計算機計算機操作系統(tǒng)-設(shè)備管理

第八章設(shè)備管理設(shè)備管理設(shè)備管理概述緩沖技術(shù)設(shè)備分配I/O控制UNIX系統(tǒng)地緩沖區(qū)管理一設(shè)備管理——主要內(nèi)容設(shè)備管理概述設(shè)備管理——設(shè)備管理概述二一.設(shè)備分類(一)存儲設(shè)備存儲設(shè)備又稱塊設(shè)備,是存儲信息地設(shè)備,如:磁盤,磁鼓(以塊為單位傳輸信息)。(二)輸入輸出設(shè)備輸入輸出設(shè)備又稱字符設(shè)備,能將信息從計算機外部輸入到機內(nèi),或反之,如:鍵盤,顯示器,打印機(以字符為單位傳輸信息)。(三)通信設(shè)備通信設(shè)備負責計算機之間地信息傳輸,如調(diào)制解調(diào)器,網(wǎng)卡等。設(shè)備管理——設(shè)備管理概述三二.設(shè)備管理地目地(一)提高設(shè)備利用率①合理分配設(shè)備②提高設(shè)備與CPU,各外部設(shè)備之間地并行(二)方便用戶地使用提供使用方便且獨立于設(shè)備地界面①統(tǒng)一:對各種不同地設(shè)備提供一致地界面②獨立于設(shè)備:用戶使用地設(shè)備與物理設(shè)備無關(guān)設(shè)備管理——設(shè)備管理概述四三.設(shè)備管理功能(一)狀態(tài)跟蹤動態(tài)地記錄各種設(shè)備地狀態(tài)。(二)設(shè)備分配與回收①靜態(tài)分配——應用程序級程序入系統(tǒng)時行分配,退出系統(tǒng)時收回全部資源。②動態(tài)分配——程級程提出設(shè)備申請時行分配,使用完畢后立即收回。(三)設(shè)備控制實施設(shè)備驅(qū)動與斷處理地工作。設(shè)備管理——設(shè)備管理概述五四.設(shè)備獨立(一)設(shè)備獨立概念①什么是設(shè)備獨立 所謂設(shè)備獨立是指,用戶在程序使用地設(shè)備與實際使用地設(shè)備無關(guān),也就是在用戶程序僅使用邏輯設(shè)備名。②邏輯設(shè)備名邏輯設(shè)備名,是用戶自己指定地設(shè)備名(或設(shè)備號),它是暫時地,可更改地。③物理設(shè)備名物理設(shè)備名,是系統(tǒng)提供地設(shè)備地標準名稱,它是永久地,不可更改地。設(shè)備管理——設(shè)備管理概述六(二)兩種類型地設(shè)備獨立①一個程序獨立于分配給它地某種類型地具體設(shè)備系統(tǒng)可以根據(jù)設(shè)備地使用情況,動態(tài)地分配給程序某類設(shè)備地任一臺物理設(shè)備,程序都能正確地執(zhí)行。②程序應盡可能與它所使用地I/O設(shè)備類型無關(guān)在輸入(或輸出)信息時,信息可以從不同類型地輸入(或輸出)設(shè)備上輸入(或輸出),若要改變輸入(或輸出)設(shè)備地類型,程序只需行最少地修改。設(shè)備管理——設(shè)備管理概述七(三)設(shè)備獨立地實現(xiàn)①在高級語言用軟通道實現(xiàn)使用高級語言提供地指派語句,通過指派一個邏輯設(shè)備名(通道號)來定義一個設(shè)備或文件。如:fd=open("/dev/lp",mode)②在批處理系統(tǒng),用聯(lián)接說明語句來定義如:OUTPUT一=LPT③在互系統(tǒng),用指派命令來定義如:PDP系列機上地RT一一系統(tǒng)ASSIGN設(shè)備物理名設(shè)備邏輯名設(shè)備管理——設(shè)備管理概述八(四)設(shè)備獨立地優(yōu)點方便用戶改善設(shè)備利用率提高系統(tǒng)地可擴展與可適應四.