計算機設(shè)備管理相關(guān)知識

第五章設(shè)備管理內(nèi)容（1）I/O組成；（2）I/O控制；指I/O完成的方法。（3）I/O緩沖；（4）I/O分配；（5）I/O處理。指具體I/O命令的完成過程。5.1I/O系統(tǒng)5.1.1I/O設(shè)備一、類型（1）按速度分：低：鍵盤中：打印機高：磁盤。（2）按信息交換單位分：塊：磁盤,可定位字符：打印機、串口5.1I/O系統(tǒng)5.1.1I/O設(shè)備一、類型（3）按設(shè)備的共享屬性分：獨占：如臨界資源共享：磁盤虛擬：如本身因有屬性為獨占，但將其虛擬為幾個邏輯設(shè)備。

二、設(shè)備與控制器之間的接口：(圖5.1)CPU―――控制器―――設(shè)備三種信號：（1）數(shù)據(jù)信號：——雙向，有緩存（2）控制信號：控制器發(fā)給設(shè)備；要求其完成相關(guān)操作（3）狀態(tài)信號：設(shè)備發(fā)給控制器，后者“顯示”；5.1.2設(shè)備控制器一、功能：接收CPU命令，控制I/O設(shè)備工作，解放CPU.1.接收和識別命令。應(yīng)有相應(yīng)的Register來存放命令（“命令寄存器”）2.數(shù)據(jù)交換CPU——控制器的數(shù)據(jù)寄存器——設(shè)備3.設(shè)備狀態(tài)的了解和報告設(shè)備控制器中應(yīng)用“狀態(tài)寄存器”

4.地址識別CPU通過“地址”與設(shè)備通信，設(shè)備控制器應(yīng)能識別它所控制的設(shè)備地址以及其各寄存器的地址。5.1.2設(shè)備控制器一、功能：接收CPU命令，控制I/O設(shè)備工作，解放CPU，5.數(shù)據(jù)緩沖6.差錯控制二、組成（圖5.2）各類寄存器：數(shù)據(jù)、命令、狀態(tài)信號線：數(shù)據(jù)線(獨立尋址、內(nèi)存尋址)、地址線、控制線I/O邏輯：在其控制下完成與CPU、設(shè)備的通信。5.1.3I/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)。

5.1.3I/O通道二、類型1.字節(jié)多路通道：（圖5-3）各子通道以時間片輪轉(zhuǎn)方式共享通道，適用于低、中速設(shè)備。2.數(shù)組選擇通道：無子通道，僅一主通道，某時間由某設(shè)備獨占，適于高速設(shè)備。但通道未共享，利用率低。3.數(shù)組多路通道：在圖5-3中，多子通道不是以時間片方式，而是“按需分配”，綜合了前面2種通道類型的優(yōu)點。5.1.3I/O通道三、通道“瓶頸”問題：解決：采用復(fù)聯(lián)方式圖5.45.1.4總總線系系統(tǒng)微機I/O系統(tǒng)統(tǒng)設(shè)備控制制器：與與設(shè)備是是一對多多的關(guān)系系，系統(tǒng)統(tǒng)是通過過它與設(shè)設(shè)備通系統(tǒng)―――設(shè)備控制器―――設(shè)備如：磁盤設(shè)備，打印設(shè)備缺點：總線瓶頸，CPU瓶頸。5.1.4總總線系統(tǒng)統(tǒng)二、主機I/O系統(tǒng)（四四級結(jié)構(gòu)）計算機――――I/O通道道―――I/O控制器――――設(shè)備I/O通道相相當(dāng)于對總線線的擴展，即即多總線方式式，且通道有有一定的智能能性，能與CPU并行，，解決其負擔(dān)擔(dān)。ISA/EISA/LocalBUS/VESA/PCI5.2I/O控制方方式四個階段：程序I/O———中斷I/O——DMA控制———通道控制。。趨勢：提高并并行度。5.2.1程程序I/O（忙—等等待方式）查詢方式：CPU需花代代價不斷查詢詢I/O狀態(tài)態(tài)（圖5-7a）CPU資源浪浪費極大。例：99.9ms+0.1ms=100ms在在5.2.1中99.9在忙忙等5.2.2中中斷I/O向I/O發(fā)命命令——返回回——執(zhí)行其其它任務(wù)。I/O中斷產(chǎn)產(chǎn)生——CPU轉(zhuǎn)相應(yīng)中中斷處理程序序。