第7章輸入輸出管理

1、第7章 輸入/輸出管理 本章內(nèi)容提要nI/O管理概述n設(shè)備分配nI/O軟件層次n磁盤調(diào)度和管理7.1 I/O管理概述 7.1.1 I/O設(shè)備分類和標(biāo)識1設(shè)備分類 可以從不同角度對外部設(shè)備進(jìn)行分類，按照工作特性可把它們分成存儲設(shè)備和輸入/輸出設(shè)備兩大類。（1）存儲設(shè)備 它們是計算機用來存儲信息的主要設(shè)備。（2）輸入/輸出設(shè)備 輸入設(shè)備是計算機用來接收來自外部世界信息的設(shè)備 輸出設(shè)備是將計算機加工處理好的信息送向外部世界的設(shè)備 n還可以從其他角度對設(shè)備進(jìn)行分類。例如：按傳輸速率的快慢n按設(shè)備的共享屬性分類，分為獨占設(shè)備、共享設(shè)備和虛擬設(shè)備 I/O設(shè)備分類和標(biāo)識2設(shè)備標(biāo)識n系統(tǒng)按某種原則為每臺設(shè)備分

2、配惟一的號碼，用做硬件（設(shè)備控制器）區(qū)分和識別設(shè)備的代號，稱做設(shè)備絕對號（或絕對地址）。n操作系統(tǒng)為每類設(shè)備規(guī)定了一個編號，稱做設(shè)備類型號。如在UNIX系統(tǒng)中，設(shè)備類型號稱做主設(shè)備號。n設(shè)備相對號，是用戶自己規(guī)定的所用同類設(shè)備中的第幾臺。7.1.2 I/O系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不同規(guī)模的計算機系統(tǒng)，其I/O系統(tǒng)結(jié)構(gòu)存在差異。在大多數(shù)微型機和小型機中，都使用總線I/O系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總線I/O系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖 7.1.3 設(shè)備控制器nI/O設(shè)備一般由機械和電子兩部分組成n電子部分稱做設(shè)備控制器或適配器n操作系統(tǒng)總是通過設(shè)備控制器實施對設(shè)備的控制和操作n控制器是可編址的設(shè)備1控制器接口n設(shè)備控制器有兩個方向的接口： 與主

3、機之間的系統(tǒng)接口 與設(shè)備驅(qū)動電路之間的低層次接口2控制器功能 實現(xiàn)主機和設(shè)備之間的通信控制，進(jìn)行端口地址譯碼。 把計算機的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成機械部分能夠識別的模擬信號，或者反過來。 實現(xiàn)數(shù)據(jù)的緩沖。 接收主機發(fā)來的控制命令。 將設(shè)備和控制器當(dāng)前所處的狀態(tài)提供給主機。3存儲器映像I/On為了實現(xiàn)與CPU通信，每個控制器都有幾個寄存器: 控制寄存器 狀態(tài)寄存器 數(shù)據(jù)寄存器 除控制寄存器外，很多設(shè)備還有數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。nCPU與控制寄存器和設(shè)備數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的基本通信方式: 為每個控制寄存器分配一個I/O端口號 把所有控制寄存器映像到存儲器空間存儲器映像I/O（Memory-Mapped I/O）。內(nèi)存和I/O

4、地址空間的三種映像方式 7.1.4 I/O系統(tǒng)的控制方式1程序控制直接傳遞方式2程序查詢方式3中斷控制方式 其基本工作過程是： CPU發(fā)出啟動I/O設(shè)備的指令 I/O控制器啟動并控制I/O設(shè)備的工作 I/O控制器向CPU發(fā)送一個中斷信號 CPU將控制傳送給中斷處理程序 中斷處理程序執(zhí)行相應(yīng)的處理工作 CPU恢復(fù)對被中斷任務(wù)的處理工作4直接存儲器訪問方式（1）DMA控制方式的引入 為減少CPU被中斷的次數(shù)，提高CPU的工作效率，增加數(shù)據(jù)傳輸安全（2）DMA的傳送操作DMA傳送操作過程 5獨立通道方式（1）通道的引入n為使CPU擺脫繁忙的I/O事務(wù)，現(xiàn)代大、中型計算機都設(shè)置了專門處理I/O操作的機

