IO设备的多样性.ppt

edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second Level,Third Level,Fourth Level,Fifth Level,*,第13章,I/O,系统,I/O,设备的多样性,Os,管理和控制,I/O,操作和,I/O,设备。,13.1,I/O,管理,概述,外设管理目的,提高效率：,提高,I/O,访问效率，匹配,CPU,和多种不同处理速度的外设,方便使用：,方便用户使用，对不同类型的设备统一使用方法，协调对设备的并发使用,方便控制：,方便,OS,内部对设备的控制：增加和删除设备，适应新的设备类型,外设管理功能,提供设备使用的用户接口,：命令接口和编程接口,设备分配和释放：,使用设备前，需要分配设备和相应的通道、控制器。,设备的访问和控制：,包括并发访问和差错处理（虚拟设备）。,I/O,缓冲和调度：,目标是提高,I/O,访问效率,按交互对象分类,人机交互设备：,视频显示设备、键盘、鼠标、打印机,与计算机或其他,电子设备交互,的设备：磁盘、磁带、传感器、控制器,计算机间的,通信设备,：网卡、调制解调器,按交互方向分类,输入,（可读）：键盘、扫描仪,输出,（可写）：显示设备、打印机,输入/输出,（可读写）：磁盘、网卡,按外设特性分类,使用特征：,存储、输入/输出、终端,数据传输率：,低速(如键盘)、中速(如打印机)、高速(如网卡、磁盘),信息组织特征：,单个字符或数据块,字符设备,(如打印机)：通常的输入输出型设备，,以字符为单位存储、传输信息；不可寻址,块设备,(如磁盘)：,以数据块为单位存储、传输信息。可寻址,13.1,I/O,管理,外部设备类型和特征,按资源分配角度分类,独占设备,在一段时间内只能有一个进程使用的设备，一般为低速,I/O,设备。如打印机，磁带等。,共享设备,在一段时间内可有多个进程共同使用的设备，多个进程以交叉的方式来使用设备，其资源利用率高。如硬盘,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设备（实例：,SPOOLing,技术）,从程序使用角度分,逻辑设备:,用户程序中使用的设备,物理设备：,实际完成,I/O,操作的设备,13.1,I/O,管理,外部设备类型和特征,13.2,I/O,控制技术,程序控制,I/O（,轮询）：,CPU,代表进程给,I/O,模块发送一个命令，,CPU,进入忙等待（输入输出完全由,CPU,控制）,中断驱动,I/O：,CPU,代表进程给,I/O,模块发送一个命令，然后,CPU,继续执行后续指令,;,当,I/O,模块完成后，,CPU,被该模块（,CPU,和,I/O,设备可以共同工作）中断。,直接存储器存取,(DMA)：,CPU,给,DMA,模块发请求，只有当,DMA,将整个数据块传送结束后，,CPU,才被中断（数据在内存和外设之间传输时不需要,CPU,干预）。,设备绝对号和相对号,设备绝对号：,计算机系统为每一台设备确定的编号，用来区分和识别设备；,用户在编写程序时不能通过设备的绝对编号来使用设备,设备类型号：,操作系统为每类设备规定的一个编号,设备相对号：,用户自己规定的所用的同类设备中的第几台。,如,Unix,中，,rfd0,和,rfd1,分别表示第1个和第2个软盘驱动器；,设备独立性,如果用户程序中直接使用真实的物理设备，那么会出现这样的问题：用户指定的设备因故障不能使用，或者该设备正忙于为其他进程服务，只有等待或者修改程序，重新指定设备。,为了实现用户程序与物理设备的无关性，在用户程序中不要直接使用物理设备名（或者设备的物理地址），而只能使用逻辑设备名。逻辑设备是实际物理设备的抽象，它不限于某类具体设备。逻辑设备究竟和哪一个具体的物理设备相对应，还要由系统根据当时的设备忙、闲情况来决定或者由系统管理员指定。,IO,软件的基本思想是,按分层的思想构成,:,较低层软件要使较高层软件独立于硬件的特性，,较高层软件则要向用户提供一个友好的、清晰的、简单的、功能更强的接口,13.3 设备管理系统的组织,13.3,设备管理分层模型,User Process,Logical I/O,Device I/O,Scheduling&,Control(Device Driver),Hardware,Communications Architecture,逻辑,I/O：,将设备当作一个逻辑资源，不涉及实际的设备控制的细节:,针对,用户接口，,提供抽象的命令，如：,Open,Close,Read,针对,通信设备，,则是通信体系结构如网络协议栈,；,针对,文件存储设备，,是文件系统的逻辑结构控制；,设备,I/O：,逻辑设备与物理设备间的过渡协调机构。,用户命令到设备操作序列的,转换。,请求的操作和数据被转换成适当的,I/O,指令序列、通道命令和控制器指令。