操作系统：08第八章 设备与IO管理.ppt

第八章第八章 设备与输入输出管理设备与输入输出管理8.1 设备的分类设备的分类8.2 设备的物理特性设备的物理特性8.3 I/O传输方式传输方式8.4 设备分配与去配设备分配与去配8.5 设备驱动设备驱动8.6 设备调度设备调度8.7 缓冲技术缓冲技术8.8 输入输出进程输入输出进程8.9 RAID技术技术8.10 虚拟设备虚拟设备8.11 稳定存储器稳定存储器8.12 系统举例系统举例8.1 设备设备的的分类分类8.8.1 输入输出型设备与存储型设备输入输出型设备与存储型设备nI/O型设备型设备人人-机机 I/O型设备型设备:键盘、扫描仪、打印机、键盘、扫描仪、打印机、绘图仪、数码相机等绘图仪、数码相机等机机-机机 I/O型设备型设备:网卡、调制解调器等网卡、调制解调器等n存储型设备存储型设备:磁带、磁盘、光盘等磁带、磁盘、光盘等8.8.2 块型设备与字符型设备块型设备与字符型设备n块型设备块型设备:通常是存储型设备通常是存储型设备;存储、分配、传输的基本单位是块存储、分配、传输的基本单位是块,块长块长2i 字节字节;n字符型设备字符型设备:通常是通常是I/O型设备型设备;数据传输基本单位是字节。

数据传输基本单位是字节8.8.3 独占型设备与共享型设备独占型设备与共享型设备n独占型设备独占型设备:所有字符型设备及磁带机所有字符型设备及磁带机;任意时间段内只能有一个进程占有并使用任意时间段内只能有一个进程占有并使用n共享型设备共享型设备:除磁带机以外的所有块型设备除磁带机以外的所有块型设备;多个进程的数据传输以块为单位可交叉多个进程的数据传输以块为单位可交叉8.2.1 I/O设备的物理特性设备的物理特性n传输一字节发生一次中断传输一字节发生一次中断n通常设备经通道与内存相连通常设备经通道与内存相连,设备中断信号发给通道设备中断信号发给通道,当所有字符传输完后当所有字符传输完后,通道才产生一个中断发给主机通道才产生一个中断发给主机8.2 设备的物理特性设备的物理特性8.2.2 存储设备的物理特性存储设备的物理特性卷头标卷头标信息块信息块信息块信息块信息块信息块.卷尾标卷尾标l规规 格格:1 in,16磁道磁道;0.5 in,9磁道磁道(现可达现可达18磁道磁道);每磁道一个磁头每磁道一个磁头l操操 作作:反绕反绕,正向查找正向查找,反向查找反向查找,读读,写写,l地地 址址:一维一维l文文 件件:顺序结构顺序结构(一个文件占若干连续磁带块一个文件占若干连续磁带块)l存放信息存放信息:记录信息和控制信息。

记录信息和控制信息磁头磁头间隙间隙1.磁带的物理特性磁带的物理特性:启停型、顺序访问型设备启停型、顺序访问型设备8.2.2 存储设备的物理特性存储设备的物理特性(Cont.)2.磁盘的物理特性磁盘的物理特性:旋转型设备旋转型设备移移动动臂臂(头头)磁磁盘盘组组的的物物理理结结构构盘面盘面 0盘面盘面 2盘面盘面 1盘面盘面 m-1柱面柱面 0柱面柱面 l-1柱面柱面 1扇区扇区 0扇区扇区 1扇区扇区n-1引引 臂臂柱面号柱面号i盘面号盘面号j扇区号扇区号k块号块号b(一维地址一维地址)三维地址三维地址n 编址方法编址方法:使相邻块物理上最近使相邻块物理上最近例子例子:柱面数柱面数l=2,盘面数盘面数m=2,扇区数扇区数n=4柱面号：柱面号：0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1盘面号：盘面号：0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1扇区号：扇区号：0 1 2 3 0 1 2 3 0 1 2 3 0 1 2 3块块 号号:0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 158.2.2 存储设备的物理特性存储设备的物理特性(Cont.)l 最上、最下为伺侯面最上、最下为伺侯面,不存放信息不存放信息,用于磁头定位用于磁头定位;l 若盘片数为若盘片数为 S，盘面数盘面数m2S-2=2(S-1);l 每个盘面被分成每个盘面被分成2i个扇区个扇区,每个扇区含多个磁道。

