《設(shè)備管理》 (2)

1、操作系統(tǒng)第5章 設(shè)備管理劉揚河南大學(xué)計算機與信息工程學(xué)院精選ppt課程主要內(nèi)容操作系統(tǒng)引論（1章）進(jìn)程管理（2章）處理機調(diào)度與死鎖（3章）存儲管理（4章）設(shè)備管理（5章）文件管理（6章）操作系統(tǒng)接口（7章）精選ppt第5章 設(shè)備管理5.1 I/O系統(tǒng)5.2 I/O控制方式5.3 緩沖管理5.4 I/O軟件5.5 設(shè)備分配5.6 磁盤存儲器管理 精選ppt5.1 I/O 系統(tǒng)I/O設(shè)備設(shè)備控制器I/O通道I/O系統(tǒng)的總線系統(tǒng)I/O系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)I/O 系統(tǒng)的組成: I/O設(shè)備、設(shè)備控制器、 I/O通道 總線及相應(yīng)軟件精選ppt5.1.1 I/O 設(shè)備 1、 I/O設(shè)備的類型 獨享設(shè)備 1）按使用方式

2、/共享屬性分類 共享設(shè)備 虛擬設(shè)備 獨享/獨占設(shè)備：在一段時間內(nèi)只能有一個進(jìn)程使用的設(shè)備，一般為低速I/O設(shè)備（如打印機，磁帶等） 共享設(shè)備：在一段時間內(nèi)可有多個進(jìn)程共同使用的設(shè)備，多個進(jìn)程以交叉的方式來使用設(shè)備，其資源利用率高（如硬盤） 精選ppt5.1.1 I/O 設(shè)備 1、 I/O設(shè)備的類型虛設(shè)備:在一類設(shè)備上模擬另一類設(shè)備，常用共享設(shè)備模擬獨占設(shè)備，用高速設(shè)備模擬低速設(shè)備，被模擬的設(shè)備稱為虛設(shè)備 目的：將慢速的獨占設(shè)備改造成多個用戶可共享的設(shè)備，提高設(shè)備的利用率（實例：SPOOLing技術(shù)，利用虛設(shè)備技術(shù) 用硬盤模擬輸入輸出設(shè)備）精選ppt 低速設(shè)備 2）按傳輸速率分類 中速設(shè)備 高速

3、設(shè)備 低速設(shè)備：傳輸速率僅為每秒鐘幾個字節(jié)至數(shù)百個字節(jié)的設(shè)備。 典型的有：鍵盤、鼠標(biāo)、語音的輸入/輸出等。中速設(shè)備：傳輸速率僅為每秒鐘數(shù)千個字節(jié)至數(shù)數(shù)萬個字節(jié)的設(shè)備。典型的有：打印機等。高速設(shè)備：傳輸速率僅為每秒鐘數(shù)百千個字節(jié)至數(shù)十兆字節(jié)的設(shè)備。典型的有：磁盤機、磁帶機、光盤機等。 精選ppt 104 鍵盤 鼠標(biāo) 針打 軟盤 激打 光盤 硬盤 108107106105103102101典型I/O設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸率(單位：bps/每秒字節(jié))精選ppt 塊設(shè)備 3）按信息交換的單位分類 字符設(shè)備 字符設(shè)備:傳輸單位為字節(jié)，或字符，屬于無結(jié)構(gòu)/慢速設(shè)備。常見的交互式終端、打印機等。這種設(shè)備的特性是：不可

4、尋址、I/O中斷驅(qū)動和傳輸率相對較低。 塊設(shè)備:通常作為存儲設(shè)備，傳輸以塊為單位。通常塊大小為 512到4KB之間，典型的為磁盤。其特性是：可尋址、一般為DMA方式。 存儲設(shè)備(外存/后備存儲器/輔助存儲器)4) 按設(shè)備的使用特性分類: 輸入設(shè)備 輸入/輸出設(shè)備 交互式設(shè)備 輸出設(shè)備精選pptIO設(shè)備一般由機械和電子兩部分組成,把這兩部分分開處理，以提供更加模塊化，更加通用的設(shè)計.（1）物理設(shè)備 機械部分是設(shè)備本身（物理裝置）（2）設(shè)備控制器 電子部分叫做設(shè)備控制器或適配器。 在小型和微型機中，它常采用印刷電路卡插入計算機中（接口）完成設(shè)備與主機間的連接和通訊 控制器卡上通常有一個插座，通過電

5、纜與設(shè)備相連 控制器和設(shè)備之間的接口是一個標(biāo)準(zhǔn)接口，它符合ANSI、IEEE或ISO 這樣的國際標(biāo)準(zhǔn)5.1.2 設(shè)備控制器精選ppt5.1.2 設(shè)備控制器設(shè)備控制器功能： 是處于CPU與I/O設(shè)備之間的接口，接收CPU發(fā)來的命令，并控制I /O設(shè)備工作，是一個可編址設(shè)備。接收命令并進(jìn)行譯碼（控制寄存器）接收來自主機的命令，譯成驅(qū) 動設(shè)備的操作碼；同時將地址譯碼以對應(yīng)多個設(shè)備中的一個。 進(jìn)行數(shù)據(jù)交換（數(shù)據(jù)寄存器）根據(jù)主機I/O命令實現(xiàn)CPU與控制器、控制器與設(shè)備間數(shù)據(jù)交換。 記錄和報告設(shè)備狀態(tài)（狀態(tài)寄存器）記錄控制設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)，用于CPU進(jìn)行I/O時的查詢條件。精選ppt設(shè)備控制器的組成設(shè)備與控

