第七章設備管理

第7章設備管理最復雜最瑣碎的部分磁帶機硬盤光盤繪圖儀掃描儀鍵盤打印機7.1設備管理的概念

---設備的分類按傳輸速率分類低速設備：每秒幾個到數百字節(jié)。如Modem，鍵盤中速設備：每秒數千到數萬字節(jié)。如打印機高速設備：每秒數百K到數兆。如磁盤7.1設備管理的概念

---設備的分類按信息交換的單位分類字符型設備：這類設備也稱為輸入/輸出型設備。在信息存取調用時，都是以字符為單位來訪問的。如鍵盤、紙帶輸入機、打印機等屬于該類型設備。塊設備：這種設備也稱為存儲型設備，在其上信息的組織、安排，都以塊為單位進行。常見的有磁盤、磁帶機、磁鼓等。7.1設備管理的概念

---設備的分類從資源分配角度進行劃分獨占設備：一次只允許分給一個用戶作業(yè)使用的設備。而且，這類設備如果分配不當，可能會造成死鎖。多數是一些慢速設備，如讀卡機、打印機等。共享設備：一次可以允許多個作業(yè)同時進行訪問的設備。各作業(yè)在執(zhí)行期間內，可以交替分時地對共享設備進行占用。常見的有磁盤、磁鼓等。按使用特性分類：7.1設備管理的概念

---設備的分類7.1設備管理的概念

---設備管理的任務建立方便、一致的用戶界面。盡量使CPU與外圍設備、外設與外設之間的并行處理能力提高。充分發(fā)揮I/O設備的效率。7.1設備管理的概念

---設備管理的功能提供和進程管理系統的接口。進行設備分配。實現設備和設備、設備和CPU等之間的并行操作。進行緩沖區(qū)管理。7.2I/O控制方式四個階段：程序I/O（輪詢方式）——中斷I/O——DMA控制——通道控制。趨勢：提高并行度。7.2I/O控制方式

---輪詢方式

輪詢方式又稱程序直接控制方式，就是由用戶進程來直接控制內存或CPU和外圍設備之間的信息傳送。

一旦CPU啟動I/O設備，便不斷查詢I/O設備的準備情況，終止原程序的執(zhí)行，浪費CPU時間；I/O準備就緒后，CPU參與數據傳送工作，而不能執(zhí)行原程序。CPU和I/O設備串行工作，使主機不能充分發(fā)揮效率，外圍設備也不能得到合理使用，整個系統效率很低。7.2I/O控制方式

---輪詢方式7.2I/O控制方式

---中斷方式CPU啟動I/O設備后，不必查詢I/O設備是否就緒，而是繼續(xù)執(zhí)行其它進程。當設備將數據準備好，發(fā)出中斷信號后，CPU再進行中斷處理。提高了CPU和設備間的并行效率。7.2I/O控制方式---中斷方式向I/O發(fā)命令——返回——執(zhí)行其它任務。I/O中斷產生——CPU轉相應中斷處理程序。如：讀數據，讀完后以中斷方式通知CPU，CPU完成數據從I/O—內存的傳送。中斷處理程序中，CPU全程參與數據傳輸操作，它從I/O接口讀一個字(字節(jié))并寫入主存，如果I/O設備上的數據尚未傳送完成，轉向現行程序再次啟動I/O設備，重復上述過程；否則，中斷處理程序結束后，繼續(xù)從K+1條指令執(zhí)行。7.2I/O控制方式

---DMA方式DMA方式又稱直接存儲器訪問方式。其基本思想是在外設和主存之間開辟直接的數據交換通路。7.2I/O控制方式

---DMA方式DMA方式的特點是：數據傳送的基本單位是數據塊。所傳送的數據是從設備送內存，或者相反。僅在傳送數據的開始和結束時，才需中斷CPU請求干預，減少了CPU中斷處理的次數。數據傳送工作由DMA完成而不是由CPU完成。7.2I/O控制方式

