计算机操作系统ch7

计算机操作系统,Operating System of Computer,第七章 设备管理,主要内容： I/O系统的组成 I/O控制方式 缓冲管理 设备分配 设备处理 SPOOLING技术 知识点及要求： 了解操作系统处理用户 I/O请求的基本过程。 要求掌握通道、缓冲、设备独立性的概念。 掌握 I/O控制方式及设备驱动程序，设备分配的数据结构及分配程序。 掌握设备分配技术，设备管理程序功能，理解缓冲技术和Spooling系统及磁盘调度算法。,7.1 概 述,7.1.1 设备的分类,1、按传输速率分 低速设备：每秒几个到数百字节。如Modem 中速设备：每秒数千到数万字节。如打印机 高速设备：每秒数百K到数兆。如磁盘、磁带 2、按信息交换的单位分类 字符设备：I/O传输的单位是字节，如打印机、modem等。特征：速率较低、中断驱动。 块设备 ： I/O传输的单位是块，如磁盘、磁带。特征：速率高（几兆）、可随机访问任一块、DMA方式驱动。,3. 按资源管理方式分类 独占型设备：在任一段时间内最多有一个进程占用它，字符设备及磁带机属独占型设备。即临界资源。 共享型设备：多个进程对它的访问可以交叉进行，除磁带机外的块设备属共享设备。 虚拟设备：在一类设备上模拟另一类设备，常用共享设备模拟独占设备，用高速设备模拟低速设备，被模拟的设备称为虚拟设备。,7.1.2 设备管理的目标,1.设备独立性 所谓设备独立性：用户在编制程序时，使用逻辑设备名，由系统实现从逻辑设备到物理设备（实际设备）的转换。用户能独立于具体物理设备而方便的使用设备。,两种类型的设备独立性,独立于同一类设备中的某台具体设备。 如果一个系统中有若干台相同的设备，用户编程时不指定使用哪一个具体的设备，而仅说明要使用哪一类设备，系统根据当前这一类设备的具体状况给用户分配一台具体的设备。用户不用关心他所使用的到底是哪一台设备。,独立于不同类型的设备。 例如有一程序要求输入信息，可以从各种不同类型的输入设备上给程序输入数据，则称该程序是独立于不同类型的输入设备的。 又如在MS-DOS系统中，程序的I/O操作不必指出在哪台设备上进行，一般情况下是从键盘上输入数据，而在显示器上输出数据。但用户可以做一次联机操作命令Ctrl+P，则输出数据可以在打印机上打印出来。,2.提高设备利用率,提高设备的使用效率是操作系统设备管理的重要目标。 为达到此目标除了要合理分配和使用外部设备外，还应努力提高设备同CPU的并行程度。与此有关的技术有：通道技术和缓冲技术。,3. 设备的统一管理,外设的种类繁多，特性各异，主要差别反映在以下几个方面： 速度：不同的设备处理和传递信息的速度差别甚大，如键盘每秒钟只能处理几个或几十个字符，而磁盘的处理速度可达几十MB/S。 传递单位：有的设备以字符为单位传递信息，如键盘。有的以字符块为单位传递信息，如磁盘。,操作方法和特性：各种设备都有自己的特性和操作方法，如卡片机中的卡片不能倒退，磁带机可反绕，磁盘可随机存取。 出错条件：各种设备的出错条件不同，有的可能产生奇偶错，打印机可能产生无纸错等。,设备管理程序力图隐蔽上述各种设备的差别，向用户提供统一的设备使用接口，这会给系统的设计带来困难，但方便了用户。 如UNIX系统把外设作为特别文件处理，把设备看作文件，用操作文件的方法来操作设备，这极大地方便了用户。这种设备管理方法无疑是个重大的突破。,7.1.3 设备管理的功能,1.监视系统中所有设备的状态 一个计算机系统中存在着许多设备，在系统运行期间这些设备都在处理各自所承担的工作，并处于各种不同的状态，系统要有效地管理和使用这些设备就必须监视它们的工作状态。 系统为每个设备设置设备控制块DCB结构，在DCB中登记了设备的状态信息，系统是经过对DCB的查询来监视设备的活动的。,2.设备的分配 在多用户或多进程的环境中，每个用户在完成各自的任务时总是要使用外设，为用户或进程分配设备是设备管理的主要功能之一。 