6、制器間的接口 設(shè)備控制器的組成 精選ppt5.1.3 I/O 通道一、引入通道一種特殊的執(zhí)行I/O指令的處理機，與CPU共享內(nèi)存，可以有自己的總線。引入目的解脫CPU對I/O的組織、管理。CPU只需發(fā)送I/O命令給通道，通道通過調(diào)用內(nèi)存中的相應(yīng)通道程序完成任務(wù)。 精選ppt5.1.3 I/O 通道二、類型根據(jù)信息交換方式的不同，通道可分成以下幾種類型：字節(jié)多路通道數(shù)組選擇通道數(shù)組多路通道注：“瓶頸”問題精選ppt字節(jié)多路通道其工作原理: 數(shù)據(jù)傳送是按字節(jié)交叉方式工作。1)有一個主通道。2)含有多個非分配型子通道A、B、C3)每子通道通過一控制器與一臺中/低速的I/O設(shè)備相連，可同時并行向主通道

7、傳數(shù)據(jù)。4)各子通道以時間片輪轉(zhuǎn)方式按字節(jié)交叉使用主通道。優(yōu)點：可連多臺中/低速設(shè)備；能分時并行操作。缺點：傳輸率較低。 精選ppt圖5-3字節(jié)多路通道的工作原理 精選ppt數(shù)組選擇通道其工作原理:數(shù)據(jù)傳送是按成組方式進(jìn)行工作，每次傳輸一批數(shù)據(jù)。主要用于連接高速I/O設(shè)備。 1)有一個主通道 2)含有一個分配型子通道 3)子通道在一段時間內(nèi)只能選擇一個子通道程序執(zhí)行控制一臺設(shè)備數(shù)據(jù)傳送。優(yōu)點：可連多臺高速設(shè)備；傳輸率較高。缺點：某臺設(shè)備占用子通道不傳數(shù)據(jù)，而使主通道閑置，其它設(shè)備也不能傳數(shù)據(jù)。所以通道的利用率很低。精選ppt數(shù)組多路通道 數(shù)據(jù)傳送仍是按數(shù)組方式工作。 工作原理（結(jié)合兩者：并行+

8、數(shù)組） 1)有一個主通道 2)含有多個非分配型子通道A、B、C 3)各子通道以時間片輪轉(zhuǎn)方式按數(shù)組方式使用主通道。 優(yōu)點：可連多臺高/中速設(shè)備；能分時并行操作，傳輸率較高。精選ppt“瓶頸”問題存儲器通道1通道2控制器1控制器2控制器3控制器4設(shè)備1設(shè)備2設(shè)備3設(shè)備4設(shè)備5設(shè)備6設(shè)備7單通路I/O系統(tǒng)精選ppt解決“瓶頸”問題的方法-多路方式通道2設(shè)備1設(shè)備2設(shè)備3設(shè)備4存儲器通道1控制器1控制器2多通路I/O系統(tǒng)（4路）精選ppt5.1.4總線系統(tǒng)總線實現(xiàn)計算機系統(tǒng)中的各部件，如CPU、存儲器以及各種I/O設(shè)備之間的聯(lián)系?？偩€性能指標(biāo):時鐘頻率、帶寬和相應(yīng)的總線傳輸速率圖5-6總線型I/O系

9、統(tǒng)結(jié)構(gòu) 精選ppt1ISA和EISA總線1) ISA(Industry Standard Architecture)總線這是為在1984年推出的80286型微機而設(shè)計的總線結(jié)構(gòu)。其總線的帶寬為8位，最高傳輸速率為2 Mb/s。之后不久又推出了16位的(EISA)總線，其最高傳輸速率為8 Mb/s，后又升至16 Mb/s，能連接12臺設(shè)備。2) EISA(Extended ISA)總線到20世紀(jì)80年代末期，ISA總線已難于滿足帶寬和傳輸速率的要求，于是人們又開發(fā)出擴展ISA(EISA)總線，其帶寬為32位，總線的傳輸速率高達(dá)32 Mb/s，同樣可以連接12臺外部設(shè)備。 精選ppt2局部總線(L

10、ocal Bus)多媒體技術(shù)的興起，特別是全運動視頻處理、高保真音響、高速LAN，以及高質(zhì)量圖形處理等技術(shù)，都要求總線具有更高的傳輸速率，這時的EISA總線已難于滿足要求，于是，局部總線便應(yīng)運而生。所謂局部總線，是指將多媒體卡、高速LAN網(wǎng)卡、高性能圖形板等，從ISA總線上卸下來，再通過局部總線控制器直接接到CPU總線上，使之與高速CPU總線相匹配，而打印機、FAX/Modem、CDROM等仍掛在ISA總線上。在局部總線中較有影響的是VESA總線和PCI總線。 精選ppt1) VESA(Video Electronic Standard Association)總線該總線的設(shè)計思想是以低價位迅

11、速占領(lǐng)市場。VESA總線的帶寬為32位，最高傳輸速率為132 Mb/s。它在20世紀(jì)90年代初被推出時，廣泛應(yīng)用于486微機中。但VESA總線仍存在較嚴(yán)重的缺點，比如，它所能連接的設(shè)備數(shù)僅為24臺，在控制器中無緩沖，故難于適應(yīng)處理器速度的不斷提高，也不能支持后來出現(xiàn)的Pentium微機。 精選ppt2) PCI(Peripheral Component Interface)總線隨著Pentium系列芯片的推出，Intel公司分別在1992年和1995年頒布了PCI總線的V1.0和V2.1規(guī)范，后者支持64位系統(tǒng)。PCI在CPU和外設(shè)間插入一復(fù)雜的管理層，用于協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)傳輸和提供一致的接口。在管理

