IO設(shè)備管理課件

1、IO設(shè)備管理課件1第第7章章 I/O本章知識點：本章知識點：7.1 I/O系統(tǒng)硬件系統(tǒng)硬件7.2 I/O軟件軟件7.3 磁盤調(diào)度磁盤調(diào)度7.4 系統(tǒng)舉例系統(tǒng)舉例 IO設(shè)備管理課件27.1 I/O系統(tǒng)硬件系統(tǒng)硬件在計算機系統(tǒng)中，使用了許多I/O設(shè)備，它們的特點和操作方式不完全一樣。但是，所有的I/O設(shè)備都是通過設(shè)備管理程序來管理的。設(shè)備管理是計算機操作系統(tǒng)中最繁雜且與硬件緊密相關(guān)的部分。要把大量的I/O設(shè)備精減成一個單一模塊的I/O系統(tǒng)，必須全面地適應(yīng)已有設(shè)備的需求，這些設(shè)備包括從簡單的鼠標(biāo)到鍵盤、打印機、圖形顯示終端、硬盤驅(qū)動器、CD-ROM驅(qū)動器，以至于網(wǎng)絡(luò)等，同時也必須考慮到未來的存儲和輸

2、入/輸出技術(shù)的發(fā)展。 IO設(shè)備管理課件37.1.1 I/O設(shè)備設(shè)備計算機所管理的I/O外部設(shè)備按輸入輸出對象的不同可以分為以下3類： 用戶可讀設(shè)備，用于用戶與計算機通信。 機器可讀設(shè)備，用于電子裝置與計算機通信。 通信設(shè)備，用于與遠(yuǎn)程設(shè)備通信。IO設(shè)備管理課件47.1.1 I/O設(shè)備設(shè)備所有這些設(shè)備其屬性和類別有很大的區(qū)別，其主要的區(qū)別在于： 數(shù)據(jù)傳輸速度。 應(yīng)用。 控制的復(fù)雜性。 信息組織方式。 數(shù)據(jù)描述。 錯誤條件。IO設(shè)備管理課件57.1.2 設(shè)備控制器設(shè)備控制器 I/O設(shè)備一般由機械和電子兩部分組成，通常將這兩部分分開處理，以提供更加模塊化、更加通用的設(shè)計。 電子部分稱作設(shè)備控制器或適

3、配器(Device Controller或Adapter)。 機械部分就是設(shè)備本身，控制器通過電纜與設(shè)備內(nèi)部相連。 IO設(shè)備管理課件67.1.2 設(shè)備控制器設(shè)備控制器設(shè)備控制器的主要作用有： 接收和識別CPU發(fā)來的多種不同命令； 實現(xiàn)CPU與控制之間、控制器和設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換； 記錄和報告設(shè)備的狀態(tài)。 地址識別。識別控制器控制的每個設(shè)備的地址。IO設(shè)備管理課件77.1.2 設(shè)備控制器設(shè)備控制器設(shè)備控制器的組成：數(shù)據(jù)寄存器控制/狀態(tài)寄存器控制器與設(shè)備接口 l控 制 器與 設(shè) 備接口 i數(shù)據(jù)狀態(tài)控制地址線控制線數(shù)據(jù)線CPU 與控制器接口控制器與設(shè)備接口I/O邏輯數(shù)據(jù)狀態(tài)控制IO設(shè)備管理課件87.

