第8章設(shè)備管理

1、2022-7-3計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)Principles of Operating System2022-7-3計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)8.1 8.1 8.2 8.2 8.3 8.3 8.4 8.4 8.5 8.5 8.6 8.6 8.7 8.7 8.8 8.8 2022-7-3計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)設(shè)備的重要性能指標(biāo)有：設(shè)備的重要性能指標(biāo)有：數(shù)據(jù)傳輸率數(shù)據(jù)傳輸率數(shù)據(jù)的傳送單位數(shù)據(jù)的傳送單位設(shè)備共享屬性設(shè)備共享屬性可對(duì)設(shè)備按不同角度進(jìn)行分類可對(duì)設(shè)備按不同角度進(jìn)行分類2022-7-3計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)1. 按設(shè)備中的數(shù)據(jù)傳送單位分類按設(shè)備中的數(shù)據(jù)傳送單位分類（1）塊設(shè)備）塊設(shè)備(Block Device)把信息存儲(chǔ)在固定長(zhǎng)

2、度塊中，每塊都把信息存儲(chǔ)在固定長(zhǎng)度塊中，每塊都有自己的地址，如：磁盤、磁帶有自己的地址，如：磁盤、磁帶. .（2）字符設(shè)備）字符設(shè)備(Character Device) 單以字符為單位發(fā)送或接收一個(gè)字符單以字符為單位發(fā)送或接收一個(gè)字符流，不考慮任何塊結(jié)構(gòu)，如：行式打印機(jī)、流，不考慮任何塊結(jié)構(gòu)，如：行式打印機(jī)、鼠標(biāo)鼠標(biāo)2022-7-3計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)2. 按資源分配的角度分類按資源分配的角度分類（1）獨(dú)占設(shè)備）獨(dú)占設(shè)備作業(yè)運(yùn)行期間必須為用戶單獨(dú)使用的作業(yè)運(yùn)行期間必須為用戶單獨(dú)使用的設(shè)備，通常慢速設(shè)備屬于獨(dú)占設(shè)備設(shè)備，通常慢速設(shè)備屬于獨(dú)占設(shè)備（2）共享設(shè)備）共享設(shè)備 指在一段時(shí)間內(nèi)可以被多個(gè)進(jìn)程以共

3、指在一段時(shí)間內(nèi)可以被多個(gè)進(jìn)程以共享方式使用的設(shè)備享方式使用的設(shè)備（3）虛擬設(shè)備）虛擬設(shè)備 指通過虛擬技術(shù)將一臺(tái)獨(dú)占設(shè)備改造指通過虛擬技術(shù)將一臺(tái)獨(dú)占設(shè)備改造成若干臺(tái)邏輯設(shè)備成若干臺(tái)邏輯設(shè)備2022-7-3計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)I/O設(shè)備一般由機(jī)械和電子部分組成設(shè)備一般由機(jī)械和電子部分組成電子部分稱作設(shè)備控制器（電子部分稱作設(shè)備控制器（Device Controller）設(shè)備控制器應(yīng)具有的功能：設(shè)備控制器應(yīng)具有的功能： 1、接收和識(shí)別來自、接收和識(shí)別來自CPU的各種命令的各種命令2、實(shí)現(xiàn)、實(shí)現(xiàn)CPU與設(shè)備控制器、設(shè)備控制器與設(shè)備控制器、設(shè)備控制器與設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換與設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換3、記錄設(shè)備的狀態(tài)供

4、、記錄設(shè)備的狀態(tài)供CPU查詢查詢4、識(shí)別控制器的第個(gè)設(shè)備的地址、識(shí)別控制器的第個(gè)設(shè)備的地址2022-7-3計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)1. 總線型結(jié)構(gòu)總線型結(jié)構(gòu)CPU磁盤驅(qū)動(dòng)器打印機(jī)主存磁盤控制器打印機(jī)控制器其他控制器系統(tǒng)總線2022-7-3計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)2. 通道型結(jié)構(gòu)通道型結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)器通道1通道2控制器1控制器2控制器3控制器4設(shè)備1設(shè)備2設(shè)備3設(shè)備4設(shè)備5設(shè)備6設(shè)備72022-7-3計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)2. 通道型結(jié)構(gòu)通道型結(jié)構(gòu)根據(jù)信息交換的方式，通道可分為三根據(jù)信息交換的方式，通道可分為三種類型：種類型：1、字節(jié)多路通道、字節(jié)多路通道2、選擇通道、選擇通道3、成組多路通道、成組多路通道2022-7-3計(jì)算機(jī)

5、操作系統(tǒng)8.2.1 程序直接控制方式程序直接控制方式CPU在執(zhí)行程序過程中遇到一條與I/O相關(guān)的指令時(shí), 可以通過給相應(yīng)的I/O控制器發(fā)送命令來執(zhí)行這條指令 程序直接控制I/O方式中CPU直接控制I/O操作的過程, 包括測(cè)試設(shè)備狀態(tài)、 發(fā)送讀/寫命令和傳送數(shù)據(jù) 2022-7-3計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)指令集中應(yīng)包括以下幾類指令集中應(yīng)包括以下幾類I/O指令：指令：控制類控制類: 用于激活外部設(shè)備用于激活外部設(shè)備, 并告之做何種操作。并告之做何種操作。例如例如, 指示磁帶到帶或前移一個(gè)記錄指示磁帶到帶或前移一個(gè)記錄 狀態(tài)類狀態(tài)類: 用于測(cè)試與用于測(cè)試與I/O部件及其外部設(shè)備相關(guān)部件及其外部設(shè)備相關(guān)的各種狀態(tài)