12、層中配有數(shù)據(jù)緩沖，通過該緩沖可將線路的驅(qū)動能力放大，使PCI最多能支持10種外設(shè)，并使高時鐘頻率的CPU能很好地運行，最大傳輸速率可達(dá)132 Mb/s。PCI既可連接ISA、EISA等傳統(tǒng)型總線，又可支持Pentium的64位系統(tǒng)，是基于奔騰等新一代微處理器而發(fā)展的總線。 精選ppt2) AGP(Accelerate Graphical Port)總線隨著Pentium系列芯片的推出，Intel公司分別在1992年和1995年加速圖形接口(AGP)。隨著顯示芯片的發(fā)展，PCI總線日益無法滿足其需求。英特爾于1996年7月正式推出了AGP接口，它是一種顯示AGP顯卡圖片卡專用的局部總線。嚴(yán)格的說

13、，AGP不能稱為總線，它與PCI總線不同，因為它是點對點連接，即連接控制芯片和AGP顯示卡，但在習(xí)慣上我們依然稱其為AGP總線。AGP接口是基于PCI 2.1 版規(guī)范并進(jìn)行擴充修改而成，工作頻率為66MHz。 精選ppt5.1.5 I/O 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)CPU存儲器磁盤控制器打印機控制器其它控制器磁盤驅(qū)動器打印機微型機I/O系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總線型計算機I/O通道1I/O通道2控制器控制器控制器控制器主機I/O系統(tǒng)具有通道設(shè)備精選ppt5.2 I/O 控制方式 1、程序控制方式 2、中斷控制方式 3、直接存儲器訪問(DMA)方式 4、通道控制方式 四個階段：程序I/O中斷I/ODMA控制通道控制。趨勢：提高

14、并行度。精選ppt查詢方式：CPU需花代價不斷查詢I/O狀態(tài)（圖5-7a）CPU資源浪費極大。例：CPU忙等時間99.9ms+讀寫字符時間0.1ms=I/O時間100ms特點：控制簡單，但CPU的利用率低（串行），出現(xiàn)忙等待（循環(huán)等待設(shè)備的I/O操作）-即輪詢（Polling） 1.程序直接控制方式精選ppt程序控制輸入/輸出方式以鍵盤為例1、CPU向鍵盤的控制器發(fā)一條輸入命令，啟動鍵盤進(jìn)行輸入操作，并將狀態(tài)寄存器的”忙閑位”busy置1，表示忙。2、然后CPU運行程序不斷測試狀態(tài)寄存器的”完成位”，看鍵盤是否完成了輸入。直到鍵盤已將數(shù)據(jù)輸入到了鍵盤控制器的數(shù)據(jù)寄存器中，狀態(tài)寄存器的”完成位”

15、變?yōu)?時，CPU才停止測試。3、CPU取走數(shù)據(jù)寄存器中的輸入數(shù)據(jù)。精選ppt2.中斷控制方式）需數(shù)據(jù)的進(jìn)程向CPU發(fā)出指令啟動I/O設(shè)備輸入數(shù)據(jù)。）該進(jìn)程放棄處理機，等待輸入完成。）輸入完成后，I/O控制器向CPU發(fā)出中斷請求，CPU收到后，轉(zhuǎn)向中斷服務(wù)程序。中斷服務(wù)程序?qū)?shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)送指定內(nèi)存單元，并將原進(jìn)程喚醒，繼續(xù)執(zhí)行。）以后，該進(jìn)程再被調(diào)度，從內(nèi)存單元取出數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。 優(yōu)點- CPU利用率大大提高（可以與I/O設(shè)備并行工作）。 缺點-控制器數(shù)據(jù)緩沖寄存器較小，完成一次I/O可能要多次中斷驅(qū)動，發(fā)生中斷次數(shù)較多將耗去大量CPU處理時間。精選ppt向I/O發(fā)命令返回執(zhí)行其它任務(wù)。I

16、/O中斷產(chǎn)生CPU轉(zhuǎn)相應(yīng)中斷處理程序。如：讀數(shù)據(jù)，讀完后以中斷方式通知CPU，CPU完成數(shù)據(jù)從I/O內(nèi)存精選ppt中斷輸入/輸出方式以鍵盤輸入為例（1）開中斷。CPU把啟動位和中斷允許位為1的控制字寫入鍵盤控制狀態(tài)寄存器中，啟動鍵盤。（當(dāng)中斷允許位為1時，中斷程序可以被調(diào)用。）（2）進(jìn)程等待鍵盤輸入完成（進(jìn)入等待隊列），由進(jìn)程調(diào)度程序調(diào)度其他就緒進(jìn)程使用CPU。（3）鍵盤啟動后，當(dāng)數(shù)據(jù)寄存器裝滿后，鍵盤控制器通過中斷請求線向CPU發(fā)出中斷信號。（4）CPU暫停正在進(jìn)行的工作，轉(zhuǎn)向執(zhí)行中斷處理程序。（取出數(shù)據(jù)寄存器中的輸入數(shù)據(jù)送到內(nèi)存特定單元，并將等待輸入完成的進(jìn)程喚醒。）（5）中斷處理程序完畢

