os操作系统05.ppt

单击以编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击以编辑,母版标题样式,第五章 设备管理,5.1,I/O,系统,5.2,I/O,控制方式,5.3,缓冲管理,5.4,设备分配,5.5,设备处理,设备管理举例,5.6,磁盘存储器管理,外设的,特点：,种类,多,差异,大,(,控制和速度,),外设,管理目的,包括：,外设资源的,控制（缓冲区、分配、处理,),外设资源的,共享,(,虚拟、独立性,),提高外设资源的,利用率,。,1,5.1.1,I/O,设备,1.,I/O,设备的类型,1),按传输速率分类,按传输速度的高低，可将,I/O,设备分为三类。第一类是低速设备，这是指其传输速率仅为每秒钟几个字节至数百个字节的一类设备。属于低速设备的典型设备有键盘、鼠标器、语音的输入和输出等设备。第二类是中速设备，这是指其传输速率在每秒钟数千个字节至数万个字节的一类设备。典型的中速设备有行式打印机、激光打印机等。第三类是高速设备，这是指其传输速率在数百千个字节至数十兆字节的一类设备。典型的高速设备有磁,带机、磁盘机、光盘机等。,5.1,I/O,系 统,2,2),按信息交换的单位分类,可将,I/O,设备分成两类。第一类是块设备,(,Block Device),，,这类设备用于存储信息。由于信息的存取总是以数据块为单位，故而得名。它属于有结构设备。典型的块设备是磁盘，每个盘块的大小为,512,B4 KB,。,磁盘设备的基本特征是其传输速率较高，通常每秒钟为几兆位；另一特征是可寻址，即对它可随机地读,/,写任一块；此外，磁盘设备的,I/O,常采用,DMA,方式。第二类是字符设备,(,Character Device),，,用于数据的输入和输出。其基本单位是字符，故称为字符设备。,3,3),按设备的共享属性分类,这种分类方式可将,I/O,设备分为如下三类：,独占设备。,(2),共享设备。,(3),虚拟设备。独占变共享,4,2.,设备与控制器之间的接口,图,5-1,设备与控制器间的接口,5,5.1.2,设备控制器,1.,设备控制器的基本功能,接收和识别命令,数据交换,标识和报告设备的状态,地址识别,数据缓冲,差错控制,6,2.,设备控制器的组成,图,5-2,设备控制器的组成,7,5.1.3,I/O,通道,1.,I/O,通道,(,I/O Channel),设备的引入,实际上，,I/O,通道是一种特殊的处理机。它具有执行,I/O,指令的能力，并通过执行通道,(,I/O),程序来控制,I/O,操作。但,I/O,通道又与一般的处理机不同，主要表现在以下两个方面：,一是其指令类型单一，这是由于通道硬件比较简单，其所能执行的命令，主要局限于与,I/O,操作有关的指令；再就是通道没有自己的内存，通道所执行的通道程序是放在主机的内,存中的，换言之，是通道与,CPU,共享内存。,8,2.,通道类型,字节多路通道,(,Byte,Multiplexor,Channel),子通道分时共享主通道,图,5-3,字节多路通道的工作原理,9,2),数组选择通道,(,Block Selector Channel),字节多路通道不适于连接高速设备，这推动了按数组方式进行数据传送的数组选择通道的形成。这种通道虽然可以连接,多台高速设备,，但由于它只含有,一个分配型子通道,，在一段时间内只能执行一道通道程序，控制一台设备进行数据传送，致使当某台设备占用了该通道后，便一直由它独占，即使是它无数据传送，通道被闲置，也不允许其它设备使用,该通道，直至该设备传送完毕释放该通道。可见，这种通道的利用率很低。,10,3),数组多路通道,(,Block,Multiplexor,Channel),数组选择通道虽有很高的传输速率，但它却每次只允许一个设备传输数据。数组多路通道是将数组选择通道传输速率高和字节多路通道能使各子通道,(,设备,),分时并行操作的优点相结合而形成的一种新通道。它含有,多个非分配型子通道,，因而这种通道既具有很高的数据传输速率，又能获得令人满意的通道利用率。也正因此，才使该通道能被广泛地用于连接,多台,高、中速,的外围设备，其数据传送是按数组方式进行的。,11,3.“,瓶颈”问题,图,5-4,单通路,I/O,系统,12,图,5-5,多通路,I/O,系统,13,5.1.4,总线系统,图,56,总线型,I/O,系统结构,14,1.,ISA,和,EISA,总线,1)ISA(Industry Standard Architecture),总线,这是为了,1984,年推出的,80286,型微机而设计的总线结构。