專升本操作系統(tǒng)第五章進(jìn)程管理課件

操作系統(tǒng)

OperatingSystem第五章設(shè)備管理概述5.1設(shè)備管理概述5.2I/O控制方式5.3中斷技術(shù)5.4緩沖技術(shù)5.5設(shè)備分配及設(shè)備的處理程序5.6Spooling系統(tǒng)5.7磁盤設(shè)備管理5.1.1設(shè)備類型1、按從屬關(guān)系分系統(tǒng)設(shè)備和用戶設(shè)備2、按傳輸速率分低速、中速、高速3、按操作特性分類存儲設(shè)備和輸入/輸出（I/O）設(shè)備。4、按設(shè)備共享性分獨占、共享、虛擬設(shè)備5、按傳輸?shù)男畔⑻攸c分類字符設(shè)備和塊設(shè)備。

5.1.3設(shè)備管理的目標(biāo)提高設(shè)備的利用率為用戶提供方便、統(tǒng)一的界面。5.1.4設(shè)備管理結(jié)構(gòu)邏輯I/O

（1）針對用戶接口，提供抽象的命令

（2）針對通信設(shè)備，如網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

（3）針對文件存儲設(shè)備，是文件系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)控制設(shè)備I/O

（1）用戶命令到設(shè)備操作序列的轉(zhuǎn)換

（2）I/O緩沖：提高I/O效率調(diào)度和控制：物理設(shè)備控制實體；直接面對硬件設(shè)備的控制細(xì)節(jié)。

（1）并發(fā)I/O訪問調(diào)度

（2）設(shè)備控制和狀態(tài)維護(hù)

（3）中斷處理

5.1.5設(shè)備控制器和I/O通道設(shè)備管理器設(shè)備管理器一般位于CPU和I/O設(shè)備之間，接收CPU發(fā)來的命令，并控制I/O設(shè)備工作，使處理機(jī)從繁雜的設(shè)備控制事務(wù)中解脫出來。功能：接收來自CPU的各種命令，實現(xiàn)CPU與控制器、控制器和設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換，記錄設(shè)備的狀態(tài)供CPU查詢，識別控制的每個設(shè)備地址。5.2I/O控制方法I/O控制方法經(jīng)歷了4個發(fā)展階段：程序直接控制方法中斷控制方法