如：讀數(shù)據(jù)，，讀完后以中中斷方式通知知CPU，CPU完成數(shù)數(shù)據(jù)從I/O——內(nèi)存5.2.3DMA方方式——用于于塊設(shè)備中一、引入中斷I/O，，CPU“字字節(jié)”干預(yù)一一次，即每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。圖5.7c二、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）：DirectMemoryAccessDMADMADMA5.2.4I/O通通道控制方式式DMA方式：：對需多離散散塊的讀取仍仍需要多次中中斷。通道方式：CPU只需給給出（1）通道程程序首址。（2）要訪問問I/O設(shè)備備后，通道程序序就可完成一一組塊操作操作PRecord計數(shù)內(nèi)存地址Write0080813Write001401034Write01605830Write013002000Write002501850Write112507205.3緩緩沖管理目的：組織管管理、分配、、釋放buffer5.3.1引引入1.緩和CPU和I/O設(shè)備間速度度不匹配的矛矛盾。如：計算———打印buffer———打印2.減少對CPU的中斷斷頻率如：buffer越大，，“buffer滿”信信號發(fā)生頻率率越低。3.提高CPU和I/O并行性5.3緩緩沖管理5.3.2單單緩沖由于C和T可可并行，M和和C或M和T不能并行，，因此處理一一塊數(shù)據(jù)時間間：Max(C,T)+M用戶進程何時時阻塞？5.3緩緩沖管理5.3.2雙雙緩沖效率有所提高高，且進一步步平滑了傳輸輸峰值。系統(tǒng)處理一塊塊數(shù)據(jù)的時間間約為：MAX(C,T)收發(fā)可雙向同同時傳送。（（圖5－13）5.3緩緩沖管理5.3.3循循環(huán)多緩緩沖類型：R:空緩沖；；G：滿緩沖沖；C：當(dāng)前前緩沖循環(huán)多緩沖的的使用nextg：指示下一個個應(yīng)取數(shù)據(jù)的的bufnexti：指示下一個個空buf.Getbuf：取nextg對應(yīng)緩沖區(qū)提提供使用，將將Nextg置為空，Nextg=（Nextg+1）ModN將Nexti對應(yīng)緩沖區(qū)提提供使用，將將Nexti置為滿，Nexti=（Nexti+1）ModNReleasebuf:若C滿，則改改為G；若C空，則改改為R；循環(huán)多緩沖的的同步問題Nexti追上Nextg：表示輸入速度度>輸出速度度，全部buf滿，這時時輸入進程阻塞Nextg追上Nexti：輸入速度<輸輸出速度，全全部buf空空，這時輸出出進程阻塞。5.3.4緩緩沖池緩沖池：系統(tǒng)統(tǒng)提供的公用緩沖一、組成：3個隊列：空緩沖隊列emq輸入隊列inq輸出隊列outq四個工作緩沖沖區(qū)：hin：收容容輸入數(shù)據(jù)sin：提取取輸入數(shù)據(jù)hout：收收容輸出數(shù)據(jù)據(jù)sout：提提取輸出數(shù)據(jù)據(jù)二、4種工作作方式1.收容輸入入；2.提取取輸入3.收容輸出出；4.提取取輸出5.3緩緩沖管理1.hin=getbuf(emq);putbuf(inq,hin)2.sin=getbuf(inq); 計算算；putbuf(emq,sin)3.hout=getbuf(emq);putbuf(outq,hout)4.sout=getbuf(outq);輸輸出；putbuf(emq,sout)三、Getbuf和Putbuf過過程Getbuf(type)Beginwait(RS(type));wait(MS(type));B(number):=takebuf(type);signal(MS(type));endPutbuf(type)Beginwait(MS(type));addbuf(type,number);signal(MS(type));signal(RS(type));end5.4設(shè)設(shè)備分配配包括：對設(shè)設(shè)備、設(shè)備備控制器、、通道的分分配5.4.1數(shù)據(jù)據(jù)結(jié)構(gòu)一、設(shè)備控控制表DCT：二、控制器器控制表（（COCT），通道道表（CHCT），，系統(tǒng)設(shè)備備表（SDT），圖圖5-17SDT:記記錄了系統(tǒng)統(tǒng)中全部設(shè)設(shè)備及其驅(qū)驅(qū)動程序地地址。