第7章設(shè)備管理

第6章設(shè)備管理●I/O設(shè)備管理概述

●磁盤管理●I/O控制方式

●緩沖管理本章要點6.1I/O設(shè)備管理概述I/O管理的功能監(jiān)視設(shè)備的狀態(tài)進行設(shè)備分配完成I/O操作緩沖管理I/O硬件組成主機I/O系統(tǒng)——四級結(jié)構(gòu)微型機I/O系統(tǒng)——單總線結(jié)構(gòu)I/O設(shè)備設(shè)備的類型塊設(shè)備—如：磁盤、磁帶，塊大小512B~32KB，通常為512B。塊設(shè)備的特點是速度高、隨機訪問、I/O采用DMA（直接存取方式）。字符設(shè)備—如：鍵盤、行式打印機。特點是速度低、不可尋址、I/O采用中斷驅(qū)動。設(shè)備控制器●設(shè)備控制器或適配器是I/O設(shè)備的電子部分，它是CPU與I/O設(shè)備之間的接口，它接收從CPU發(fā)來的命令，并控制I/O設(shè)備工作。通常一臺控制器可控制多臺同一類型的設(shè)備。●在微機中，設(shè)備控制器常做成印刷電路卡的形式，如I/O卡?！裨O(shè)備控制器的種類很多，需要不同的軟件來控制它，這樣的軟件就是設(shè)備驅(qū)動程序?！窨刂破鞯墓δ芙邮蘸妥R別CPU發(fā)來的命令——控制寄存器數(shù)據(jù)交換——數(shù)據(jù)寄存器了解設(shè)備的狀態(tài)，報告給CPU——狀態(tài)寄存器地址識別——地址譯碼器設(shè)備控制器是計算機中的一個實體，主要職責是控制一個或多個I/O設(shè)備，以實現(xiàn)I/O設(shè)備和計算機之間的數(shù)據(jù)交換。它是CPU與I/O設(shè)備之間的接口，接收從CPU發(fā)來的命令，并去控制I/O設(shè)備工作，使處理機從繁雜的設(shè)備控制事務(wù)中解脫出來。設(shè)備控制器的組成控制器與CPU之間接口——用于控制設(shè)備與總線之間交換數(shù)據(jù)。控制器與設(shè)備之間接口——用于根據(jù)CPU發(fā)來的命令，控制設(shè)備的動作。I/O邏輯——用于實現(xiàn)對設(shè)備的控制。I/O邏輯對收到的地址進行譯碼，在根據(jù)譯出的命令對設(shè)備進行控制。設(shè)備通道雖然有控制器可以對設(shè)備進行控制，但當外設(shè)很多時，CPU負擔過重，為此在CPU與控制器之間增加通道。增加通道的目的“是建立獨立的I/O操作，不僅使數(shù)據(jù)的傳送能獨立于CPU，而且有關(guān)I/O操作的組織、管理及結(jié)束也盡量獨立，以保證CPU有更多的時間去進行數(shù)據(jù)處理。通道是特殊的處理機它指令單一。沒有內(nèi)存。通道的類型數(shù)組選擇通道連接磁盤等高速外設(shè)。以塊為傳送單位。通道隨與多個外設(shè)相連，但通常被一個設(shè)備專用，用完釋放后才讓給其他設(shè)備。數(shù)組多路通道連接高速外設(shè)。如磁盤。綜合字節(jié)多路通道的”并行“和選擇通道的”高速“的優(yōu)點。通道利用一臺設(shè)備”讀寫定位“的時間，再與另一外設(shè)交換信息。字節(jié)多路通道連接中、低速外設(shè)。如打印機、終端等。以字節(jié)為傳送單位。傳送時，通道與多個外設(shè)交叉?zhèn)鬟f，當一個外設(shè)交換一個字節(jié)后，立即騰出，將通道讓給另一個設(shè)備使用。通道的連接方式單通路多通路設(shè)備與計算機之間有多條通道，增加靈活性。增強可靠性。某通道、控制器壞，也不會影響數(shù)據(jù)交換。6.2I/O控制方式●I/O數(shù)據(jù)控制方式的發(fā)展經(jīng)歷了四個階段程序直接控制方式中斷驅(qū)動方式DMA控制方式通道方式●在I/O控制的整個發(fā)展過程中，始終貫穿著一條宗旨，盡量減少主機對I/O控制的干預，把主機從繁雜的I/O控制事物中解脫出來，以更多地去完成數(shù)據(jù)處理任務(wù)。程序直接控制方式