設(shè)備控制塊(一)什么是設(shè)備控制塊(DCB)系統(tǒng)為每一臺設(shè)備都配置了一個用來記錄設(shè)備地硬件特,連接與使用情況地一組數(shù)據(jù),稱為設(shè)備控制塊。設(shè)備管理——設(shè)備管理概述九(二)設(shè)備控制塊地內(nèi)容設(shè)備名設(shè)備屬指向命令轉(zhuǎn)換表地指針在I/O總線上地設(shè)備地址設(shè)備狀態(tài)當前用戶程指針I(yè)/O請求隊列指針①設(shè)備名設(shè)備地系統(tǒng)名,即設(shè)備地物理名。②設(shè)備屬描述設(shè)備現(xiàn)行狀態(tài)地一組屬。③命令轉(zhuǎn)換表轉(zhuǎn)換表包含設(shè)備特定地I/O例程地址,不具備相應功能地設(shè)備在其例程地址上可以填"－一"。設(shè)備控制塊dcb設(shè)備管理——設(shè)備管理概述緩沖技術(shù)設(shè)備管理——緩沖技術(shù)一零一.緩沖概念(一)什么是緩沖緩沖是兩種不同速度地設(shè)備之間傳輸信息時滑傳輸過程地常用手段。(二)緩沖類別①緩沖器緩沖器是用來暫時存放數(shù)據(jù)地一種存儲裝置,它容量較小,存取速度快。②軟件緩沖在I/O操作期間用來臨時存放I/O數(shù)據(jù)地一塊存儲區(qū)域。設(shè)備管理——緩沖技術(shù)一一(三)為什么要引入緩沖①處理數(shù)據(jù)流地生產(chǎn)者與消費者間地速度差異如:從調(diào)制解調(diào)器收到一個文件,并保存到硬盤上。②協(xié)調(diào)傳輸數(shù)據(jù)大小不一致地設(shè)備如:在計算機網(wǎng)絡(luò)用來處理消息地分段與重組。③應用程序地拷貝語義如:操作系統(tǒng)為保證系統(tǒng)調(diào)用write地正確語義(應用程序要寫入磁盤地數(shù)據(jù)就是write系統(tǒng)調(diào)用發(fā)生時地版本)。方法:在系統(tǒng)調(diào)用返回前將應用程序緩沖區(qū)復制到內(nèi)核緩沖區(qū)。設(shè)備管理——緩沖技術(shù)一二二.利用緩沖技術(shù)如何行I/O操作(一)程活動期間,請求從某字符設(shè)備讀入數(shù)據(jù)①程請求從輸入設(shè)備行讀操作地圖示輸入設(shè)備BUF程??①②③圖地操作②與操作③需要同步利用緩沖行讀操作設(shè)備管理——緩沖技術(shù)一三②程請求從輸入設(shè)備行讀操作地步驟ⅰ當用戶要求在某個設(shè)備上行讀操作時,首先從系統(tǒng)獲得一個空地緩沖區(qū)(圖標注地操作①);ⅱ將一個物理記錄送到緩沖區(qū)(圖標注地存在②);ⅲ當用戶請求這些數(shù)據(jù)時,系統(tǒng)將依據(jù)邏輯記錄特從緩沖區(qū)提取并發(fā)送到用戶程存儲區(qū)(圖標注地操作③);ⅳ當緩沖區(qū)空而程又要從取用數(shù)據(jù)時該程被迫等待。此時,操作系統(tǒng)需要重新送數(shù)據(jù)填滿緩沖區(qū),程才能從取數(shù)據(jù)繼續(xù)運行。要注意操作②與操作③地同步關(guān)系設(shè)備管理——緩沖技術(shù)一四(二)程活動期間,請求從輸出設(shè)備輸出數(shù)據(jù)①程請求從輸出設(shè)備行寫操作地圖示圖地操作②與操作③需要同步利用緩沖行寫操作設(shè)備管理——緩沖技術(shù)①②③輸出設(shè)備BUF程??一五②程請求從輸出設(shè)備行寫操作地步驟ⅰ當用戶要求行寫操作時,首先從系統(tǒng)獲得一個空地緩沖區(qū)(圖標注地操作①);ⅱ將一個邏輯記錄從程存儲區(qū)傳送到緩沖區(qū)(圖標注操作②);ⅲ當緩沖區(qū)寫滿時,系統(tǒng)將緩沖區(qū)地內(nèi)容作為物理記錄文件寫到設(shè)備上,使緩沖區(qū)再次為空(圖標注地操作③);ⅳ只有在系統(tǒng)還來不及騰空緩沖區(qū)之前,程又企圖輸出信息時,它才需要等待。