計(jì)算機(jī)軟件基礎(chǔ)之操作系統(tǒng)設(shè)備管理

計(jì)算機(jī)軟件基礎(chǔ)之操作系統(tǒng)設(shè)備管理第一頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五*2I/O管理功能1.狀態(tài)跟蹤設(shè)備控制塊是存放設(shè)備管理和控制信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)要掌握設(shè)備的狀態(tài)。2.設(shè)備存取決定一種策略，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的存取操作。3.設(shè)備分配在多用戶的環(huán)境下，負(fù)責(zé)設(shè)備的分配和回收。靜態(tài)分配、動態(tài)分配4.設(shè)備控制設(shè)備控制包括設(shè)備的驅(qū)動、完成和故障中斷處理。第二頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五*3即：分配設(shè)備按設(shè)備的不同類型和操作系統(tǒng)選用的算法分配，包括分配相應(yīng)的通道、設(shè)備控制器以及對未分配的任務(wù)或作業(yè)進(jìn)行排隊(duì)等?？刂坪蛯?shí)現(xiàn)真正的輸入輸出并行操作包括通道程序控制、啟動設(shè)備、及時響應(yīng)及處理中斷訊號等。對輸入輸出緩沖區(qū)進(jìn)行管理如：邏輯名的管理，多個緩沖區(qū)的分時及串并行操作，同類多個外部設(shè)備的均衡工作。在一些較大系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)虛擬設(shè)備技術(shù)。第三頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五*4設(shè)計(jì)目標(biāo)：1.方便性：為用戶提供友好的使用環(huán)境2.設(shè)備獨(dú)立性：用戶的程序與設(shè)備要互相獨(dú)立3.并行性：各設(shè)備充分并行工作，同時防止死鎖產(chǎn)生4.有效性與均衡性：避免各設(shè)備忙閑不均分類：1、獨(dú)享設(shè)備、共享設(shè)備、虛擬設(shè)備2、邏輯設(shè)備、物理設(shè)備第四頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五*5設(shè)備獨(dú)立性設(shè)備獨(dú)立性的概念設(shè)備獨(dú)立性是指用戶在編程序時所使用的設(shè)備與實(shí)際設(shè)備無關(guān)。兩類設(shè)備獨(dú)立性：1.一個程序應(yīng)獨(dú)立于分配給它的某類設(shè)備的具體設(shè)備。即在用戶程序中只指明I/O使用的設(shè)備類型即可。如在系統(tǒng)中配備了兩臺打印機(jī)，用戶要打印時只要告訴系統(tǒng)要將信息送到打印機(jī)即可。2.程序要盡可能地與它使用的設(shè)備類型無關(guān)。即在用戶程序中只要指出要輸入或輸出信息，至于信息I/O使用的設(shè)備不需用戶指明。第五頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五*6二、設(shè)備獨(dú)立性的實(shí)現(xiàn)

邏輯設(shè)備和實(shí)際設(shè)備的聯(lián)系通常是由操作系統(tǒng)命令語言中提供的信息實(shí)現(xiàn)的。在用戶一級僅進(jìn)行邏輯指派，而操作系統(tǒng)的I/O管理模塊則需要建立邏輯設(shè)備——物理設(shè)備的連接（通過構(gòu)造邏輯描述器），并在進(jìn)程請求設(shè)備時進(jìn)行設(shè)備分配和設(shè)備傳輸控制。有的系統(tǒng)可以通過作業(yè)說明書提供的信息或鍵盤命令實(shí)現(xiàn)設(shè)備獨(dú)立性。第六頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五*7一個具體進(jìn)程的邏輯設(shè)備名和物理設(shè)備名的對應(yīng)關(guān)系記錄在被稱為邏輯設(shè)備描述器（LLD）的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，并由PCB中的一個指針指向它。