設(shè)備控制表表DCTDCT1DCT2DCTn設(shè)備類型type設(shè)備標(biāo)識符:deviceid設(shè)備狀態(tài)：等/不等忙/閑指向控制器表的指針重復(fù)執(zhí)行次數(shù)或時間設(shè)備隊列的對首指針5.4.2設(shè)備備分配應(yīng)考考慮的若干干因素一、設(shè)備的的固有屬性性：共享+虛擬擬：注意調(diào)調(diào)度的合理理性；獨享：排它它性分配，，控制不好好可能死鎖鎖。二、分配算算法：（1）FIFO；（2）優(yōu)先先權(quán)。5.4.2設(shè)備備分配應(yīng)考考慮的若干干因素三、安全性性：安全分配(同步)：：每進程獲獲得一I/O后，即即block，直到到其I/O完成。即打破了死死鎖條件。。缺點：CPU、I/O對該進進程是串行行，進程進進展緩慢。。不安全分配配（異步））：需進行行安全性檢檢查，進程程執(zhí)行效率率高。5.4.3設(shè)備備獨立性一、概念：：即設(shè)備無關(guān)關(guān)性，指應(yīng)應(yīng)用程序獨獨立于具體體使用的物物理設(shè)備。。邏輯設(shè)備物理設(shè)備邏輯設(shè)備表表（LUT）：邏輯設(shè)備物理設(shè)備Driver入口5.4.3設(shè)備備獨立性分配流程：：進程給出出邏輯名———通過LUT得到到物理設(shè)備備及其driver入口。優(yōu)點：設(shè)備分配更更靈活；邏輯設(shè)備和和物理設(shè)備備間可以是是多——多多的映射關(guān)關(guān)系。提高高了物理設(shè)設(shè)備的共享享性，以及及使用的靈靈活性。如如：某邏輯名可可對應(yīng)這一一類設(shè)備，，提高均衡衡性與容錯錯性。幾個邏輯名名可對應(yīng)某某一個設(shè)備備，提高共共享性。5.4.3設(shè)備備獨立性易于實現(xiàn)I/O重定定向。不變程序，，只需改變變LUT表表的映射關(guān)關(guān)系。二、設(shè)備獨獨立性軟件件執(zhí)行所有設(shè)設(shè)備的公有有操作分配回收名字映射保護緩沖差錯控制向用戶層軟軟件提供統(tǒng)統(tǒng)一接口read、、writeStructgeneral_op{int(*read)(……)int(*write)(…)};driver1:Structgeneral_opdev_op={dev1_read,dev1_write};driver2:Structgeneral_opdev_op={dev2_read,dev2_write};Gen_read(fd,……){ dev_op=map(fd);dev_op->read(…);}5.4.3設(shè)備備獨立性三.名字LUT的生成在用戶進程第一次請求設(shè)備時完成映射并在LUT中生成相應(yīng)項LUT的配置（1）整個系統(tǒng)一張LUT表：要求：邏輯名不重復(fù)，（一般用于單用戶系統(tǒng)）（2）每個用戶一張LUT表?？芍孛?可限制用戶對某些設(shè)備的使用。