chapter7-設備管理

1、5、緩沖技術實現(xiàn)的基本思想：進程執(zhí)行寫操作輸出數(shù)據(jù)時，向系統(tǒng)申請一個緩沖區(qū)，若為順序寫請求，則不斷把數(shù)據(jù)填到緩沖區(qū)，直到被裝滿。此后，進程繼續(xù)它的計算，系統(tǒng)將緩沖區(qū)內容寫到I/O設備上。進程執(zhí)行讀操作輸入數(shù)據(jù)時，向系統(tǒng)申請一個緩沖區(qū)，系統(tǒng)將一個物理記錄的內容讀到緩沖區(qū)，根據(jù)進程要求，把當前需要的邏輯記錄從緩沖區(qū)中選出并傳送給進程7.3 緩沖管理（3）精選ppt5、緩沖技術實現(xiàn)的基本思想（續(xù)）：在輸出數(shù)據(jù)時，只有在系統(tǒng)還來不及騰空緩沖區(qū)而進程又要寫數(shù)據(jù)時，它才需要等待；在輸入數(shù)據(jù)時，僅當緩沖區(qū)空而進程又要從中讀取數(shù)據(jù)時，它才被迫等待6、緩沖的實現(xiàn)方式：采用硬件緩沖器實現(xiàn)；在內存劃出一塊區(qū)域，專門

2、用來存放臨時輸入輸出的數(shù)據(jù)，這個區(qū)域稱為緩沖區(qū)7.3 緩沖管理（4）精選ppt單緩沖 在設備和處理機之間設置一個緩沖。設備與處理機交換數(shù)據(jù)時，先把交換的數(shù)據(jù)寫入緩沖區(qū)，然后需要數(shù)據(jù)的設備/處理機再從緩沖區(qū)中取走數(shù)據(jù)。 特點：緩沖區(qū)數(shù)只有一個；設備與處理機對緩沖區(qū)的操作是串行的。 工作區(qū)緩沖區(qū)用戶進程操作系統(tǒng)傳送(M)輸入(T)I/O設備處理(C)精選ppt一塊數(shù)據(jù)的處理時間在某系統(tǒng)中，從磁盤將一塊數(shù)據(jù)輸入到緩沖區(qū)需要花費的時間T，CPU對一塊數(shù)據(jù)進行處理的時間為C，將緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)傳送到用戶區(qū)所花時間為M，那么在單緩沖情況下，系統(tǒng)處理大量數(shù)據(jù)時，一塊數(shù)據(jù)的處理時間為多少？系統(tǒng)對每一塊數(shù)據(jù)的處理時

3、間為：Max(T,C)+M精選ppt雙緩沖 在設備和處理機之間設置2個緩沖。設備與處理機交換數(shù)據(jù)時，先把交換的數(shù)據(jù)寫入緩沖區(qū)，然后需要數(shù)據(jù)的設備/處理機再從緩沖區(qū)中取走數(shù)據(jù)。因緩沖區(qū)有2個，提高了設備與處理機并行操作的程度，只有當兩個均為空時，需數(shù)據(jù)的進程才等待。特點：緩沖區(qū)數(shù)有2個；設備與處理機對緩沖區(qū)的操作可并行，提高了設備與處理機并行操作的程度。工作區(qū)緩沖區(qū)1用戶進程（處理C）操作系統(tǒng)傳送M輸入TI/O設備緩沖區(qū)2精選ppt一塊數(shù)據(jù)的處理時間在某系統(tǒng)中，從磁盤將一塊數(shù)據(jù)輸入到緩沖區(qū)需要花費的時間T，CPU對一塊數(shù)據(jù)進行處理的時間為C，將緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)傳送到用戶區(qū)所花時間為M，那么在雙緩沖情

4、況下，系統(tǒng)處理大量數(shù)據(jù)時，一塊數(shù)據(jù)的處理時間為多少？系統(tǒng)對一塊數(shù)據(jù)的處理時間： MAX（C+M，T）工作區(qū)用戶進程緩沖區(qū)1緩沖區(qū)2I/O 設備T1(緩沖1)M1C1M2C2M3C3T2(緩沖2)T3(緩沖3)M4C4T4(緩沖4)(a)(b)精選ppt雙機通信時緩沖區(qū)的設置緩沖區(qū)緩沖區(qū)A機B機(a) 單緩沖發(fā)送緩沖區(qū)接收緩沖區(qū)接收緩沖區(qū)發(fā)送緩沖區(qū)A機B機(b) 雙緩沖精選pptRGGGGR123456NextiNextgRGGGCR123456NexticurrentNextg循環(huán)緩沖 在設備和處理機之間設置多個大小相等的緩沖區(qū)，這些緩沖區(qū)構成環(huán)形，每一個緩沖區(qū)中含一指針指向下一個緩沖區(qū)，最后