當(dāng)進(jìn)程第一次使用某個邏輯設(shè)備時，系統(tǒng)為其分配一臺給定類型的具體設(shè)備，稱在該點(diǎn)上進(jìn)程打開了這個邏輯設(shè)備。邏輯設(shè)備的關(guān)閉指的是不再使用這個邏輯設(shè)備了，相應(yīng)的邏輯設(shè)備描述器可釋放給系統(tǒng)。邏輯設(shè)備描述器包含四項(xiàng)內(nèi)容：設(shè)備邏輯名、設(shè)備物理名、設(shè)備控制塊指針、邏輯設(shè)備描述器隊(duì)列勾鏈字。第七頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五*8三、設(shè)備獨(dú)立性的優(yōu)點(diǎn)1.方便用戶編程2.使用戶程序運(yùn)行不受具體的機(jī)器環(huán)境的限制。系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)輸入和輸出，在用戶程序中的輸入輸出都使用這兩個標(biāo)準(zhǔn)的I/O，實(shí)際運(yùn)行時，根據(jù)具體情況而定。如果配備打印機(jī)，則將輸出信息送到打印機(jī)打印，如果沒有配備打印機(jī)，就把輸出重向到某個指定文件，把要打印的信息送到該文件中。3.便于程序移植第八頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五*9緩沖技術(shù)CPU與各種外部設(shè)備的速度上的差異很大，設(shè)備與設(shè)備之間的速度差異也很大。系統(tǒng)有時會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)需要I/O，有時又會很長時間沒有I/O。造成I/O負(fù)荷的不均勻要解決這兩個方面的問題就要引入緩沖的概念。第九頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五*10在I/O部分緩沖所起的作用（1）解決信息的到達(dá)率和離去率不一致的矛盾由于輸入數(shù)據(jù)的速度和處理數(shù)據(jù)的速度往往不相同，于是，有必要設(shè)置一個緩存，作為它們之間的緩沖，以解決它們速度上的匹配以及由于速度不一致而造成數(shù)據(jù)的丟失和紊亂。（2）緩存起中轉(zhuǎn)站的作用緩存可以是內(nèi)存與外存之間的中轉(zhuǎn)站（3）使得一次輸入的信息能夠多次使用這主要是用在文件系統(tǒng)中，由于有的文件是可以共享的，所以會出現(xiàn)多個任務(wù)同時需要使用一個文件的情況，這樣就可以從緩存中讀取所需內(nèi)容，而不必啟動I/O到外存上去讀?。涣硗?，在通道或控制器內(nèi)設(shè)置局部寄存器作為緩沖寄存器，可暫存I/O信息，以減少中斷CPU的次數(shù)。第十頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五*11緩沖的實(shí)現(xiàn)方式（a）硬件方式

一般是采用專用硬件緩沖器，如I/O控制器中的數(shù)據(jù)緩沖寄存器等。（b）軟件方式

開辟出一個具有N個單元的專用緩沖區(qū)，以便臨時存放I/O操作期間的數(shù)據(jù)。操作系統(tǒng)為每一個緩沖區(qū)建立一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，稱為緩存控制塊BCB（buffercontrolblock）。操作系統(tǒng)通過BCB對每一個緩存實(shí)施具體的管理。常用的緩沖技術(shù)有三種：單/雙緩沖、環(huán)形緩沖、緩沖池第十一頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五*12雙緩沖系統(tǒng)設(shè)置兩個緩沖區(qū)，BUF1和BUF2，各進(jìn)程使用這兩個緩沖區(qū)。這種緩沖技術(shù)是最簡單的，用于低頻度活動的I/O系統(tǒng)。解決兩臺外設(shè)、打印機(jī)和終端之間的并行操作的辦法是設(shè)置雙緩沖，也就是設(shè)置兩個緩沖區(qū)，分別用于外設(shè)的輸入和輸出。