邏輯設(shè)備物理設(shè)備Driver入口5.4.4獨占占設(shè)備分配配程序進程n請求求設(shè)備：beginsearch(sdt,phdevice)ifnotbusy(phdevice)thenbegincompute(safe)——對獨獨占設(shè)備ifsafethenalloc(n,phdevice);elsebegininsert(DL(phdevice),n);-----將n插插入設(shè)備等等待隊列DL上returnend;設(shè)備忙—elsebegin;insert(DL(phdevice),n);return;end;controllerid=controllerid(COCTptr(dct));――device分ifnotbusy(COCT(controllerid))thenalloc(n,controllerid);elsebegininsert(col,n);return;end;channeled=channeled(chatptr(controllerid));――控制器分配成功ifnotbusy(chct(channelid))thenallocation(n,channelid);elsebegininsert(chl,n)return;end;end;優(yōu)化：1）增加設(shè)設(shè)備的獨立立性2）考慮多多通路情況況5.4.5SPOOLING技術(shù)術(shù)1概念假脫機技術(shù)術(shù)，在聯(lián)機機情況下同同時出現(xiàn)外外圍操作作用：通過過緩沖方式式，將獨占占設(shè)備改造造為共享設(shè)設(shè)備2、spooling組成：：1.輸入＃＃和輸出＃＃：在磁盤上開開辟的2個個大存儲空空間，模擬擬輸入和輸輸出設(shè)備。。2.輸入buf和輸輸出buf（內(nèi)存中中）輸入設(shè)備———輸入buf———輸入#———用戶區(qū)區(qū)（1）用戶區(qū)———輸出#———輸出buf———設(shè)備（2）3.輸入Spi和輸輸出SPo進程。分別控制（（1），（（2）的動動作。SPi相相當(dāng)于脫脫機輸入入控制器器。SPo相相當(dāng)于脫脫機輸出出控制器器。3例(1)輸輸入a.進程程n請求求――>SPi為n在輸入入＃中分分配空間間——>設(shè)備數(shù)數(shù)據(jù)由輸輸入buf送輸輸入#———>生生成輸入請求求表掛輸入請請求隊列列。b.CPU空———取請請求表中中的任務(wù)務(wù),送進進程緩沖沖區(qū)。（2）輸輸出：（（打?。゛.進程程n請求求——>SPo為n在在輸出#中分配配空間———>將將數(shù)據(jù)由由進程buf轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)到輸出出#———>生成成一打印請求求表掛打印請請求隊列列。b.打印印機空———>查查打印請請求表中中的任務(wù)務(wù)——>取輸輸出＃中中對于數(shù)數(shù)據(jù)———>輸出出buf———>打印印4特點1.提高高I/O速度：：對低速設(shè)設(shè)備操作作——>變?yōu)閷斎?出#操操作。2.將獨獨占設(shè)備備改造為為共享設(shè)設(shè)備分配設(shè)備備的實質(zhì)質(zhì)時分配配輸入/出#3.實現(xiàn)現(xiàn)了虛擬擬設(shè)備功功能5.5設(shè)設(shè)備處理理設(shè)備處理理程序即即是設(shè)備備驅(qū)動程程序。設(shè)備驅(qū)動動程序的的功能和和特點設(shè)備驅(qū)動動程序的的處理過過程設(shè)備驅(qū)動動程序的的功能和和特點功能：接收進程程的I/O命令令檢查命令令合法性性檢查設(shè)備備狀態(tài)設(shè)置設(shè)備備工作方方式驅(qū)動I/O操作作響應(yīng)設(shè)備備中斷構(gòu)成通道道程序設(shè)備驅(qū)動動程序的的功能和和特點特點：和硬件緊緊密相關(guān)關(guān)、各個個設(shè)備有有自己的的設(shè)備驅(qū)驅(qū)動5.5.2設(shè)備備驅(qū)動程程序處理理過程包括啟動過程程中斷處理理過程啟動過程程將抽象要要求轉(zhuǎn)化化為具體體要求檢查I/O請求求合法性性讀出和檢檢查設(shè)備備狀態(tài)傳送必要要的參數(shù)數(shù)設(shè)置工作作方式啟動I/O設(shè)備備5.5.3中斷斷處理程程序流程設(shè)備啟動動－>I/O完完成－>發(fā)送中中斷－>CPU調(diào)用中中斷處理理過程中斷處理理過程喚醒被阻阻塞的驅(qū)動程序進程程保護被中中斷進程程環(huán)境轉(zhuǎn)入相應(yīng)應(yīng)的設(shè)備備處理程程序中斷處理理(特性)恢復(fù)被中中斷進程程的現(xiàn)場場5.6磁磁盤存儲儲器管理理5.6.1磁磁盤性能能簡述一、數(shù)據(jù)據(jù)組織和和格式（（圖5－－22））磁道———扇區(qū)———字節(jié)節(jié)二、類型型1.