,可以用,I/O,缓冲,提高,I/O,效率,调度和控制：,是,I/O,模块和设备,硬件真正发生交互,的软件层，,直接面对硬件设备的控制细节。,如,I/O,操作的排队，设备,控制和状态维护、中断处理。,这部分通常体现为,设备驱动程序；,13.3 设备管理分层模型,进行,I/O,调用，格式化,I/O;Spooling,命名，保护，阻塞，缓冲，分配,建立设备寄存器；检查状态,当,I/O,结束时，唤醒驱动器,执行,I/O,操作,I/O,系统的层次结构及每层的主要功能,用户进程层,执行输入输出系统调用，对,I/O,数据进行格式化,独立于设备的软件,实现设备的命名、设备的保护、成块处理、缓冲技术和设备分配；(逻辑,I/O),设备驱动程序,设置设备寄存器、检查设备的执行状态,中断处理程序,负责,IO,完成时，唤醒设备驱动程序进程，进行中断处理,硬件层,实现物理,IO,的操作,I/O,系统的层次结构及每层的主要功能,练习题,描述设备管理软件的层次结构，并说明以下的工作各在,I/0,软件层次的哪一层？,维护一个最近使用的块的缓冲。,为一个磁盘读操作计算磁道、扇区、磁头。,向设备寄存器写命令。,设备保护,各类,I/O,库函数,缓冲技术的,基本思想,：在,CPU,和外设之间设置缓冲区，用于暂存,CPU,与外设之间交换的数据，从而缓和,CPU,与外设速度不匹配的矛盾。,缓冲区所在的位置：,内存，控制器或外设（,多级缓冲机制）,硬件缓冲，,如,I/O,控制器,中的数据缓冲寄存器,软件缓冲：,在,内存,画出一个具有,n,个单元的专用缓冲区。,根据方向：,分为输入缓冲和输出缓冲,根据用途：,分为专用缓存（为一个设备独占，如键盘缓存）和公用缓存（为多个设备公用）,缓冲区,CPU,外设,13.4 缓冲,13.4 缓冲,无缓冲时问题分析：,设备直接向进程地址空间传送数据(如用户从磁带中读数据块的操作），则进程要么忙等待，要么阻塞。,如果用,忙等待方式，,则浪费大量,CPU,时间；,如果是,阻塞方式,，则进程阻塞在设备的,I/O,请求队列中。这时，,不能将进程全部换出，还可能出现单进程,死锁,。（进程在等待,I/O,操作结果之前被换出，等待,I/O,事件，而,I/O,操作也被阻塞，等待该进程被换入。）,缓冲技术,的用途,可以在发出请求之前就开始执行输入操作（预输入），在发出请求一段时间后才开始执行输出操作（缓输出）。,匹配,CPU,或用户应用进程与外设的不同处理,速度,减少对,CPU,的中断次数：,提高,CPU,和,I/O,设备之间以及各个,I/O,设备之间的处理,并行性,。,多道程序环境中提高,OS,效率和单个进程的工具（技术）之一。,13.4 缓冲,用途,单缓冲(,single buffer)：,当一个用户进程发出,I/O,请求时，,OS,给该操作分配一个位于主存中系统部分的缓冲区,。以面向块的设备为例：输入先传送至系统缓冲区，当传送完成时，,进程将该块移动到用户空间,，并立即请求另一块,预读,(对于输出，则称为,延迟写,）,。,好处：,用户可以在下一块数据正在读入时，处理这块数据(用户进程处理某个数据块的同时，下一个数据块正在读入）。由于输入发生功能在系统存储空间而不是用户进程存储区，因此,OS,可以将该进程换出。,增加了,OS,的逻辑复杂度：,OS,必须直到用户进程的缓冲区的分配情况，交换逻辑受到影响。,13.4 缓冲,单缓冲区,13.4 缓冲,双缓冲和循环缓冲,双缓冲(,double buffer)：,两个缓冲区，,CPU,和外设都可以连续处理而无需等待对方。当一个进程往一个缓冲区中写数据时（取数据）时，,OS,正在清空（填充）另一个缓冲区。,循环缓冲(,circular buffer)：,多个缓冲区，,CPU,和外设的处理速度可以相差较大，如这个进程突然快速执行了大量的,I/O。,13.4 I/O,缓冲,13.4 I/O,缓冲,由于外设资源的有限，需解决进程间的外设共享问题，以提高外设资源的利用率。设备分配是对进程使用外设过程的管理。这里有两种作法：,1)在进程间,切换使用,外设，如键盘和鼠标；,2)通过一个,虚拟设备,把外设与应用进程隔开，只由虚拟设备来使用设备。,13.4,设备分配,13.4.1 设备分配,数据结构,系统设备表,(,SDT,System Device Table)：,系统内一张，反映,系统中设备资源的状态,，记录所有设备的状态及其设备控制表的入口。,设备控制表,(,DCT,Device Control Table)：,每个设备一张，,描述设备特性和状态,。反映设备的特性、设备和控制器的连接情况。,控制器控制表,(,COCT,COntroller Control Table)：,每个设备控制器一张，描述,I/O,控制器的配置和状态,。如,DMA,控制器所占用的中断号、,DMA,数据通道的分配。