第5章_设备管理.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,设备管理,Copyright by Computer Department,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,设备管理,Copyright by Computer Department,第五章 设备管理,“,设备,”泛指计算机系统中的,外部设备,，即除,CPU,和内存,以外的其他所有设备。,除了进行实际,I/O,操作的设备外，还包括,设备控制器,、,DMA,控制器,、,中断控制器,、,I/O,处理器,等支持设备。,1,磁带机,硬盘,光盘,绘图仪,扫描仪,键盘,打印机,2,5.1,设备管理的功能,实现对外围,设备分配与回收,。,按照设备类型和相应的,分配算法,决定将,I/O,设备分配给要求使用该设备的进程。凡,未分配到,所需设备的进程被放入一个,等待队列,。,3,实现外围设备的,启动,现代计算机系统,不允许,用户直接启动外围设备。,启动,工作由,系统,统一来做。,实现对,磁盘,的驱动,调度,若干个用户的信息都可以存放在磁盘上，但,每一时刻,只能为,一个用户,存取信息。这就涉及到,磁盘调度,的问题。,4,处理,外围设备的,中断,事件,现代计算机系统,中的,外围设备,基本上都是由,中断驱动,的，当“,信息传送结束,”或“,传送过程中出现某些事件,”时，会产生,中断,，,CPU,暂停正执行的程序,转去处理该中断,。,实现,虚拟设备,把,模拟成共享,的,独占,设备，称为,虚拟设备。,5,5.2,设备的分类,计算机系统配有各种各样的设备，常见的有显示器、键盘、打印机、磁带机、磁盘机、光盘、激光打印机、绘图仪、鼠标、图形数字化仪器，声音输入输出设备等等。可以从,不同的角度,去对外部设备进行分类。,6,基于设备的,从属,关系,系统设备,：操作系统生成时就纳入,系统管理范围,的设备就是系统设备，通常也称为,“,标准设备”。,7,用户设备,：在完成任务过程中，,用户特殊需要,的设备称为用户设备。由于这些是操作系统生成时未经登记的非标准设备，因此需安装设备驱动程序,等。,8,（,2,）设备中的数据组织方式,块设备,字符设备,快速设备,慢速设备,9,（,3,）基于设备的,分配,特性,可以把系统中的设备分为,独占,设备、,共享,设备和,虚拟,设备三类。,独占设备 共享设备 虚拟设备,例如,打印机,、独享设备的使用具有,排它性。,磁盘,等设备,可以由几个用户进程,交替,地对它进行信息的读或写操作。,利用某种技术，把独享设备“,改造,”成可共享的设备,10,5.3,独占设备的分配,5.3.1,设备的绝对号与相对号,设备的绝对号：,计算机系统对,每一台,设备进行,登记,且为每台设备进行了,编号,，以便于,区分和识别,，称为,设备的绝对号,设备的相对号：,由,用户,对自己需要使用的若干台同类设备,给出的编号,11,5.3.2,设备的分配,用户,申请分配,设备时，用“,设备类相对号,”来,提出使用,设备的,要求,，而与,实际,能占用的设备,无关,。,设备,独立性,12,设,备,分,配,表,设备类表,设备表,设备类,拥有的,总台数,现存,台数,设备,表地址,打印机,输入机,1,2,1,1,绝对号,001,002,003,好,/,坏,好,好,好,分配否,未分配,已分配,未分配,作业名,J1,相对号,001,13,设备如何分配？,用户申请使用某类设备,查,设备类,表,现存台数,=,申请台数？,分配,该类设备，并修改,设备类表,和,设备表,，,启动设备,等 待,是,否,用户,A,的作业,J3,申请使用一台打印机，分配否？,用户,B,申请使用两台输入机，分配否？,14,设,备,分,配,表,设备类表,设备表,设备类,拥有的,总台数,现存,台数,设备,表地址,打印机,输入机,1,2,1,1,绝对号,001,002,003,好,/,坏,好,好,好,分配否,未分配,已分配,未分配,作业名,J1,相对号,001,0,已分配,J3,*,15,设备如何回收？,根据,作业名,查找,设备,表,把标志修改成“,未分配,”，,清除,作业名,修改“,设备类,”表,作业,J1,执行完毕，如何回收？