DMA控制方法通道控制方法5.2.1程序直接控制方式生產(chǎn)人員停下生產(chǎn)，由他們將其中的部分產(chǎn)品裝上車，然后等待車子回來再裝車，如此下去，直到要運(yùn)走的產(chǎn)品全部運(yùn)完才繼續(xù)生產(chǎn)。早期的計算機(jī)系統(tǒng)中，由于沒有中斷機(jī)構(gòu)，處理機(jī)在處理數(shù)據(jù)的時候必須等待I/O設(shè)備。程序直接控制很簡單，但是CPU的利用率太低。5.2.2中斷控制方法生產(chǎn)人員停下生產(chǎn)，由他們將其中的產(chǎn)品運(yùn)走，然后他們繼續(xù)生產(chǎn)，等車子回來后再次停下生產(chǎn)，如此下去，直到產(chǎn)品全部運(yùn)完。當(dāng)進(jìn)程要啟動某個I/O設(shè)備時，便有CPU向相應(yīng)的設(shè)備控制器發(fā)出一條I/O命令，然后立即返回繼續(xù)執(zhí)行原來的任務(wù)。設(shè)備控制器就按照該命令的要求去控制I/O設(shè)備。中斷方式大大提高了CPU的利用率，但是還是有很多問題，如，每個設(shè)備每輸入/輸出一個數(shù)據(jù)，都要求CPU中斷，在數(shù)據(jù)量大的情況下，還是會浪費(fèi)很多的CPU時間。5.2.4通道控制方法由運(yùn)輸隊的人員利用自己的設(shè)備將這批產(chǎn)品裝車運(yùn)走，生產(chǎn)人員繼續(xù)生產(chǎn)，不用擔(dān)心運(yùn)輸由于DMA每次只能執(zhí)行一條I/O指令，不能滿足復(fù)雜的I/O操作要求。大型的計算機(jī)系統(tǒng)中，一般采用由專門的I/O處理機(jī)來接受CPU委托，獨立執(zhí)行自己的通道程序來實現(xiàn)I/O設(shè)備與內(nèi)存之間的信息交換。5.2.4通道控制方法在通道控制方法中，當(dāng)進(jìn)程要求輸入數(shù)據(jù)，CPU只需發(fā)出啟動指令，指出通道相應(yīng)的操作和I/O設(shè)備，對應(yīng)通道接收到CPU發(fā)來的啟動指令后，把存放在內(nèi)存中的通道指令程序讀出，并執(zhí)行通道程序，控制設(shè)備將數(shù)據(jù)傳送到內(nèi)存中指定的區(qū)域。當(dāng)數(shù)據(jù)傳送結(jié)束時，通道向CPU發(fā)出中斷信號，CPU收到中斷信號后轉(zhuǎn)中斷處理程序，喚醒等待輸入的進(jìn)程，并返回北中斷程序。5.2.4通道控制方法按照傳輸速率的不同，將通道分為以下三種類型字節(jié)多路通道數(shù)組選擇通道數(shù)組多路通道5.3.1中斷的基本概念引起中斷發(fā)生的事件叫做中斷源中斷源向CPU發(fā)出的請求中斷處理的信號叫做中斷請求。CPU收到中斷請求后轉(zhuǎn)向相應(yīng)事件處理程序的過程叫做中斷響應(yīng)。發(fā)生中斷時，剛執(zhí)行的那條指令所在的單元號稱為斷點，斷點的邏輯后繼指令的單元號稱為恢復(fù)點。而現(xiàn)場是指中斷的那一時刻能確保程序繼續(xù)執(zhí)行的有關(guān)信息。5.3.1中斷的基本概念PSW是一組反映程序運(yùn)行狀態(tài)的信息，又稱為程序狀態(tài)字。中斷屏蔽：5.3.2中斷分類與優(yōu)先級按中斷信號的來源可以分為：外中斷：來自處理機(jī)和內(nèi)存外部的中斷內(nèi)中斷：指處理機(jī)和內(nèi)存產(chǎn)生的中斷按中斷的含義機(jī)器故障中斷、I/O中斷、程序性中斷、外部中斷、訪管中斷中斷優(yōu)先級是指中斷裝置響應(yīng)中斷的次序5.4緩沖技術(shù)在CPU和外設(shè)交換數(shù)據(jù)的時候，經(jīng)常會出現(xiàn)數(shù)據(jù)寫入和讀取的速度不匹配的情況。所以位了提高資源的利用率以及緩解CPU和外設(shè)之間速度不匹配的矛盾，人們提出了緩沖技術(shù)5.4.1緩沖技術(shù)的基本思想實現(xiàn)思想：在CPU和外設(shè)之間設(shè)立緩沖區(qū)，用以暫存CPU和外設(shè)之間交換的數(shù)據(jù)，從而緩解CPU和外設(shè)速度不匹配的矛盾。凡是在數(shù)據(jù)到達(dá)和離開速度不匹配的地方，均可采用緩沖技術(shù)。引入緩沖技術(shù)的主要原因改善CPU和I/O設(shè)備間速度不匹配的矛盾減少對CPU的中斷頻率提高CPU和I/O設(shè)備之間的并行性5.4.2緩沖技術(shù)的分類單緩沖：在設(shè)備和處理機(jī)之間設(shè)置一個緩沖區(qū)，設(shè)備和處理機(jī)交換數(shù)據(jù)時，先把被交換數(shù)據(jù)寫入緩沖區(qū)，然后，需要數(shù)據(jù)的設(shè)備或處理機(jī)從緩沖區(qū)取出數(shù)據(jù)。設(shè)備和處理機(jī)對緩沖區(qū)的操作是串行的。

緩沖區(qū)用戶區(qū)I/O設(shè)備輸入操作系統(tǒng)用戶進(jìn)程傳送5.4.2緩沖技術(shù)的分類雙緩沖區(qū)