5、一個指向第一個緩沖區(qū)。 精選ppt循環(huán)緩沖的組成多個緩沖區(qū)：用于裝輸入數(shù)據(jù)的空緩沖區(qū)R已裝滿數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)G計算進程正在使用的現(xiàn)行工作緩沖區(qū)C多個指針：指示輸入進程下次可用的空緩沖區(qū)R的指針Nexti指示計算進程下次可用緩沖區(qū)G的指針Nextg指示計算進程正在使用的緩沖區(qū)C的指針Current特點：緩沖區(qū)的數(shù)量有多個；設備與處理機對緩沖區(qū)的操作可并行，進一步提高了設備與處理機并行操作的程度。 精選ppt循環(huán)緩沖緩沖區(qū)的使用Getbuf過程Releasebuf過程進程同步Nexti指針追趕上Nextg指針輸入進程阻塞Nextg指針追趕上Nexti指針計算進程阻塞精選ppt1、緩沖池：將系統(tǒng)內所有的

6、緩沖區(qū)統(tǒng)一管理起來，就形成了能用于輸入/輸出的緩沖池。緩沖池通常由若干大小相同的緩沖區(qū)組成，是系統(tǒng)的公用資源，任何進程都可以申請使用緩沖池中的各個緩沖區(qū)。2、緩沖池的組成（數(shù)據(jù)結構） 三個隊列：空緩沖隊列emq、裝滿輸入數(shù)據(jù)隊列inq、裝滿輸出數(shù)據(jù)隊列outq 四個工作緩沖區(qū)： 收容輸入數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)hin、提取輸入數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)sin、收容輸出數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)hout、提取輸出數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)sout 緩沖池（1）精選ppt緩沖池（2） 三個隊列：空緩沖隊列emq、裝滿輸入數(shù)據(jù)隊列inq、裝滿輸出數(shù)據(jù)隊列outq 四個工作緩沖區(qū)： 收容輸入數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)、提取輸入數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)、收容輸出數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)、提取輸

7、出數(shù)據(jù)的緩沖區(qū) 精選ppt3、Getbuf過程和Putbuf過程 Procedure Getbuf(type) begin wait(rs(type); wait(ms(type);B(number):=Takebuf(type); signal(ms(type); end緩沖池（3） Procedure Putbuf(type) begin wait(ms(type); Addbuf(type,number); signal(ms(type); signal(rs(type); end注：Takebuf(type)用于從type所指的隊列的隊首摘下一緩沖區(qū) Addbuf(type,numbe

8、r)用于將由number所指示的緩沖區(qū)B掛在type隊列上精選ppt4、操作系統(tǒng)對緩沖池的管理-工作方式hinsinsouthout用戶程序緩沖池提取輸入收容輸出提取輸出收容輸入緩沖池的工作方式精選ppt輸入進程需要輸入數(shù)據(jù)時：輸入設備 收容輸入緩沖區(qū)-Getbuf(emq)和Putbuf(inq,hin) 1)從空緩沖隊列emq的隊首取一空緩沖區(qū)用作收容輸入緩沖區(qū)hin 2)輸入設備將數(shù)據(jù)輸入收容輸入緩沖區(qū)并裝滿 3)將此緩沖區(qū)掛到裝滿輸入數(shù)據(jù)隊列inq隊尾。計算進程需要輸入數(shù)據(jù)時：提取輸入緩沖區(qū) CPU -Getbuf(inq)和Putbuf(emq,sin) 1)從裝滿輸入數(shù)據(jù)隊列inq