忙—等待方式缺點CPU與外設(shè)只能串行工作。CPU在一段時間內(nèi)只能與一臺外設(shè)交換數(shù)據(jù)信息。無法發(fā)現(xiàn)和處理由于設(shè)備和其它硬件所產(chǎn)生的錯誤。中斷驅(qū)動方式中斷方式缺點中斷的次數(shù)過多。中斷次數(shù)的急劇增加會造成CPU無法及時響應(yīng)中斷，出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象。DMA控制方式●中斷方式比程序I/O方式有效，但它是以字節(jié)為單位進行的，每傳送一個字節(jié)，控制器便向CPU請求一次中斷，如果將這種方式用于塊設(shè)備的I/O，顯然是低效的。例如要讀1KB的數(shù)據(jù)塊，需要中斷1K次CPU?！駷榱藴p少CPU對I/O的干預，引入DMA方式。該方式的特點為：數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕締挝皇菙?shù)據(jù)塊。所傳送的數(shù)據(jù)是從設(shè)備直接送入內(nèi)存的。僅在傳送一個或多個數(shù)據(jù)塊的開始或結(jié)束時，才需CPU干預，整塊數(shù)據(jù)的傳送是在控制器的控制下完成的。DMA控制器的組成增加兩類寄存器：內(nèi)存地址寄存器MAR數(shù)據(jù)計數(shù)器DＣDMA工作過程●當CPU需要從磁盤讀數(shù)據(jù)時，便向磁盤控制器DMA發(fā)命令，●該命令送命令寄存器CR，●將內(nèi)存地址送內(nèi)存地址寄存器MAR，●本次要讀的字節(jié)數(shù)送數(shù)據(jù)寄存器DC。●啟動DMA后，CPU干其他的事情，數(shù)據(jù)傳送在DMA的控制下完成。通道方式DMA方式比中斷方式、程序I/O方式以顯著地減少了CPU的干預，即從字節(jié)為單位的干預減少到以數(shù)據(jù)塊為單位的干預。I/O通道方式是DMA方式的發(fā)展，把以數(shù)據(jù)塊為單位的干預，減少到對一組數(shù)據(jù)塊為單位的干預。在DMA方式中，每發(fā)出一個I/O指令，能讀（寫）一個連續(xù)的數(shù)據(jù)塊，當需要一次去讀多個離散的數(shù)據(jù)塊且將它們分別傳送到不同的內(nèi)存區(qū)域時，則需多條I/O指令和多次中斷，而通道只需一次即可完成。通道有一系列通道指令構(gòu)成。●通道指令的格式： ●操作碼——規(guī)定了指令所要執(zhí)行的操作，如讀、寫等。 ●計數(shù)——表示本條指令要讀（寫）數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)。 ●內(nèi)存地址——數(shù)據(jù)要送入的內(nèi)存地址或從內(nèi)存何處取出數(shù)據(jù)。 ●通道程序結(jié)束位P——表示通道程序是否結(jié)束。 P=1表示本條指令是通道程序的最后一條指令。 ●記錄結(jié)束位RR=0表示本條通道指令與下一條通道指令所處理的數(shù)據(jù)屬于一個記錄，R=1表示該指令處理的數(shù)據(jù)是最后一條記錄。通道指令下面示出了一個由六條通道指令所構(gòu)成的簡單的通道程序。該程序的功能是將內(nèi)存中不同地址的數(shù)據(jù)寫成多個記錄。其中，前三條指令是分別將813～892單元中的80個字符和1034～1173單元中的140個字符及5830～5889單元中的60個字符寫成一個記錄；第4條指令是單獨寫一個具有300個字符的記錄；第5、6條指令共寫含500個字符的記錄。

6.3I/O系統(tǒng)I/O系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)設(shè)備分配考慮因素設(shè)備固有屬性獨占設(shè)備共享設(shè)備虛擬設(shè)備設(shè)備分配中的安全性安全分配方式（單請求方式）不安全分配方式設(shè)備的獨立性設(shè)備獨立性也稱設(shè)備無關(guān)性指用戶程序獨立于具體物理設(shè)備。即用戶只需說明使用哪類設(shè)備，如打印機或顯示器（邏輯設(shè)備名），無需指定某個具體設(shè)備（物理設(shè)備名）。操作系統(tǒng)統(tǒng)一合理地進行設(shè)備分配。設(shè)備獨立性的優(yōu)點設(shè)備分配時的靈活性易于實現(xiàn)I/O重定向設(shè)備獨立性的實現(xiàn)——邏輯設(shè)備表操作系統(tǒng)實現(xiàn)邏輯設(shè)備到物理設(shè)備的轉(zhuǎn)換。邏輯設(shè)備表（LogicalUnitTable，LUT）