17、，CPU返回斷點繼續(xù)執(zhí)行。（6）以后某個時刻，進(jìn)程調(diào)度程序選中正處于就緒狀態(tài)的那個進(jìn)程，該進(jìn)程從特定內(nèi)存單元中取出所需的數(shù)據(jù)繼續(xù)工作。精選ppt3、DMA方式用于塊設(shè)備中一、引入中斷I/O，CPU“字節(jié)”干預(yù)一次，即每“字節(jié)”傳送產(chǎn)生一次中斷。DMA：由DMA控制器直接控制總線傳遞數(shù)據(jù)塊。DMA控制器完成從I/O內(nèi)存。精選pptDMA組成一組寄存器+控制邏輯。圖5.8CR（命令/狀態(tài)）; DR（數(shù)據(jù)）; MAR（內(nèi)存地址）; DC（計數(shù)）DMA工作過程（例）：圖5-8DMA控制器的組成 精選ppt3、DMA方式1）需數(shù)據(jù)的進(jìn)程向CPU發(fā)出指令,向DMA控制器寫入數(shù)據(jù)存放的內(nèi)存始址、傳送的字節(jié)數(shù)

18、,并置中斷位和啟動位,啟動I/O設(shè)備輸入數(shù)據(jù)并允許中斷。2）該進(jìn)程放棄處理機等待輸入完成，處理機被其它進(jìn)程占據(jù)。3）DMA控制器采用挪用CPU周期，將一批數(shù)據(jù)寫入內(nèi)存中。4）DMA控制器傳送完數(shù)據(jù)后，向CPU發(fā)中斷請求，CPU響應(yīng)后轉(zhuǎn)向中斷服務(wù)程序，喚醒進(jìn)程，并返回被中斷程序。5）在以后該進(jìn)程再被調(diào)度，從內(nèi)存單元取出數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。優(yōu)點CPU利用率進(jìn)一步提高（并行度有所提高）。缺點數(shù)據(jù)傳送方向、字節(jié)數(shù)、內(nèi)存地址等需由CPU控制，且每一設(shè)備需一臺DMA控制器，設(shè)備增多時，不經(jīng)濟。精選pptDMA工作過程精選pptDMA方式與中斷的主要區(qū)別中斷方式是在數(shù)據(jù)緩沖寄存區(qū)滿后，發(fā)中斷請求，CPU進(jìn)行中斷處

19、理;DMA方式則是在所要求傳送的數(shù)據(jù)塊全部傳送結(jié)束時要求CPU進(jìn)行中斷處理,大大減少了CPU進(jìn)行中斷處理的次數(shù)中斷方式的數(shù)據(jù)傳送是由CPU控制完成的;DMA方式則是在DMA控制器的控制下不經(jīng)過CPU控制完成的精選pptDMA工作原理竊取總線控制權(quán) 存放輸入數(shù)據(jù)的內(nèi)存起始地址、要傳送的字節(jié)數(shù) 送入DMA控制器的內(nèi)存地址寄存器和傳送字節(jié)計數(shù)器 中斷允許位和啟動位置成1，啟動設(shè)備 發(fā)出傳輸要求的進(jìn)程進(jìn)入等待狀態(tài) 執(zhí)行指令被暫時掛起，進(jìn)程調(diào)度其他進(jìn)程占據(jù)CPU 輸入設(shè)備不斷竊取（占用）CPU總線工作周期（cycle stealing），數(shù)據(jù)不斷寫入內(nèi)存 傳送完畢，發(fā)出中斷信號 CPU接到中斷信號轉(zhuǎn)入中

20、斷處理程序處理 中斷處理結(jié)束，CPU返回原進(jìn)程或切換到新的進(jìn)程精選ppt4、通道控制方式1）需數(shù)據(jù)的進(jìn)程向CPU發(fā)出指令，CPU發(fā)啟動指令指明I/O操作、設(shè)備號和對應(yīng)的通道。2）該進(jìn)程放棄CPU等待輸入完成，CPU被其它進(jìn)程占據(jù)。3）通道接收到CPU發(fā)來的啟動指令后，取出內(nèi)存中的通道程序執(zhí)行，控制設(shè)備將數(shù)據(jù)傳送到內(nèi)存指定區(qū)域。4）傳送完數(shù)據(jù)后，通道向CPU發(fā)中斷請求，CPU響應(yīng)后轉(zhuǎn)向中斷服務(wù)程序，喚醒進(jìn)程，并返回被中斷程序。5）在以后該進(jìn)程再被調(diào)度，從內(nèi)存取出數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。優(yōu)點：一個通道可控制多設(shè)備，所需CPU干預(yù)更少。 CPU利用率較高（并行度較高）。缺點：通道價格較高。DMA方式：對需多離

21、散塊的讀取仍需要多次中斷。精選ppt通道部件 內(nèi)存:與主機共享同一個存儲器。 通道運算控制部件:它負(fù)責(zé)解釋執(zhí)行通道指令。另外還應(yīng)保有若干信息字（寄存器），包括： 數(shù)據(jù)字(CDW):存放被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。 通道指令字(CCW):存放當(dāng)前正在執(zhí)行的指令。 通道地址字(CAW):存放下條通道指令地址（相當(dāng)于程序計數(shù)器）。 通道狀態(tài)字(CSW):用于記錄通道和該通道中各設(shè)備的當(dāng)前工作狀態(tài)。 精選ppt通道指令格式： 其中操作碼包括如下幾種（構(gòu)成通道指令系統(tǒng)）： 空操作：不執(zhí)行任何操作，取下條指令繼續(xù)工作； 轉(zhuǎn)移操作：按指令中的主存地址取另一條通道指令； 讀操作：從指定設(shè)備上讀進(jìn)一批數(shù)據(jù)； 寫操作：向指定設(shè)