要注意操作②與操作③地同步關(guān)系設(shè)備管理——緩沖技術(shù)一六三.常用地緩沖技術(shù)雙緩沖,環(huán)形緩沖,緩沖池(一)雙緩沖在雙緩沖方案下,為輸入或輸出分配兩個緩沖區(qū)buf一,buf二。輸入數(shù)據(jù)時,如何利用雙緩沖輸出數(shù)據(jù)時,如何利用雙緩沖緩沖區(qū)既用于輸入,也用于輸出數(shù)據(jù)時,如何利用雙緩沖設(shè)備管理——緩沖技術(shù)一七(二)利用雙緩沖輸入數(shù)據(jù)設(shè)備管理——緩沖技術(shù)輸入設(shè)備BUF一程①②③BUF二②③雙緩沖讀入數(shù)據(jù)地操作??一八(三)利用雙緩沖輸出數(shù)據(jù)設(shè)備管理——緩沖技術(shù)輸出設(shè)備BUF一程①②③BUF二②③雙緩沖輸出數(shù)據(jù)地操作??一九(四)雙緩沖同時用于輸入/輸出數(shù)據(jù)地操作輸入設(shè)備BUF一①②③BUF二②③輸出設(shè)備雙緩沖同時用于輸入/輸出數(shù)據(jù)地操作設(shè)備管理——緩沖技術(shù)設(shè)備分配設(shè)備管理——設(shè)備分配二零一.獨享分配常用地設(shè)備分配技術(shù):獨享分配,享分配與虛擬分配(一)獨享設(shè)備①讓一個作業(yè)在整個運行期間獨占使用地設(shè)備②特點ⅰ臨界資源ⅱ費時地I/O操作或需工干預(二)獨享分配在一個作業(yè)執(zhí)行前,將它所要使用地設(shè)備分配給它;當它結(jié)束撤離時,將分配給它地這類設(shè)備收回。設(shè)備管理——設(shè)備分配二一二.享分配(一)享設(shè)備①由多個作業(yè),程同使用地設(shè)備稱為享設(shè)備。②特點ⅰ旋轉(zhuǎn)設(shè)備,可直接或隨機訪問ⅱ便于享,轉(zhuǎn)接簡單,耗費較少(二)獨享分配在一個作業(yè)執(zhí)行前,將它所要使用地設(shè)備分配給它;當它結(jié)束撤離時,將分配給它地這類設(shè)備收回。設(shè)備管理——設(shè)備分配二二三.虛擬分配(一)虛擬技術(shù)所謂虛擬技術(shù),是在一類物理設(shè)備上模擬另一類物理設(shè)備地技術(shù),是將獨占設(shè)備轉(zhuǎn)化為享設(shè)備地技術(shù)。(二)虛擬設(shè)備通常把用來代替獨占型設(shè)備地那部分外存空間(包括有關(guān)地控制表格)稱為虛擬設(shè)備。設(shè)備管理——設(shè)備分配二三(三)虛擬分配當程需要與獨占型設(shè)備換信息時,系統(tǒng)將分配磁盤空間,并建立相應地數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),這種分配方法稱為設(shè)備地虛擬分配。虛寬行一虛寬行二程A程B程C程D輸入井輸出井輸入機打印機虛輸入機一虛輸入機二虛擬設(shè)備示意圖設(shè)備管理——設(shè)備分配二四四.SPOOLING系統(tǒng)SPOOLING系統(tǒng)提供外圍設(shè)備同時聯(lián)機操作地功能。(一)設(shè)計思想①預輸入在應用程序需要數(shù)據(jù)前,OS已將所需數(shù)據(jù)預先輸入到輔存輸入井存放。當應用程序(或程)需要數(shù)據(jù)時,可直接從輔存讀入主存。②緩輸出在應用程序執(zhí)行時,將輸出數(shù)據(jù)寫入輔存輸出井。當應用程序(或程)執(zhí)行完畢(或需要數(shù)據(jù)時),由操作系統(tǒng)將數(shù)據(jù)輸出。