其总线的带宽为,8,位，最高传输速率为,2,Mb/s,。,之后不久又推出了,16,位的,(,EISA),总线，其最高传输速率为,8,Mb/s,，,后又升至,16,Mb/s,，,能连接,12,台设备。,2),EISA(Extended ISA),总线,到,80,年代末期，,ISA,总线已难于满足带宽和传输速率的要求，于是人们又开发出扩展,ISA(EISA),总线，其带宽为,32,位，总线的传输速率高达,32,Mb/s,，,同样可以连接,12,台外部设备,。,15,2.,局部总线,(,Local Bus),VESA(Video Electronic Standard Association),总线,PCI(Peripheral Component Interface),总线,16,5.2.1,程序,I/O,方式,在程序,I/O,方式中，由于,CPU,的高速性和,I/O,设备的低速性，致使,CPU,的绝大部分时间都处于等待,I/O,设备完成数据,I/O,的循环测试中，造成,对,CPU,的极大浪费,。在该方式中，,CPU,之所以要不断地测试,I/O,设备的状态，就是因为在,CPU,中无中断机构，使,I/O,设备无法向,CPU,报告,它已完成了一个字符的输入操作。,5.2,I/O,控制方式,17,图,5-7,程序,I/O,和中断驱动方式的流程,18,5.2.2,中断驱动,I/O,控制方式,在,I/O,设备输入每个数据的过程中，由于无须,CPU,干预，因而可使,CPU,与,I/O,设备并行工作。仅当输完一个数据时，才需,CPU,花费极短的时间去做些中断处理。可见，这样可使,CPU,和,I/O,设备都处于忙碌状态，从而提高了整个系统的资源利用率及吞吐量。例如，从终端输入一个字符的时间约为,100,ms,，,而将字符送入终端缓冲区的时间小于,0.1,ms,。,若采用程序I/O,方式，,CPU,约有,99.9,ms,的时间处于忙,等待中。采用中断驱动方式后，,CPU,可利用这,99.9,ms,的时间去做其它事情，而仅用,0.1,ms,的时间来处理由控制器发来的中断请求,。可见，中断驱动方式可以成百倍地提高,CPU,的利用率。,19,5.2.3,直接存储器访问,DMA I/O,控制方式,1.,DMA(Direct Memory Access),控制方式的引入,该方式的特点是：数据传输的基本单位是数据块，即在,CPU,与,I/O,设备之间，每次传送至少一个数据块；所传送的数据是从设备直接送入内存的，或者相反；仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时，才需,CPU,干预，整块数据的传送是在控制器的控制下完成的。可见，,DMA,方式较之中断驱动方式，又是成百倍地减少了,CPU,对,I/O,的干预，进,一步提高了,CPU,与,I/O,设备的并行操作程度。,20,2.,DMA,控制器的组成,图,5-8,DMA,控制器的组成,21,为了实现在主机与控制器之间成块数据的直接交换，必须在,DMA,控制器中设置如下四类寄存器：,(1),命令,/,状态寄存器,CR,。,用于接收从,CPU,发来的,I/O,命令或有关控制信息，或设备的状态。,(2),内存地址寄存器,MAR,。,在输入时，它存放把数据从设备传送到内存的起始目标地址；在输出时，它存放由内存到设备的内存源地址。3),数据寄存器,DR,。,用于暂存从设备到内存，或从内存到设备的数据。,(4),数据计数器,DC,。,存放本次,CPU,要读或写的字,(,节,),数。,22,3.,DMA,工作过程,图,5-9,DMA,方式的工作流程,23,5.2.4,I/O,通道控制方式,1.,I/O,通道控制方式的引入,I/O,通道方式是,DMA,方式的发展，它可进一步减少,CPU,的干预，即把对一个数据块的读,(,或写,),为单位的干预，减少为对一组数据块的读,(,或写,),及有关的控制和管理为单位的干预。同时，又可实现,CPU,、,通道和,I/O,设备三者的并行操作，从而更有效地提高整个系统的资源利用率。例如，当CPU,要完成一组相关的读,(,或写,),操作及有关控制时，只需向,I/O,通道发送一条,I/O,指令，以给出其所要执行的通道程序的首址和要访问的,I/O,设备，通道接到该指,令后，通过执行通道程序便可完成,CPU,指定的,I/O,任务。