4、1.3 I/O技術(shù)技術(shù)1. I/O技術(shù)簡介目前，操作系統(tǒng)中的I/O技術(shù)大致有以下3種： (1) 程序I/O (2) 中斷驅(qū)動I/O (3) 直接存儲器存儲(DMA) IO設(shè)備管理課件97.1.3 I/O技術(shù)技術(shù)隨著計算機系統(tǒng)的發(fā)展，單個部件也越來越復(fù)雜。最明顯的例子就是I/O技術(shù)的發(fā)展。 處理器直接控制邊緣設(shè)備。 增加一個控制器或I/O模塊。 使用了如階段的設(shè)置，但增加了中斷。 I/O模塊通過DMA直接控制內(nèi)存。 I/O模塊由一個單獨處理器處理，有專門用于I/O的指令集。 I/O模塊有本地存儲器，事實上，有其自己的計算機。 IO設(shè)備管理課件107.1.3 I/O技術(shù)技術(shù)2. DMADMA是一種

5、優(yōu)于中斷方式的I/O控制方式，其特點為：數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕締挝皇菙?shù)據(jù)塊，即CPU與I/O設(shè)備之間，每次至少傳送一個數(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，或者相反；僅在傳送一個或多個數(shù)據(jù)塊的開始和結(jié)束時，向CPU發(fā)中斷信號，請求CPU干預(yù)，整塊數(shù)據(jù)的傳送是在控制器的控制下完成的。 IO設(shè)備管理課件117.1.3 I/O技術(shù)技術(shù)DMA控制器組成 ：數(shù)據(jù)線地址線D MA請求D MA回應(yīng)中斷寫讀數(shù)據(jù)計數(shù)器（D C ）數(shù)據(jù)寄存器（D R ）內(nèi)存地址寄存器( MA R )控制邏輯IO設(shè)備管理課件127.1.3 I/O技術(shù)技術(shù)3. I/O通道 計算機中設(shè)計了一個專門負(fù)責(zé)外設(shè)I/O的處理器，置于CPU和設(shè)備

6、控制器之間，稱這個I/O處理器為I/O通道。設(shè)計目的是：建立獨立的I/O操作，使數(shù)據(jù)的傳送獨立于CPU，并盡量使有關(guān)I/O操作的組織、管理及結(jié)束也獨立，以保證CPU有更多時間進行數(shù)據(jù)處理。 IO設(shè)備管理課件137.1.3 I/O技術(shù)技術(shù) I/O通道是DMA方式的發(fā)展，它的程序是由通道指令組成的，稱為通道程序。I/O處理器和CPU共享主存儲器。 在微型計算機中，其I/O處理器并不完全具有前述I/O通道的所有功能，因此，就稱為I/O處理器。IO設(shè)備管理課件147.1.3 I/O技術(shù)技術(shù) 在大型計算機中常有多個I/O通道，而在一般的微型計算機中則可以配置1-2個I/O處理器(或更多)。 這些I/O處

7、理器和中央處理器共享主存儲器和總線(微型機中采用總線結(jié)構(gòu))，在大型機中就可能出現(xiàn)幾條通道和中央處理器同時爭相訪問主存儲器的情況。為此給通道和中央處理器規(guī)定了不同的優(yōu)先次序。IO設(shè)備管理課件157.1.3 I/O技術(shù)技術(shù) 通道通過執(zhí)行通道程序，并與設(shè)備控制器一起共同實現(xiàn)對I/O設(shè)備的控制。 通道程序是由一系列的通道指令(或稱為通道命令)所構(gòu)成。通道指令和一般的機器指令不同，在它的每條指令中通常包含下列信息：操作碼，內(nèi)存地址，計數(shù)，通道程序結(jié)束位P，記錄結(jié)束標(biāo)志R。 IO設(shè)備管理課件167.1.3 I/O技術(shù)技術(shù)一般I/O通道有3種類型：(1)字節(jié)多路通道(2) 數(shù)組選擇通道(3) 數(shù)組多路通道I