,通道控制表,(,CHCT,CHannel Control Table)：,每个通道一张，描述通道工作状态,。,各表间的关系,系统设备表,表项1,表项,i,设备类型,设备标识,获得设备的进程号,DCT,指针,设备控制表（,DCT）,设备类型,设备标识,设备忙/闲标记,COCT,指针,设备等待队列首指针,设备等待队列尾指针,控制器控制表,COCT,控制器标识,控制器忙/闲标记,CHCT,指针,控制器,等待队列首指针,控制器,等待队列尾指针,通道控制表,CHCT,通道标识,通道忙/闲标记,COCT,指针,通道,等待队列首指针,通道,等待队列尾指针,13.4.2 设备分配,原则,设备分配的原则,合理使用外设(公平和避免死锁),提高设备利用率,应用程序与设备无关,与设备分配有关的,设备属性,：,独享设备：,打印机等；,共享设备：,磁盘、网卡等；,设备,分配技术,：,独占分配,：不会出现死锁；但设备利用率不高；,共享分配,：利用率高，但控制复杂,虚拟分配,：,利用共享设备去实现独占设备的功能；有利于提高设备利用率,先来先服务(,FCFS)：,按,I/O,请求的先后顺序，排成,I/O,请求命令队列，队首指向被请求设备的,DCT；,按,FCFS,分配设备；,基于优先级：,依据进程的优先级，指定,I/O,请求的优先级，排成不同优先级队列；按优先级高低分配设备；,13.4.2 设备分配,算法,先回顾一下设备分类问题,按资源分配角度分类,独占设备,在一段时间内只能有一个进程使用的设备，一般为低速,I/O,设备。如打印机，磁带等。因,数量有限，会成为系统中的“瓶颈”资源，使进程经常处于阻塞状态；设备利用率比较低,共享设备,在一段时间内可有多个进程共同使用的设备，多个进程以交叉的方式来使用设备，其资源利用率高（如硬盘）,13.5 Spooling,系统,13.5,虚拟设备,虚拟设备技术,多道程序系统中，进程对设备的需求频繁，尤其是独占设备数量有限、效率低，故引入虚拟设备管理技术。,基本思想：用大容量的快速设备（磁盘）模拟慢速度的独占设备，把一台物理上的独占设备变为逻辑上的多台共享设备。,通过,共享型设备来模拟独占型设备的动作，,使独占型设备成为共享型设备，,提高设备的利用率和系统的效率。,实例：,SPOOLing,技术,（,Simultaneously Peripheral Operation On Line，,外围设备同时联机操作)，,是用程序模拟脱机,I/O,的功能，故又称为假脱机技术。,输入设备,输出设备,虚拟设备,虚拟设备,虚拟设备,输入井,输出井,虚拟设备,用户进程,用户进程,虚拟设备,13.5 Spooling,系统,13.5 SPOOLing,系统,工作原理,作业执行前用慢速设备将作业预先输入到输入井中，称为,预输入,（,输入井和输出井是某,共享设备（磁盘）上的一部分存储空间）。,作业运行后，使用数据时，从输入井中取出,作业执行不必直接启动外设输出数据，只需将这些数据写入输出井中,作业全部运行完毕，再由外设输出全部数据和信息，称为,缓输出,实现了对作业输入、组织调度和输出的统一管理使外设在,CPU,直接控制下，与,CPU,并行工作（称为假脱机）,输入装置,输入装置,通,道,通,道,输出装置,输出装置,通 道,主机系统,输入管 输出管,理模块 理模块,外 设,输入井 输出井,SPOOLing,系统,13.5 SPOOLing,系统,举例,假设系统中全部打印机采用了,Spooling,技术，当某进程要求打印输出时，并不是将某台打印机分配给该进程，而是在某共享设备（磁盘）上的输出井中，为其分配一块存储区，同时为该进程的输出数据建立一个,文件,，该进程的输出数据实际上并未从打印机上输出，只是以文件形式输出，并输出存放在输出井中。,这个输出文件实际相当于虚拟的打印机。这些输出井中的文件形成了一个输出队列，然后调度输出,用户进程并未真正分到打印机，,用户进程被分配的只是,共享设备中的一个存储区,打印请求队列,打印机,打印,服务进程,以,spooling,方式使用外设,思考:,以打印机为例，简述,Spooling,技术的工作原理，它是如何使一台打印机虚拟成多台打印机的？,13.5 SPOOLing,系统,举例,13.5 SPOOLing,系统,优点,Spooling,技术优点：,高速虚拟,I/O,操作：,应用程序的虚拟,I/O,比实际,I/O,速度提高，缩短了应用程序的执行时间。另一方面，程序的虚拟,I/O,操作时间和实际,I/O,操作时间分离开来。,实现对独享设备的共享：,由,Spooling,程序提供虚拟设备，可以对独享设备共享使用。,思考题,什么是缓冲？为什么要引入缓冲？,区分独占设备、共享设备、虚拟设备；,理解对共享设备可同时使用的含义；,简述实现虚拟设备的基本条件，虚拟设备的实现原理,解释,Spooling,系统及其组成；输入井和输出井的位置及作用,设备独立性的含义,设备的分配方法,