,24,2.,通道程序,操作码。,(2),内存地址。,(3),计数。,(4),通道程序结束位,P,。,(5),记录结束标志,R,。,25,操作,P,R,计数,内存地址,WRITE,0,0,80,813,WRITE,0,0,140,1034,WRITE,0,1,60,5830,WRITE,0,1,300,2000,WRITE,0,0,250,1850,WRITE,1,1,250,720,一个简单的通道程序,26,5.3.1,缓冲的引入,缓和,CPU,与,I/O,设备间速度不匹配的矛盾。,(2),减少对,CPU,的中断频率，放宽对,CPU,中断响应时间的限制。,(3),提高,CPU,和,I/O,设备之间的并行性。,缓冲区所在的位置：内存，控制器或外设。这些在不同位置的缓冲区组合在一起，构成多级缓冲机制。,5.3,缓 冲 管 理,27,图,5-10,利用缓冲寄存器实现缓冲,28,5.3.2,单缓冲和双缓冲,1.,单缓冲,(,Single Buffer),图,5-11,单缓冲工作示意图,一个缓冲区，,CPU,和外设轮流使用，一方处理完之后接着等待对方处理29,2.,双缓冲,(,Double Buffer),图,5-12,双缓冲工作示意图,要求,CPU,和外设的速度相近,。,30,图,5-13,双机通信时缓冲区的设置,31,5.3.3,循环缓冲,1.,循环缓冲的组成,图,5-14,循环缓冲,多个缓冲区 三类：,R G C,多个指针,Nextg Nexti,Current,32,2.,循环缓冲区的使用,Getbuf,过程。,(2),Releasebuf,过程。,3.,进程同步,Nexti,指针追赶上,Nextg,指针。,(2),Nextg,指针追赶上,Nexti,指针。,33,5.3.4,缓冲池,(,Buffer Pool),1.,缓冲池的组成,对于既可用于输入又可用于输出的公用缓冲池，其中至少应含有以下三种类型的缓冲区：空,(,闲,),缓冲区；装满输入数据的缓冲区；装满输出数据的缓冲区。为了管理上,的方便，可将相同类型的缓冲区链成一个队列，于是可形成以下三个队列：,(1),空缓冲队列,emq,。,(2),输入队列,inq,。,(3),输出队列,outq,。,这是一种双方向缓冲技术；缓冲区整体利用率高。,四种工作缓冲区和操作：收容输入，提取读入，收容输出，提取输出。上述操作访问各个缓冲区队列时，需要进行相应的互斥操作。,34,2.,Getbuf,过程和,Putbuf,过程,Procedure,Getbuf,(type),beginWait(RS(type);,Wait(MS(type);,B(number)KG-*3=,Takebuf,(type);,Signal(MS(type);,end,Procedure,Putbuf,(type,number),begin,Wait(MS(type);,Addbuf,(type,number);,Signal(MS(type);,Signal(RS(type);,end,互斥信号量,MS,和资源信号量,RS,35,3.,缓冲区的工作方式,图,5-15,缓冲区的工作方式,三个队列、四个缓冲区,1,收容输入工作方式,emq,-,hin,-,inq,2,提取输入工作方式,inq,-sin-,emq,3,收容输出工作方式,emq,-,hout,-,outq,4,提取输出工作方式,outq,-,sout,-,emq,36,5.4.1,设备分配中的数据结构,1.,设备控制表,DCT,图,5-16,设备控制表,5.4,设 备 分 配,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。,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。,37,2.,控制器控制表、通道控制表和系统设备表,图,5-17,COCT,、,CHCT,和,SDT,表,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,每个通道一张，描述通道工作状态。,每个设备控制器一张，描述,I/O,控制器的配置和状态,。,38,5.4.2,设备分配时应考虑的因素,1.,设备的固有属性,独享设备。,(2),共享设备。,(3),虚拟设备。,设备分配的原则是合理使用外设,(,公平和避免死锁,),，提高设备利用率。