6、條件的各種狀態(tài)條件 傳送類傳送類: 用于在用于在CPU寄存器和外設(shè)之間傳輸數(shù)寄存器和外設(shè)之間傳輸數(shù)據(jù)據(jù) 2022-7-3計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)程序直接控制程序直接控制I/O存在的問題存在的問題 ：CPU必須花費(fèi)大量時(shí)間等待相應(yīng)的必須花費(fèi)大量時(shí)間等待相應(yīng)的I/O部件準(zhǔn)備部件準(zhǔn)備好接收或發(fā)送數(shù)據(jù)。好接收或發(fā)送數(shù)據(jù)。CPU在此等待期間在此等待期間, 必須必須反復(fù)地測(cè)試反復(fù)地測(cè)試I/O部件的狀態(tài)部件的狀態(tài), 其結(jié)果是嚴(yán)重地降其結(jié)果是嚴(yán)重地降低了整個(gè)系統(tǒng)的性能低了整個(gè)系統(tǒng)的性能 解決辦法：解決辦法： CPU向向I/O部件發(fā)出命令后部件發(fā)出命令后, 繼續(xù)做繼續(xù)做其他一些有用的工作。當(dāng)其他一些有用的工作。當(dāng)I/O部

7、件準(zhǔn)備好與部件準(zhǔn)備好與CPU交換數(shù)據(jù)時(shí)交換數(shù)據(jù)時(shí), I/O部件部件中斷中斷CPU, 要求服務(wù)。要求服務(wù)。CPU和前面一樣執(zhí)行數(shù)據(jù)傳送和前面一樣執(zhí)行數(shù)據(jù)傳送, 然后恢復(fù)它以前的處然后恢復(fù)它以前的處理理 2022-7-3計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)從從I/OI/O部件的角度來看。部件的角度來看。對(duì)于輸入對(duì)于輸入, I/O, I/O部件接收到部件接收到CPUCPU的讀命令的讀命令, , 然后開始從相關(guān)的然后開始從相關(guān)的外設(shè)讀數(shù)據(jù)。一旦數(shù)據(jù)進(jìn)入到外設(shè)讀數(shù)據(jù)。一旦數(shù)據(jù)進(jìn)入到I/OI/O部件的數(shù)據(jù)寄存器部件的數(shù)據(jù)寄存器, I/O, I/O部部件通過中斷信號(hào)線向件通過中斷信號(hào)線向CPUCPU發(fā)一發(fā)一個(gè)中斷信號(hào)個(gè)中斷信號(hào),

8、 , 表示表示I/OI/O部件已部件已準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)。然后準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)。然后, I/O, I/O部件部件等待直到等待直到CPUCPU請(qǐng)求數(shù)據(jù)。當(dāng)請(qǐng)求數(shù)據(jù)。當(dāng)CPUCPU發(fā)出這個(gè)請(qǐng)求后發(fā)出這個(gè)請(qǐng)求后, I/O, I/O部件把部件把數(shù)據(jù)放到數(shù)據(jù)總線中數(shù)據(jù)放到數(shù)據(jù)總線中, , 然后準(zhǔn)然后準(zhǔn)備下一次的備下一次的I/OI/O操作操作 2022-7-3計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)從從CPUCPU的角度來看的角度來看, , 輸入輸入過程如下過程如下: CPU: CPU發(fā)一個(gè)讀命令發(fā)一個(gè)讀命令, , 然后保存當(dāng)前程序的上下文環(huán)然后保存當(dāng)前程序的上下文環(huán)境境, , 轉(zhuǎn)去執(zhí)行其他程序。在每轉(zhuǎn)去執(zhí)行其他程序。在每個(gè)指令周期的末尾個(gè)指令

9、周期的末尾, CPU, CPU檢查檢查中斷。當(dāng)有來自中斷。當(dāng)有來自I/OI/O部件的中部件的中斷時(shí)斷時(shí), CPU, CPU保存當(dāng)前運(yùn)行程序保存當(dāng)前運(yùn)行程序的上下文的上下文, , 轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷處理轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷處理程序處理該中斷。這時(shí)程序處理該中斷。這時(shí), CPU, CPU從從I/OI/O部件讀一個(gè)字的數(shù)據(jù)傳部件讀一個(gè)字的數(shù)據(jù)傳送到送到CPUCPU的寄存器的寄存器, , 并存入主并存入主存。接著存。接著, CPU, CPU恢復(fù)發(fā)出恢復(fù)發(fā)出I/OI/O命命令的程序的上下文令的程序的上下文, , 繼續(xù)運(yùn)行繼續(xù)運(yùn)行 2022-7-3計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)中斷驅(qū)動(dòng)中斷驅(qū)動(dòng)I/O方式方式的特點(diǎn)的特點(diǎn) ：中斷驅(qū)動(dòng)中斷

10、驅(qū)動(dòng)I/OI/O方式比程序直接控制方式比程序直接控制I/OI/O方式效率方式效率更高更高, , 因?yàn)橐驗(yàn)镃PUCPU不必進(jìn)行無用的等待不必進(jìn)行無用的等待 中斷驅(qū)動(dòng)中斷驅(qū)動(dòng)I/OI/O方式仍然消耗了大量的方式仍然消耗了大量的CPUCPU時(shí)間時(shí)間, , 因?yàn)槊看螌⒁粋€(gè)字的數(shù)據(jù)從因?yàn)槊看螌⒁粋€(gè)字的數(shù)據(jù)從I/OI/O部件傳送到內(nèi)存部件傳送到內(nèi)存或從內(nèi)存?zhèn)魉偷交驈膬?nèi)存?zhèn)魉偷絀/OI/O部件部件, , 都必須經(jīng)過都必須經(jīng)過CPU CPU 2022-7-3計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)DMA（Direct Memory Access）直接內(nèi)存訪問直接內(nèi)存訪問DMADMA的功能可由一個(gè)獨(dú)立的的功能可由一個(gè)獨(dú)立的DMADMA部