8、/O通道方式的發(fā)展，既可進一步減少CPU的干預(yù)，又可實現(xiàn)CPU、通道和I/O設(shè)備3者的并行工作，從而更有效地提高了整個系統(tǒng)的資源利用率。IO設(shè)備管理課件177.2 I/O軟件軟件I/O軟件的總體目標(biāo)是，按分層的思想構(gòu)造軟件，較低層的軟件要使較高層的軟件獨立于硬件，較高層的軟件則要向用戶提供一個友好、規(guī)范、清晰的界面。I/O軟件設(shè)計的具體目標(biāo)是： 設(shè)備獨立性。 統(tǒng)一命名。 同步/異步傳輸。 出錯處理。 設(shè)備共享與獨占。 IO設(shè)備管理課件187.2 I/O軟件軟件根據(jù)I/O軟件的設(shè)計目標(biāo)，將I/O軟件組織成以下4個層次： (1)中斷處理程序; (2)設(shè)備驅(qū)動程序; (3)與設(shè)備無關(guān)的操作系統(tǒng)軟件;

9、 (4)用戶層軟件。IO設(shè)備管理課件197.2.1 中斷處理程序中斷處理程序在現(xiàn)代計算機系統(tǒng)中，對I/O設(shè)備的控制，廣泛采用中斷驅(qū)動(Interrupt-driven)方式，即當(dāng)某進程要啟動某個I/O設(shè)備工作時，便由CPU向相應(yīng)的設(shè)備控制器發(fā)出一條I/O命令，然后立即返回繼續(xù)執(zhí)行原來的任務(wù)。設(shè)備控制器便按照該命令的要求去控制I/O設(shè)備，此時，CPU與I/O設(shè)備并行操作。 IO設(shè)備管理課件207.2.1 中斷處理程序中斷處理程序無論是哪種I/O設(shè)備，其中斷處理程序的處理基本相同，其步驟為： 喚醒被阻塞的驅(qū)動進程。 保護被中斷進程的CPU環(huán)境。 分析中斷原因，轉(zhuǎn)入相應(yīng)的中斷處理程序。 進行中斷處理

10、。 恢復(fù)現(xiàn)場。 IO設(shè)備管理課件217.2.2 設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)備驅(qū)動程序 所有與設(shè)備相關(guān)的代碼放在設(shè)備驅(qū)動程序中。它是I/O進程與設(shè)備控制器之間的通信程序，因為它常以進程的形式存在，故也可以稱為設(shè)備驅(qū)動進程。由于驅(qū)動程序與設(shè)備硬件密切相關(guān)，故應(yīng)為每一類設(shè)備配置一種驅(qū)動程序，或為一類密切相關(guān)的設(shè)備配置一個驅(qū)動程序。 IO設(shè)備管理課件227.2.2 設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)備驅(qū)動程序1設(shè)備驅(qū)動程序的功能設(shè)備驅(qū)動程序的功能 將接收到的來自它上一層的與設(shè)備無關(guān)的抽象請求轉(zhuǎn)為具體請求。 檢查用戶I/O請求的合法性，了解I/O設(shè)備的狀態(tài)，傳遞有關(guān)參數(shù)、設(shè)置設(shè)備的工作方式。 發(fā)出I/O命令，啟動分配到的I/O設(shè)備，完

11、成指定的I/O操作。 及時響應(yīng)控制器或通道發(fā)來的中斷請求，并調(diào)用相應(yīng)的中斷處理程序處理。 對于有通道的計算機系統(tǒng)，驅(qū)動程序還應(yīng)能根據(jù)用戶I/O請求構(gòu)成通道程序。 IO設(shè)備管理課件237.2.2 設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)備驅(qū)動程序2. 設(shè)備驅(qū)動程序的處理過程設(shè)備驅(qū)動程序的處理過程 一般地說，設(shè)備驅(qū)動程序的任務(wù)是接收來自它上面一層的與設(shè)備無關(guān)軟件的請求，并執(zhí)行這個請求。 一個典型的請求是“讀第n塊”，如果請求到來時驅(qū)動程序是空閑的，則立即開始執(zhí)行該請求；若驅(qū)動程序正在執(zhí)行一個請求，則將新到來的請求插到一個等待處理I/O請求隊列中。IO設(shè)備管理課件247.2.3 與設(shè)備無關(guān)的與設(shè)備無關(guān)的I/O軟件軟件 大部分