22、備上輸出一批數(shù)據(jù)； 控制型操作：控制外部設(shè)備那些非傳輸性動作，磁帶反繞、磁盤磁臂移動、打印紙換頁等； 結(jié)束操作：表示通道程序結(jié)束，在CSW中記下正常結(jié)束標(biāo)記，并向主機發(fā)出通道中斷； 操作碼傳輸個數(shù)特征位內(nèi)存地址通道部件 精選ppt5.3 緩沖管理1、提高處理機與I/O設(shè)備的并行工作的技術(shù)： ） 數(shù)據(jù)傳送控制方式 ） 緩沖技術(shù)2、操作系統(tǒng)中，引入緩沖的主要原因 1）緩沖CPU與I/O設(shè)備間速度不匹配的矛盾。凡是數(shù)據(jù)到達(dá)率與數(shù)據(jù)離去率不同的地方都可以設(shè)置緩沖區(qū)。 2）提高CPU與I/O設(shè)備的并行性 3）減少中斷CPU的次數(shù) 如圖5-10精選ppt圖5-10利用緩沖寄存器實現(xiàn)緩沖 精選ppt5.3

23、緩沖管理 進(jìn)程讀取數(shù)據(jù)塊時，若已在緩沖區(qū)就立刻讀取，不阻塞進(jìn)程。當(dāng)緩沖區(qū)空時才阻塞進(jìn)程，啟動磁盤數(shù)據(jù)塊讀入，這就是所謂的提前讀。 當(dāng)進(jìn)程輸出數(shù)據(jù)塊到磁盤時，只需寫入緩沖區(qū)，直到緩沖區(qū)滿之后才開始啟動磁盤。既減少了輸出操作和中斷次數(shù)，又提高了傳輸速度。利用緩沖區(qū)實現(xiàn)的這種功能就稱為延遲寫。 引入緩沖技術(shù)，系統(tǒng)對設(shè)備讀寫可實行“提前讀”和“延遲寫”方式。精選ppt3、緩沖技術(shù)的分類 單緩沖 雙緩沖 循環(huán)緩沖 緩沖池 5.3 緩沖管理4.緩沖的實現(xiàn)方法 一種是采用專用硬件緩沖器，例如I/O設(shè)備，或控制器中的數(shù)據(jù)緩沖寄存器。 另一種方法是利用系統(tǒng)內(nèi)存空間和軟件方法實現(xiàn)的緩沖技術(shù)，也稱軟件緩沖。 主要討

24、論利用內(nèi)存和軟件實現(xiàn)的緩沖技術(shù)。 精選ppt操作系統(tǒng)用戶進(jìn)程I/O設(shè)備進(jìn)入進(jìn)入移動到（a）無緩沖（b）單緩沖（c）雙緩沖I/O設(shè)備I/O設(shè)備進(jìn)入移動到（d）循環(huán)緩沖I/O設(shè)備進(jìn)入移動到輸入緩沖配置精選ppt單 緩 沖 在設(shè)備和處理機之間設(shè)置一個緩沖。設(shè)備與處理機交換數(shù)據(jù)時，先把交換的數(shù)據(jù)寫入緩沖區(qū)，然后需要數(shù)據(jù)的設(shè)備/處理機再從緩沖區(qū)中取走數(shù)據(jù)。 特點：緩沖區(qū)數(shù)只有一個；設(shè)備與處理機對緩沖區(qū)的操作是串行的。 外部設(shè)備緩沖區(qū)OS用戶進(jìn)程精選ppt一塊數(shù)據(jù)的處理時間由于C和T可并行，M和C或M和T不能并行，因此處理一塊數(shù)據(jù)時間：Max(C,T)+M精選ppt雙 緩 沖 在設(shè)備和處理機之間設(shè)置2個緩

25、沖。設(shè)備與處理機交換數(shù)據(jù)時，先把交換的數(shù)據(jù)寫入緩沖區(qū)，然后需要數(shù)據(jù)的設(shè)備/處理機再從緩沖區(qū)中取走數(shù)據(jù)。因緩沖區(qū)有2個，提高了設(shè)備與處理機并行操作的程度，只有當(dāng)兩個均為空時，需數(shù)據(jù)的進(jìn)程才等待。特點：緩沖區(qū)數(shù)有2個；設(shè)備與處理機對緩沖區(qū)的操作可并行，提高了設(shè)備與處理機并行操作的程度。用戶進(jìn)程操作系統(tǒng)傳送輸入I/O設(shè)備精選ppt一塊數(shù)據(jù)的處理時間 系統(tǒng)傳送時間可并行，處理一塊時間MAX(C,T)+MMAX(C,T)當(dāng)CT ：CPU連續(xù)處理不等I/O當(dāng)C輸出速度，全部buf滿，這時輸入進(jìn)程阻塞NextF指針追趕上NextB指針計算進(jìn)程阻塞表示輸入速度I/O完成發(fā)送中斷CPU調(diào)用中斷處理過程中斷處理過

26、程喚醒被阻塞的驅(qū)動程序進(jìn)程保護(hù)被中斷進(jìn)程CPU環(huán)境轉(zhuǎn)入相應(yīng)的設(shè)備處理程序中斷處理(特性)恢復(fù)被中斷進(jìn)程的現(xiàn)場精選ppt圖5-17中斷現(xiàn)場保護(hù)示意圖 精選ppt5.4.2 中斷處理程序中斷處理流程 精選ppt5.4.4 設(shè)備獨立性軟件設(shè)備獨立性概念（設(shè)備無關(guān)性）設(shè)備獨立性的實現(xiàn)邏輯設(shè)備（應(yīng)用程序）和物理設(shè)備（執(zhí)行）設(shè)備分配時的靈活性易于實現(xiàn)I/O重定向(設(shè)備更換)設(shè)備獨立性軟件執(zhí)行所有設(shè)備的公有操作向用戶層（文件層）軟件提供統(tǒng)一的接口邏輯設(shè)備名到物理設(shè)備名映射的實現(xiàn)邏輯設(shè)備表LUT(Logical Unit Table)LUT設(shè)置方法：單用戶環(huán)境整個系統(tǒng)設(shè)置一張LUT ；多用戶環(huán)境每個用戶設(shè)一張