11、件在系部件在系統(tǒng)總線上完成統(tǒng)總線上完成, , 也可整合到也可整合到I/OI/O部件中部件中, , 由此由此I/OI/O部件完成部件完成 2022-7-3計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)DMADMA的傳送方式的傳送方式: : 當(dāng)當(dāng)CPUCPU需要讀或?qū)懸粋€(gè)數(shù)據(jù)塊時(shí)需要讀或?qū)懸粋€(gè)數(shù)據(jù)塊時(shí), , 它給它給DMADMA部件發(fā)命令部件發(fā)命令, ,發(fā)出命令發(fā)出命令后后, CPU繼續(xù)進(jìn)行其他的工作。繼續(xù)進(jìn)行其他的工作。它把這次它把這次I/O操作委托給操作委托給DMA部部件件, 由由DMA部件處理。部件處理。DMA部部件直接從主存或往主存中傳送件直接從主存或往主存中傳送整個(gè)數(shù)據(jù)塊整個(gè)數(shù)據(jù)塊, 每次傳送一個(gè)塊每次傳送一個(gè)塊, 當(dāng)

12、傳送完成后當(dāng)傳送完成后, DMA部件向部件向CPU發(fā)中斷信號(hào)發(fā)中斷信號(hào) 2022-7-3計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)CPUCPU給給DMADMA部件發(fā)命令中一般包含下述信息：部件發(fā)命令中一般包含下述信息：1. 1. 操作類別操作類別: : 讀或?qū)憽Ｗx或?qū)憽?. 2. 所涉及的所涉及的I/OI/O設(shè)備的地址。設(shè)備的地址。3. 3. 讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)在內(nèi)存中的首地址。讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)在內(nèi)存中的首地址。4. 4. 讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)的字?jǐn)?shù)。讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)的字?jǐn)?shù)。 2022-7-3計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)I/OI/O通道控制方式是一種以內(nèi)存為中心通道控制方式是一種以內(nèi)存為中心, , 實(shí)實(shí)現(xiàn)外設(shè)與內(nèi)存直接交換數(shù)據(jù)的控制方式現(xiàn)外設(shè)與內(nèi)存

13、直接交換數(shù)據(jù)的控制方式與與DMADMA方式相比方式相比, , 通道所需要通道所需要CPUCPU干預(yù)更少干預(yù)更少, , 每次可以完成多個(gè)不連續(xù)的數(shù)據(jù)塊傳送每次可以完成多個(gè)不連續(xù)的數(shù)據(jù)塊傳送, , 而且可而且可以做到一個(gè)通道控制多臺(tái)設(shè)備以做到一個(gè)通道控制多臺(tái)設(shè)備, , 從而進(jìn)一步減輕從而進(jìn)一步減輕了了CPUCPU的負(fù)擔(dān)的負(fù)擔(dān) I/OI/O通道具有自己的指令系統(tǒng)通道具有自己的指令系統(tǒng), , 并能實(shí)現(xiàn)指并能實(shí)現(xiàn)指令所控制的操作令所控制的操作 ，由，由CPUCPU發(fā)出啟動(dòng)指令啟動(dòng)。發(fā)出啟動(dòng)指令啟動(dòng)。2022-7-3計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)8.3.1 中斷的基本概念中斷的基本概念中斷中斷(Interrupt)是由是

14、由I/O設(shè)備或其他非設(shè)備或其他非預(yù)期的急需處理的事件引起的，它使預(yù)期的急需處理的事件引起的，它使CPU中止現(xiàn)行程序的執(zhí)行，轉(zhuǎn)而執(zhí)行另一個(gè)更中止現(xiàn)行程序的執(zhí)行，轉(zhuǎn)而執(zhí)行另一個(gè)更緊迫事件的程序，一旦處理完成，自動(dòng)返緊迫事件的程序，一旦處理完成，自動(dòng)返回原來被中斷的程序回原來被中斷的程序2022-7-3計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)：引起中斷的事件及發(fā)生中斷請(qǐng)求的來源引起中斷的事件及發(fā)生中斷請(qǐng)求的來源：硬件中斷和軟中斷硬件中斷和軟中斷強(qiáng)迫中斷和自愿中斷強(qiáng)迫中斷和自愿中斷內(nèi)中斷和外中斷內(nèi)中斷和外中斷可屏蔽中斷和不可屏蔽中斷可屏蔽中斷和不可屏蔽中斷向量中斷和非向量中斷向量中斷和非向量中斷2022-7-3計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)為

15、了按照輕重緩急處理中斷為了按照輕重緩急處理中斷, OS對(duì)不同的中斷賦予不同的優(yōu)先級(jí)對(duì)不同的中斷賦予不同的優(yōu)先級(jí)同一中斷優(yōu)先級(jí)內(nèi)的若干中斷源同一中斷優(yōu)先級(jí)內(nèi)的若干中斷源, 按照中斷寄存器中從左至右的按照中斷寄存器中從左至右的順序來處理。在多級(jí)中斷系統(tǒng)中順序來處理。在多級(jí)中斷系統(tǒng)中, CPU按照由高到低的順序響應(yīng)。按照由高到低的順序響應(yīng)。當(dāng)正在處理低級(jí)中斷時(shí)當(dāng)正在處理低級(jí)中斷時(shí), 若出現(xiàn)了高級(jí)中斷若出現(xiàn)了高級(jí)中斷, 則高級(jí)中斷的處理立則高級(jí)中斷的處理立即打斷低級(jí)中斷的處理即打斷低級(jí)中斷的處理 2022-7-3計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)中斷過程一般由：中斷過程一般由：中斷請(qǐng)求、中斷響中斷請(qǐng)求、中斷響應(yīng)、中斷處理