邏輯設(shè)備表LUT的設(shè)置：

整個系統(tǒng)一張（單用戶系統(tǒng)）一個用戶一張（多用戶系統(tǒng)）設(shè)備分配用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)備控制表DCT（每個設(shè)備一張）控制器控制表COCT（每個控制器一張）通道控制表CHCT（每個通道一張）系統(tǒng)設(shè)備表SDT（整個系統(tǒng)一張）設(shè)備分配程序單通路情況下的設(shè)備分配程序SPOOLing技術(shù)——SimultanczusPeriphernalOperationsOn-LineSPOOLing的系統(tǒng)組成：輸入井和輸出井輸入緩沖區(qū)和輸出緩沖區(qū)輸入進程SPi和輸出進程SPo圖4脫機I/O示意圖

28磁帶回顧：脫機輸入/輸出(Off-LineI/O)技術(shù)輸入輸出機用SPOOLing技術(shù)共享打印機打印機是經(jīng)常要用的輸出設(shè)備，屬于獨占設(shè)備。利用SPOOLing技術(shù)，可將它改造為一臺供多用戶共享的設(shè)備，從而提高了設(shè)備的利用率。具體過程：1>用戶要求打印2>輸出進程SPO在“輸出井”為之申請一空閑盤區(qū)，并將要求打印的數(shù)據(jù)送入其中。3>SPO為用戶進程申請“用戶請求打印表”，將打印要求填入其中，并將該表掛到請求打印隊列上。4>打印機空閑時，SPO從打印隊列上取出一張“請求打印表”將要打印數(shù)據(jù)從“輸出井”送到內(nèi)存“輸出緩沖區(qū)”，由打印機進行打印。5>重復4。SPOOLing特點：提高I/O速度；將獨占設(shè)備改造為共享設(shè)備實現(xiàn)虛擬設(shè)備功能舉例：打印機設(shè)備和可由打印機管理器管理的打印作業(yè)隊列。如:應(yīng)用程序直接向針式打印機輸出需要15分鐘，而像打印作業(yè)隊列輸出只需要1分鐘，此后用戶可以關(guān)閉應(yīng)用程序而轉(zhuǎn)入其他工作，在以后適當?shù)臅r候由打印機管理器完成15分鐘的打印輸出而無須用戶干預。設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)備驅(qū)動程序的功能：向有關(guān)I/O設(shè)備的控制器（中的控制/狀態(tài)寄存器）發(fā)出控制命令，監(jiān)督它們的正確執(zhí)行，并進行必要的錯誤處理。對等待各種設(shè)備、控制器和通道的進程進行排隊。執(zhí)行比寄存器級別更高的一些特殊處理，如代碼轉(zhuǎn)換、退出處理等。設(shè)備驅(qū)動程序的特點不同類型的設(shè)備配置不同的驅(qū)動程序。由于驅(qū)動程序與硬件緊密相關(guān)，常用匯編語言寫。驅(qū)動程序的結(jié)構(gòu)與I/O設(shè)備的硬件特性緊密相關(guān)。中斷中斷是指在計算機執(zhí)行期間，系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生任何非尋常和非預期的急需處理事件，使得CPU暫時中斷當前正在執(zhí)行的程序，而轉(zhuǎn)去執(zhí)行相應(yīng)的事件處理程序，待處理完畢后又返回原來被中斷處，繼續(xù)執(zhí)行或調(diào)度新的進程執(zhí)行的過程。禁止中斷也被稱為關(guān)中斷。PSW的中斷允許位的被重新設(shè)置被稱為開中斷。中斷請求、關(guān)中斷和開中斷都是由硬件實現(xiàn)的。中斷的分類硬中斷內(nèi)中斷外中斷軟中斷禁止中斷（中斷屏蔽方法）當一個進程正在使用處理機執(zhí)行它的臨界區(qū)代碼時，要防止其他進程再進入其臨界區(qū)訪問的最簡單方法是禁止一切中斷發(fā)生，或稱之為屏蔽中斷、關(guān)中斷。其典型模式為：…….關(guān)中斷;

臨界區(qū);

開中斷;

中斷優(yōu)先級●按中斷源的輕重緩急，OS對不同的中斷賦予了不同的優(yōu)先級。UNIX系統(tǒng)中，外中斷和陷入的優(yōu)先級共分為8級。Windows2000中的中斷優(yōu)先級分為32級

