ch-4設備管理講義

1、ch-4設備管理講義4.1 概述4.1.1 計算機設備的分類1、按設備從屬關(guān)系 （1）系統(tǒng)設備：鍵盤、顯示器、打印機 （2）用戶設備：2、 按設備分配特性（1）獨享設備：打印機（2）共享設備：磁盤（3）虛擬設備：SPOOLing技術(shù)3、按設備的工作特性（1）輸入/輸出設備：鍵盤（2）存儲設備：磁盤柱面扇區(qū)磁臂磁頭物理地址形式： 磁頭號（盤面號） 磁道號（柱面號） 扇區(qū)號一次訪盤請求：讀/寫，磁盤地址（設備號，柱面號，磁頭號，扇區(qū)號），內(nèi)存地址（源/目）4.1.2 設備管理的目標和功能1、設備管理的目標提高外設的利用率為用戶提供便利、統(tǒng)一的使用界面2、設備管理的功能（1）提供一組I/O命令（2）

2、進行設備的分配與回收（3）對緩沖區(qū)管理（4）實現(xiàn)真正的I/O操作4.2 輸入、輸出的處理步驟設備驅(qū)動程序初始化并啟動I/O完成真正的I/O返回輸入/輸出管理程序設備中斷處理程序保護中斷現(xiàn)場傳送數(shù)據(jù)恢復現(xiàn)場調(diào)用設備驅(qū)動程序用戶進程程序 Read(input,buffer);Buffer(緩沖區(qū)) 輸入/輸出管理程序阻塞調(diào)用進程驗證I/O請求調(diào)用設備驅(qū)動程序校驗設備狀態(tài)激活調(diào)用進程發(fā)出I/O請求4.3 設備的分配與調(diào)度算法4.3.1 管理設備時的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)1.設備控制塊：記錄每一臺設備的基本信息DCB1DCBiDCBn設備標識設備類型設備狀態(tài)設備請求隊列指針設備驅(qū)動程序起址其他2.系統(tǒng)設備表：整個系

3、統(tǒng)一張表目1表目i表目n設備標識設備類型設備DCT指針4.3.2 獨享設備的分配獨享設備：排他性設備。鍵盤，磁帶機，打印機。 靜態(tài)分配絕對號：設備的內(nèi)部編號相對號：用戶對設備的編號（設備類，相對號）設備類擁有設備臺數(shù)現(xiàn)存臺數(shù)設備表地 址輸入機42打印機20絕對號狀態(tài)使用情況占用作業(yè)名相對號001好已分配Job1002002好空閑003好空閑004好已分配Job2001絕對號狀態(tài)使用情況占用作業(yè)名相對號005好已分配Job1001006好已分配Job30024.3.3 共享磁盤的調(diào)度完成過程由三個動作組成：查找時間：磁頭移動定位到指定磁道等待時間：等待指定扇區(qū)旋轉(zhuǎn)到磁頭下傳輸時間：數(shù)據(jù)在磁盤與內(nèi)

4、存之間的實際傳輸磁盤的調(diào)度磁盤是可被多個進程共享的設備。當有多個進程都請求訪問磁盤時，訪問的磁道位置不一樣。如何在公平情況下縮短尋道時間？磁盤調(diào)度算法。先來先服務、最短尋道時間優(yōu)先、掃描算法、循環(huán)掃描算法等。 磁盤移臂調(diào)度算法 1. 先來先服務 (FCFS)最簡單的磁盤調(diào)度算法。根據(jù)進程請求訪問磁盤的先后次序進行調(diào)度。優(yōu)點:公平、簡單，且每個進程的請求都能依次得到處理，不會出現(xiàn)某進程的請求長期得不到滿足的情況。由于未對尋道進行優(yōu)化，致使平均尋道時間可能較長。FCFS調(diào)度算法磁頭移動的磁道數(shù)：45+3+19+21+72+70+10+112+146=4982. 最短尋道時間優(yōu)先(SSTF)SSTF

5、算法選擇這樣的進程，其要求訪問的磁道與當前磁頭所在的磁道距離最近，使得每次的尋道時間最短。但不能保證平均尋道時間最短。SSTF調(diào)度算法磁頭移動的磁道數(shù)：10+32+3+16+1+20+132+10+24=2483. 掃描算法(SCAN)掃描算法不僅要考慮欲訪問的磁道與當前磁道的距離，更優(yōu)先考慮的是磁頭的當前移動方向。SCAN調(diào)度算法磁頭移動的磁道數(shù)：50+10+24+94+32+3+16+1+20=2504. 單向掃描調(diào)度算法( CSCAN)SCAN存在的問題：當磁頭剛從里向外移動過某一磁道時，恰有一進程請求訪問此磁道，這時該進程必須等待，待磁頭從里向外、然后再從外向里掃描完所有要訪問的磁道后

6、，才處理該進程的請求，致使該進程的請求被嚴重地推遲。 CSCAN調(diào)度算法磁頭移動的磁道數(shù)：50+10+24+94+32+3+16+1+20=250例題（P99）例4-1例4-24.4 數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞?.4.1 設備控制器I/O設備包括一個機械部件和一個電子部件。電子部件稱為設備控制器或適配器，在PC中，常常是插入主板擴充槽的印刷電路板；機械部件則是設備本身。單總線結(jié)構(gòu)的I/O系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實例 設備控制器組成控制邏輯電路CPU控制寄存器狀態(tài)寄存器數(shù)據(jù)寄存器外部設備控制器與設備接口數(shù)據(jù)狀態(tài)控制4.4.2 程序循環(huán)測試方式設備控制器 數(shù)據(jù)寄存器 狀態(tài)寄存器CPU 啟動輸入/輸出指令，start 測試設備