---DMA方式7.2I/O控制方式

---通道控制方式

通道是一個獨立于CPU的專管輸入輸出控制的處理機，它控制設備與內存直接進行數據交換。它有自己的通道指令，這些通道指令受CPU啟動，并在操作結束時向CPU發(fā)中斷信號。7.2I/O控制方式

---通道控制方式與DMA方式不同的是：在DMA方式中，數據的傳送方向、存放數據的內存始址以及傳送的數據塊長度等都由CPU控制。而在通道方式中，這些都由專管輸入輸出的硬件——通道來進行控制。7.2I/O控制方式

---通道控制方式與DMA方式不同的是：與DMA方式中要求每臺設備至少一個DMA控制器。通道控制方式可以做到一個通道控制多臺設備與內存進行數據交換，從而，通道方式進一步減輕了CPU的工作負擔和增加了計算機系統的并行工作程度。在通道方式下CPU只需發(fā)出啟動指令，指出通道相應的操作和I/O設備，該指令就可啟動通道并使該通道從內存中調出相應的通道指令執(zhí)行。通道指令一般包含有被交換數據在內存中應占據的位置、傳送方向、數據塊長度以及被控制的I/O設備的地址信息、特征信息等，通道指令在通道中沒有存儲部件時存放在內存中。7.2I/O控制方式

---通道控制方式7.2I/O控制方式

---通道控制方式7.2I/O控制方式

---通道控制方式選擇通道磁盤字節(jié)多路通道打印機輸入機內存儲器處理機磁帶數組多路通道7.3中斷技術

---中斷的基本概念

中斷：是指計算機在執(zhí)行期間，系統內發(fā)生任何非尋常的或非預期的急需處理事件，使得CPU暫時中斷當前正在執(zhí)行的程序而轉去執(zhí)行相應的事件處理程序，待處理完畢后又返回原來被中斷處繼續(xù)執(zhí)行或調度新的進程執(zhí)行的過程。7.3中斷技術

---中斷的基本概念中斷源：引起中斷發(fā)生的事件被稱為中斷源。中斷請求：中斷源向CPU發(fā)出的請求中斷處理信號稱為中斷請求。中斷響應：CPU收到中斷請求后轉相應的事件處理程序稱為中斷響應。7.3中斷技術

---中斷的基本概念根據中斷源產生的條件外中斷（中斷）內中斷（陷阱）二者的區(qū)別（P284）軟中斷通信進程之間用來模擬硬中斷的一種信號通信方式硬中斷7.3中斷技術

---中斷處理過程流程設備啟動I/O完成發(fā)送中斷CPU調用中斷處理過程中斷處理過程保護被中斷進程環(huán)境轉入相應的設備處理程序中斷處理(特性)恢復被中斷進程的現場7.6I/O軟件原理

---I/O軟件的設計目標和原則設備的獨立性：用戶編制程序使用的設備與實際使用的設備無關。用戶編程時只考慮邏輯設備，系統調用的是物理設備，邏輯設備與物理設備間的轉化工作由設備分配程序來完成。當某臺設備壞了，只要操作系統改變分配就行了，而程序本身不必做任何修改。設備獨立性在計算機系統中，可以配置的外設品種繁多。而且在小型機以上的計算機系統中，可以同時接入多臺同樣的外設。為了便于對這些外設進行管理，系統對每臺進入計算機系統中的設備都給定一個對應的編號，作為調用時識別和區(qū)分設備用。這種編號無任何重復，一般被稱為設備的絕對號（或物理設備名）設備獨立性

有了設備的絕對號，系統在管理過程中對設備的調用變得簡單而方便。但作為用戶而言，如果直接讓其用絕對號來申請設備，就會造成用戶在使用中極不方便，復雜程度增加。設備獨立性