工作過程：首先輸入將數(shù)據(jù)送入BUF1，然后，申請BUF2，在向BUF2輸入數(shù)據(jù)的同時，輸出進(jìn)程可從BUF1中取數(shù)據(jù)。同理，向BUF1輸入與從BUF2中取數(shù)據(jù)可以并行。第十二頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五*13環(huán)形緩沖在系統(tǒng)中設(shè)置若干緩沖區(qū)，并把這些緩沖區(qū)鏈接起來，這樣若干個緩沖區(qū)就形成了一個環(huán)，故稱環(huán)形緩沖區(qū)。環(huán)形緩沖技術(shù)的使用:設(shè)置一個輸入指針in、一個輸出指針out、開始指針strat，開始指針strat指向環(huán)形緩沖中的第一個緩沖區(qū)。系統(tǒng)初始時，strat=in=out。第十三頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五*14輸入時，要判斷in是否與out相等，若相等，則要等待。否則，將信息送入in指向的緩沖區(qū)，填滿后，將緩沖區(qū)中的指向下一個緩沖區(qū)的指針next置in，如此類推。

輸出時，首先判斷out=in，若相等，則等待（意味著系統(tǒng)中沒有數(shù)據(jù)可取）。否則，取出緩沖區(qū)中的信息，將緩沖區(qū)中的next置out；第十四頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五*15緩沖池系統(tǒng)在自由主存區(qū)設(shè)置多個緩沖區(qū)，形成一個緩沖池。這個池中的緩沖區(qū)為系統(tǒng)中所有的進(jìn)程共享使用。并由系統(tǒng)統(tǒng)一分配和管理。緩沖池既可以用于輸出也可以用于輸入。在緩沖池管理中，一個緩沖區(qū)由兩部分組成：一部分用來標(biāo)識該緩沖器和用于管理的緩沖首部，另一部分是用于存放數(shù)據(jù)的緩沖體。這兩部分有一一對應(yīng)的關(guān)系。對緩沖池的管理是通過對每一個緩沖器的首部進(jìn)行操作實(shí)現(xiàn)的。緩沖首部包括設(shè)備號、設(shè)備上的數(shù)據(jù)塊號（塊設(shè)備時）、互斥標(biāo)識位以及緩沖隊(duì)列連接指針和緩沖器號等。第十五頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五*16緩沖區(qū)自動管理系統(tǒng)組成緩沖池的緩沖區(qū)的用途：輸入緩沖區(qū)處理機(jī)緩沖區(qū)輸出緩沖區(qū)幾種緩沖隊(duì)列裝入隊(duì)列出空隊(duì)列文件隊(duì)列后備隊(duì)列幾種操作輸入設(shè)備輸出設(shè)備緩沖區(qū)自動管理程序后備隊(duì)列裝入隊(duì)列出空隊(duì)列主存輸入文件隊(duì)列輸出文件隊(duì)列處理機(jī)緩沖區(qū)自動管理系統(tǒng)第十六頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五*17輸入設(shè)備輸出設(shè)備緩沖區(qū)自動管理程序后備隊(duì)列裝入隊(duì)列出空隊(duì)列主存輸入文件隊(duì)列輸出文件隊(duì)列處理機(jī)緩沖區(qū)自動管理系統(tǒng)信息管理輸入文件隊(duì)列→后備隊(duì)列輸出文件隊(duì)列→出空隊(duì)列后備隊(duì)列→輸出文件隊(duì)列后備隊(duì)列→裝入隊(duì)列輸入中斷裝入隊(duì)列→輸入文件隊(duì)列后備隊(duì)列→裝入隊(duì)列輸出中斷出空隊(duì)列→后備隊(duì)列緩沖區(qū)管理程序?qū)彌_區(qū)隊(duì)列的管理第十七頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五*18設(shè)備分配分配原則一、靜態(tài)分配和動態(tài)分配1、靜態(tài)分配當(dāng)一個作業(yè)（或進(jìn)程）運(yùn)行時，根據(jù)作業(yè)要求的設(shè)備，系統(tǒng)如果能滿足，則將其要求的設(shè)備全部分配給它，然后開始運(yùn)行，運(yùn)行完成釋放其占用的所有設(shè)備。這種分配方式的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)絕不會出現(xiàn)死鎖，缺點(diǎn)是設(shè)備利用率太低。