5、構(gòu)，這就是通道。n通道程序由通道執(zhí)行的指令組成。（2）通道類型 字節(jié)多路通道 它以字節(jié)作為信息輸送單位，服務(wù)于多臺低速I/O設(shè)備。 選擇通道。 它在同一時間里只能為一臺設(shè)備服務(wù)，主要用于連接高速外部設(shè)備。 成組多路通道 它結(jié)合字節(jié)多路通道分時操作和選擇通道高速傳送的優(yōu)點，廣泛用于連接高速和中速設(shè)備。6I/O處理器方式7.1.5 I/O管理的功能1I/O軟件的主要目標(biāo)（1）與設(shè)備無關(guān) （也稱設(shè)備獨立性）n用戶程序應(yīng)與實際使用的物理設(shè)備無關(guān)，由操作系統(tǒng)考慮因為實際設(shè)備不同而需要使用不同的設(shè)備驅(qū)動程序等問題。n用戶編寫程序時一般不再使用物理設(shè)備，而使用虛擬設(shè)備，由操作系統(tǒng)實現(xiàn)虛實對應(yīng) 。n sort

6、 output（2）統(tǒng)一命名（3）層次結(jié)構(gòu)（4）效率高2I/O管理的主要功能 （1）監(jiān)視設(shè)備狀態(tài) （2）進(jìn)行設(shè)備分配 （3）完成I/O操作 （4）緩沖管理與地址轉(zhuǎn)換7.2 設(shè)備分配7.2.1 與設(shè)備分配相關(guān)的因素 （1）I/O設(shè)備的固有屬性 （2）系統(tǒng)所采用的分配算法 （3）設(shè)備分配應(yīng)防止死鎖發(fā)生 （4）用戶程序與實際使用的物理設(shè)備無關(guān)7.2.2 設(shè)備分配技術(shù)1按使用性質(zhì)對設(shè)備分類 （1）獨占設(shè)備n獨占設(shè)備是不能同時共用的設(shè)備，即在一段時間內(nèi)，該設(shè)備只允許一個進(jìn)程獨占。 （2）共享設(shè)備n共享設(shè)備是可由若干進(jìn)程同時共用的設(shè)備。 （3）虛擬設(shè)備n虛擬設(shè)備是利用某種技術(shù)把獨占設(shè)備改造成可由多個進(jìn)程共

7、用的設(shè)備。2設(shè)備分配技術(shù) （1）獨占分配 把獨占設(shè)備固定地分配給一個進(jìn)程，直至該進(jìn)程完成I/O操作并且釋放它為止。 （2）共享分配 由若干進(jìn)程共用同一設(shè)備 （3）虛擬分配 利用共享設(shè)備去實現(xiàn)獨占設(shè)備的功能，從而使獨占設(shè)備“感覺上”成為可共享的、快速的I/O設(shè)備。7.2.3 設(shè)備分配算法 （1）先來先服務(wù) （2）優(yōu)先級高的優(yōu)先服務(wù)7.2.4 SPOOLing系統(tǒng)n早期設(shè)備分配的虛擬技術(shù)是脫機方式 利用外圍計算機專門負(fù)責(zé)I/O工作 n解決了慢速外設(shè)與快速主機的匹配問題n存在如下缺點： 需要人工干預(yù)，產(chǎn)生人工錯誤的機會多，且效率低； 周轉(zhuǎn)時間慢； 無法實現(xiàn)優(yōu)先級調(diào)度。 SPOOLing系統(tǒng)用常駐內(nèi)存

8、的進(jìn)程去模擬一臺外圍機 SPOOLing系統(tǒng)一般分為4個部分 ： 存輸入部分 取輸入部分 存輸出部分 取輸出部分SPOOLing系統(tǒng)工作原理示意圖 n上述4個部分的工作可由輸入進(jìn)程IN和輸出進(jìn)程OUT完成 IN進(jìn)程負(fù)責(zé)存輸入和取輸入工作 OUT進(jìn)程負(fù)責(zé)存輸出和取輸出工作nSPOOLing可使一個作業(yè)的輸入/輸出與其他作業(yè)的計算重疊起來進(jìn)行nSPOOLing提供了非常重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 作業(yè)池n付出不少代價 占用大量的內(nèi)存作為外設(shè)之間傳送信息用的緩沖區(qū)，它所用的表格也占用不少內(nèi)存空間； 占用大量磁盤空間作為輸入井和輸出井； 增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。 SPOOLing系統(tǒng)7.3 I/O軟件層次I/O軟件系