16、、中斷返回應(yīng)、中斷處理、中斷返回，外設(shè)工作已經(jīng)完成，且該外設(shè)的中斷沒有外設(shè)工作已經(jīng)完成，且該外設(shè)的中斷沒有被系統(tǒng)屏蔽被系統(tǒng)屏蔽，I/O設(shè)備提出中斷請(qǐng)求后，設(shè)備提出中斷請(qǐng)求后，CPU中止現(xiàn)行中止現(xiàn)行程序的執(zhí)行，轉(zhuǎn)去為某個(gè)設(shè)備服務(wù)的過程程序的執(zhí)行，轉(zhuǎn)去為某個(gè)設(shè)備服務(wù)的過程2022-7-3計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)，CPU在中斷響應(yīng)后轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)程序，進(jìn)在中斷響應(yīng)后轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)程序，進(jìn)入中斷服務(wù)處理入中斷服務(wù)處理，處理完中斷后返回原告中止的程序，繼續(xù)處理完中斷后返回原告中止的程序，繼續(xù)執(zhí)行執(zhí)行2022-7-3計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)8.4.1 緩沖的引入緩沖的引入緩沖區(qū)緩沖區(qū)是連接在是連接在CPU與外部設(shè)備之間與外部設(shè)備

17、之間的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)緩沖技術(shù)緩沖技術(shù)是一項(xiàng)提高是一項(xiàng)提高CPU與與I/O設(shè)備設(shè)備并行度的重要技術(shù)并行度的重要技術(shù)2022-7-3計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)根據(jù)緩沖區(qū)設(shè)置個(gè)數(shù)的多少，緩沖有單緩根據(jù)緩沖區(qū)設(shè)置個(gè)數(shù)的多少，緩沖有單緩沖、雙緩沖和多重緩沖之分，并將多重緩沖組沖、雙緩沖和多重緩沖之分，并將多重緩沖組織成循環(huán)緩沖的形式織成循環(huán)緩沖的形式2022-7-3計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)用戶進(jìn)程I/O設(shè)備 輸入傳送（a）單緩沖操作系統(tǒng)用戶進(jìn)程I/O設(shè)備 輸入傳送（b）雙緩沖I/O設(shè)備 操作系統(tǒng)用戶進(jìn)程輸入傳送（c）循環(huán)緩沖2022-7-3計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)緩沖池中的緩沖區(qū)按其使用狀況可以形成三個(gè)隊(duì)列緩沖池中的緩

18、沖區(qū)按其使用狀況可以形成三個(gè)隊(duì)列: 空緩沖隊(duì)空緩沖隊(duì)列、列、 裝滿輸入數(shù)據(jù)的緩沖隊(duì)列（輸入隊(duì)列）和裝滿輸出數(shù)據(jù)裝滿輸入數(shù)據(jù)的緩沖隊(duì)列（輸入隊(duì)列）和裝滿輸出數(shù)據(jù)的緩沖隊(duì)列（輸出隊(duì)列）的緩沖隊(duì)列（輸出隊(duì)列）緩沖池由多個(gè)緩沖區(qū)組成，其中的緩沖緩沖池由多個(gè)緩沖區(qū)組成，其中的緩沖區(qū)可供多個(gè)進(jìn)程共享，且既能用于輸入又能用區(qū)可供多個(gè)進(jìn)程共享，且既能用于輸入又能用于輸出。于輸出。四種工作緩沖區(qū)四種工作緩沖區(qū): 用于收容輸入數(shù)據(jù)的工作緩沖區(qū)、用于收容輸入數(shù)據(jù)的工作緩沖區(qū)、 用于提取用于提取輸入數(shù)據(jù)的工作緩沖區(qū)、輸入數(shù)據(jù)的工作緩沖區(qū)、 用于收容輸出數(shù)據(jù)的工作緩沖區(qū)及用于收容輸出數(shù)據(jù)的工作緩沖區(qū)及用于提取輸出數(shù)據(jù)的

19、工作緩沖區(qū)用于提取輸出數(shù)據(jù)的工作緩沖區(qū)2022-7-3計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)設(shè)備分配設(shè)備分配的任務(wù)是按照一定的算法將的任務(wù)是按照一定的算法將設(shè)備及有關(guān)資源分配給申請(qǐng)者進(jìn)程設(shè)備及有關(guān)資源分配給申請(qǐng)者進(jìn)程可以分配設(shè)備、緩沖區(qū)、控制器以及通道可以分配設(shè)備、緩沖區(qū)、控制器以及通道為達(dá)到系統(tǒng)的適用性和均衡性，應(yīng)考慮設(shè)為達(dá)到系統(tǒng)的適用性和均衡性，應(yīng)考慮設(shè)備的獨(dú)立性和系統(tǒng)的安全性備的獨(dú)立性和系統(tǒng)的安全性2022-7-3計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)獨(dú)立方式是把一臺(tái)設(shè)備固定地分配給一個(gè)用戶或獨(dú)立方式是把一臺(tái)設(shè)備固定地分配給一個(gè)用戶或進(jìn)程，直到它運(yùn)行結(jié)束進(jìn)程，直到它運(yùn)行結(jié)束根據(jù)獨(dú)占設(shè)備、共享設(shè)備和虛擬設(shè)備相根據(jù)獨(dú)占設(shè)備、共享設(shè)備和虛擬