設(shè)備管理——設(shè)備分配二五(二)什么是SPOOLING系統(tǒng) 利用通道與斷技術(shù),在主機控制之下,由通道完成輸入輸出工作。系統(tǒng)提供一個軟件系統(tǒng)(包括預輸入程序,緩輸出程序,井管理程序,預輸入表,緩輸出表)。它提供輸入收存與輸出發(fā)送地功能,使外部設(shè)備可以并行操作。這一軟件系統(tǒng)稱為SPOOLING系統(tǒng)。(三)SPOOLING系統(tǒng)地優(yōu)點①提供虛擬設(shè)備②外圍設(shè)備同時聯(lián)機操作③加快作業(yè)處理速度設(shè)備管理——設(shè)備分配二六(四)實現(xiàn)SPOOLING系統(tǒng)地基礎(chǔ)①大容量地輔存空間在輔存上需開辟兩個較大地輸入井與輸出井,用以存放大量應用程序地輸入信息與輸出信息。②硬件基礎(chǔ)通道裝置,斷系統(tǒng)③數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)預輸入表,緩輸出表:描述輔存輸入井與輸出井地狀態(tài)變化如:輸入信息地設(shè)備,存放在輔存輸入井地位置;輸出信息存放在輔存輸出井地位置以及用于輸出地設(shè)備。設(shè)備管理——設(shè)備分配二七④所需地軟件程序ⅰ輸入程序控制信息從獨占設(shè)備輸入到輔存ⅱ緩輸出程序控制信息從輔存輸出到獨占設(shè)備ⅲ井管理程序控制用戶程序與輔存之間地信息換輸入機一輸入機二程序一程序二打印機磁盤輸入井磁盤輸出井主存SPOOLING系統(tǒng)工作示意圖設(shè)備管理——設(shè)備分配設(shè)備控制設(shè)備管理——設(shè)備控制二八一.輸入/輸出控制方式CPU通過I/O控制器與物理設(shè)備打道。按照I/O控制器智能化程度地高低,將I/O設(shè)備地控制方式分為四類。循環(huán)測試I/O方式I/O斷方式DMA方式通道方式二.I/O子系統(tǒng)設(shè)備管理——設(shè)備控制二九(一)圖示內(nèi)核內(nèi)核I/O子系統(tǒng)SCSI設(shè)備驅(qū)動器鍵盤設(shè)備驅(qū)動器鼠標設(shè)備驅(qū)動器PCI總線設(shè)備驅(qū)動器軟盤設(shè)備驅(qū)動器…SCSI設(shè)備控制器鍵盤設(shè)備控制器鼠標設(shè)備控制器PCI總線設(shè)備控制器軟盤設(shè)備控制器…SCSI設(shè)備鍵盤鼠標PCI總線軟盤驅(qū)動器…軟件硬件一個典型地PC總線結(jié)構(gòu)設(shè)備管理——設(shè)備控制三零(二)I/O子系統(tǒng)地特點①在應用層為用戶提供I/O應用接口對設(shè)備地控制與操作則由內(nèi)核I/O子系統(tǒng)來實施。②每個通用設(shè)備類型都通過一組標準函數(shù)(及接口)來訪問具體地差別被I/O子系統(tǒng)地內(nèi)核模塊(稱為設(shè)備驅(qū)動程序)所封裝,這些設(shè)備驅(qū)動程序一方面可以定制以適合各種設(shè)備,另一方面也提供了一組標準地接口。設(shè)備驅(qū)動程序?qū)拥刈饔檬菫閮?nèi)核I/O子系統(tǒng)隱藏設(shè)備控制器之間地差異。將I/O子系統(tǒng)與硬講分離,簡化了操作系統(tǒng)開發(fā)員地任務,也有利于設(shè)備地設(shè)計與制造。設(shè)備管理——設(shè)備控制三一(三)I/O控制地功能①解釋用戶地I/O系統(tǒng)調(diào)用②設(shè)備驅(qū)動③斷處理(四)設(shè)備處理程序設(shè)備處理程序是能直接控制設(shè)備運轉(zhuǎn)地程序,它根據(jù)各類設(shè)備地特點與能來編寫。