●所有線程都運行在中斷優(yōu)先級0和1上●所有的硬件中斷的優(yōu)先級都高于軟件中斷中斷處理過程●檢查CPU響應(yīng)中斷的條件是否滿足?！袢绻鸆PU響應(yīng)中斷，則須關(guān)中斷，使CPU進入不可再次響應(yīng)中斷的狀態(tài)?！癖４姹恢袛噙M程的現(xiàn)場。●分析中斷原因?！駡?zhí)行中斷處理子程序?！窕謴捅恢袛噙M程的現(xiàn)場。●開中斷。中斷現(xiàn)場保護示意圖

6.4磁盤管理速度是影響文件系統(tǒng)性能的主要因素提高磁盤I/O速度的主要途徑：

選擇性能好的磁盤

采用好的磁盤調(diào)度算法

設(shè)置磁盤高速緩沖區(qū)磁盤性能影響磁盤性能的因素：數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)磁盤的類型磁盤訪問時間磁盤結(jié)構(gòu)和管理一個磁盤含多個盤片。每個盤片含兩面。每面含若干個磁道。每條磁道上存儲相同數(shù)目的二進制位。每條磁道又分成若干個扇區(qū)，一個扇區(qū)相當于一個盤塊。盤片旋轉(zhuǎn)，當磁頭位于某個磁道、某個扇區(qū)下時，就可將該扇區(qū)的內(nèi)容讀出或?qū)懭?。磁盤的格式化（低級格式化）例一個磁道分成30個固定大小的扇區(qū)，每個扇區(qū)的容量為600個字節(jié)，其中512個字節(jié)存放數(shù)據(jù)，88個字節(jié)存放控制信息。磁盤的類型固定頭磁盤每條磁道上都有一個讀/寫磁頭（大容量磁盤）移動頭磁盤每個盤面僅配一個讀/寫磁頭。即微機上用的硬盤（也叫溫切斯特硬盤）、軟盤。磁盤的訪問尋道時間Ts：磁頭從當前位置移動到指定磁道上所經(jīng)歷的時間。

(s:啟動磁盤時間、m:常數(shù)=0.3、n:磁道數(shù)) Ts：隨尋道距離的增大而增大，約10ms旋轉(zhuǎn)延遲時間Tr：磁頭找到指定的扇區(qū)所經(jīng)歷的時間。 硬盤Tr=3ms軟盤100ms傳輸時間Tt：數(shù)據(jù)從磁盤讀出，或向磁盤寫入數(shù)據(jù)所經(jīng)歷的時間。

(r:磁盤旋轉(zhuǎn)速度N:一條磁道上的字節(jié)數(shù)b:每次讀寫的字節(jié)數(shù))磁盤訪問時間

如何減少磁盤的訪問時間例2：磁盤的尋道時間為10ms，旋轉(zhuǎn)時間為10000r/min，每個磁道有320個扇區(qū)，每個扇區(qū)512個字節(jié)，假設(shè)讀取一個包含2560個扇區(qū)的文件，文件的大小是1.3MB現(xiàn)在估計磁盤的訪問時間。

(1)若數(shù)據(jù)順序組織：讀第一個磁道的時間如下：Ts+Tr+Tt(讀320個扇區(qū)時間)=10ms+3ms+6ms

=19ms如果在讀其余的磁道時，不需尋道，后面每個磁道的讀取時間是3+6=9ms，讀取整個文件總時間=19+7*9=82ms=0.082s(2)如果采用隨機訪問，也就是說，訪問隨機分布在磁盤上的扇區(qū)。對于每個扇區(qū)的訪問時間為：

Ts+Tr+Tt(讀一個扇區(qū)時間)=10ms+3ms+0.01875ms=13.01875ms,讀取整個文件總時間=2560*13.01875=33328ms=33.328s結(jié)論1：適當集中數(shù)據(jù)傳送，有利于提高傳輸速率。結(jié)論2：減少磁盤訪問時間的途徑之二：數(shù)據(jù)盡可能順序組織磁盤調(diào)度算法——FCFS：先來先服務(wù)優(yōu)點：公平、簡單。缺點：未對尋道進行優(yōu)化，平均尋道時間較長。SSTF先滿足尋道時間短的進程。優(yōu)點：對尋道優(yōu)化缺點：“饑餓”現(xiàn)象發(fā)生FCFS和SSTF磁盤調(diào)度算法——SCAN算法：

對SSTF算法進行改造，不僅考慮要訪問的磁道與當前磁盤的距離，更優(yōu)先考慮磁頭的當前移動方向。因該算法中磁頭的移動規(guī)律頗似電梯的運行，故稱“電梯調(diào)度算法”。循環(huán)掃描CSCAN：