20、設(shè)備相應(yīng)的策略可分為：應(yīng)的策略可分為：獨(dú)立方式、共享方式和虛擬獨(dú)立方式、共享方式和虛擬方式方式共享方式是指幾個(gè)作業(yè)共享磁盤等容量大、速度共享方式是指幾個(gè)作業(yè)共享磁盤等容量大、速度快的設(shè)備，它們由專門的系統(tǒng)來分配和管理快的設(shè)備，它們由專門的系統(tǒng)來分配和管理虛擬方式是通過虛擬技術(shù)將一臺(tái)獨(dú)占設(shè)備虛擬為虛擬方式是通過虛擬技術(shù)將一臺(tái)獨(dú)占設(shè)備虛擬為共享設(shè)備，供多個(gè)進(jìn)程以共享方式使用共享設(shè)備，供多個(gè)進(jìn)程以共享方式使用2022-7-3計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)為了提高操作系統(tǒng)的適應(yīng)性和可擴(kuò)展性，為了提高操作系統(tǒng)的適應(yīng)性和可擴(kuò)展性，現(xiàn)代操作系統(tǒng)中都實(shí)現(xiàn)了用戶程序獨(dú)立于具體現(xiàn)代操作系統(tǒng)中都實(shí)現(xiàn)了用戶程序獨(dú)立于具體的物理設(shè)備，

21、即設(shè)備無關(guān)性，在用戶程序中不的物理設(shè)備，即設(shè)備無關(guān)性，在用戶程序中不直接使用物理設(shè)備名，而只使用邏輯設(shè)備名直接使用物理設(shè)備名，而只使用邏輯設(shè)備名2022-7-3計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)SPOOLing的意思是同步外部設(shè)備聯(lián)機(jī)操的意思是同步外部設(shè)備聯(lián)機(jī)操作，以又稱為假脫機(jī)技術(shù)，可將獨(dú)占設(shè)備改造作，以又稱為假脫機(jī)技術(shù)，可將獨(dú)占設(shè)備改造成共享設(shè)備成共享設(shè)備輸入進(jìn)程 輸出進(jìn)程輸入緩沖區(qū)輸出緩沖區(qū)輸入井輸出井輸入設(shè)備輸出設(shè)備2022-7-3計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)1、輸入井和輸出井、輸入井和輸出井2、輸入緩沖區(qū)和輸出緩沖區(qū)、輸入緩沖區(qū)和輸出緩沖區(qū)3、輸入進(jìn)程和輸出進(jìn)程、輸入進(jìn)程和輸出進(jìn)程2022-7-3計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)先請(qǐng)求

22、先服務(wù)：先請(qǐng)求先服務(wù)：根據(jù)進(jìn)程發(fā)出請(qǐng)求的先后次序進(jìn)根據(jù)進(jìn)程發(fā)出請(qǐng)求的先后次序進(jìn)行設(shè)備分配。行設(shè)備分配。優(yōu)先級(jí)高者優(yōu)先：優(yōu)先級(jí)高者優(yōu)先：按進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)的高低進(jìn)行設(shè)按進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)的高低進(jìn)行設(shè)備分配，優(yōu)先級(jí)相同則按先請(qǐng)求先服務(wù)算法。備分配，優(yōu)先級(jí)相同則按先請(qǐng)求先服務(wù)算法。2022-7-3計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)設(shè)備分配的安全性是指在設(shè)備分配中應(yīng)設(shè)備分配的安全性是指在設(shè)備分配中應(yīng)保證不發(fā)生進(jìn)程的死鎖。保證不發(fā)生進(jìn)程的死鎖?？刹捎渺o態(tài)分配方式和動(dòng)態(tài)分配方式可采用靜態(tài)分配方式和動(dòng)態(tài)分配方式靜態(tài)分配：靜態(tài)分配：是在用戶作業(yè)開始執(zhí)行之前是在用戶作業(yè)開始執(zhí)行之前, , 由系統(tǒng)由系統(tǒng)一次分配該作業(yè)所要求的全部設(shè)備、一次分配

23、該作業(yè)所要求的全部設(shè)備、 設(shè)備控制器和設(shè)備控制器和通道通道動(dòng)態(tài)分配：動(dòng)態(tài)分配：是是在進(jìn)程執(zhí)行過程中根據(jù)執(zhí)行需要進(jìn)在進(jìn)程執(zhí)行過程中根據(jù)執(zhí)行需要進(jìn)行設(shè)備分行設(shè)備分2022-7-3計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)設(shè)備分配程序負(fù)責(zé)為對(duì)系統(tǒng)提出設(shè)備分配程序負(fù)責(zé)為對(duì)系統(tǒng)提出I/O請(qǐng)求請(qǐng)求的進(jìn)程分配設(shè)備，還應(yīng)分配相應(yīng)的控制器和通的進(jìn)程分配設(shè)備，還應(yīng)分配相應(yīng)的控制器和通道道虛擬方式是通過虛擬技術(shù)將一臺(tái)獨(dú)占設(shè)備虛擬為虛擬方式是通過虛擬技術(shù)將一臺(tái)獨(dú)占設(shè)備虛擬為共享設(shè)備，供多個(gè)進(jìn)程以共享方式使用共享設(shè)備，供多個(gè)進(jìn)程以共享方式使用2022-7-3計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)設(shè)備分配中的主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有：設(shè)備分配中的主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有：設(shè)備控制表（設(shè)備控制

24、表（DCT）、設(shè)備控制器）、設(shè)備控制器表（表（COCT）、通道控制表（）、通道控制表（CHCT）和系統(tǒng)設(shè)備表（）和系統(tǒng)設(shè)備表（SDT）2022-7-3計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)2022-7-3計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)I/O軟件可分為如下四個(gè)層次構(gòu)成軟件可分為如下四個(gè)層次構(gòu)成硬件硬件中斷處理程序中斷處理程序設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序與設(shè)備無關(guān)的操作系與設(shè)備無關(guān)的操作系統(tǒng)軟件統(tǒng)軟件用戶層用戶層I/O軟件軟件2022-7-3計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)這個(gè)層次主要的任務(wù)是為相應(yīng)的系統(tǒng)調(diào)用這個(gè)層次主要的任務(wù)是為相應(yīng)的系統(tǒng)調(diào)用提供參數(shù)提供參數(shù)這個(gè)層與設(shè)備的控制細(xì)節(jié)無關(guān)。它將所有的設(shè)備這個(gè)層與設(shè)備的控制細(xì)節(jié)無關(guān)。它將所有的設(shè)備都看成邏輯資源都