,39,2.,设备分配算法,设备,分配方式,：,静态分配,：在进程分创建时分配，在进程退出时释放；,不会出现死锁；,设备利用率不高；,动态分配,：在进程执行过程中根据需要分配，使用结束后释放；,需要考虑死锁问题,有利于提高设备利用率,先来先服务。按,I/O,请求的先后顺序，排成,I/O,请求命令队列；按,FCFS,分配设备；,优先级高者优先 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；,40,3.,设备分配中的安全性,安全分配方式,丢弃“请求和保持”条件，串行工作,不安全分配方式,“请求和保持”条件，死锁,41,5.4.3,设备独立性,1.,设备独立性,(,Device Independence),的概念,为了提高,OS,的可适应性和可扩展性，在现代,OS,中都毫无例外地实现了设备独立性，也称为,设备无关性,。其基本含义是：应用程序独立于具体使用的物理设备。为了实现设备独立性而引入了逻辑设备和物理设备这两个概念。在应用程序中，使用,逻辑设备名称,来请求使用某类设备；而系统在实际执行时，还必须使用,物理设备名称,。因此，系统须具有将逻辑设备名称转换为某物理设备名称的功能，这非常类似于存储器管理中所介绍的逻辑地址,和物理地址的概念。,42,在实现了设备独立性的功能后，可带来以下两方面的好处。,1),设备分配时的灵活性,2),易于实现,I/O,重定向,43,2.,设备独立性软件,1),执行所有设备的公有操作,这些公有操作包括：对独立设备的分配与回收；将逻辑设备名映射为物理设备名，进一步可以找到相应物理设备的驱动程序；对设备进行保护，禁止用户直接访问设备；缓冲管理，即对字符设备和块设备的缓冲区进行有效的管理，以提高,I/O,的效率；差错控制。由于在,I/O,操作中的绝大多数错误都与设备无关，故主要由设备驱动程序处理，而设备独立性软件只处理那些设备驱动程序无法处理的错误。,44,2),向用户层,(,或文件层,),软件提供统一接口,无论何种设备，它们向用户所提供的接口应该是相同的。例如，对各种设备的读操作，,在应用程序中都使用,read;,而对各种设备的写操作，也都使用,write,。,45,3.,逻辑设备名到物理设备名映射的实现,逻辑设备表,2),LUT,的设置问题,图,5-18,逻辑设备表,46,5.4.4,独占设备的分配程序,1.,基本的设备分配程序,分配设备,2),分配控制器,3),分配通道,2.,设备分配程序的改进,增加设备的独立性,2),考虑多通路情况,47,5.4.5,SPOOLing,技术,1.,什么是,SPOOLing,为了缓和,CPU,的高速性与,I/O,设备低速性间的矛盾而引入了脱机输入、脱机输出技术。该技术是利用专门的外围控制机，将低速,I/O,设备上的数据传送到高速磁盘上；或者相反。事实上，当系统中引入了,多道程序技术,后，完全可以利用其中的一道程序，来模拟脱机输入时的外围控制机功能，把低速,I/O,设备上的数据传送到高速磁盘上；再用另一道程序来模拟脱机输出时外围控制机的功能，把数据从磁盘传送到低速输出设备上。这样，便可在主机的直接控制下，实现脱机输入、输出功能。此时的,外围操作与,CPU,对数据的处理同时进行，我们把这种在联机情况下实现的同时外围操作称为,SPOOLing,(,Simultaneaus Periphernal,Operating On-Line),，,或称为,假脱机操作,。,48,2.,SPOOLing,系统的组成,图,5-19,SPOOLing,系统的组成,49,3.,共享打印机,共享打印机技术已被广泛地用于多用户系统和局域网络中。当用户进程请求打印输出时，,SPOOLing,系统同意为它打印输出，但并不真正立即把打印机分配给该用户进程，而只为它做两件事：由输出进程在输出井中为之申请一个空闲磁盘块区，并将要打印的数据送入其中；输出进程再为用户进程申请一张空白的用户请求打印表，并将用户的打印要求填入其中，再,将该表挂到请求打印队列上。,Windows NT,中，,打印机管理器管理打印作业队列。,应用程序直接向针式打印机输出需要,15,分钟，而向打印作业队列输出只需要,1,分钟，此后用户可以关闭应用程序而转入其他工作，在以后适当的时候由打印机管理器完成,15,分钟的打印输出而无需用户干预。,50,4.,SPOOLing,系统的特点,提高了,I/O,的速度。,(2),将独占设备改造为共享设备。,(3),实现了虚拟设备功能。