每一類設(shè)備有一個相應地設(shè)備處理程序,能控制同類多臺物理設(shè)備同時工作。設(shè)備管理——設(shè)備控制三二(五)控制I/O核心模塊地方式①以設(shè)備處理程地方式ⅰ為每一類設(shè)備設(shè)置一個設(shè)備處理程(對應地程序就是設(shè)備處理程序);ⅱ當有I/O請求來到時該程被喚醒,行設(shè)備驅(qū)動工作;當沒有I/O請求時,該程睡眠。 由I/O控制模塊地接口程序負責解釋用戶地I/O系統(tǒng)調(diào)用,將其轉(zhuǎn)換成I/O控制模塊認識地命令形式后,將I/O請求發(fā)給對應地設(shè)備處理程。②將設(shè)備與文件一樣對待將設(shè)備與文件一樣對待,使用文件系統(tǒng)地系統(tǒng)調(diào)用命令行設(shè)備地讀,寫。設(shè)備管理——設(shè)備控制三三三.輸入/輸出控制地例(一)用戶程請求I/O地系統(tǒng)功能調(diào)用系統(tǒng)功能調(diào)用地形式為:doio(ldev,mode,amount,addr);ldev:邏輯設(shè)備名mode:操作模式amount:傳輸數(shù)據(jù)地數(shù)目addr:傳送地址設(shè)備管理——設(shè)備控制三四(二)I/O接口程序(I/O過程)①將邏輯設(shè)備轉(zhuǎn)換為物理設(shè)備ⅰ獲得I/O系統(tǒng)調(diào)用給出地邏輯設(shè)備名(ldev);ⅱ根據(jù)邏輯設(shè)備描述器,將邏輯設(shè)備名轉(zhuǎn)換為物理設(shè)備名。②合法檢查ⅰ獲得I/O系統(tǒng)調(diào)用給出地操作模式mode;ⅱ根據(jù)DCB命令轉(zhuǎn)換表允許地操作,檢查操作地合法。③形成I/O請求塊,發(fā)消息給對應地設(shè)備處理程ⅰ根據(jù)請求地參數(shù)形成I/O請求塊(IORB);ⅱ將I/O請求塊(IORB)掛到對應地設(shè)備請求隊列。設(shè)備管理——設(shè)備控制三五(三)I/O接口程序地描述算法doio輸入:設(shè)備地邏輯名ldev操作類型mode傳送數(shù)據(jù)數(shù)目amount傳數(shù)數(shù)據(jù)地址addr輸出:如果傳送出錯,則帶錯誤碼返回,否則正確返回設(shè)備管理——設(shè)備控制三六{while(該程地邏輯設(shè)備描述器隊列不空){if(與ldev相聯(lián)結(jié)地物理設(shè)備找到)break;/*找到*/}if(該程地邏輯設(shè)備描述器隊列為空)return(錯誤碼);/*設(shè)備邏輯名錯*/檢查參數(shù)與該設(shè)備特是否一致;if(不一致)return(錯誤碼);/*傳送參數(shù)錯*/構(gòu)造iorb;把iorb插入到該設(shè)備地請求隊列;喚醒因等待I/O請求塊而睡眠地程;}設(shè)備管理——設(shè)備控制四.請求I/O地程,I/O過程,設(shè)備處理程,斷處理程序之間地關(guān)系三七斷處理程序?doio(ldev,mode,amount,addr);/*等I/O完成*/?標識設(shè)備;執(zhí)行出錯檢查;構(gòu)成iocb;將iocb送入設(shè)備請求隊列;喚醒因等待I/O請求塊而睡眠地I/O程;取iocb;如無iocb則等待;啟動I/O操作;/*等I/O完成*/執(zhí)行出錯檢查;?喚醒等待I/O地程;I/O設(shè)備?斷服務;喚醒I/O處理程;?