20-5-設(shè)備管理概述

2024年4月1日1操作系統(tǒng)深圳大學計算機與軟件學院白鑒聰2024年3月30日1操作系統(tǒng)深圳大學2024年4月1日2第五章設(shè)備管理5.1I/O系統(tǒng)

5.2I/O控制方式

5.3緩沖管理

5.4I/O軟件

5.5設(shè)備分配

5.6磁盤存儲器管理2024年3月30日2第五章設(shè)備管理5.1I/O2024年4月1日35.1I/O系統(tǒng)設(shè)備管理對象：I/O設(shè)備必要性：設(shè)備種類繁多、物理特性多樣、控制復雜、與主機速度不匹配基本任務(wù)：完成I/O請求，提高I/O速率，提高I/O設(shè)備利用率主要功能：緩沖區(qū)管理、設(shè)備分配、設(shè)備處理、虛擬設(shè)備、實現(xiàn)設(shè)備獨立性2024年3月30日35.1I/O系統(tǒng)設(shè)備管理對象：I/O2024年4月1日45.1I/O系統(tǒng)I/O設(shè)備種類按傳輸速率分類低速設(shè)備，速率1KB/s以下，典型設(shè)備有鍵盤、鼠標器、語音的輸入和輸出等設(shè)備中速設(shè)備，速率1KB—100KB/s，典型設(shè)備有行式打印機、激光打印機高速設(shè)備，速率100KB/s以上，甚至幾十兆字節(jié)，典型設(shè)備有磁帶機、磁盤機、光盤機等2024年3月30日45.1I/O系統(tǒng)I/O設(shè)備種類2024年4月1日55.1I/O系統(tǒng)按信息交換單位分類塊設(shè)備，BlockDevice，用于存儲信息，以數(shù)據(jù)塊為單位，屬于有結(jié)構(gòu)設(shè)備。典型設(shè)備是磁盤特征是傳輸速率較高，通常每秒鐘為幾兆位另一特征是可尋址，即對它可隨機地讀/寫任一塊磁盤設(shè)備的I/O常采用DMA方式。字符設(shè)備，CharacterDevice，用于數(shù)據(jù)的輸入和輸出單位是字符，故稱為字符設(shè)備。無結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)I/O特征是傳輸速率低另一特征是不可尋址常采用中斷驅(qū)動2024年3月30日55.1I/O系統(tǒng)按信息交換單位分類2024年4月1日65.1I/O系統(tǒng)按共享屬性分類獨占設(shè)備：一段時間內(nèi)只允許一個用戶使用共享設(shè)備：可同時允許多個用戶使用，并發(fā)虛擬設(shè)備：采用軟硬件技術(shù)將一臺物理設(shè)備變?yōu)槎鄠€邏輯設(shè)備2024年3月30日65.1I/O系統(tǒng)按共享屬性分類2024年4月1日75.1I/O系統(tǒng)設(shè)備與控制器之間的接口：通常，設(shè)備并不是直接與CPU進行通信，而是與設(shè)備控制器通信在I/O設(shè)備中應含有與設(shè)備控制器間的接口，在該接口中有三種類型的信號，各對應一條信號線。數(shù)據(jù)、狀態(tài)、控制2024年3月30日75.1I/O系統(tǒng)設(shè)備與控制器之間的接2024年4月1日85.1I/O系統(tǒng)設(shè)備控制器一個計算機實體CPU與I/O設(shè)備的接口控制多個I/O設(shè)備實現(xiàn)I/O設(shè)備與主機的數(shù)據(jù)交換可編址設(shè)備，通過I/O地址識別不同的設(shè)備2024年3月30日85.1I/O系統(tǒng)設(shè)備控制器2024年4月1日95.1I/O系統(tǒng)設(shè)備控制器基本功能接收和識別命令數(shù)據(jù)交換標識和報告設(shè)備的狀態(tài)地址識別數(shù)據(jù)緩沖差錯控制設(shè)備控制器的組成（自學）2024年3月30日95.1I/O系統(tǒng)設(shè)備控制器基本功能2024年4月1日105.1I/O系統(tǒng)I/O通道是一種特殊的處理機具有執(zhí)行I/O指令的能力通過執(zhí)行通道(I/O)程序控制I/O操作指令類型單一，主要限于與I/O操作有關(guān)的指令沒有自己的內(nèi)存，通道程序放在主機內(nèi)存中通道類型（自學）2024年3月30日105.1I/O系統(tǒng)I/O通道是一種特2024年4月1日115.1I/O系統(tǒng)通道瓶頸通道不足造成“瓶頸”現(xiàn)象單通路I/O系統(tǒng)