,51,5.5.1,设备驱动程序的功能和特点,1.,设备驱动程序的功能,(1),接收由,I/O,进程发来的命令和参数，并将命令中的抽象要求转换为具体要求，例如，将磁盘块号转换为磁盘的盘面、磁道号及扇区号。,(2),检查用户,I/O,请求的合法性，了解,I/O,设备的状态，传递有关参数，设置设备的工作,方式。,5.5,设 备 处 理,52,(3),发出,I/O,命令，如果设备空闲，便立即启动,I/O,设备去完成指定的,I/O,操作；如果设备处于忙碌状态，则将请求者的请求块挂在设备队列上等待。,(4),及时响应由控制器或通道发来的中断请求，并根据其中断类型调用相应的中断处理程序进行处理。,(5),对于设置有通道的计算机系统，驱动程序还应能够根据用户的,I/O,请求，自动地构成,通道程序。,53,2.,设备处理方式,(1),为每一类设备设置一个进程，专门用于执行这类设备的,I/O,操作,.,(2),在整个系统中设置一个,I/O,进程，专门用于执行系统中所有各类设备的,I/O,操作。,(3),不设置专门的设备处理进程，而只为各类设备设置相应的设备处理程序,(,模块,),，供用,户进程或系统进程调用。,54,3.,设备驱动程序的特点,(1),驱动程序主要是指在请求,I/O,的进程与设备控制器之间的一个通信和转换程序。,(2),驱动程序与设备控制器和,I/O,设备的硬件特性紧密相关，因而对不同类型的设备应配置,不同的驱动程序。,(3),驱动程序与,I/O,设备所采用的,I/O,控制方式紧密相关。,(4),由于驱动程序与硬件紧密相关，因而其中的一部分必须用汇编语言书写。,55,5.5.2,设备驱动程序的处理过程,将抽象要求转换为具体要求,2.,检查,I/O,请求的合法性,3.,读出和检查设备的状态,4.,传送必要的参数,5.,工作方式的设置,6.,启动,I/O,设备,56,图,5-20,中断现场保护示意图,57,图,5-21,中断处理流程,58,设备管理举例,1,UNIX,的设备管理,2,Windows NT,的设备管理,59,1,UNIX,的设备管理,UNIX,的外设与特殊文件对应，由文件系统按文件管理方式进行管理，向上提供一个与文件系统统一的接口。,60,1.,UNIX,的,I/O,结构,无缓存,I/O(Buffered I/O),：,在进程,I/O,区域与系统,I/O,模块间直接进行数据交换；,有缓存,I/O(,Unbuffered,I/O),：,有缓存,I/O,要经过系统的缓冲区管理机构；它分成系统缓冲区,(,system buffer caches),和字符队列,(,character queues),两种。,按设备,I/O,的不同情况，,UNIX,系统的,I/O,分成,2,种：,61,2.,块设备,(,block device),的缓冲区管理,块设备缓冲区结构：,缓存块是缓存使用的基本单位，它与外设数据块相对应；每个缓存块由分立的两部分组成：,缓冲控制块,和,缓冲数据区,。前者用于缓冲区管理，而后者用于存放数据（长度为,512,字节或,1024,字节）。,缓冲控制块：也称为缓冲首部,(,buffer header),。,内容包括：逻辑设备号，物理块号，缓冲区状态（如空闲、延迟写、锁定等标志），指向缓冲数据区的指针，哈希队列的前后向指针，空闲队列的前后向指针,缓冲区采用缓冲池结构，主要用于磁盘等外存的缓存。,62,缓冲区管理的相关数据结构,空闲缓冲队列,(,Free list),：,系统的所有空闲缓冲区列表；,设备,I/O,请求队列,(,Driver I/O queue),：,正与外设进行,I/O,操作的缓存块列表；一个缓存块必须处于空闲或操作状态；,设备缓冲区队列,(,Device list),：,与各外设相关的缓存块列表，其中有缓存数据；,缓冲区检索,设备缓冲区队列为,Hash,队列,：为了检索方便，设备缓冲区队列为一个按,(,逻辑设备号，物理块号,),组织的,Hash,队列。把逻辑设备号和物理块号之和对,64,取模作为哈希函数值，据此建立多个哈希队列（,64,个队列）。,缓存块可同时链入设备缓冲区队列和空闲缓冲队列：一个缓存块在分配给一个外设后，一直与该外设相关,(,既使该缓存块在空闲缓冲队列中,),，直到分配给另一外设。即：设备释放缓冲区后，该缓冲区可处于,延迟写,状态，等待被写入到外设；该缓冲区被重新分配之前，要将其写入到外设。