固定定頭磁盤盤：每個磁道道上有一一個磁頭頭，快2.移動動頭磁盤盤：每個盤面面僅有一一個磁頭頭，慢5.6.1磁磁盤性能能簡述三、磁盤盤訪問時時間：1.尋道道時間：：TS=m*n+Sm：常量量，n：：磁道數(shù)數(shù)，s：：磁盤啟啟動時間間。2.旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)延時間間Tr：：指定扇區(qū)區(qū)旋轉(zhuǎn)到到磁頭下下所需時時間。設(shè)每秒r轉(zhuǎn)，則則Tr＝＝1/2r（均均值）3.數(shù)據(jù)據(jù)傳輸時時間Tt＝b/rNb：讀寫寫字節(jié)數(shù)數(shù)N：每道道上的字字節(jié)數(shù)訪問時間間：Ta=Ts+1/2r+b/rN可見，由由于特定定磁盤，，只有集集中放數(shù)數(shù)據(jù)，集集中讀寫寫（b大大）才能能更好提提高傳輸輸效率。。例子尋道時間間:20ms磁盤通道道傳輸速速率:1MB/s轉(zhuǎn)速r=3600rpm每扇區(qū)512字字節(jié)每磁道32扇扇區(qū)目標(biāo)：讀讀128k數(shù)數(shù)據(jù)時間比較較60*16k=960k<1MB/s順序組織織(20＋＋8.3＋16.7)＋(8.3＋＋16.7)××7＝220(ms)隨機組織織(20＋＋8.3＋0.5)××256＝7373(ms)5.6.2磁磁盤調(diào)度度目標(biāo)：減減少尋道道時間一、FCFS（（FisrtComeFirstSecond））特點：簡簡單，尋尋道時間間長，相相當(dāng)于隨隨機訪問問模式。。二、SSTF（（最短尋尋道優(yōu)先先）三、掃描描算法。。1.進程程“饑餓餓現(xiàn)象””SSTF存在。。2.SCAN算算法：在移動方方向固定定的情況況下采用用了SSTF，，以避免免饑餓現(xiàn)現(xiàn)象FCFS調(diào)度算算法SSTF調(diào)度算算法100道開始被訪問的下一個磁道移動距離5545583391918219072160701501038112184146平均尋道長度：55.3100道開始被訪問的下一個磁道移動距離90105832553391638118201501321601018424平均尋道長度：27.55.6.2磁磁盤調(diào)度度四、循環(huán)環(huán)掃描CSCAN（圖圖9-5）一個方向向讀完，，不是象象SCAN那樣樣回頭，，而是循循環(huán)。訪問時間間：2TT+Smax五、N——Step—SCAN和FSCAN算法。。1.N—Step——SCAN粘臂：由由于連續(xù)續(xù)對某磁磁道訪問問引起的的壟斷訪訪問，將將磁盤請請求隊列列分為長長為N的的子隊列列m個，，如下圖圖處理。。當(dāng)N=1時，，為FCFS。。當(dāng)N時時，為SCAN.5.6.2磁磁盤調(diào)度度2.FSCANSCAN調(diào)度算算法CSCAN調(diào)度度算法100道開始，增加方向被訪問的下一個磁道移動距離1505016010184249094583255339163811820平均尋道長度：27.8100道開始，增加方向被訪問的下一個磁道移動距離15050160101842418166382039155165839032平均尋道長度：27.55.6.3磁磁盤高速速緩存形式邏輯上是是磁盤、、物理上上是駐留留在內(nèi)存存中的盤盤塊固定大小小和可變變大小數(shù)據(jù)交付付方式數(shù)據(jù)交付付指將磁磁盤高速速緩存中中的數(shù)據(jù)據(jù)傳送給給請求者者進程步驟：先先查緩存存、后查查磁盤并并更新緩緩存方式：數(shù)據(jù)交付付指針交付付5.6.3磁磁盤高速速緩存置換算法法最近最久久訪問頻率率可預(yù)見性性數(shù)據(jù)一致致性：將將需要一一致性的的塊放在在替換隊隊列的頭頭部，優(yōu)優(yōu)先回寫寫。