2、動態(tài)分配這種分配方法是在作業(yè)（或進(jìn)程）運(yùn)行的過程中，需要使用設(shè)備時，就向系統(tǒng)申請，系統(tǒng)根據(jù)某種分配原則進(jìn)行分配。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備的利用率高，缺點(diǎn)是系統(tǒng)有出現(xiàn)死鎖的可能?？紤]：設(shè)備固有特性；系統(tǒng)采用的分配算法；分配的安全性，避免死鎖第十八頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五*19二、I/O設(shè)備分配算法1、先來先服務(wù)算法每一設(shè)備有一隊(duì)列管理，當(dāng)多個作業(yè)或任務(wù)對同一設(shè)備提出I/O請求時，該算法把請求的先后次序排成一個等待該設(shè)備的隊(duì)列，設(shè)備分配程序把設(shè)備分配給隊(duì)列中的第一個作業(yè)。2、優(yōu)先級高者優(yōu)先一般是系統(tǒng)高于用戶，超級用戶（系統(tǒng)管理員）高于一般用戶。對于優(yōu)先級相同的I/O請求，則按先來先服務(wù)的原則分配。

三、設(shè)備分配的安全性對于獨(dú)占設(shè)備，采用靜態(tài)分配不會出現(xiàn)死鎖。對于共享設(shè)備，采用動態(tài)分配有可能造成死鎖。第十九頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五*20獨(dú)享分配共享分配虛擬設(shè)備技術(shù)1、SPOOLing—simultaneousperipheraloperationson-line,即外部設(shè)備聯(lián)機(jī)同時操作，它是慢速字符設(shè)備如何與計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息交換的一種技術(shù)，通常又稱為“假脫機(jī)技術(shù)”。這是一種預(yù)輸入、緩輸出的轉(zhuǎn)儲管理技術(shù)。設(shè)備分配的主要技術(shù)：第二十頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五*212、字符設(shè)備和主機(jī)交換信息的兩種方式，即脫機(jī)方式和聯(lián)機(jī)方式。（a）聯(lián)機(jī)方式，就是一般字符設(shè)備直接與內(nèi)存交換信息。這種交換信息的缺點(diǎn)是：由于字符設(shè)備信息傳送速度慢，當(dāng)一個任務(wù)要求從外設(shè)上輸入信息時，往往要等候很長的時間；其次，由于字符設(shè)備本質(zhì)上是順序存取設(shè)備的，因此，在一個任務(wù)的信息未傳輸完之前，別的任務(wù)不能進(jìn)行輸入或輸出，這就降低了整個系統(tǒng)的并行處理能力。第二十一頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五*22（b）脫機(jī)方式，以輸入為例，先使用一臺外圍機(jī)把字符設(shè)備上的信息輸入到塊設(shè)備上（磁帶或磁盤等），然后把塊設(shè)備與主機(jī)聯(lián)上。這樣，主機(jī)在從塊設(shè)備上（而不是從字符設(shè)備）上輸入它所需要的信息。這種輸入方式的優(yōu)點(diǎn)是可以提高輸入的并行度，缺點(diǎn)是需要人工干預(yù)，這就會降低系統(tǒng)的平均運(yùn)行速度，而且容易出差錯和損壞設(shè)備。

（c）SPOOLing技術(shù)是對上述兩種信息傳輸方式的綜合，它取兩者的長處，而避免兩者的短處，以聯(lián)機(jī)的輸入、輸出方式，獲得脫機(jī)的輸入、輸出的優(yōu)點(diǎn)，所以SPOOLing技術(shù)有時也叫“假脫機(jī)技術(shù)”。