设备分配包括：设备分配策略、分配的方式、分配技术和选择用户的算法。 3、I/O控制 I/O控制是设备管理的另一功能，它包括设备驱动和设备中断处理。,7.1.4 设备管理数据结构,设备控制块(DCB) DCB是设备管理的重要数据结构，在这个结构中较全面地反映了每台设备的特性、连接和使用的状态等信息。当一台设备进入系统时必须创立相应的DCB,DCB的内容,设备标识符：系统有许多设备，为区别起见为每台设备取个名，这个名叫设备标识符。 设备属性：反映设备的相应特性和类型 设备I/O总线地址：设备和CPU是通过I/O总线连接起来的，它在总线上有个地址。 设备状态：指设备当时所处的状态。 等待队列指针：等待使用该设备的进程组成等待队列，这里存放等待队列的队首指针。,图示,7.2 I/O控制方式,循环测试I/O方式 I/O中断方式 DMA方式 通道方式,7.2.1 循环测试I/O方式,早期，I/O控制器是OS同硬件之间的接口。它有两个寄存器：数据缓冲寄存器、控制寄存器。控制寄存器有几个重要的信息位：启动位、完成位、忙位。,工作过程,以输入为例 1.把启动位置1 2.反复测试完成位，为0转2，为1转3 3.把数据从数据缓冲区中读走。 浪费大量CPU时间,7.2.2 I/O中断方式,I/O控制器能发中断。 工作过程： 1. 把启动位置1，本进程（A）变为等待状态，转进程调度，调度另一进程B。 2. 输入完成时，控制器发出中断，中断B，通过中断进入中断处理程序。 3. 在中断处理程序中把数据缓冲寄存器中的数取走，放入内存特定位置M，唤醒等待进程A，中断返回到B的断点继续执行。 4. 在以后的某个时刻OS调度要求输入的进程A。A从M取数处理。,分 析,同前相比，CPU利用率大大提高。 缺点：每台设备每输入输出一个字节的数据都有一次中断。如果设备较多时，中断次数会很多，使CPU的计算时间大大减少。 为减少中断对CPU造成的负担，可采用DMA方式和通道方式。,控制器功能更强，除有中断功能外，还有一个DMA控制机构。在DMA控制器的控制下，设备同主存之间可成批交换数据，不用CPU干预。,7.2.3 DMA方式,工作过程,1.当进程要求输入时，把要求传送的内存始址（M）和要传的字节数送入DMA的内存地址寄存器和传送字数寄存器 2.把启动位置1。设备开始工作。进程（A）挂起。调度另一进程（B） 3.一批数据输入完成后，DMA中断B，转向中断处理程序。 4.中断处理程序唤醒A，返回B的断点继续执行。 5.以后OS调度A运行时，A从M处取数据处理。,DMA方式与中断的主要区别,中断方式是在数据缓冲寄存区满后，发中断请求，CPU进行中断处理。 DMA方式则是在所要求传送的数据块全部传送结束时要求CPU进行中断处理，大大减少了CPU进行中断处理的次数。 中断方式的数据传送是由CPU控制完成的 而DMA方式则是在DMA控制器的控制下不经过CPU控制完成的。,DMA的实现流程,7.2.4 通道方式,1.I/O系统结构 在大型计算机系统中较为典型的I/O系统结构是主机、通道、控制器和外部设备。,CPU,外部设备通常由机械的和电子的两部分组成，电子部分构成控制器，也叫适配器。 一个控制器可交替地控制几台同类设备，例如一个磁盘控制器可以控制两台磁盘驱动器。 在没有通道的计算机系统中，中央处理机是通过控制器控制I/O操作的。,在采用了中断技术以后，中央处理机和外部设备已能在一定程度上并行工作，但每传一个信息单位（一个字节或一个字符块），就要插入一次中断处理，每次中断处理CPU少则要执行几十条指令，多则要执行上千条指令，当一个系统配置的设备较多时，I/O操作较为频繁的情况下，CPU可能完全陷入I/O处理，这样会大大地降低计算机系统的效率，解决的方法就是用到通道技术。,2. 通道概念,为使中央处理机从繁忙的I/O处理中摆脱出来，现代大、中型计算机系统中设置了专门的处理I/O操作的处理机，并把这种处理机称为通道。