,63,缓冲区的置换算法,最近最久未使用算法,(,LRU),算法,缓冲区数据读写：,外设与核心缓冲区间,：,一般读,(,从外设读入指定的数据块,),、,预先读,(,在一般读的基础上，异步读入另一块，以提高数据读取速度,),；,一般写,（立即起动,I/O,并等待完成）、,异步写,（立即起动,I/O,而不等待完成，以提高写速度）、,延迟写,（不立即起动,I/O,，,以减少不必要的,I/O,操作，但系统故障时会产生数据错误）,核心缓冲区与进程的用户区间,：,使用,DMA,方式,在缓存与用户进程进行内存到内存的数据传送，可节约,CPU,时间，但要占用总线。,64,3.,字符设备,(,character device),的缓冲区管理,字符缓冲池的基本分配单位为,字符缓冲区,cblock,：,供各种字符设备（的设备驱动程序）使用。,每个缓冲区大小为,70,字节,，内容包括：第一个字符和最后一个字符的位置（便于从开头移出字符和向末尾添加字符），指向下一个缓冲区的指针,c_next,，,可存放,64,个字符,的数据区,字符设备缓冲队列,clist,：,每个字符设备驱动程序对应一个,clist,。,由若干个,cblock,依次链接而成，而,clist,指向第一个和最后一个,cblock,所有的空闲缓冲区也对应一个,clist,。,字符缓冲区采用缓冲池结构，构成一个字符队列,(,Character Queue),，,它不同于块设备缓冲区的多次读写，缓冲区中每个字符只能读一次，读后被破坏。,65,字符设备缓冲区的操作,空闲缓冲区操作,：申请空闲缓冲区、释放空闲缓冲区；,字符设备缓冲队列操作,：从队首,读出,一个字符、向队尾,写入,一个字符、,读出,队首缓冲区的所有字符、向队尾,加入,一个有数据的缓冲区、从队首,读出,n,个字符、向队尾,写入,n,个字符；,66,4.,设备开关表,(,switch table),UNIX,设备驱动程序通过相应的块设备开关表和字符设备开关表描述向上,与文件系统的接口,。开关表是每个设备驱动程序的一系列接口过程的入口表，给出了一组,标准操作的驱动程序入口地址,，文件系统可通过开关表中的各函数入口地址转向适当的驱动程序入口。,67一个设备驱动程序可,同时提供块接口和字符接口,，在两个开关表中各占一个表项；,一个设备驱动程序,不必支持所有的入口点,，可仅返回错误码或返回成功。如：打印机的写入口点；,块设备开关表,：,open,：,打开设备时调用，完成设备及相关数据结构的初始化；,close,：,最后一个对设备的引用释放,(,没有进程打开该设备,),时调用，完成设备关闭或脱机；,strategy,（,用于,I/O,数据传输）：向块设备发出读写请求的公共入口点；操作是异步的，驱动程序可能会优化请求队列。,字符设备,：,open,、,close,read,：,从字符设备读取数据；,write,：,向字符设备写入数据；,ioctl,：,控制操作字符设备的通用入口点，它的参数为控制命令及命令参数；,68,5.,流机制,(,streams),流的引入：流的引入是为了解决内核与驱动程序抽象层次过高，而引起的,驱动程序功能大量重复,。它可提供一个完全,基于消息的模块化的驱动程序编写方法,。,流的定义：流是一组系统调用、内核资源和创建、使用及拆除流的,例程的集合,，构成一个数据传输通道，两端为读队列和写队列。,69,流的结构：上行流,(,upstream),和下行流,(,downstream),70,流的多路复用机制：,上部多路复用器：向上连接多个流；,下部多路复用器：向下连接多个流；,双向多路复用器：同时支持向上连接的多个流和向下连接的多个流；,71,2,Windows NT,的设备管理,1.,NT,的,I/O,系统结构,72,I/O,子系统,：实现文件化的,I/O,函数；,通常的打开、关闭和读写函数；,异步,I/O,：,应用进程在发出,I/O,请求后，不需等待,I/O,完成，可继续其它工作；,映射文件,I/O,：,把文件作为进程虚拟空间的一部分进行直接访问；,快速,I/O,：,不通过,I/O,管理器，直接向驱动程序发出,I/O,请求；,I/O,管理器,：依据抽象,I/O,操作创建和传送,I/O,请求包,(,IRP),；,核心态设备驱动程序,：将,I/O,请求包转化为对硬件设备的特定控制请求；,驱动程序支持例程供设备驱动程序调用，以完成,I/O,请求；,硬件抽象层,I/O,访问例程,：隔离驱动程序与硬件平台，以提高可移植性,(,同体系结构上的二进制可移植和,NT,支持平台间的源代码可移植,),；,73,2.,核心态驱动程序的类型,文件系统驱动程序,：实现文件,I/O,请求到物理设备,I/O,请求的转换；,文件系统过滤器驱动程序,：截取文件系统驱动程序产生的,I/O,请求，执行另外处理，并发出相应的低层,I/O,请求；如：容错磁盘；,类驱动程序,(,class