周期性回回寫磁盤盤例：ms－dos采用用寫穿透透方式5.6.4提提高磁盤盤I/O速度的的其它方方法提前讀延遲寫訪問頻率率高的磁磁盤塊放放在替換換隊列的的尾部，，減少回回寫次數(shù)數(shù)優(yōu)化物理理塊的分分布目的是減減小磁頭頭移動距距離簇分配方方式：一一個簇為為多個連連續(xù)的塊塊虛擬盤（（RAM盤）和磁盤高高速緩存存區(qū)別：：虛擬盤盤由用戶戶控制；；磁盤高高速緩存存由系統(tǒng)統(tǒng)控制。。5.6.5廉廉價磁盤盤冗余陣陣列并行交叉叉存?。ǎl化存存?。┤哂啻嫒∪⌒ｒ灤嫒∪?yōu)點可靠性高高磁盤I/O速度度高性價比高高RAID0(不冗冗余）RAID0RAID0不冗余不校驗分布式存存儲低可靠性性低價格并行I/O訪訪問RAID1(鏡像像)分布存放放鏡像冗余余不校驗RAID1讀性能比比RAID0好(選擇擇尋道時時間小的的磁盤訪訪問)寫性能比比RAID0差存儲開銷銷大可靠性高高RAID2(漢明明碼校驗驗冗余)RAID3用一個校校驗盤RAID4(Block-LevelParity)RAID4和RADI3相相比較，，RAID4基基于大的的塊校驗驗RAID5RAID5解決了RAID4校驗驗盤不可可靠性問問題試驗實現(xiàn)SSTF算算法和SCAN算法要求給出任意意的輸入入流、計計算平均均尋道長長度。輸入流流長度度、磁磁頭移移動方方向可可定制制。測試：：設(shè)有有100各各磁道道，訪訪問序序列如如下：23，5，98，14，66，25，78，34，66，74，56，87，12，39，71，49，58當(dāng)前磁頭在50道，上次訪問的磁道是18道。9、靜夜四無鄰鄰，荒居舊業(yè)業(yè)貧。。12月-2212月-22Wednesday,December28,202210、雨中黃葉葉樹，燈下下白頭人。。。21:54:0121:54:0121:5412/28/20229:54:01PM11、以以我我獨獨沈沈久久，，愧愧君君相相見見頻頻。。。。12月月-2221:54:0121:54Dec-2228-Dec-2212、故人人江海海別，，幾度度隔山山川。。。21:54:0121:54:0121:54Wednesday,December28,202213、乍見見翻疑疑夢，，相悲悲各問問年。。。12月月-2212月月-2221:54:0121:54:01December28,202214、他鄉(xiāng)生生白發(fā)，，舊國見見青山。。。28十十二月20229:54:01下午午21:54:0112月-2215、比不了得得就不比，，得不到的的就不要。。。。十二月229:54下下午12月-2221:54December28,202216、行動出成成果，工作作出財富。。。2022/12/2821:54:0121:54:0128December202217、做做前前，，能能夠夠環(huán)環(huán)視視四四周周；；做做時時，，你你只只能能或或者者最最好好沿沿著著以以腳腳為為起起點點的的射射線線向向前前。。。。9:54:01下下午午9:54下下午午21:54:0112月月-229、沒有失敗，，只有暫時停停止成功！。。12月-2212月-22Wednesday,December28,202210、很多多事情情努力力了未未必有有結(jié)果果，但但是不不努力力卻什什么改改變也也沒有有。。。21:54:0121:54:0121:5412/28/20229:54:01PM11、成功就就是日復(fù)復(fù)一日那那一點點點小小努努力的積積累。。。12月-2221:54:0121:54Dec-2228-Dec-2212、世間成事，，不求其絕對對圓滿，留一一份不足，可可得無限完美美。。21:54:0121:54:0121:54Wednesday,December28,202213、不知香香積寺，，數(shù)里入入云峰。。。12月-2212月-2221:54:0121:54:01December28,202214、意志志堅強強的人人能把把世