第二十二頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五*233．SPOOLing系統(tǒng)的組成1．輸入井和輸出井這是在磁盤上開辟的兩大存儲空間。輸入井是模擬脫機(jī)輸入時的磁盤，用于收容外部設(shè)備（I/O）輸入的數(shù)據(jù)。輸出井是模擬脫機(jī)輸出時的磁盤，用于收容用戶程序的輸出數(shù)據(jù)。2．輸入緩沖區(qū)和輸出緩沖區(qū)在主存中要開辟兩個緩沖區(qū)；暫時存放來自輸入井或要進(jìn)輸出井的數(shù)據(jù)。第二十三頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五*24第二十四頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五*252．程序工作的輸入進(jìn)程SPi和輸出進(jìn)程SPi進(jìn)程SPi模擬脫機(jī)輸入時的外圍控制機(jī)，將用戶要求的數(shù)據(jù)從輸入機(jī)送到輸入井。當(dāng)CPU需要輸入數(shù)據(jù)時，直接從輸入井讀入內(nèi)存。SPo進(jìn)程模擬脫機(jī)輸出時的外圍控制機(jī)，把用戶要求輸出的數(shù)據(jù)，先從內(nèi)存送到輸出井，待輸出設(shè)備空閑時，再將輸出井中的數(shù)據(jù)，送到輸出設(shè)備上。第二十五頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五*264.SPOOLing系統(tǒng)的特點(diǎn)（1）提高了I/O速度（2）將獨(dú)占設(shè)備改造為共享設(shè)備在SPOOLing系統(tǒng)中，實(shí)際上并沒有為各進(jìn)程分配物理設(shè)備，而只是在輸入井和輸出井中，為各個進(jìn)程分配一存儲區(qū)和建立一張I/O請求表。這樣，便把獨(dú)占設(shè)備改造為共享設(shè)備。（3）實(shí)現(xiàn)了虛擬設(shè)備功能宏觀上，雖然是多個進(jìn)程在同時使用一臺獨(dú)立設(shè)備，而對每一個進(jìn)程而言，它們都認(rèn)為自己是獨(dú)占了一個設(shè)備。當(dāng)然，該設(shè)備只是邏輯上的設(shè)備。SPOOLing系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了將獨(dú)占設(shè)備變換為若干臺對應(yīng)的邏輯設(shè)備的功能。第二十六頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五*27共享打印機(jī)是SPOOLing技術(shù)應(yīng)用的典型實(shí)例。它將一臺打印機(jī)改造為供多個用戶共享的打印機(jī)，目前廣泛地應(yīng)用在多用戶系統(tǒng)和局域網(wǎng)中。1．打印機(jī)共享的SPOOLing技術(shù)SPOOLing系統(tǒng)在收到用戶進(jìn)程的打印請求時（1）由輸出進(jìn)程在輸出井中申請一個空閑盤塊區(qū)，并將要打印的數(shù)據(jù)送入其中；（2）輸出進(jìn)程再為用戶進(jìn)程申請一張空白的用戶請求打印表，并將用戶的打印要求添入其中，再將該表掛到請求打印隊(duì)列上。（3）如果還有進(jìn)程要求打印輸出，系統(tǒng)仍可接受其請求，也同樣為該進(jìn)程重復(fù)（1）、（2）。第二十七頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五*282．打印隊(duì)列請求打印隊(duì)列是由若干張請求打印表所形成的隊(duì)列，系統(tǒng)為每個請求打印的進(jìn)程建立一張請求打印表。如果打印機(jī)空閑，輸出進(jìn)程將從請求打印隊(duì)列的隊(duì)首取出一張請求打印表，根據(jù)表中的要求將要打印的數(shù)據(jù)從輸出井取出，由打印機(jī)進(jìn)行打印。打印完成后，輸出進(jìn)程再查看請求打印隊(duì)列中是否還有等待打印的請求表。若有，又取出第一張表，并根據(jù)其中的要求進(jìn)行打印，如此下去，直至請求隊(duì)列為空為止，輸出進(jìn)程才將自己停止工作，直到下次再有打印請求是才被喚醒繼續(xù)工作。第二十八頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五*29I/O控制方式一、循環(huán)測試I/O方式早期的設(shè)備控制方式采用。二、I/O中斷方式為了提高CPU和設(shè)備的利用率，就應(yīng)使CPU與設(shè)備并行工