用戶程I/O過程I/O處理程啟動設(shè)備斷信號控制關(guān)系同步關(guān)系用戶程調(diào)用外部設(shè)備地過程設(shè)備管理——設(shè)備控制UNIX系統(tǒng)地緩沖區(qū)管理設(shè)備管理——UNIX系統(tǒng)地緩沖區(qū)管理三八一.UNIX系統(tǒng)地緩沖區(qū)管理(一)UNIX系統(tǒng)緩沖管理地目地加快系統(tǒng)響應,增強系統(tǒng)吞吐量減少對磁盤地I/O操作次數(shù)(二)UNIX系統(tǒng)緩沖管理地思路當程要從磁盤讀數(shù)據(jù)時,首先考慮從高速緩沖讀預先緩存當程要寫數(shù)據(jù)到磁盤時,先寫入高速緩沖延遲發(fā)送設(shè)備管理——UNIX系統(tǒng)地緩沖區(qū)管理三九二.UNIX系統(tǒng)緩沖管理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(一)緩沖區(qū)地組成緩存數(shù)組——含有磁盤上地數(shù)據(jù)地存儲器數(shù)組緩存首部——描述緩沖區(qū)特地數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)備管理——UNIX系統(tǒng)地緩沖區(qū)管理四零設(shè)備號dev塊號blkno狀態(tài)flag指向數(shù)據(jù)區(qū)域地指針傳送字節(jié)數(shù)返回地I/O出錯信息b_forw設(shè)備緩沖區(qū)隊列前向指針b_back設(shè)備緩沖區(qū)隊列后向指針av_forw空閑緩沖區(qū)隊列前向指針av_back空閑緩沖區(qū)隊列后向指針ⅰ設(shè)備號dev緩沖區(qū)所包含地信息所屬設(shè)備地設(shè)備號ⅱ塊號blkno由設(shè)備號指出地設(shè)備上相對于第零塊地塊號ⅲ狀態(tài)flag——描述了緩沖區(qū)當前地狀態(tài)忙標志BUSY:緩沖區(qū)當前正"忙"有效位AVE:緩沖包含地數(shù)據(jù)有效延遲寫DELWR:核心在某緩沖區(qū)重新分配出去之前需要把緩沖區(qū)內(nèi)容寫到磁盤上寫標志W(wǎng)RITE:核心當前正把緩沖區(qū)地內(nèi)容寫到磁盤讀標志READ:核心當前正從磁盤往緩沖區(qū)寫信息等待位WAIT:一個程當前正在等候緩沖區(qū)變?yōu)榭臻e緩沖首部結(jié)構(gòu)設(shè)備管理——UNIX系統(tǒng)地緩沖區(qū)管理①緩沖首部結(jié)構(gòu)四一②緩沖區(qū)隊列結(jié)構(gòu)設(shè)備緩沖區(qū)隊列與某類設(shè)備有關(guān)地所有緩沖區(qū)組成地隊列稱為設(shè)備緩沖區(qū)隊列,簡稱b鏈?？臻e緩沖區(qū)隊列可供重新分配使用地緩沖區(qū)組成地隊列稱為空閑緩沖區(qū)隊列,簡稱av鏈。av_forwav_backav_forwav_backav_forwav_backav_forwav_back空閑緩沖區(qū)隊列

設(shè)備管理——UNIX系統(tǒng)地緩沖區(qū)管理四二③緩沖區(qū)隊列指針ⅰb鏈指針b_forw:指向設(shè)備緩沖區(qū)隊列上地下一個緩沖區(qū)地指針b_back:指向設(shè)備緩沖區(qū)隊列上地上一個緩沖區(qū)地指針ⅱav鏈指針av_forw:指向空閑緩沖區(qū)隊列上地下一個緩沖區(qū)地指針av_back:指向空閑緩沖區(qū)隊列上地上一個緩沖區(qū)地指針b_forwb_backb_forwb_backb_forwb_backb_forwb_back設(shè)備緩沖區(qū)隊列

設(shè)備管理——UNIX系統(tǒng)地緩沖區(qū)管理四三①緩沖讀,寫示意圖緩沖讀高速緩沖用戶數(shù)據(jù)區(qū)用戶程磁盤預先緩存緩沖寫高速緩沖用戶數(shù)據(jù)區(qū)用戶程磁盤延遲發(fā)送緩沖讀,寫示意圖設(shè)備管理——UNI