12、I/O軟件是與設(shè)備無關(guān)的，設(shè)備驅(qū)動程序與設(shè)備獨立軟件之間的確切界限依賴于具體系統(tǒng)，因為對于一些本來應(yīng)按照設(shè)備獨立方式實現(xiàn)的功能，出于效率和其他原因，實際上還是由設(shè)備驅(qū)動來實現(xiàn)的。 與設(shè)備無關(guān)軟件層通常應(yīng)實現(xiàn)的功能為：設(shè)備驅(qū)動程序的統(tǒng)一接口、設(shè)備命名、提供一個與設(shè)備無關(guān)的塊大小、緩沖、塊設(shè)備的存儲分配、分配和釋放獨占設(shè)備、錯誤報告等。IO設(shè)備管理課件257.2.3 與設(shè)備無關(guān)的與設(shè)備無關(guān)的I/O軟件軟件 與設(shè)備無關(guān)的I/O軟件系統(tǒng)稱為I/O子系統(tǒng)。 I/O子系統(tǒng)執(zhí)行著與設(shè)備無關(guān)的操作。 同時I/O子系統(tǒng)為用戶應(yīng)用程序提供一個統(tǒng)一的接口。下面討論I/O子系統(tǒng)所需完成的主要功能。 IO設(shè)備管理課件2

13、67.2.3 與設(shè)備無關(guān)的與設(shè)備無關(guān)的I/O軟件軟件1. 設(shè)備命名 與設(shè)備無關(guān)的軟件(即I/O子系統(tǒng))負(fù)責(zé)把設(shè)備的符號名映射到相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動程序。 設(shè)備命名后，所有設(shè)備的名字的集合稱做設(shè)備的名字空間。 UNIX系列有3種不同的名字空間。 (1) 主次設(shè)備號 (2) 內(nèi)部號與外部號 (3) 設(shè)備文件與路徑名IO設(shè)備管理課件277.2.3 與設(shè)備無關(guān)的與設(shè)備無關(guān)的I/O軟件軟件2. 設(shè)備保護 與設(shè)備命名機制密切相關(guān)的是設(shè)備保護。 在大多數(shù)大型計算機系統(tǒng)中，用戶進程對I/O設(shè)備的訪問是完全禁止的。 IO設(shè)備管理課件287.2.3 與設(shè)備無關(guān)的與設(shè)備無關(guān)的I/O軟件軟件3. 與設(shè)備無關(guān)的塊及存儲設(shè)備的

14、塊分配 不同的磁盤可以采用不同的扇區(qū)尺寸，與設(shè)備無關(guān)軟件的一個任務(wù)是向較高層軟件屏蔽并給上一層提供大小統(tǒng)一的塊尺寸 。IO設(shè)備管理課件297.2.3 與設(shè)備無關(guān)的與設(shè)備無關(guān)的I/O軟件軟件4. 設(shè)備分配一些設(shè)備，如磁盤驅(qū)動器，在任一時刻只能被單個進程使用。因此，操作系統(tǒng)需要對設(shè)備使用請求進行檢查，并根據(jù)申請設(shè)備的可用狀況決定是接收該請求還是拒絕該請求。 IO設(shè)備管理課件307.2.3 與設(shè)備無關(guān)的與設(shè)備無關(guān)的I/O軟件軟件5. 出錯處理出錯處理是由設(shè)備驅(qū)動程序完成的。大多數(shù)錯誤是與設(shè)備密切相關(guān)的，因此，只有驅(qū)動程序知道應(yīng)如何處理(是重試、忽略，還是報警)。 IO設(shè)備管理課件317.2.4 用戶