每个扇区含多个磁道l 存储容量盘面数存储容量盘面数磁道（柱面）数磁道（柱面）数每道扇区数每道扇区数每扇区字节数每扇区字节数 三维数组三维数组柱面数柱面数,盘面数盘面数,扇区数扇区数按行存储的数组元按行存储的数组元素的顺序号就是磁盘的块号素的顺序号就是磁盘的块号三维地址三维地址(i,j,k)一维地址一维地址b：b=i m n+j n+k =(i m+j)n+k 一维地址一维地址b 三维地址三维地址(i,j,k)：i=b/(mn)j=b mod(mn)/n k=b mod(m n)mod n其中：其中：m为盘面数为盘面数,n为扇区数为扇区数8.2.2 存储设备的物理特性存储设备的物理特性(Cont.)扇区扇区0扇区扇区7扇区扇区6扇区扇区5扇区扇区4扇区扇区3扇区扇区2扇区扇区1未考虑读写延迟的扇区编号未考虑读写延迟的扇区编号(无交错无交错):8.2.2 存储设备的物理特性存储设备的物理特性(Cont.)扇区扇区0扇区扇区7扇区扇区3扇区扇区6扇区扇区2扇区扇区5扇区扇区1扇区扇区4考虑读写延迟的扇区编号考虑读写延迟的扇区编号(单交错单交错)：8.2.2 存储设备的物理特性存储设备的物理特性(Cont.)扇区扇区0扇区扇区5扇区扇区2扇区扇区7扇区扇区4扇区扇区1扇区扇区6扇区扇区3考虑读写延迟的扇区编号考虑读写延迟的扇区编号(双交错双交错)：8.2.2 存储设备的物理特性存储设备的物理特性(Cont.)8.3 数据传输方式数据传输方式l程序查询方式程序查询方式 (programmed I/O)(polling)CPU and Device can not work in parallel l中断驱动方式中断驱动方式 (interrupt)CPU and device can work in parallel,too many interrupts for CPUl直接内存方式直接内存方式(DMA)DMA controller in charge of block I/Ol通道方式通道方式 (channel)special processor for dealing with I/O operations8.3.1 程序控制查询方式程序控制查询方式缺缺 点点:l 处理机与设备串行工作处理机与设备串行工作;l 消耗大量处理机时间。

消耗大量处理机时间内存映射输入输出内存映射输入输出:将设备地址映射为内存地址空间一部分将设备地址映射为内存地址空间一部分,硬件提供专用的输入输出指令硬件提供专用的输入输出指令F查询方式查询方式完完成成CPU启动设备启动设备结束结束8.3.2 中断驱动方式中断驱动方式CPUn计算计算n启动设备启动设备n计算计算nn计算计算n中断处理中断处理n计算计算设备设备工工作作特点特点:CPU与设备并行工作与设备并行工作 设备多时对设备多时对CPU打扰多打扰多8.3.3 DMA方式方式设备设备操作码操作码内存地址内存地址计数器计数器忙碌标志忙碌标志状态寄存器状态寄存器缓冲区缓冲区DMA控制器控制器statusCPUoperands1busyopcode2内存内存345678.3.3 DMA方式方式(Cont.).CPU将操作数送入将操作数送入operands寄存器寄存器;CPU将操作码送入将操作码送入opcode寄存器并启动寄存器并启动DMA控制器控制器;DMA将将busy置位置位,不接受新命令不接受新命令,CPU可做其它操作可做其它操作;DMA控制设备与其缓冲区的数据传输控制设备与其缓冲区的数据传输;DMA控制设备其缓冲区与内存的数据传输控制设备其缓冲区与内存的数据传输;DMA控制器将控制器将内存地址寄存器加内存地址寄存器加1同时将记数器减同时将记数器减1，若计数器不为若计数器不为0,则转则转;DMA复位复位busy寄存器寄存器,并向并向CPU发中断发中断”传输完传输完”;CPU读入读入status,确认操作成功。