緩沖區(qū)緩沖區(qū)用戶區(qū)I/O設(shè)備輸入操作系統(tǒng)用戶進(jìn)程

雙緩沖區(qū)的使用提高了處理機(jī)和輸入設(shè)備的并行操作程度。5.4.2緩沖技術(shù)的分類hinsinsouthout用戶程序收容輸入提前輸出提取輸入收容輸出緩沖池5.5設(shè)備分配及設(shè)備的處理程序5.5.1設(shè)備分配的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)備控制表（DCT）控制器控制表（COCT）通道控制表（CHCT）系統(tǒng)設(shè)備表（SDT）設(shè)備控制表（DCT）當(dāng)一臺設(shè)備進(jìn)入系統(tǒng)必須創(chuàng)立相應(yīng)的DCT，包括：（1）設(shè)備表示符（2）設(shè)備屬性（3）設(shè)備I/O總線地址（4）設(shè)備狀態(tài)：忙/空閑（5）對待隊列指針：等待使用該設(shè)備的進(jìn)程組成等待隊列，這里存放等待隊列的首指針?？刂破骺刂票恚–OCT）每個控制器都有一個COCT，他反映I/O控制器的使用狀態(tài)以及和通道的連接情況包括：控制器標(biāo)識符、控制器狀態(tài)（忙/閑）、控制器對待隊列指針與控制器連接的通道表面指針。通道控制表（CHCT）每個通道都有一張CHCT，包括通道標(biāo)識符、通道狀態(tài)（忙/閑）、等待獲得該通道的進(jìn)程對待隊列指針系統(tǒng)控制表（SDT）整個系統(tǒng)配制一張SDT，它記錄了系統(tǒng)中所有物理設(shè)備的情況，每個物理設(shè)備占一表目。包括：設(shè)備類型、設(shè)備標(biāo)識符、設(shè)備控制指針（指向該設(shè)備對應(yīng)的設(shè)備控制表）等5.5.2設(shè)備分配策略系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)備分配的時候，要考慮設(shè)備的固有屬性、設(shè)備分配算法、設(shè)備分配的安全性、設(shè)備獨立性分配策略獨占設(shè)備的分配共享設(shè)備的分配虛擬方法針對虛擬設(shè)備而言分配算法先來先服務(wù)優(yōu)先級高者優(yōu)先設(shè)備分配的安全性安全性：指的是在設(shè)備分配的時候應(yīng)保證進(jìn)程不發(fā)生死鎖靜態(tài)分配優(yōu)點：簡單，安全性好缺點：設(shè)備利用率低動態(tài)分配優(yōu)點：效率高缺點：會產(chǎn)生死鎖5.5.3設(shè)備處理設(shè)備處理程序又稱為設(shè)備驅(qū)動程序功能：按處理機(jī)的請求去啟動指定設(shè)備進(jìn)行I/O操作當(dāng)I/O操作完成或發(fā)生時，I/O設(shè)備將向處理機(jī)發(fā)出中斷請求在設(shè)有通道的計算機(jī)系統(tǒng)中，I/O操作是由通道執(zhí)行通道程序完成的，所以設(shè)備處理程序應(yīng)具有根據(jù)不同的I/O請求構(gòu)成相應(yīng)通道程序的功能。設(shè)備處理方式為每一個設(shè)備設(shè)置一個I/O進(jìn)程，它專門執(zhí)行這類設(shè)備的I/O操作整體系統(tǒng)中設(shè)置一個I/O進(jìn)程，全面負(fù)責(zé)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳送工作。不設(shè)置專門的設(shè)備處理進(jìn)程，而是只為各類設(shè)備設(shè)置相應(yīng)的設(shè)備處理程序，共用戶進(jìn)程和系統(tǒng)進(jìn)程調(diào)用設(shè)備處理程序的工作根據(jù)請求傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量組織輸入/輸出緩沖隊列利用輸入/輸出緩沖隊數(shù)據(jù)進(jìn)行加工，包括格式處理和編碼轉(zhuǎn)換。構(gòu)造輸入/輸出程序，或者在配有通道的系統(tǒng)中構(gòu)造通道程序啟動設(shè)備進(jìn)行輸入/輸出操作處理來自設(shè)備或通道的中斷請求5.6.1虛擬設(shè)備的分配所謂虛擬設(shè)備是指代替獨享設(shè)備的那部分存儲空間及有關(guān)的控制結(jié)構(gòu)。對虛擬設(shè)備采用的是虛擬分配，其過程是：當(dāng)進(jìn)程中請求獨享設(shè)備時，系統(tǒng)將共享設(shè)備的一部分存儲空間分配給它。進(jìn)程與設(shè)備交換信息時，系統(tǒng)把要交換的信息存放在這部分存儲空間，在適當(dāng)?shù)臅r候?qū)π畔⒆飨鄳?yīng)的處理。如打印時，把要打印的信息送到某個存儲空間中，在打印機(jī)空閑時將存儲空間上的信息送到打印機(jī)上打印出來。5.6.2假脫機(jī)技術(shù)(spooling)

通過共享設(shè)備來模擬獨享設(shè)備所采用的操作是假脫機(jī)操作，即在聯(lián)機(jī)情況下外部設(shè)備設(shè)備同時操作。所使用的假脫機(jī)技術(shù)稱之為假脫機(jī)技術(shù)。5.6.3假脫機(jī)系統(tǒng)的組成輸入井和輸出井輸入緩沖區(qū)和輸出緩沖區(qū)輸入進(jìn)程和輸出進(jìn)程圖5.6假脫機(jī)系統(tǒng)的組成5.6.4假脫機(jī)系統(tǒng)的特點（1）提高了I/O速度。從對低速I/O設(shè)備進(jìn)行的I/O操作變?yōu)閷斎刖蜉敵鼍牟僮?，如同脫機(jī)操作一樣，提高了I/O速度，緩和了CPU與低速I/O設(shè)備速度不匹配的矛盾。（2）設(shè)備并沒有分配給任何進(jìn)程。在輸入井或輸出井中，分配給進(jìn)程的是一存儲區(qū)和建立一張I/O請求表。（3）實現(xiàn)了虛擬設(shè)備功能。多個進(jìn)程同時使用一獨享設(shè)備，而對每一進(jìn)程而言，都認(rèn)為自己獨占這一設(shè)備，不過，該設(shè)備是邏輯上的設(shè)備。5.7磁盤設(shè)備的管理磁盤結(jié)構(gòu)磁盤的訪問時間磁盤的調(diào)度算法5.7.1磁盤的結(jié)構(gòu)磁盤系統(tǒng)可以分為：固定頭磁盤和移動頭三個重要參數(shù)（1）柱面好（2）磁頭號：和盤面號一樣（3）扇區(qū)號邏輯扇區(qū)號：b=k+s(t*i+j)5.7.2磁盤的訪問時間柱面定位時間：尋道時間旋轉(zhuǎn)延遲時間：與磁盤的轉(zhuǎn)速有關(guān)，軟盤：600rpm；硬盤：7200rpm數(shù)據(jù)傳