25、看成邏輯資源, 它為用戶進(jìn)程提供各類它為用戶進(jìn)程提供各類I/O函數(shù)函數(shù), 允允許用戶進(jìn)程通過設(shè)備標(biāo)識(shí)符和一些簡(jiǎn)單的函數(shù)接口來許用戶進(jìn)程通過設(shè)備標(biāo)識(shí)符和一些簡(jiǎn)單的函數(shù)接口來使用設(shè)備使用設(shè)備, 如打開、如打開、 關(guān)閉、關(guān)閉、 讀、讀、 寫等函數(shù)寫等函數(shù)2022-7-3計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)它的基本功能是執(zhí)行適用于所有設(shè)備它的基本功能是執(zhí)行適用于所有設(shè)備的通用的通用I/O功能功能設(shè)備命名：設(shè)備命名：用戶通過設(shè)備名指定申請(qǐng)使用的設(shè)備用戶通過設(shè)備名指定申請(qǐng)使用的設(shè)備, 使用使用設(shè)備要通過設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)備要通過設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序, 與設(shè)備無關(guān)的與設(shè)備無關(guān)的I/O任務(wù)之一就是要將任務(wù)之一就是要將設(shè)備名映射到相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序

26、設(shè)備名映射到相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)備保護(hù)：設(shè)備保護(hù)：設(shè)備保護(hù)防止未授權(quán)用戶對(duì)設(shè)備的存取設(shè)備保護(hù)防止未授權(quán)用戶對(duì)設(shè)備的存取提供與設(shè)備無關(guān)的邏輯塊：提供與設(shè)備無關(guān)的邏輯塊：向較高層次軟件隱藏這向較高層次軟件隱藏這些不同的扇區(qū)尺寸的差異并提供統(tǒng)一的盤塊大小些不同的扇區(qū)尺寸的差異并提供統(tǒng)一的盤塊大小2022-7-3計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)它的基本功能是執(zhí)行適用于所有設(shè)備它的基本功能是執(zhí)行適用于所有設(shè)備的通用的通用I/O功能功能緩沖：緩沖：緩沖技術(shù)可解決數(shù)據(jù)傳輸過程中的瓶頸問題緩沖技術(shù)可解決數(shù)據(jù)傳輸過程中的瓶頸問題, 提提高并行程度高并行程度, 加快處理速度加快處理速度分配及釋放設(shè)備：分配及釋放設(shè)備：對(duì)不同的設(shè)備采用不

27、同的分配及釋對(duì)不同的設(shè)備采用不同的分配及釋放方式放方式錯(cuò)誤報(bào)告：錯(cuò)誤報(bào)告：這一層的錯(cuò)誤處理是與設(shè)備無關(guān)的這一層的錯(cuò)誤處理是與設(shè)備無關(guān)的2022-7-3計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)所有與設(shè)備相關(guān)的代碼都放在設(shè)備驅(qū)所有與設(shè)備相關(guān)的代碼都放在設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中，由于驅(qū)動(dòng)程序與設(shè)備密切相關(guān)，動(dòng)程序中，由于驅(qū)動(dòng)程序與設(shè)備密切相關(guān)，故應(yīng)為每一類設(shè)備配置一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序故應(yīng)為每一類設(shè)備配置一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的任務(wù)是接收來自上層設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的任務(wù)是接收來自上層的與設(shè)備無關(guān)軟件的抽象請(qǐng)求，將這些請(qǐng)的與設(shè)備無關(guān)軟件的抽象請(qǐng)求，將這些請(qǐng)求轉(zhuǎn)換成設(shè)備控制器可以接受的具體命令，求轉(zhuǎn)換成設(shè)備控制器可以接受的具體命令，再將這些命令發(fā)送給設(shè)

28、備控制器，并監(jiān)督再將這些命令發(fā)送給設(shè)備控制器，并監(jiān)督這些命令是否正確執(zhí)行這些命令是否正確執(zhí)行2022-7-3計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)中斷處理程序在中斷處理程序在I/O軟件層次結(jié)構(gòu)的最軟件層次結(jié)構(gòu)的最底層。底層。當(dāng)中斷發(fā)生時(shí)，由中斷處理程序執(zhí)行當(dāng)中斷發(fā)生時(shí)，由中斷處理程序執(zhí)行相應(yīng)的操作并解除相應(yīng)進(jìn)程的阻塞狀態(tài)，相應(yīng)的操作并解除相應(yīng)進(jìn)程的阻塞狀態(tài)，使其能夠繼續(xù)執(zhí)行，使其能夠繼續(xù)執(zhí)行，從設(shè)備請(qǐng)求隊(duì)列中獲得下一個(gè)設(shè)備驅(qū)從設(shè)備請(qǐng)求隊(duì)列中獲得下一個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)請(qǐng)求并驅(qū)動(dòng)設(shè)備動(dòng)請(qǐng)求并驅(qū)動(dòng)設(shè)備2022-7-3計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)8.7.1 磁盤性能參數(shù)磁盤性能參數(shù)對(duì)一個(gè)磁盤塊的訪問時(shí)間由對(duì)一個(gè)磁盤塊的訪問時(shí)間由尋道時(shí)間、尋道時(shí)間