7、控制器中狀態(tài)寄存器內(nèi)容的指令，test數(shù)據(jù)傳輸方式 用戶進程使用start指令啟動設備，不斷執(zhí)行test指令，測試設備的狀態(tài)寄存器。完成操作，停止測試。4.4.3 中斷方式中斷：使CPU暫時中止正在執(zhí)行的程序而轉(zhuǎn)去處理特殊事件的操作。CPU內(nèi)存儲器打印機控制器啟動位 中斷允許位狀態(tài)寄存器數(shù)據(jù)寄存器系統(tǒng)總線特點： CPU啟動設備后，不必忙著查詢I/O準備情況，CPU和I/O設備可實現(xiàn)部分并行。 I/O操作包括：啟動設備，數(shù)據(jù)傳輸，I/O管理及善后處理。 數(shù)據(jù)寄存器滿，控制器發(fā)送中斷請求，一次數(shù)據(jù)傳輸可能要發(fā)生多次中斷。4.4.4 直接存儲器存取方式DMA：直接存儲器存取（Direct Memor

8、y Access）適用于高速I/O設備CPU內(nèi)存儲器磁盤控制器啟動位 中斷允許位狀態(tài)寄存器地址寄存器計數(shù)數(shù)據(jù)寄存器字節(jié)計數(shù)器磁盤驅(qū)動器DMA控制器 系統(tǒng)總線特點（1）DMA控制器是在獲得總線控制權(quán)的情況下直接與內(nèi)存儲器進行數(shù)據(jù)交換，CPU不介入數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜魏问乱耍?）DMA方式下，設備與內(nèi)存儲器之間進行的是成批數(shù)據(jù)傳輸（3）DMA方式傳輸時，CPU不得使用總線，無并行工作問題（4）DMA方式下，CPU只作啟動和善后處理工作，數(shù)據(jù)傳輸和I/O管理均DMA負責。4.4.5 通道方式通道：獨立于CPU的，專門用于輸入輸出的處理機。通道命令字：通道自行的指令通道程序：通道命令字構(gòu)成，通道執(zhí)行，規(guī)定設備

9、自行的操作和順序。通道地址字：通道程序存放在內(nèi)存中的起始地址。CPU通道1通道2控制器1控制器2控制器3控制器4設備4-1設備4-0設備3-1設備3-0設備2-1設備2-0設備1-1設備1-0帶有通道的I/O結(jié)構(gòu)圖中央處理器用戶程序操作系統(tǒng)保護進程j現(xiàn)場組織CCWCCW首址送CAW發(fā)SIO分析條件碼出錯進行處理啟動成功進程j等待選進程K運行保護進程K現(xiàn)場分析中斷文件處理I/O中斷選擇進程運行判斷狀態(tài)形成條件碼執(zhí)行CCW控制設備操作記錄操作狀態(tài)到CSW產(chǎn)生中斷事件CSW存入主存通道號、設備號存入主存特定單元發(fā)I/O中斷執(zhí)行規(guī)定I/O操作控制器和設備結(jié)束中斷通道I/O控制器和設備請求I/O進程j進

10、程k進程j或k通道I/O過程特點 CPU對I/O請求只作啟動和善后處理，輸出輸出及數(shù)據(jù)傳輸全部由通道獨立完成，CPU與設備之間真正并行操作。4.5 設備管理中的若干技術(shù)4.5.1 I/O緩沖技術(shù)緩沖：為了匹配CPU和設備之間的速度差異例：假定某打印機緩沖存儲器大小32KB，若打印64KB數(shù)據(jù)，CPU將前32KB傳送到緩沖區(qū)后執(zhí)行其他操作。打印完成，向CPU發(fā)出中斷，CPU再傳送后32KB。 若沒有中斷和緩沖，CPU必須等待打印機打印完1B才能繼續(xù)傳送下一字節(jié)。緩沖實現(xiàn)方法采用專門硬件寄存器：如數(shù)據(jù)寄存器硬件緩沖在內(nèi)存中開辟n個內(nèi)存單元軟件緩沖根據(jù)系統(tǒng)設置緩沖區(qū)的個數(shù)，可以分為單緩沖,雙緩沖，多

11、緩沖和緩沖池（1）單緩沖（2）雙緩沖生產(chǎn)者緩沖區(qū)消費者生產(chǎn)者消費者緩沖區(qū)1緩沖區(qū)2（3）多緩沖 系統(tǒng)為同類型的輸入輸出設備設置兩個公共緩沖隊列，一個用于輸入，一個用于輸出。 （4）緩沖池 系統(tǒng)為同類型的輸入輸出設備設置一個公共緩沖隊列，既用于輸入也用于輸出。輸入緩沖首指針緩沖區(qū)緩沖區(qū)緩沖區(qū)緩沖區(qū)輸出緩沖首指針緩沖區(qū)緩沖區(qū)緩沖區(qū)緩沖區(qū)4.5.2 虛擬設備與SPOOLing技術(shù)獨占設備虛擬設備：操作系統(tǒng)利用大容量的共享設備磁盤作為后援，用軟件技術(shù)模擬獨占設備的工作，使得每個用戶感覺自己獨占該設備。用一類物理設備模擬出的另一類設備稱為“虛擬設備”。實現(xiàn)條件：硬件大容量磁盤 軟件多道程序設計作業(yè)1信息作業(yè)n信息作業(yè)1結(jié)果作業(yè)n結(jié)果預輸入程序緩輸出程序井管理讀程序井管理寫程序作業(yè)的執(zhí)行作業(yè)1信息作業(yè)n信息作業(yè)1