15、空間的用戶空間的I/O軟件軟件 雖然大部分I/O軟件都包合在OS內(nèi)核之中，但也有一小部分I/O軟件是由與用戶程序連接在一起的庫過程構(gòu)成，它們可能完全運行在OS之外。例如，下列一個C程序調(diào)用了write庫過程，并包含在運行時的二進制程序代碼中：count=write(fd, buffer, nbytes);顯然，write庫過程是I/O系統(tǒng)的組成部分。 上面描述的是第一類用戶空間I/O軟件，第二類用戶空間I/O軟件為spooling(simultaneous peripheral operation on line)系統(tǒng)，即假脫機系統(tǒng)。spooling系統(tǒng)是多道程序設(shè)計系統(tǒng)中處理獨占I/O設(shè)備的

16、一種方法。 IO設(shè)備管理課件327.2.4 用戶空間的用戶空間的I/O軟件軟件spooling系統(tǒng)的作用如下： (1) 實現(xiàn)了虛擬設(shè)備功能 (2) 將獨占型設(shè)備變成共享設(shè)備 (3) 提高了I/O效率IO設(shè)備管理課件337.2.5 緩沖技術(shù)緩沖技術(shù)系統(tǒng)為達(dá)到如下目的需要使用緩沖技術(shù)： (1) 緩和CPU與I/O設(shè)備間速度不匹配的矛盾 (2) 減少CPU的中斷頻率，放寬對中斷響應(yīng)的限制 (3) 提高CPU和I/O設(shè)備之間的并行性IO設(shè)備管理課件347.2.5 緩沖技術(shù)緩沖技術(shù) 根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置的緩沖區(qū)的個數(shù)，可以把緩沖技術(shù)分為單緩沖、雙緩沖和循環(huán)緩沖以及緩沖池幾種。用戶進程操作系統(tǒng)傳送輸入I/O 設(shè)備

17、單緩沖 IO設(shè)備管理課件35雙緩沖 多緩沖 傳送用戶進程操作系統(tǒng)輸入I/O 設(shè)備傳送輸入I/O 設(shè)備用戶進程操作系統(tǒng)7.2.5 緩沖技術(shù)緩沖技術(shù)IO設(shè)備管理課件367.2.5 緩沖技術(shù)緩沖技術(shù)1單緩沖 單緩沖是OS提供的一種最簡單的緩沖。當(dāng)用戶進程發(fā)出一個I/O請求時，OS便在主存中分配一個緩沖區(qū)。 對于單緩沖，緩沖區(qū)屬于臨界資源，即不允許多個進程同時對一個緩沖區(qū)進行操作。因此，單緩沖雖然能匹配設(shè)備和CPU的處理速度，但無法實現(xiàn)設(shè)備與設(shè)備之間的并行操作。 IO設(shè)備管理課件377.2.5 緩沖技術(shù)緩沖技術(shù)2. 雙緩沖 雙緩沖提供兩個緩沖區(qū)。 但雙緩沖只是一種說明設(shè)備與設(shè)備、CPU與設(shè)備并行操作的

18、簡單模型，并不能用于實際系統(tǒng)中的并行操作。 IO設(shè)備管理課件387.2.5 緩沖技術(shù)緩沖技術(shù)3. 循環(huán)緩沖 由于雙緩沖并不能真正解決實際系統(tǒng)中的并行操作，于是引入了多緩沖。通過增加緩沖區(qū)的個數(shù)，可使并行程度得到明顯提高。 多緩沖是把多個緩沖區(qū)連接起來組成兩部分：一部分專門用于輸入；另一部分專門用于輸出。循環(huán)緩沖包括以下兩部分。 (1) 多個緩沖區(qū) (2) 多個指針I(yè)O設(shè)備管理課件397.2.5 緩沖技術(shù)緩沖技術(shù)4. 緩沖池 上述的循環(huán)緩沖區(qū)僅適用于某特定的I/O進程和計算進程，因而屬于專用緩沖。為了提高緩沖區(qū)的利用率，目前廣泛流行公用緩沖池，池中的緩沖區(qū)可供多個進程共享。 (1) 緩沖池的結(jié)構(gòu)