29、、旋轉(zhuǎn)延遲、讀寫傳輸時(shí)間旋轉(zhuǎn)延遲、讀寫傳輸時(shí)間2022-7-3計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)考慮一個(gè)典型的磁盤，平均時(shí)間為考慮一個(gè)典型的磁盤，平均時(shí)間為10ms，轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速為為10000r/m，每個(gè)磁道有，每個(gè)磁道有320個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)512個(gè)字節(jié)。假設(shè)讀取一個(gè)包含個(gè)字節(jié)。假設(shè)讀取一個(gè)包含2560個(gè)扇區(qū)的文個(gè)扇區(qū)的文件，大小為件，大小為1.3MB，現(xiàn)估計(jì)傳送需要的時(shí)間：，現(xiàn)估計(jì)傳送需要的時(shí)間：假設(shè)文件占據(jù)了假設(shè)文件占據(jù)了8個(gè)相鄰的磁道個(gè)相鄰的磁道2022-7-3計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)考慮一個(gè)典型的磁盤，平均時(shí)間為考慮一個(gè)典型的磁盤，平均時(shí)間為10ms，轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速為為10000r/m，每個(gè)磁道有，每個(gè)

30、磁道有320個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)512個(gè)字節(jié)。假設(shè)讀取一個(gè)包含個(gè)字節(jié)。假設(shè)讀取一個(gè)包含2560個(gè)扇區(qū)的文個(gè)扇區(qū)的文件，大小為件，大小為1.3MB，現(xiàn)估計(jì)傳送需要的時(shí)間：，現(xiàn)估計(jì)傳送需要的時(shí)間：假設(shè)訪問是隨機(jī)分布在磁盤上假設(shè)訪問是隨機(jī)分布在磁盤上2022-7-3計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)為了提高磁盤的性能，需要減少尋道時(shí)間為了提高磁盤的性能，需要減少尋道時(shí)間2022-7-3計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)為避免磁頭臂的粘性，磁盤請(qǐng)求隊(duì)列被分成段，為避免磁頭臂的粘性，磁盤請(qǐng)求隊(duì)列被分成段，一次只有一個(gè)段被完全處理一次只有一個(gè)段被完全處理2022-7-3計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)假設(shè)磁盤有假設(shè)磁盤有200個(gè)磁道，磁盤請(qǐng)求隊(duì)列中是

31、一些個(gè)磁道，磁盤請(qǐng)求隊(duì)列中是一些隨機(jī)請(qǐng)求。被請(qǐng)求的磁道按接收順序分別為：隨機(jī)請(qǐng)求。被請(qǐng)求的磁道按接收順序分別為：55、58、39、18、90、160、150、38、184，當(dāng)，當(dāng)前磁頭在前磁頭在100磁道處磁道處FCFS策略磁頭臂的移動(dòng)軌跡如下：策略磁頭臂的移動(dòng)軌跡如下：1838395558901501601841002022-7-3計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)假設(shè)磁盤有假設(shè)磁盤有200個(gè)磁道，磁盤請(qǐng)求隊(duì)列中是一些個(gè)磁道，磁盤請(qǐng)求隊(duì)列中是一些隨機(jī)請(qǐng)求。被請(qǐng)求的磁道按接收順序分別為：隨機(jī)請(qǐng)求。被請(qǐng)求的磁道按接收順序分別為：55、58、39、18、90、160、150、38、184，當(dāng)，當(dāng)前磁頭在前磁頭在100

32、磁道處磁道處SSTF策略磁頭臂的移動(dòng)軌跡如下：策略磁頭臂的移動(dòng)軌跡如下：1838395558901501601841002022-7-3計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)假設(shè)磁盤有假設(shè)磁盤有200個(gè)磁道，磁盤請(qǐng)求隊(duì)列中是一些個(gè)磁道，磁盤請(qǐng)求隊(duì)列中是一些隨機(jī)請(qǐng)求。被請(qǐng)求的磁道按接收順序分別為：隨機(jī)請(qǐng)求。被請(qǐng)求的磁道按接收順序分別為：55、58、39、18、90、160、150、38、184，當(dāng)，當(dāng)前磁頭在前磁頭在100磁道處磁道處SCAN策略磁頭臂的移動(dòng)軌跡如下：策略磁頭臂的移動(dòng)軌跡如下：1838395558901501601841002022-7-3計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)假設(shè)磁盤有假設(shè)磁盤有200個(gè)磁道，磁盤請(qǐng)求隊(duì)列中是

33、一些個(gè)磁道，磁盤請(qǐng)求隊(duì)列中是一些隨機(jī)請(qǐng)求。被請(qǐng)求的磁道按接收順序分別為：隨機(jī)請(qǐng)求。被請(qǐng)求的磁道按接收順序分別為：55、58、39、18、90、160、150、38、184，當(dāng)，當(dāng)前磁頭在前磁頭在100磁道處磁道處C-SCAN策略磁頭臂的移動(dòng)軌跡如下：策略磁頭臂的移動(dòng)軌跡如下：1838395558901501601841002022-7-3計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)（a）FCFS（b）SSTF（c）SCAN（d）C-SCAN下一個(gè)被訪下一個(gè)被訪問的磁道問的磁道橫跨的橫跨的磁道數(shù)磁道數(shù)下一個(gè)被下一個(gè)被訪問的磁訪問的磁道道橫跨的橫跨的磁道數(shù)磁道數(shù)下一個(gè)被下一個(gè)被訪問的磁訪問的磁道道橫跨橫跨的磁的磁道數(shù)道數(shù)下一個(gè)