對SCAN進行改造，解決進程嚴重延遲現(xiàn)象。內(nèi)外內(nèi)外掃描算法磁盤調(diào)度算法——SCAN和CSCAN7.5緩沖管理 緩沖的引入緩和CPU與I/O設(shè)備間速度不匹配的矛盾減少對CPU的中斷頻率提高CPU和I/O設(shè)備之間的并行性協(xié)調(diào)傳輸數(shù)據(jù)大小不一致的設(shè)備緩沖是在通信問題中，為了使通信雙方的速度匹配而引入的一個中間層次，這個層次的速度比通信雙方中較慢的一方快，而與較快的一方更匹配。緩沖的定義緩沖的設(shè)置CACHEI/O設(shè)備或控制器內(nèi)部的純硬件緩沖區(qū)內(nèi)存開辟的緩沖區(qū)脫機I/O技術(shù)和SPOOLing技術(shù)本節(jié)重點研究的內(nèi)容——內(nèi)存中的緩沖區(qū)單緩沖若沒有緩沖區(qū)：從磁盤把一塊數(shù)據(jù)送入用戶區(qū)，其所花費的時間為T，CPU對數(shù)據(jù)進行計算，其所花費的時間為C，則系統(tǒng)對整塊數(shù)據(jù)的處理時間為T+C（T與C串行）提供緩沖區(qū)從磁盤把一塊數(shù)據(jù)送入緩沖區(qū)，其所花費的時間為T，操作系統(tǒng)將緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)送入用戶區(qū)，花費的時間為M，CPU對數(shù)據(jù)進行計算，其所花費的時間為C，則系統(tǒng)對整塊數(shù)據(jù)的處理時間為max(C，T)+M(通常M遠小于T或C)

（T與C并行）問題：通常T>C,CPU等待雙緩沖對于雙緩沖，先將數(shù)據(jù)輸入到第一個緩沖區(qū)，在向第二個緩沖區(qū)送數(shù)據(jù)的同時，CPU對第一個緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)進行計算。因此在有雙緩沖的情況下，系統(tǒng)處理一塊數(shù)據(jù)的時間為max(C,T)。如果C<T，塊設(shè)備連續(xù)地輸入，CPU有短時間的等待；

如果C>T，CPU就不必等待設(shè)備輸入。問題：T>>C,CPU仍等待循環(huán)緩沖

當輸入、輸出的速度基本相匹配時，可使用雙緩沖，但若兩者的速度相差甚遠時，雙緩沖的效果就不太理想，因此可有多緩沖。典型的即生產(chǎn)者和消費者問題。緩沖池以上的緩沖只能用于某一進程，他們屬于專用緩沖。為了提高緩沖區(qū)的利用率，可采用公用緩沖池。三個緩沖區(qū)鏈組成的隊列：空緩沖區(qū)隊列emq輸入隊列inq輸出隊列outq緩沖池四種工作緩沖區(qū)：用于收容輸入數(shù)據(jù)的工作緩沖區(qū)hin用于提取輸入數(shù)據(jù)的工作緩沖區(qū)sin用于收容輸出數(shù)據(jù)的工作緩沖區(qū)hout用于提取輸出數(shù)據(jù)的工作緩沖區(qū)sout緩沖池管理的兩個過程GetBuf和PutBuf

ProcedurePutbuf(type,number){ wait(MS(type)); Addbuf(type,number); Signal(MS(type)); Signal(RS(type));}ProcedureGetbuf(type){ wait(RS(type));

//同步信號燈 wait(MS(type));

//互斥信號燈B(number)=Takebuf(type);

//從隊列中摘取一緩沖區(qū) Signal(MS(type));}對三個隊列的操作是類似的，主要有兩個操作：

AddBuf(Type,number)：將由number指向的緩沖區(qū)掛在某個隊列TypeTakeBuf(Type)：從Type指示的某個隊列上，摘下一個緩沖區(qū)。實現(xiàn)互斥和同步，系統(tǒng)設(shè)置兩個過程：GetBuf和PutBuf。

緩沖池管理的工作方式收容輸入：輸入進程需要輸入數(shù)據(jù)時，調(diào)用GetBuf(emq)從emq隊列摘下一空緩沖區(qū)，作為收容輸入工作緩沖區(qū)hin。把數(shù)據(jù)輸入其中，之后調(diào)用PutBuf(inq,hin)，將緩沖區(qū)掛在輸入隊列inq上。提取輸入：計算進程需要輸入數(shù)據(jù)時，調(diào)用