19、相同類型的緩沖區(qū)鏈成一個隊列，于是可形成以下3個隊列： 空緩沖隊列emq。 輸入隊列inq。 輸出隊列outg。IO設(shè)備管理課件407.2.5 緩沖技術(shù)緩沖技術(shù)緩沖池中的工作緩沖區(qū) ：hin緩沖區(qū) lSin緩沖區(qū) msout緩沖區(qū) nhout緩沖區(qū) k提取輸入收容輸出CPU收容輸入提取輸出I/O 設(shè)備IO設(shè)備管理課件417.2.5 緩沖技術(shù)緩沖技術(shù) (2) 緩沖池的管理一般，管理緩沖池的步驟如下： take-buf(type)：從3種緩沖區(qū)隊列中按一定的規(guī)則取出一個緩沖區(qū)。 add-buf(type, number)：把緩沖區(qū)按一定的規(guī)則插入相應(yīng)的緩沖隊列。 get-buf(type, num

20、ber)：申請緩沖區(qū)。 put-buf(type, work-buf)：將緩沖區(qū)放入相應(yīng)緩沖區(qū)隊列。其中，type為緩沖隊列類型, number為緩沖區(qū)號，work-buf為工作緩沖區(qū)類型。IO設(shè)備管理課件427.3 磁盤調(diào)度磁盤調(diào)度近30年來，處理器和主存速度的增加遠(yuǎn)遠(yuǎn)把磁盤拋在了后面。因為磁盤的相對低速，使得磁盤子系統(tǒng)的性能變得至關(guān)重要，許多人也在積極探索提高磁盤子系統(tǒng)性能的方法，改進調(diào)度策略，降低查找時間。IO設(shè)備管理課件437.3.1 調(diào)度策略調(diào)度策略 磁盤調(diào)度策略有很多，常見的有隨機調(diào)度、先進先出、進程優(yōu)先級、后進先出等。1. 先進先服務(wù)策略（FCFS） 顧名思義，它是將各進程對磁盤

21、請求的等待隊列按提出請求的時間進行排序，并按此次序給予服務(wù)的一種策略。 這個策略對各進程是公平的，它不管進程優(yōu)先級多高，只要是新來到的訪問請求，都被排在隊尾。 IO設(shè)備管理課件447.3.1 調(diào)度策略調(diào)度策略2最短服務(wù)時間優(yōu)先策略（SSTF） 這是將請求隊列中柱面號最接近于磁頭當(dāng)前所在柱面的訪問要求，作為一個服務(wù)對象的一種策略。3掃描策略 掃描策略（SCAN）也叫電梯策略(Elevator Algorithm)。大多數(shù)電梯保持按一個方向移動，直到?jīng)]有請求為止，然后改變方向。 IO設(shè)備管理課件457.3.1 調(diào)度策略調(diào)度策略4. 循環(huán)掃描策略（CSCAN） 對SCAN算法稍作改進可以進一步減少響

22、應(yīng)時間。方法是：總是按同一方向移動磁臂，處理完最高編號柱面上的請求后，磁臂移動到具有讀/寫請求的最低編號的柱面，然后繼續(xù)向上移動。IO設(shè)備管理課件467.3.1 調(diào)度策略調(diào)度策略 磁盤調(diào)度策略很多，各有利弊。如何選擇相應(yīng)調(diào)度策略與磁盤的使用環(huán)境因素有關(guān)。 磁盤調(diào)度的另一個趨勢是使多個磁盤(磁盤陣列)一起工作，特別對高端系統(tǒng)很有用。廉價冗余磁盤陳列(Redundant Array of Inexpensive Disks，簡稱RAID) 的特點是： RAID是一個物理磁盤集合，但被OS認(rèn)為是一個邏輯盤。 數(shù)據(jù)分布存放在不同磁盤上。 具有較強的糾錯能力。IO設(shè)備管理課件477.3.2 磁盤高速緩存磁盤高速緩存 Cache存儲器是在主存和處理器之間插入的一個更快、