27、LUT 精選ppt設(shè)備獨立性相關(guān)概念設(shè)備獨立性概念（設(shè)備無關(guān)性,Device Independence） 為提高OS的可適應(yīng)性和可擴展性，而將應(yīng)用程序獨立于具體使用的物理設(shè)備。 為實現(xiàn)設(shè)備獨立性將物理設(shè)備抽象為邏輯設(shè)備，進(jìn)程通過設(shè)備獨立性軟件訪問邏輯設(shè)備轉(zhuǎn)換為設(shè)備驅(qū)動程序訪問物理設(shè)備。邏輯設(shè)備物理設(shè)備精選pptLinux系統(tǒng)中外部設(shè)備等同文件設(shè)備文件；這些設(shè)備文件名就是系統(tǒng)規(guī)定的邏輯設(shè)備名；系統(tǒng)的/dev目錄下是各種設(shè)備：（1）以fd開頭的文件是軟盤設(shè)備。/dev/fd0第一個軟盤驅(qū)動器/dev/fd1第二個軟盤驅(qū)動器（2）以hd開頭的文件是IDE硬盤設(shè)備。/dev/hda第一硬盤hda1第一

28、個硬盤/dev/hda的第一個分區(qū)hda、hdb、hdc、系統(tǒng)中的多個IDE硬盤（3）/dev/ttys串行端口COM1，/dev/cua調(diào)制解調(diào)器。以tty開頭的文件是系統(tǒng)的虛擬終端以pty開頭的文件是偽終端，用telnet遠(yuǎn)程登錄時用到/dev/console控制臺，即直接與系統(tǒng)相連的顯示器和鍵盤。 實用系統(tǒng)中的邏輯設(shè)備和物理設(shè)備精選ppt邏輯設(shè)備表LUT(Logical Unit Table)邏輯設(shè)備名物理設(shè)備名驅(qū)動程序入口地址/dev/tty31024/dev/print52046邏輯設(shè)備名系統(tǒng)設(shè)備表指針/dev/tty3/dev/print5(a)單用戶環(huán)境邏輯設(shè)備表(b)多用戶環(huán)境

29、邏輯設(shè)備表精選ppt設(shè)備獨立性軟件對執(zhí)行設(shè)備公有操作所有設(shè)備的公有操作分配回收：對獨立設(shè)備的分配與回收名字映射：將邏輯設(shè)備名映射為物理設(shè)備名，進(jìn)一步可以找到相應(yīng)物理設(shè)備的驅(qū)動程序保護(hù)：對設(shè)備進(jìn)行保護(hù)，禁止用戶直接訪問設(shè)備緩沖：緩沖管理，即對字符設(shè)備和塊設(shè)備的緩沖區(qū)進(jìn)行有效的管理，以提高I/O的效率差錯控制：由于在I/O操作中的絕大多數(shù)錯誤都與設(shè)備無關(guān)，故主要由設(shè)備驅(qū)動程序處理，而設(shè)備獨立性軟件只處理那些設(shè)備驅(qū)動程序無法處理的錯誤精選ppt 幾乎所有計算機都使用磁盤來存儲信息。從存儲角度，與內(nèi)存比較起來，磁盤有三個主要的優(yōu)點：（1）可用的存儲容量非常大（2）每位的價格非常低（3）電源關(guān)掉后信息不

30、會丟失5.6 磁盤存儲器精選ppt5.6 磁盤存儲器提高磁盤I/O速度的主要途徑：5.6.1選擇性能好的磁盤5.6.2采用好的磁盤調(diào)度算法5.6.3設(shè)置磁盤高速緩存（Disk Cache）5.6.4其它方法5.6.5采用高度可靠、快速的容量磁盤系統(tǒng)廉價磁盤冗余陣列精選ppt5.6.1 磁盤性能磁盤的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的組織磁盤類型訪問時間精選ppt移動臂盤面 m-1盤面0盤面1盤面2 柱面0柱面1柱面n-1扇區(qū)0扇區(qū)1扇區(qū)k-1 移動臂磁盤組結(jié)構(gòu)磁頭0磁頭1磁頭m-1磁盤結(jié)構(gòu) 磁盤的物理結(jié)構(gòu)： 盤片固定在旋轉(zhuǎn)軸上 軸等速地轉(zhuǎn)動帶動磁盤組轉(zhuǎn)動確定扇區(qū)位置 盤片分上下兩個盤面 盤面上分布若干個同心圓磁道 盤

31、面劃分區(qū)域相同的扇面，磁道上為扇區(qū) 磁盤組中盤面上序號相同磁道構(gòu)成一個柱面 最上最下兩個盤面作為伺服面精選ppt 磁盤的信息組織 為在磁盤上存儲信息，必須對磁盤進(jìn)行格式化。 每個磁道上扇區(qū)存有兩類信息；記錄信息（數(shù)據(jù)字段）和控制信息（由標(biāo)識字段和間隙構(gòu)成）。以微機上常用的溫盤（溫徹斯特）上每個磁道30個扇區(qū)為例，其信息組織形式如下頁所示。 精選ppt 磁盤的信息組織 IDField0Gap 1Gap 2Gap 3DataField0IDField1Gap 2Gap 3DataField1IDField29DataField2917 7 41 515 20 17 7 41 515 20 17 7