driver),：,实现对特定类型设备的,I/O,请求处理；如：磁盘、磁带、光盘等；,端口驱动程序,(,port driver),：,实现对特定类型,I/O,端口的,I/O,请求处理；如：,SCSI,接口类型；,小端口驱动程序,：把对端口类型的,I/O,请求映射到适配器类型；,硬件设备驱动程序,(,hardware device driver),：,直接控制和访问硬件设备；,NT,采用,分层驱动程序,的思想，只有最底层的硬件设备驱动程序访问硬件设备，高层驱动程序都是进行,高级,I/O,请求到低级,I/O,请求的转换,工作；各层驱动程序间的,I/O,请求通过,I/O,管理器,进行。,74,2.,设备驱动程序的组成,初始化例程,：,I/O,管理器在加载驱动程序时，利用初始化例程创建系统对象；,调度例程集,：实现设备的各种,I/O,操作；如：打开、关闭、读取、写入等；,启动,I/O,例程,：初始化与设备间的数据传输；,中断服务例程,(,ISR),：,设备,(,软,),中断时的调用例程；要求快速简单；,中断服务延迟过程调用,(,DPC),例程,：以内核线程方式，执行,ISR,执行后的中断处理工作；,设备驱动程序由一组处理,I/O,请求的不同阶段的例程组成。,75,5.6.1,磁盘性能简述,1.,数据的组织和格式,图,5-22,磁盘的格式化,5.6,磁盘存储器管理,76,2.,磁盘的类型,1),固定头磁盘,这种磁盘在每条磁道上都有一读,/,写磁头，所有的磁头都被装在一刚性磁臂中。通过这些磁头可访问所有各磁道，并进行并行读,/,写，有效地提高了磁盘的,I/O,速度。这种结构的磁盘主要用于大容量磁盘上。,2),移动头磁盘,每一个盘面仅配有一个磁头，也被装入磁臂中。为能访问该盘面上的所有磁道，该磁头必须能移动以进行寻道。可见，移动磁头仅能以串行方式读,/,写，致使其,I/O,速度较慢；,但由于其结构简单，故仍广泛应用于中小型磁盘设备中。,77,3.,磁盘访问时间,1),寻道时间,T,s,这是指把磁臂,(,磁头,),移动到指定磁道上所经历的时间。该时间是启动磁臂的时间,s,与磁头移动,n,条磁道所花费的时间之和，即,T,s,=,m,n,+,s,其中，,m,是一常数，与磁盘驱动器的速度有关，对一般磁盘，,m,=0.2,；,对高速磁盘，,m,0.1,磁臂的启动时间约为,2,ms,。,这样，对一般的温盘，其寻道时间将随寻道,距离的增加而增大，大体上是,530,ms,。,78,2),旋转延迟时间,T,这是指定扇区移动到磁头下面所经历的时间。对于硬盘，典型的旋转速度大多为,5400,r/min,，,每转需时,11.1,ms,，,平均旋转延迟时间,T,为,5.55,ms,；,对于软盘，其旋,转速度为,300,r/min,或,600,r/min,，,这样，平均,T,为,50100,ms,。,79,3),传输时间,T,t,这是指把数据从磁盘读出或向磁盘写入数据所经历的时间。,T,t,的大小与每次所读,/,写的字节数,b,和旋转速度有关：,其中，,r,为磁盘每秒钟的转数；,N,为一条磁道上的字节数，当一次读,/,写的字节数相当于,半条磁道上的字节数时，,T,t,与,T,相同，因此，可将访问时间,T,a,表示为：,80,5.6.2,磁盘调度,1.,先来先服务,FCFS(First-Come,First Served),图,5-23,FCFS,调度算法,多进程共享磁盘，平均访问时间最小，主要是寻道时间,进程数目较少,81,2.,最短寻道时间优先,SSTF(Shortest Seek Time First),图,5-24,SSTF,调度算法,82,3.,扫描,(,SCAN),算法,1),进程“饥饿”现象,SSTF,算法虽然能获得较好的寻道性能，但却可能导致某个进程发生“饥饿”,(,Starvation),现象。因为只要不断有新进程的请求到达，且其所要访问的磁道与磁头当前所在磁道的距离较近，这种新进程的,I/O,请求必须优先满足。对,SSTF,算法略加修改后所形成的,SCAN,算法,，即可防止老进程出现“饥饿”现象。