9、統(tǒng)的層次7.3.1 中斷處理程序7.3.2 設(shè)備驅(qū)動程序1設(shè)備驅(qū)動程序的功能 接受來自上層、與設(shè)備無關(guān)軟件的抽象讀寫請求，并且將該I/O請求排在請求隊列的隊尾，同時還要檢查I/O請求的合法性（如參數(shù)是否合法）。 取出請求隊列中隊首請求，且將相應(yīng)設(shè)備分配給它。 向該設(shè)備控制器發(fā)送命令，啟動該設(shè)備工作，完成指定的I/O操作。 處理來自設(shè)備的中斷。2設(shè)備驅(qū)動程序在系統(tǒng)中的位置通常，設(shè)備驅(qū)動程序與設(shè)備類型是一一對應(yīng)的。主設(shè)備號表示設(shè)備類型，而次設(shè)備號表示該類型的一個設(shè)備。設(shè)備驅(qū)動程序?qū)拥哪康氖菍诵腎/O子系統(tǒng)隱藏設(shè)備控制器的差別 設(shè)備驅(qū)動程序在系統(tǒng)中的邏輯位置示意圖 3設(shè)備驅(qū)動程序的特點 驅(qū)動程序的

10、主要作用是實現(xiàn)請求I/O的進(jìn)程與設(shè)備控制器之間的通信 驅(qū)動程序與設(shè)備特性密切相關(guān) 驅(qū)動程序可以動態(tài)安裝或加載 驅(qū)動程序與I/O控制方式相關(guān) 驅(qū)動程序與硬件密切相關(guān) 不允許驅(qū)動程序使用系統(tǒng)調(diào)用4設(shè)備驅(qū)動程序的框架 （1）設(shè)備驅(qū)動程序與外界的接口 驅(qū)動程序與操作系統(tǒng)內(nèi)核的接口 驅(qū)動程序與系統(tǒng)引導(dǎo)的接口 驅(qū)動程序與設(shè)備的接口（2）設(shè)備驅(qū)動程序的組成 驅(qū)動程序的注冊與注銷 設(shè)備的打開與釋放 設(shè)備的讀/寫操作 設(shè)備的控制操作 設(shè)備的中斷和輪詢處理7.3.3 與設(shè)備無關(guān)的操作系統(tǒng)I/O軟件與設(shè)備無關(guān)的操作系統(tǒng)I/O軟件的功能示意圖 1設(shè)備驅(qū)動程序的統(tǒng)一接口 新的驅(qū)動程序遵循驅(qū)動程序接口的約定 I/O設(shè)備如

11、何命名 保護(hù)問題2緩沖技術(shù) （1）緩沖技術(shù)的引入 緩沖的基本思想 主要目的是： 緩解CPU與I/O設(shè)備間速度不匹配的矛盾。 提高它們之間的并行性。 減少對CPU的中斷次數(shù)，放寬CPU對中斷響應(yīng)時間的要求。 （2）緩沖區(qū)的設(shè)置 單緩沖。適宜數(shù)據(jù)到達(dá)率與離去率相差很大的情況 雙緩沖。適宜信息的輸入和輸出速率相同（或相差不大）的情況緩沖區(qū)的設(shè)置 雙緩沖工作示例 多緩沖為了解決陣發(fā)性I/O的速度不匹配問題，可以設(shè)立多個緩沖區(qū)。3出錯報告n根據(jù)錯誤產(chǎn)生的原因，可把I/O錯誤分為兩類： 程序設(shè)計錯誤 實際I/O錯誤。4分配和釋放獨占設(shè)備 處理請求的簡單辦法是讓進(jìn)程直接打開設(shè)備特別文件 另一種辦法是設(shè)立專門