32、 41 515 20物理扇區(qū) 0物理扇區(qū) 1物理扇區(qū) 29CRCSynchByteTrack #Head #Sector #CRCSynchByteData每個扇區(qū)600個字節(jié)Bytes 1 2 1 1 2 1 512 2Gap 1Gap 3Gap 2Gap 1圖5-24磁盤的格式化 精選ppt 磁盤的類型；有固定頭磁盤和移動頭磁盤： 固定頭磁盤；每條磁道上一個讀/寫頭，可并行讀/寫，I/O速度高，但價格較昂貴。 移動頭磁盤；每個盤面僅有一個磁頭，磁頭能夠移動以進(jìn)行尋道，只能串行讀/寫，I/O速度相對較慢。操作移動磁臂尋道旋轉(zhuǎn)尋扇區(qū)讀/寫地址三維訪問方式隨機文件結(jié)構(gòu)順序、索引和鏈接結(jié)構(gòu)移動頭結(jié)

33、構(gòu)簡單，廣泛應(yīng)用于中小型磁盤設(shè)備，特性見表。磁盤類型精選ppt磁盤的訪問時間 尋道時間：TS=m*n+Sm：常量，n：磁道數(shù)，s：磁盤啟動時間。旋轉(zhuǎn)延遲時間Tr：指定扇區(qū)旋轉(zhuǎn)到磁頭下所需時間。設(shè)每轉(zhuǎn)r秒，則Tr1/2r（均值）數(shù)據(jù)傳輸時間Ttb/rNb：讀寫字節(jié)數(shù)N：每道上的字節(jié)數(shù)訪問時間：Ta=Ts+Tr+Tt=m*n+S+1/2r+b/rN可見，由于特定磁盤，只有集中放數(shù)據(jù)，集中讀寫（b大）才能更好提高傳輸效率。 精選ppt磁盤的訪問時間-例 假定一個典型的磁盤中，尋道的時間Ts平均為4ms，轉(zhuǎn)速為 7500r/min（1圈的時間就為8ms，平均旋轉(zhuǎn)延遲為8ms/2=4ms），每個磁道有5

34、00個扇區(qū)，每個扇區(qū)512個字節(jié)；若希望讀取一個包含2500個扇區(qū)，大小為1.25MB的文件（1250KB/0.5KB/扇區(qū) = 2500扇區(qū)）。 精選ppt 順序讀取方式； 平均尋道時間：4ms 旋轉(zhuǎn)延遲時間：4ms 讀500個扇區(qū)時間：8ms 讀取一個磁道數(shù)據(jù)的時間為：16ms。由于連續(xù)不再需要尋道，后續(xù)磁道旋轉(zhuǎn)延遲+讀磁道數(shù)據(jù)可以在 4ms+8ms = 12ms 內(nèi)完成，整個所需時間：16ms + 48ms(4x12ms) = 64ms = 0.064s。 磁盤的訪問時間-例 精選ppt磁盤的訪問時間-例 隨機讀取方式；數(shù)據(jù)扇區(qū)隨機分布在各磁道上；對每個扇區(qū)都應(yīng)考慮Ta 三個部分時間，即

35、有： 平均尋道時間：4ms 旋轉(zhuǎn)延遲時間：4ms讀取一個扇區(qū)時間： 一個扇區(qū)數(shù)據(jù)讀取時間就為：8.016ms；總時間：2500 x 8.016ms = 20040ms = 20.04s。= 8ms = 0.016ms顯然，隨機方式時間大大地高于順序方式時間20.04s/0.064s 300倍！精選ppt5.6.2 磁盤調(diào)度算法目標(biāo)：減少平均尋道時間一、FCFS（Fisrt Come First Server）特點：簡單，尋道時間長，相當(dāng)于隨機訪問模式。二、SSTF（最短尋道優(yōu)先）“饑餓現(xiàn)象”三、掃描算法。1.SCAN算法2.CSCAN算法3.N-STEP-SCAN調(diào)度算法4.FSCAN調(diào)度算法

36、精選ppt 假定磁盤有200個磁道，當(dāng)前有9個訪問者（進(jìn)程）先后提出I/O操作，需要訪問的磁道分別為：55，58，39，18，90，160，150，38，184；又假定當(dāng)前磁頭位置為100#。5.6.2 磁盤調(diào)度算法精選ppt訪問 移動 累計磁道 距離 移動0 18 38 39 55 58 90 150 160 184 199 平均尋道長度55.3184146498554545583483919671821889072160160702301501024038112352請求序列：55, 58, 39, 18, 90, 160, 150, 38, 184;100平均尋道長度55.3FCFS精選

37、ppt 最短尋道時間優(yōu)先（SSTF） 0 18 38 39 55 58 90 150 160 184 199 100平均尋道長度27.5請求序列：55, 58, 39, 18, 90, 160, 150, 38, 184;精選ppt掃描算法 SCAN SSTF算法雖然能獲得較好的尋道性能，但卻可能導(dǎo)致某個進(jìn)程發(fā)生“饑餓”(Starvation)現(xiàn)象。因為只要不斷有新進(jìn)程的請求到達(dá)，且其所要訪問的磁道與磁頭當(dāng)前所在磁道的距離較近，這種新進(jìn)程的I/O請求必然優(yōu)先滿足SCAN 考慮了兩個方面問題；優(yōu)先考慮磁頭當(dāng)前的移動方向；與當(dāng)前磁道號距離最短；這樣就避免了饑餓現(xiàn)象。由于這種算法使得磁臂移動規(guī)律頗似