,83,2),SCAN,算法,图,5-25,SCAN,调度算法示例,磁头从磁盘的一端开始向另一端移动，沿途响应访问请求，直到到达了磁盘的另一端，此时磁头反向移动并继续响应服务请求,也称为,电梯调度算法,84,4.,循环扫描,(,CSCAN),算法,图,5-26,CSCAN,调度算法示例,磁头从磁盘的一端向另一端移动，沿途响应请求。当它到了另一端，就立即回到磁盘的开始处，在返回的途中不响应任何请求。,把所有柱面看成一个循环的序列，最后一个柱面接续第一个柱面。,C-LOOK,C-SCAN,算法的一种形式，磁臂在每个方向上仅仅移动到最远的请求位置，然后立即反向，而不需要移动到磁盘的一端。,85,5.,N-Step-SCAN,和,FSCAN,调度算法,1),N-Step-SCAN,算法,在,SSTF,、,SCAN,及,CSCAN,几种调度算法中，都可能出现磁臂停留在某处不动的情况，例如，有一个或几个进程对某一磁道有较高的访问频率，即这个,(,些,),进程反复请求对某一磁道的,I/O,操作，从而垄断了整个磁盘设备。我们把这一现象称为“磁臂粘着”,(,Armstickiness,),。,在高密度磁盘上容易出现此情况。,N,步,SCAN,算法是将磁盘请求队列分成若干个长度为,N,的子队列，磁盘调度将按,FCFS,算法依次处理这些子队列。而每处理一个队列时又是按,SCAN,算法，对一个队列处理完后，再处理其他队列。当正在处理某子队列时，如果又出现新的磁盘,I/O,请求，便将新请求进程放入其他队列，这样就可避免出现粘着现象。当,N,值取得很大时，会使,N,步扫描法的性能接近于,SCAN,算法的性能；当,N=1,时，,N,步,SCAN,算法便蜕化为,FCFS,算法。,86,2),FSCAN,算法,FSCAN,算法实质上是,N,步,SCAN,算法的简化，即,FSCAN,只将磁盘请求队列分成两个子队列。一个是由当前所有请求磁盘,I/O,的进程形成的队列，由磁盘调度按,SCAN,算法进行处理。在扫描期间，将新出现的所有请求磁盘,I/O,的进程，放入另一个等待处理的请求队列。这样，,所有的新请求都将被推迟到下一次扫描时处理。,87,5.6.3,磁盘高速缓存,(,Disk Cache),1.,磁盘高速缓存的形式,是指利用内存中的存储空间，来暂存从磁盘中读出的一系列盘块中的信息。因此，这里的高速缓存是一组在逻辑上属于磁盘，而物理上是驻留在内存中的盘块。高速缓存在内存中可分成两种形式。第一种是在内存中开辟一个单独的存储空间来作为磁盘高速缓存，其大小是固定的，不会受应用程序多少的影响；第二种是把所有未利用的内存空间变为一个缓冲池，供请求分页系统和磁盘,I/O,时,(,作为磁盘高速缓存,),共享。此时高速缓存的大小，显然不再是固定的。当磁盘,I/O,的频繁程度较高时，该缓冲池可能包含更多的,内存空间；而在应用程序运行得较多时，该缓冲池可能只剩下较少的内存空间。,88,2.,数据交付方式,系统可以采取两种方式，将数据交付给请求进程：,(1),数据交付。这是直接将高速缓存中的数据，传送到请求者进程的内存工作区中。,(2),指针交付。只将指向高速缓存中某区域的指针，交付给请求者进程。,后一种方式由于所传送的数据量少，因而节省了数据从磁盘高速缓存存储空间到,进程的内存工作区的时,89,3.,置换算法,由于请求调页中的联想存储器与高速缓存,(,磁盘,I/O,中,),的工作情况不同，因而使得在置换算法中所应考虑的问题也有所差异。因此，现在不少系统在设计其高速缓存的置换算法时，除了考虑到最近最久未使用这一原则外，还考虑了以下几点：,(1),访问频率。,(2),可预见性。,(3),数据的一致性。,90,4.,周期性地写回磁盘,在,UNIX,系统中专门增设了一个修改,(,update),程序，使之在后台运行，该程序周期性地调用一个系统调用,SYNC,。,该调用的主要功能是强制性地将所有在高速缓存中已修改的盘块数据写回磁盘。一般是把两次调用,SYNC,的时间间隔定为,30,s,。,这样，因系统故障所造成的工作损失不会超过,30,s,的劳动量。而在,MS-DOS,中所采用的方法是：只要高速缓存中的某盘块数据被修改，便立即将它写回磁盘，并将这种高速缓存称为“写穿透、高速缓存”,(,write-through cache),。,MS-DOS,所采用的写回方式，几,乎不会造成数据的丢失，但须频繁地启动磁盘。,91,5.6.4,提高磁盘,I/O,速度的其它方法,提前读,(,Read-Ahead),延迟写,优化物理块的分布,虚拟盘,92,5.6.5,廉价磁盘冗余阵列,1.,并行交叉存取,图,5-27