通道在CPU的控制下独立地执行通道程序，对外部设备的I/O操作进行控制，以实现内存与外设之间成批的数据交换。 通道=I/O处理机,当完成CPU交给的任务后，向CPU发出中断信号，请求CPU的处理。这样就使得CPU基本上摆脱了I/O操作的处理工作，提高了CPU与设备之间的并行程序，从而提高了整个计算机系统的效率。 通道程序是由通道指令组成，一个通道可以分时的方式执行几道程序。每道程序控制一台外部设备，因此每道通道程序称为子通道。,字节多路通道： 字节多路通道是以字节为基本传输单位，当一子通道控制的某台外设交换了一个字节后，就转向下一个子通道，以控制下一台设备传送一个字节。这就实现了子通道的循环轮转，以达到多路控制的目的，字节多路通道主要用来控制低速、并且以字节为基本传送单位的设备。如打印机。,3. 通道的种类,数据选择通道： 这种通道一次执行一个通道程序，控制一台设备连续地传送一批数据，当一个程序执行完后，才转向下一个程序，它的优点是传输速度高，缺点是一次只能控制一台设备进行I/O操作。它主要用来控制高速外设。如磁盘。,数据多路通道： 这种通道是上述两种通道的折中，可以分时的方式执行多道程序，每道程序可传送一组数据。它主要用于中速设备的控制。如磁带机。 在一大型系统中可以同时存在这三种类型的通道以便控制各种不同类型的设备。,4. 通道指令和通道程序,通道有它自己的指令系统，用这些指令编写的程序叫通道程序，通道只能执行通道程序，不可能执行用户进程。 通道程序保存在内存中,5. 通道的工作过程,某进程在运行过程中，若提出了I/O请求，则通过系统调用进入操作系统，系统首先为I/O操作分配通道和外设，然后按I/O请求生成通道程序并存入内存，把起始地址送入通道的首地址寄存器（CAW），接着CPU发出启动通道的指令。,中央处理机启动通道后，通道的工作过程为： 根据CAW，从内存取出通道指令，送入通道控制字寄存器（CCW），并修改CAW，使其指向下一条通道指令。 执行CCW中的通道指令，进行实际的I/O操作，执行完毕后，如果还有下一条指令，则返回前一步，否则转下一步。 发出中断信号通知CPU通道程序已执行完成。,通道的发展,新的通道思想综合了许多新的技术 在个人计算机中，芯片组中有专门的I/O处理芯片，称为IOP（IO Processor），发挥通道的作用 IBM 390 中，沿用了输入输出通道概念 IBM于1998年推出光纤通道技术（称为FICON），可通过 FICON 连接多达127个大容量I/O设备。传输速度是333MHzs，未来将达到1GHzs。 光纤通道技术具有数据传输速率高、传输距离远，可简化大型存储系统设计的优点。在大容量高速存储，如大型数据库、多媒体、数字影像等应用领域，有广泛前景。,7.3 缓冲技术,常用的缓冲技术 单缓冲 双缓冲 环形缓冲 缓冲池,7.3.1 引言,缓冲技术的目的是为了提高中央处理机与外设的并行程度。 计算机系统中的各种设备(包括中央处理机)的运行速度差异甚大，CPU的运行速度是以微秒甚至以纳秒计，而设备的运行速度则是以毫秒甚至以秒计。（速度的差异） 另一方面系统的负荷也不均匀，有时处理机进行大量的计算工作，没有I/O操作，有时又会进行大量的I/O操作，这两个极端都会造成系统中的一些设备过于繁忙，一部分设备过于空闲，严重地影响CPU与外设的并行工作。,为此人们提出用缓冲技术来匹配CPU与设备的速度的差异和负荷的不均匀，从而提高处理机与外设的并行程度。 凡是数据到达和离去速度不匹配的地方均可采用缓冲技术。 缓冲技术可以用硬件缓冲器来实现，在设备控制器中有硬件缓冲器，通常容量较小，一般为1个字节。 软件缓冲技术是应用广泛的一种缓冲技术，它由缓冲区和对缓冲区的管理两部分组成。,7.3.2 常用的缓冲技术,单缓冲 双缓冲 环形缓冲 缓冲池,1.单缓冲,最简单的一种缓冲形式。当进程发出一I/O请求时，OS为之分配一缓冲区。 对于输入：设备先将数据送入缓冲区，OS再将数据传给进程。 对于