9、隊首取一滿緩沖區(qū)用作提取輸入緩沖區(qū)sin 2)CPU從提取輸入緩沖區(qū)中取出數(shù)據(jù)至用完 3)將空緩沖區(qū)掛到空緩沖隊列emq隊尾。4、操作系統(tǒng)對緩沖池的管理-工作方式精選ppt計算進程需要輸出數(shù)據(jù)時：CPU 收容輸出緩沖區(qū)-Getbuf(emq)和Putbuf(outq,hout) 1)從空緩沖隊列emq隊首取一空緩沖區(qū)用作收容輸出緩沖區(qū)hout 2)CPU將數(shù)據(jù)輸入其中并裝滿 3)將收容輸出緩沖區(qū)掛到裝滿輸出數(shù)據(jù)隊列outq隊尾。輸出進程需要輸出數(shù)據(jù)時：提取輸出緩沖區(qū) 輸出設備-Getbuf(outq)和Putbuf(emq,sout) 1)從裝滿輸出數(shù)據(jù)隊列outq隊首取一滿緩沖區(qū)用作提取輸出

10、緩沖區(qū)sout 2)輸出設備從中取出數(shù)據(jù)至用完 3)將空緩沖區(qū)掛到空緩沖隊列emq隊尾4、操作系統(tǒng)對緩沖池的管理-工作方式精選ppt7.4 I/O 軟件I/O 軟件的設計目標和原則中斷處理程序設備驅動程序設備獨立性軟件用戶層的I/O軟件精選ppt7.4.1 I/O軟件的設計目標和原則總體設計目標高效性確保I/O設備和CPU并行執(zhí)行，提高資源利用率通用性提供簡單抽象、清晰統(tǒng)一的接口，采用統(tǒng)一標準的方法，來管理所有的設備和所需的I/O操作采用層次結構的I/O軟件低層軟件實現(xiàn)與硬件相關的操作，屏蔽硬件的具體細節(jié)高層軟件向用戶提供一個簡潔、友好、規(guī)范的接口精選ppt7.4.1 I/O軟件的設計目標和原

11、則I/O軟件應達到以下幾個目標與具體設備無關屏蔽設備的具體細節(jié)，向高層提供抽象的邏輯設備，并完成邏輯設備和具體物理設備的映射統(tǒng)一命名所有軟件都以邏輯名稱訪問設備，與具體設備無關精選ppt7.4.1 I/O軟件的設計目標和原則I/O軟件應達到以下幾個目標（續(xù)）對錯誤的處理盡可能在接近硬件的層面處理錯誤緩沖技術設備的分配和釋放I/O控制方式合理選擇I/O控制方式，例打印機（中斷驅動）、磁盤（DMA控制方式）精選ppt7.4.1 I/O軟件的設計目標和原則層次式結構的I/O軟件（四個層次）用戶層軟件設備獨立性軟件設備驅動程序中斷處理程序硬件I/O請求I/O應答執(zhí)行I/O操作產(chǎn)生I/O請求、格式化I/

12、O、Spooling映射，保護，分塊，緩沖，分配設置設備寄存器，檢查寄存器狀態(tài)當I/O結束時，喚醒驅動程序精選ppt7.4.1 I/O軟件的設計目標和原則層次式結構的I/O軟件（四個層次）（續(xù)）用戶層軟件實現(xiàn)與用戶交互的接口，用戶可直接調用在用戶層提供的、與I/O操作有關的庫函數(shù)，對設備操作設備獨立性軟件負責實現(xiàn)與設備驅動器的統(tǒng)一接口、設備命名、設備保護以及設備的分配與釋放，提供存儲空間精選ppt7.4.1 I/O軟件的設計目標和原則層次式結構的I/O軟件（四個層次）（續(xù)）設備驅動程序與硬件直接相關，負責具體實現(xiàn)系統(tǒng)對設備發(fā)出的操作指令，驅動I/O設備工作的驅動程序中斷處理程序用于保存被中斷進

13、程的CPU環(huán)境，轉入相應的中斷處理程序進行處理，處理完后再恢復被中斷進程的現(xiàn)場后返回到被中斷進程精選ppt7.4.2 中斷處理程序（1）中斷處理層的主要工作進行進程上下文的切換對處理中斷信號源進行測試讀取設備狀態(tài)修改進程狀態(tài)中斷處理程序的處理過程喚醒被阻塞的驅動程序進程保護被中斷進程的CPU環(huán)境分析中斷原因，轉入相應的設備處理程序進行中斷處理恢復被中斷進程的現(xiàn)場精選ppt7.4.2 中斷處理程序（2）精選ppt7.4.3 設備驅動程序是I/O進程與設備控制器之間的通信程序，常以進程的形式存在，主要任務接收上層軟件發(fā)來的抽象I/O要求轉換為具體要求后，發(fā)送給設備控制器，啟動設備去執(zhí)行將由設備控制