38、電梯的運動，因而也稱為電梯調(diào)度算法。精選ppt掃描算法 SCAN 0 18 38 39 55 58 90 150 160 184 199 平均尋道長度27.8100請求序列：55, 58, 39, 18, 90, 160, 150, 38, 184;精選ppt循環(huán)掃描算法CSCAN SCAN算法問題；為了減少這種延遲，規(guī)定磁頭單向讀/寫運動(如只由內(nèi)向外)，完成讀寫后立即返到最小/大磁道號的位置(將最小磁道號緊接著最大磁道號構(gòu)成循環(huán)，進(jìn)行循環(huán)掃描)，再進(jìn)行掃描。即CSCAN算法。j磁道號請求隊列: i j k m 一直在該方向完成之后，再回頭逐個處理，直到再選擇j，被延遲讀寫。精選ppt循環(huán)掃

39、描算法CSCAN 0 18 38 39 55 58 90 150 160 184 199 平均尋道長度35.8100請求序列：55, 58, 39, 18, 90, 160, 150, 38, 184;精選ppt1. NStepSCAN粘臂(Armstickiness) ：在SSTF、 SCAN及CSCAN幾種調(diào)度算法中，都可能會出現(xiàn)磁臂停留在某處不動的情況，由于連續(xù)對某磁道訪問引起的壟斷訪問，將磁盤請求隊列分為長為N的子隊列m個，如下圖處理。當(dāng)N=1時，為FCFS。當(dāng)N取很大時，接近SCAN.N-STEP-SCAN調(diào)度算法精選pptN-STEP-SCAN調(diào)度算法2.FSCAN:是N步SCAN

40、算法的簡化，即FSCAN只將磁盤請求隊列分成兩個子隊列。一個是由當(dāng)前所有請求磁盤I/O的進(jìn)程形成的隊列，由磁盤調(diào)度按SCAN算法進(jìn)行處理。在掃描期間，將新出現(xiàn)的所有請求磁盤I/O的進(jìn)程，放入另一個等待處理的請求隊列。這樣，所有的新請求都將被推遲到下一次掃描時處理。精選ppt形式邏輯上是磁盤、物理上是駐留在內(nèi)存中的盤塊固定大小和可變大小數(shù)據(jù)交付(Data Delivery)方式數(shù)據(jù)交付指將磁盤高速緩存中的數(shù)據(jù)傳送給請求者進(jìn)程步驟：先查緩存、后查磁盤并更新緩存方式：數(shù)據(jù)交付:直接將高速緩存中的數(shù)據(jù)，傳送到請求者進(jìn)程的內(nèi)存工作區(qū)中。指針交付：只將指向高速緩存中某區(qū)域的指針交付給請求者進(jìn)程。指針交付傳

41、送的數(shù)據(jù)量少，節(jié)省數(shù)據(jù)從磁盤高速緩存到進(jìn)程的內(nèi)存工作區(qū)的時間5.6.3設(shè)置磁盤高速緩存（Disk Cache）精選ppt5.6.3設(shè)置磁盤高速緩存（Disk Cache）置換算法最近最久訪問頻率：聯(lián)想存儲器的訪問頻率可預(yù)見性：緩存中盤塊數(shù)據(jù)被訪問時間預(yù)測數(shù)據(jù)一致性：將需要一致性的塊放在替換隊列的頭部，優(yōu)先回寫。周期性回寫磁盤根據(jù)LRU算法，那些經(jīng)常要被訪問的盤塊數(shù)據(jù)，可能會一直保留在高速緩存中，長期不會被寫回磁盤。LRU鏈意味著鏈中任一元素在被訪問之后，總是又被掛到鏈尾而不被寫回磁盤；只是一直未被訪問的元素，才有可能移到鏈?zhǔn)?，而被寫回磁盤。這樣會造成經(jīng)常修改的數(shù)據(jù)由于掉電等故障引起數(shù)據(jù)丟失。M

42、S-DOS采用寫穿透方式(write-through cache); unix增設(shè)了一修改(update)程序精選ppt5.6.4提高磁盤I/O速度的其它方法 提前讀:預(yù)讀方式在讀當(dāng)前塊的同時，還要求將下一個盤塊(提前讀的塊)中的數(shù)據(jù)也讀入緩沖區(qū)延遲寫：訪問頻率高的磁盤塊放在替換隊列的尾部，減少回寫次數(shù)優(yōu)化物理塊的分布目的是減小磁頭移動距離簇分配方式：將在同一條磁道上的若干個盤塊組成一簇，一個簇為多個連續(xù)的塊虛擬盤（RAM盤）利用內(nèi)存空間去仿真磁盤，又稱為RAM盤。該盤的設(shè)備驅(qū)動程序也可以接受所有標(biāo)準(zhǔn)的磁盤操作，但這些操作的執(zhí)行，不是在磁盤上而是在內(nèi)存中。這些對用戶都是透明的。用戶并不會發(fā)現(xiàn)這與真正的磁盤操作有什么不同，而僅僅是略微快些而已。和磁盤高速緩存區(qū)別：虛擬盤由用戶控制；磁盤高速緩存由OS控制。精選ppt 磁盤調(diào)度算法問題： 基本屬于串行排隊問題，即單一磁盤(機)組件對于提高整體計算機系統(tǒng)性能的影響是有限的。 解決磁盤訪問速度問題的其它途徑： 與其它領(lǐng)域一樣，磁盤存儲器設(shè)計者認(rèn)識到可以利用多個并行的組件來獲得進(jìn)一步性能提高，即利用并行部件和并行存儲技術(shù)，多磁盤同時操作。 5.6.5廉價磁盤冗余陣列（RAID）精選ppt5.6.5廉價磁盤冗余陣列（RAID）例如，假定處理機需要處理磁盤上10塊數(shù)據(jù)(可以連續(xù)讀取)；若磁盤速度為1塊/ms