34、被訪下一個(gè)被訪問的磁道問的磁道橫跨的橫跨的磁道數(shù)磁道數(shù)554590101505015050583583216010160103919553184241842418213916909418166907238158323820160701820553391150101501323916551638112160103815831841461842418209032平均尋平均尋道長(zhǎng)度道長(zhǎng)度55.3平均尋平均尋道長(zhǎng)度道長(zhǎng)度27.5平均尋平均尋道長(zhǎng)度道長(zhǎng)度27.8平均尋平均尋道長(zhǎng)度道長(zhǎng)度27.52022-7-3計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)SSTF是公認(rèn)的、最具吸引力的策略SCAN和C-SCAN對(duì)于磁盤負(fù)載較重的系統(tǒng)更為

35、合適任何調(diào)度策略性能的優(yōu)劣都是與進(jìn)程對(duì)磁盤的請(qǐng)求數(shù)量和方法緊密相關(guān)的。當(dāng)磁盤等待隊(duì)列中的請(qǐng)求數(shù)量很少超過一個(gè)時(shí)，所有的策略都是等效的。在這種情況下，最好采用FCFS策略2022-7-3計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)提高磁盤性能和容錯(cuò)性的機(jī)制就是采用獨(dú)提高磁盤性能和容錯(cuò)性的機(jī)制就是采用獨(dú)立磁盤的冗余陣列立磁盤的冗余陣列(RAID, Redundant Array of Independent Disk)2022-7-3計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)2022-7-3計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)2022-7-3計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)8.8.1 概述概述UNIX系統(tǒng)的設(shè)備管理包含在內(nèi)核中，通系統(tǒng)的設(shè)備管理包含在內(nèi)核中，通過文件系統(tǒng)作為用戶進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用的接

36、口。過文件系統(tǒng)作為用戶進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用的接口。UNIX系統(tǒng)包含兩類設(shè)備：系統(tǒng)包含兩類設(shè)備：塊設(shè)備和字符設(shè)備塊設(shè)備和字符設(shè)備 每個(gè)設(shè)備在文件系統(tǒng)目錄中都占一個(gè)節(jié)點(diǎn)。設(shè)每個(gè)設(shè)備在文件系統(tǒng)目錄中都占一個(gè)節(jié)點(diǎn)。設(shè)備作為特別文件，有一個(gè)文件名，也標(biāo)志了文備作為特別文件，有一個(gè)文件名，也標(biāo)志了文件類型和訪問權(quán)限等，對(duì)設(shè)備的使用如同對(duì)文件類型和訪問權(quán)限等，對(duì)設(shè)備的使用如同對(duì)文件的存取。件的存取。 2022-7-3計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)文件系統(tǒng)與設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序之間的接口是文件系統(tǒng)與設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序之間的接口是設(shè)備轉(zhuǎn)接表設(shè)備轉(zhuǎn)接表，分為塊設(shè)備轉(zhuǎn)接表和字符設(shè)備轉(zhuǎn)，分為塊設(shè)備轉(zhuǎn)接表和字符設(shè)備轉(zhuǎn)接表。設(shè)備轉(zhuǎn)接表記錄了每類設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的

37、接表。設(shè)備轉(zhuǎn)接表記錄了每類設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的入口地址，由系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)根據(jù)硬件配置建立。入口地址，由系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)根據(jù)硬件配置建立。 open close stategy驅(qū)動(dòng)程序字符設(shè)備轉(zhuǎn)換表open close read write ioctl open close read write mount unmountopen close read write ioctl驅(qū)動(dòng)程序字符設(shè)備轉(zhuǎn)換表中斷向量中斷向量設(shè)備中斷塊設(shè)備轉(zhuǎn)換表字符設(shè)備轉(zhuǎn)換表緩沖區(qū)管理文件系統(tǒng)系統(tǒng)調(diào)用2022-7-3計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)1、UNIX塊設(shè)備的主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)塊設(shè)備的主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在在UNIX系統(tǒng)的設(shè)備管理中，主要有三種系統(tǒng)的設(shè)備管理中，主

38、要有三種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：緩沖存儲(chǔ)區(qū)控制塊、塊設(shè)備表和塊設(shè)備開關(guān)表緩沖存儲(chǔ)區(qū)控制塊、塊設(shè)備表和塊設(shè)備開關(guān)表2022-7-3計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)緩沖存儲(chǔ)區(qū)控制塊：緩沖存儲(chǔ)區(qū)控制塊：2022-7-3計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)塊設(shè)備表：塊設(shè)備表：2022-7-3計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)塊設(shè)備開關(guān)表：塊設(shè)備開關(guān)表：2022-7-3計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)2、UNIX系統(tǒng)緩沖區(qū)隊(duì)列的管理系統(tǒng)緩沖區(qū)隊(duì)列的管理在在UNIX系統(tǒng)主要有以下幾種隊(duì)列：系統(tǒng)主要有以下幾種隊(duì)列：空閑緩沖區(qū)隊(duì)列空閑緩沖區(qū)隊(duì)列設(shè)備緩沖隊(duì)列設(shè)備緩沖隊(duì)列設(shè)備設(shè)備I/O請(qǐng)求隊(duì)列請(qǐng)求隊(duì)列2022-7-3計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)3、UNIX緩沖存儲(chǔ)區(qū)管理緩沖存儲(chǔ)區(qū)管理在在UNIX系統(tǒng)采用系統(tǒng)采用LRU算法做為存儲(chǔ)淘汰算法做為存儲(chǔ)淘汰算法算法當(dāng)進(jìn)程需要對(duì)某設(shè)備上的字符塊進(jìn)行處理時(shí)，當(dāng)進(jìn)程需要對(duì)某設(shè)備上的字符塊進(jìn)行處理時(shí)，先要為其分配一個(gè)主存緩沖區(qū)先要為其分配一個(gè)主