打印完打印完1B才干繼續(xù)傳送下一字節(jié)。才干繼續(xù)傳送下一字節(jié)。緩沖實現(xiàn)方法緩沖實現(xiàn)方法采用專門硬件存放器：如數(shù)據(jù)存放器采用專門硬件存放器：如數(shù)據(jù)存放器硬件緩沖硬件緩沖在內(nèi)存中開辟在內(nèi)存中開辟n個內(nèi)存單元個內(nèi)存單元軟件緩沖軟件緩沖根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置緩沖區(qū)的個數(shù)，可以分為單緩沖根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置緩沖區(qū)的個數(shù)，可以分為單緩沖,雙緩雙緩沖，多緩沖和緩沖池沖，多緩沖和緩沖池1單緩沖單緩沖2雙緩沖雙緩沖消費者消費者緩沖區(qū)緩沖區(qū)消費者消費者消費者消費者消費者消費者緩沖區(qū)緩沖區(qū)1緩沖區(qū)緩沖區(qū)2o3多緩沖多緩沖o 系統(tǒng)為同類型的輸入輸出設(shè)備設(shè)置兩個公系統(tǒng)為同類型的輸入輸出設(shè)備設(shè)置兩個公共緩沖隊列，一個用于輸入，一個用于輸出。共緩沖隊列，一個用于輸入，一個用于輸出。o 4緩沖池緩沖池o 系統(tǒng)為同類型的輸入輸出設(shè)備設(shè)置一個公系統(tǒng)為同類型的輸入輸出設(shè)備設(shè)置一個公共緩沖隊列，既用于輸入也用于輸出。共緩沖隊列，既用于輸入也用于輸出。輸入緩沖首指針輸入緩沖首指針緩沖區(qū)緩沖區(qū)緩沖區(qū)緩沖區(qū)緩沖區(qū)緩沖區(qū)緩沖區(qū)緩沖區(qū)輸出緩沖首指針輸出緩沖首指針緩沖區(qū)緩沖區(qū)緩沖區(qū)緩沖區(qū)緩沖區(qū)