14、器發(fā)來的信號傳送給上層軟件修改進程狀態(tài)設備驅動程序的功能設備處理方式設備驅動程序的特點設備驅動程序的處理過程精選ppt設備驅動程序的功能將接收到的抽象要求轉換為具體要求。檢查用戶I/O請求的合法性，I/O設備狀態(tài)，傳參數(shù)，設置設備的工作方式。按處理機的I/O請求去啟動指定的設備進行I/O操作及時響應由控制器或通道發(fā)來的中斷請求，并進行相應處理按I/O請求構成相應通道程序。精選ppt設備處理方式為每一類設備設置一進程，專門執(zhí)行其I/O操作。在整個系統(tǒng)中設置一個進程，執(zhí)行所有的I/O操作。 不設置專門的設備處理進程，而為各類設備設置相應的設備驅動程序。精選ppt設備驅動程序的特點是請求I/O的進程

15、與設備控制器之間的一個通信程序。與設備控制器和I/O設備的硬件特性緊密相關與I/O設備所采用的I/O控制方式緊密相關與硬件緊密相關，因而其中一部分程序必須用匯編語言編寫。驅動程序應允許可重入 驅動程序不允許系統(tǒng)調用，但可以允許對某些內核過程的調用精選ppt設備驅動程序的的處理過程將接收到的抽象要求轉換為具體要求。檢查用戶I/O請求的合法性讀出和檢查 I/O設備狀態(tài)傳送必要參數(shù)設置設備的工作方式。按處理機的I/O請求去啟動指定的設備進行I/O操作精選ppt7.4.4 設備獨立性軟件設備獨立性概念（設備無關性）設備獨立性的實現(xiàn)邏輯設備（應用程序）和物理設備（執(zhí)行）設備分配時的靈活性易于實現(xiàn)I/O重

16、定向設備獨立性軟件執(zhí)行所有設備的公有操作向用戶層（文件層）軟件提供統(tǒng)一的接口邏輯設備名到物理設備名映射的實現(xiàn)邏輯設備表LUT(Logical Unit Table)LUT設置問題 整個系統(tǒng)設置一張LUT ；每個用戶設一張LUT 用于單用戶系統(tǒng)用于多用戶系統(tǒng)精選ppt設備獨立性相關概念設備獨立性概念（設備無關性） 為提高OS的可適應性和可擴展性，而將應用程序獨立于具體使用的物理設備。I/O重定向 指用于I/O操作的設備可以更換，即重定向，而不必改變應用程序。所有設備的公有操作 獨立設備的分配與回收；將邏輯設備名映射為物理設備名；對設備進行保護（禁止直接訪問）；緩沖管理；差錯控制。精選ppt邏輯設

17、備表LUT(Logical Unit Table)邏輯設備名物理設備名驅動程序入口地址/dev/tty31024/dev/print52046邏輯設備名系統(tǒng)設備表指針/dev/tty3/dev/print5(a)(b)精選ppt7.4.5 用戶層的I/O軟件大部分I/O軟件都在操作系統(tǒng)內部，仍有一小部分在用戶層與用戶程序鏈接在一起的庫函數(shù)完全運行在內核之外的一些程序（如Spooling系統(tǒng)）用戶層軟件設備獨立性軟件設備驅動程序中斷處理程序硬件I/O請求I/O應答執(zhí)行I/O操作產(chǎn)生I/O請求、格式化I/O、Spooling映射，保護，分塊，緩沖，分配設置設備寄存器，檢查寄存器狀態(tài)I/O系統(tǒng)的層次

18、及功能I/O操作結束時，喚醒驅動程序精選ppt7.5 設備分配設備分配中的數(shù)據(jù)結構設備分配的策略/應考慮的因素獨占設備的分配程序SPOOLING技術 精選ppt7.5.1 設備分配中的數(shù)據(jù)結構設備控制表DCT (Device Control Table)控制器控制表COCT (COntroller Control Table)通道控制表CHCT（CHannel Control Table）系統(tǒng)設備表SDT (System Device Table)精選pptDCT表目1表目i設備類型 設備標識符DCT指針獲得設備的進程控制器標識符 控制器狀態(tài)：忙/閑CHCT指針控制器等待隊列指針通道標識符通道狀態(tài)：忙/閑通道等待隊列指針SDTC