12、機制，負(fù)責(zé)獨占設(shè)備的申請和釋放 5提供與設(shè)備無關(guān)的塊大小 不同磁盤的扇區(qū)大小可能不同。通過這部分軟件的作用，可隱藏這些差異，向高層提供統(tǒng)一的盤塊大小。7.3.4 用戶級I/O軟件n多數(shù)I/O軟件都在操作系統(tǒng)中，用戶空間中也有一小部分。通常，它們以庫函數(shù)形式出現(xiàn)。n用戶空間中另一個重要的I/O軟件是SPOOLing系統(tǒng)。7.4 磁盤調(diào)度和管理硬盤結(jié)構(gòu)示意圖磁盤的結(jié)構(gòu)7.4.1 磁盤調(diào)度1磁盤存取時間 尋道時間:是指系統(tǒng)把磁頭移到相應(yīng)的磁道或柱面上所用時間； 旋轉(zhuǎn)延遲時間：是指一旦磁頭到達(dá)指定磁道、必須等待所需要的扇區(qū)轉(zhuǎn)到讀/寫頭下所用的延遲時間； 傳輸時間：是指信息實際在盤和內(nèi)存之間進(jìn)行傳送所花

13、費的時間。 一次磁盤服務(wù)的總時間就是這三者之和 n減少平均尋道時間就可以顯著地改善系統(tǒng)性能。2磁盤調(diào)度算法（1）先來先服務(wù)法（First-Come, First-Served，F(xiàn)CFS）先來先服務(wù)調(diào)度算法示例設(shè)磁頭最初在53道上 總共移動了640個磁道 有一個請求磁盤服務(wù)的隊列，要訪問的磁道分別是 98，183，37，122，14，124，65，67最短尋道時間優(yōu)先調(diào)度算法示例（2）最短尋道時間優(yōu)先法（Shortest Seek Time First， SSTF）當(dāng)前磁頭在53道上 請求訪問磁道序列：98，183，37，122，14，124，65，67磁頭共移動了236個磁道 掃描調(diào)度算法示例

14、（3）掃描法（SCAN）請求訪問磁道序列： 98，183，37，122，14，124，65，67磁頭最初在53道上。正向0道方向移動 （4）巡回掃描法（C-SCAN）巡回掃描調(diào)度算法示例請求訪問磁道序列： 98，183，37，122，14，124，65，67磁頭最初在53道上，正向右方移動（5）尋查法（LOOK）LOOK算法也稱“電梯”算法請求訪問磁道序列： 98，183，37，122，14，124，65，67磁頭最初在53道上，正向0道方向移動電梯調(diào)度算法示例 3磁盤調(diào)度算法的選擇 選最佳方案與多種因素有關(guān): 任何調(diào)度算法的性能都依賴于I/O請求的數(shù)量和類型 文件的物理存放方式對磁盤請求有很

15、大影響 目錄和索引塊的位置對I/O請求隊列有重要影響 旋轉(zhuǎn)延遲時間的影響7.4.2 磁盤管理1磁盤格式化n 低級格式化或物理格式化（1）格式化后扇區(qū)的格式n低級格式化按照規(guī)定的格式為每個扇區(qū)填充控制信息。n一般來說，扇區(qū)格式由三部分組成，即扇區(qū)頭、數(shù)據(jù)區(qū)（通常為512 B）和扇區(qū)尾（2）磁盤分區(qū)和邏輯格式化n第一步是分區(qū)，即把磁盤分成一個或多個柱面組。n第二步工作是邏輯格式化,即建立文件系統(tǒng)。 MS-DOS的磁盤布局2引導(dǎo)塊結(jié)構(gòu)整個引導(dǎo)程序保存在稱做引導(dǎo)塊的分區(qū)中，該分區(qū)在盤上的位置是固定的，通常在起始扇區(qū)。 3壞塊處理 （1）壞塊的產(chǎn)生n一類是“天生”的,即廠家生產(chǎn)時該盤就存在瑕疵，如磁層有缺陷。n另一類是“繼發(fā)”的,即在使用過程中因外界干擾或故障而造成的磁層損壞。 （2）處理壞塊的方式 控制器處理方式替代方式n直接替代方式：是對磁道上的扇區(qū)依次編號，在最后留出備用扇區(qū)。n繞過壞塊方式：是當(dāng)發(fā)現(xiàn)壞塊時，就繞過它，即不為它編號，接著從后面的扇區(qū)繼續(xù)編號。 操作系統(tǒng)處理方式 操作系統(tǒng)首先通過讀盤上的壞塊表或親自檢測整個磁