特別是在多通道程序環(huán)境下，用戶想查找哪臺設備是空閑的，哪臺是被占用的，根本是不可能的。有時申請的設備可能剛好很忙，而未被申請的其他同類設備即使處于空閑狀態(tài)也不能使用，造成了設備使用的靈活性降低，設備利用率差。所以在系統中一般不允許用戶用絕對號來直接申請所需的設備。設備獨立性為了方便用戶，也為了提高外設利用率，在計算機中規(guī)定用戶申請外設時，只需要向系統說明所需用的某類設備，至于真正在實際中使用哪臺設備，由系統根據這類設備的應用情況作出分配。設備獨立性即使用戶所需多臺同樣的設備，系統也允許用戶按自己的使用要求提出編號，這種由用戶申請設備時所用的編號稱為相對號（或稱邏輯設備名）

有了設備的絕對號和相對號后，用戶編制程序使用的設備與實際使用的設備無關，這就是設備的獨立性。設備獨立性具備設備獨立性的計算機系統中，用戶編程時只考慮邏輯設備，系統調用的是物理設備，邏輯設備與物理設備間的轉化工作由設備分配程序來完成。這樣，使系統的適應性好，靈活性強，對改善資源利用率極為有利。當某臺設備壞了，只要操作系統改變分配就行了，而程序本身不必做任何修改。對方便用戶，改善資源利用率、提高系統的可擴展性和可適應性都有極大的好處。7.6I/O軟件原理

---I/O軟件的設計目標和原則例如：有１、２、３號打印機，作業(yè)J1要申請其中兩臺，如果讓J1直接申請１號、２號打印機，此時，如果１號打印機為另一作業(yè)J2占用，即使系統中還有一臺可用，J1也必須等待，造成資源浪費。如能讓作業(yè)J1按相對號來申請設備，則可以避免這種缺陷。J1只要提出某類設備兩臺，系統可將剩下的兩臺分給J1，J1就可運行。設備得到充分利用。用戶進程進行I/O調用；格式化I/O；SPOOLING設備無關軟件命名；保護；阻塞；緩沖；分配設備驅動程序建立設備寄存器；檢查狀態(tài)硬件執(zhí)行I/O操作中斷處理程序當I/O結束時，喚醒驅動程序層次I/O應答I/O功能I/O請求磁盤是一種直接(隨機)存取存儲設備。它的每個物理記錄有確定的位置和唯一的地址，存取任何一個物理塊所需的時間幾乎不依賴于此信息的位置。磁盤包括多個盤面用于存儲數據。每個盤面有一個讀寫磁頭，所有的讀寫磁頭都固定在惟一的移動臂上同時移動。7.7磁盤調度和管理

---磁盤的結構7.7磁盤調度和管理

---磁盤的結構在一個盤面上的讀寫磁頭的軌跡稱為磁道在磁頭位置下的所有磁道組成的圓柱體稱為柱面一個磁道又可劃分成一個或多個物理塊，通常稱為扇區(qū)7.7磁盤調度和管理

---磁盤調度為了讀取磁盤上的信息，磁頭必須能移到所要求的磁道上，并等待所要求的扇區(qū)的開始位置旋轉到磁頭下，然后再開始讀或寫數據，故整個磁盤的訪問時間可分成三個部分：尋道時間旋轉延遲時間數據傳輸時間。7.7磁盤調度和管理

---磁盤調度尋道時間是磁臂將磁頭移動到包含目標扇區(qū)的柱面時間。旋轉延遲時間是磁盤需要將目標扇區(qū)轉動到磁頭下的時間。數據處理時間是指從磁盤讀出數據或向磁盤寫入數據的時間。7.7磁盤調度和管理

---磁盤調度常用的磁盤調度算法先來先服務（FCFS）最短尋道時間優(yōu)先(SSTF)掃描算法(SCAN,或電梯算法)先來先服務（FCFS）按訪問請求到達的先后次序服務假設磁盤訪問序列：98，183，37，122，14，124，65，67。讀寫頭起始位置：53，最短尋道時間優(yōu)先(SSTF)

SSTF算法選擇與當前磁頭位置最近的請求作為下一個服務對象，即尋道時間最短的請求。掃描算法(SCAN)

磁臂從磁盤的一端向另一端移動，同時當磁頭移過每個柱面時