2024年3月30日115.1I/O系統(tǒng)通道瓶頸單通路I2024年4月1日125.1I/O系統(tǒng)多通路I/O系統(tǒng)一條通路包括：內(nèi)存——通道——控制器——I/O設(shè)備2024年3月30日125.1I/O系統(tǒng)多通路I/O系統(tǒng)2024年4月1日135.1I/O系統(tǒng)總線系統(tǒng)現(xiàn)代總線設(shè)計：存儲總線（北橋）+I/O總線（南橋）2024年3月30日135.1I/O系統(tǒng)總線系統(tǒng)2024年4月1日145.2I/O控制方式四種I/O方式程序I/O方式中斷驅(qū)動I/O控制方式直接存儲器訪問DMAI/O控制方式I/O通道控制方式2024年3月30日145.2I/O控制方式四種I/O方式2024年4月1日155.2I/O控制方式四種I/O方式的目標：盡量釋放CPU，減少CPU負擔設(shè)備啟動傳輸參數(shù)初始化傳輸過程的控制（地址變化，傳輸計數(shù)）傳輸結(jié)束2024年3月30日155.2I/O控制方式四種I/O方式2024年4月1日165.2I/O控制方式2024年3月30日165.2I/O控制方式2024年4月1日175.2I/O控制方式PI/O四個階段都要CPU參與，每次傳送一個數(shù)據(jù)中斷在啟動階段釋放了CPU，每次傳送一個數(shù)據(jù)DMA在中斷的基礎(chǔ)上，在傳輸控制階段釋放CPU，參數(shù)初始化需要CPU，傳送由DMA控制器完成，每次傳送一個數(shù)據(jù)塊通道完全釋放CPU，CPU完成通道程序后，其他由通道完成，每次傳送多個數(shù)據(jù)塊。2024年3月30日175.2I/O控制方式PI/O四個階2024年4月1日185.2I/O控制方式I/O通道控制方式以一組數(shù)據(jù)塊的讀/寫作為控制和管理單位實現(xiàn)CPU、通道和I/O設(shè)備三者的并行操作CPU需向I/O通道發(fā)送指令，給出要執(zhí)行的通道程序的首址和要訪問的I/O設(shè)備通道執(zhí)行通道程序，完成CPU指定的I/O任務(wù)操作PR計數(shù)內(nèi)存地址WRITE0080813WRITE001401034WRITE01605830WRITE013002000WRITE002501850WRITE112507202024年3月30日185.2I/O控制方式I/O通道控制2024年4月1日195.3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，放寬對CPU中斷響應時間的限制提高CPU和I/O設(shè)備之間的并行性2024年3月30日195.3緩沖管理緩沖的引入2024年4月1日205.3緩沖管理緩沖寄存器實現(xiàn)緩沖2024年3月30日205.3緩沖管理緩沖寄存器實現(xiàn)緩沖2024年4月1日215.3緩沖管理單緩沖(SingleBuffer)運行周期：Max(C,T)+M2024年3月30日215.3緩沖管理單緩沖(Single2024年4月1日225.3緩沖管理雙緩沖(DoubleBuffer)運行周期：Max(C+M,T)C+M<T：主機速度快，主機等待，磁盤連續(xù)輸入C+M>T：磁盤速度快，磁盤等待，主機連續(xù)運行2024年3月30日225.3緩沖管理雙緩沖(Double2024年4月1日235.3緩沖管理循環(huán)緩沖三類緩沖區(qū)：空白R、裝滿G、執(zhí)行C三個指針：指向三類緩沖區(qū)，Nexti,Nextg,current外部進程：計算進程、輸入進程內(nèi)部進程：對緩沖區(qū)進行操作讀/寫數(shù)據(jù)Getbuf修改狀態(tài)Releasebuf進程同步控制：Nexti趕上NextgNextg趕上Nexti2024年3月30日235.3緩沖管理循環(huán)緩沖2024年4月1日245.3緩沖管理緩沖池(BufferPool)三種緩沖區(qū)：空閑、輸入數(shù)據(jù)、輸出數(shù)據(jù)三個隊列：空緩沖隊列、輸入隊列、輸出隊列兩個進程：AddBuf和GetBuf四種工作方式：收容輸入、提取輸入、收容輸出、提取輸出2024年3月30日245.3緩沖管理緩沖池(Buffer2024年4月1日255.4I/O軟件I/O軟件總體目標確保I/O設(shè)備與CPU并發(fā)，提高資源利用率提供簡單抽象、清晰、統(tǒng)一接口，統(tǒng)一標準，規(guī)范操作I/O軟件的設(shè)計目標和原則與具體設(shè)備無關(guān)統(tǒng)一命名對錯誤的處理緩沖技術(shù)設(shè)備的分配和釋放I/O控制方式2024年3月30日255.4I/O軟件I/O軟件總體目標2024年4月1日265.4I/O軟件目前在I/O軟件中已普遍采用了層次式結(jié)構(gòu)通常把I/O軟件組織成四個層次用戶層軟件設(shè)備獨立性軟件設(shè)備驅(qū)動程序中斷處理程序其他部分（自學）2024年3月30日265.4I/O軟件目前在I/O軟件中2024年4月1日275.5設(shè)備分配基于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)備分配，四張表控制器表、通道表、系統(tǒng)設(shè)備表、設(shè)備控制表

COCT—CHCT—SDT—DCT2024年3月30日275.5設(shè)備分配基于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)備分2024年4月1日285.5設(shè)備分配基于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)備分配分配設(shè)備先查找SDT，從中找出DCT根據(jù)DCT讀取設(shè)備狀態(tài)，判斷設(shè)備是否可用用銀行家算法檢查系統(tǒng)安全狀態(tài)，判斷是否可以分配分配控制器從DCT找出COCT，分配控制器分配通道從COCT找出CHCT，分配通道最后分配成功CHCT—COCT—DCT2024年3月30日285.5設(shè)備分配基于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)備分2024年4月1日295.5設(shè)備分配SPOOLing技術(shù)該技術(shù)是對脫機輸入、輸出系統(tǒng)的模擬，必須建立在具有多道程序功能的操作系統(tǒng)上，還有高速隨機外存的支持，通常采用磁盤存儲技術(shù)SPOOLin