确认操作成功8.3.4 通道方式通道方式1.指令系统指令系统l基本操作基本操作:读、写、控制、转移、结束读、写、控制、转移、结束l指令格式指令格式:2.运控部件运控部件l通道地址字通道地址字CAW:存放下一条通道指令地址存放下一条通道指令地址;l通道命令字通道命令字CCW:存放当前正在执行的通道指令存放当前正在执行的通道指令;l通道状态字通道状态字CSW:存放通道、控制器、设备的状态存放通道、控制器、设备的状态;包括包括I/O完成信息、出错信息、复执次数等完成信息、出错信息、复执次数等;l通道数据字通道数据字CDW:暂存设备与内存之间的暂存设备与内存之间的I/O数据3.存储区域存储区域(与与CPU共用内存共用内存)l通道程序，通道程序，I/O数据数据操作码操作码传输字节数传输字节数特征位特征位地址信息地址信息n通通 道道:负责负责I/O操作的处理器操作的处理器以内存为中心以内存为中心,支持块传输支持块传输8.3.4 通道方式通道方式(Cont.)4.通道程序执行过程通道程序执行过程通道程序执行流程通道程序执行流程按按CAW取通道指令取通道指令CCW(CAW)+1CAWCCW是结束指是结束指令令向主机发中断请求向主机发中断请求结结 束束F执行执行CCW一个通道程序可以控制传输多组数据。

一个通道程序可以控制传输多组数据通道类型通道类型n字节多路通道字节多路通道(byte multiplexer channel)多个非分配型子通道，连接低速外围设备多个非分配型子通道，连接低速外围设备n数组数组选择通道选择通道(block selector channel)一个分配型子通道，连接多台高速设备一个分配型子通道，连接多台高速设备n数组数组多路通道多路通道(block multiplexer channel)多个非分配型子通道，连接多台高速设备多个非分配型子通道，连接多台高速设备8.3.4 通道方式通道方式(Cont.)设备、通道、内存连接设备、通道、内存连接数组选择通道数组选择通道磁盘磁盘字节多路通道字节多路通道打印机打印机输入机输入机内存内存处理器处理器磁带磁带数组多路通道数组多路通道8.3.4 通道方式通道方式(Cont.)8.4 设备分配与去配设备分配与去配n独占型设备的分配与去配独占型设备的分配与去配l 块型独占块型独占l 字符型独占字符型独占n共享型设备的分配与去配共享型设备的分配与去配l 块型共享块型共享8.4.1 独占型设备的分配与去配独占型设备的分配与去配n 数据结构数据结构设备控制块设备控制块(UCB)设备标识设备标识(设备号设备号)设备状态设备状态相连通道相连通道占有设备进程占有设备进程通道控制块通道控制块(CCB)通道标识通道标识通道类型通道类型等待队列等待队列占有通道进程占有通道进程系统设备表系统设备表(SDT)设备名设备名设备数设备数等待队列等待队列UCB表指针表指针printermSmPtr打印机的打印机的UCB表表UCB1(printer1)UCB2(printer2)UCBm(printerm)8.4.1 独占型设备的分配与去配独占型设备的分配与去配n 用户使用独占型设备活动：用户使用独占型设备活动：申请，使用，使用，申请，使用，使用，使用，释放，使用，释放l 申请申请:根据设备名查根据设备名查SDT表；表；P(Sm)；查查UCB表找一空闲设备并分配表找一空闲设备并分配。

l 使用使用:分配通道分配通道(若通道占用则等待若通道占用则等待);I/O数据传输数据传输;去配通道去配通道l 释放释放:根据释放设备名找根据释放设备名找SDT表对应入口表对应入口;根据设备号查根据设备号查UCB表，找到该设备去配表，找到该设备去配;V(Sm)字符型设备为字符型设备为非分配型通道？非分配型通道？8.4.2 共享型设备的分配与去配共享型设备的分配与去配n 用户使用共享型设备活动：用户使用共享型设备活动：使。