,16,设,备,分,配,表,设备类表,设备表,设备类,拥有的,总台数,现存,台数,设备,表地址,打印机,输入机,1,2,1,1,绝对号,001,002,003,好,/,坏,好,好,好,分配否,未分配,已分配,未分配,作业名,J1,相对号,001,未分配,2,17,1.,现代计算机系统不允许用户直接启动外围设备，这是为了（）,A.,统一由通道程序控制,B.,统一由通道程序启动,C.,防止用户错误启动外设,D.,处理外围设备的中断事件,C,18,2.,把打印机归入独占设备类的原因是（）,A.,任何时候都只能够由一个作业在使用它,B.,任何时候都只能够由一个进程在使用它,C.,一旦被一个作业占用，在该作业结束前不允许其他作业使用它,D.,一旦被一个作业占用，在该作业放弃它之前不允许其他作业使用它,D,19,3,、从使用角度对下列外围设备进行分类，属于可共享的设备是,(),A,、绘图仪,B,、键盘,C,、打印机,D,、磁盘机,D,20,4,现代计算机系统不允许用户直接启动外部设备的动机并非是为了（）,A,减轻用户的负担,B,提高系统的可靠性,C,提高信息在主存储器和外设间传输的效率,D,实现对外设的分配与回收,C,C,21,5.4,磁盘的调度,22,0,2,1,3,4,5,磁头号,23,磁道,系统对磁道,从外向内,进行编号，从,0,开始，称为,磁道号,扇区,按磁盘旋转的反向、从,0,开始为每个扇区编号，称为,“,扇区号,”,0,1,2,0,1,2,3,67,4,5,块,24,磁盘的访问时间构成,磁盘的物理构造决定了一次磁盘的,I/O,操作，物理记录的位置必须由,柱面号,，,磁头号,（盘面号,），扇区号,三个参数共同确定。,25,寻找时间,延迟时间,26,5.4,磁盘的驱动调度,执行,一次,磁盘的,/,需要花费,的时间：,寻找时间,：在移动臂的带动下，把,磁头,移动到,指定柱面,所需要的时间。,延迟时间,：将指定的,扇区,旋转到,磁头下,所需要的时间。,传输时间,：由磁头进行,读,/,写,，,完成信息传送,所需要的时间,等待时间,27,要使磁盘利用率高，应尽量减少每次,I/O,操作的,访问时间,寻找时间约占整个访问时间的,28,磁,盘,调,度移臂,调度,旋转,调度,目标：尽可能减少,寻找,时间,目标：尽可能减少,延迟,时间,29,5.4.1,移臂调度,先来先服务,以,I/O,请求,到达的,先后,次序,作为,磁盘,调度的顺序,最短查找时间,优先,电梯调度,策略,30,例题：假定某磁盘共有,200,个柱面，编号为,0199,，如果,当前正在,为访问,125,号,柱面的请求者服务。这时又有若干个请求者要使用磁盘，它们必须等待。假定这些访问者依次要访问的柱面号为：,86,、,147,、,91,、,177,、,94,、,150,、,122,、,175,、,130.,当访问,125,号柱面的服务结束后，用,FCFS,算法,为他们服务的次序。31,磁头总共滑过了,507,个磁道的距离,0,86,147,91,177,94,150,122,175,130,125,先来先服务调度算法,32,“,最短寻找时间优先,”算法,总是让,寻找时间最短,的那个请求访问者,先执行,，而,不管,访问者到来的,先后次序,33,0,86,147,91,177,94,150,122,175,130,125,磁头总共滑过了,149,个磁道的距离,最短寻找时间优先,34,优点：,吞吐量,高,平均相应时间,低,缺点：,对用户的服务请求的响应机会,不均等,35,前两种算法：如果,I/O,请求,很多,，移动臂就有可能会里外地来回,“,振动,”,，,极大地影响了输入/,输出的工作效率,36,电梯,调度,策略,思想：选择请求队列中，按,磁臂前进方向,其所在柱面,最接近磁头,的访问请求作为下一个服务对象，,直到,该方向,无访问请求,，磁臂才,改变方向,，依次响应,另一方向,的访问请求。,扫描,策略,37,由于此调度算法与移动臂,当前的移动方向,有关，因此移动臂移动的,结果路线,应该有,两个,情况。,38,磁头总共滑过了,146,个磁道的距离,0,86,147,91,177,94,150,122,175,130,125,电梯调度策略,39,磁头总共滑过了,130,个磁道的距离,0,86,147,91,94,150,122,175,130,125,电梯调度策略40,42.,若请求访问磁盘柱面,2,、,4,、,7,、,9,的要求已经依次到达，目前磁头位于柱面,5,，并正朝着柱面号大的方向移动。在这种情况下，比较现有的三种移臂调度算法,(,先来先服务、最短寻找时间优先和电梯调度,),，,_,算法需移动的柱面数最多。,电梯调度算法,41,5.4.2,旋转调度,访问,同一磁头,下的,不同编号,扇区,访问,不同磁头,下的,不同编号,扇区,访问,不同磁头,下的,相同编号,扇区,对,先到达,磁头下的,扇区,进行信息传送,任意选择,一个进行读写，,其余的,必须等扇区,再次转到,磁头下,42,例如：有四个访问,5,号柱面的访问者，访问要求如下：,请求次序,柱面号,磁头号,扇区号,5,4,1,5,1,5,5,4,5,5,2,8,（,1,）,（,2,）,（,3,）,（,4,）,进行旋转调度后，执行次序为：,(1),、（,2,）、（,4,）（,3,）,或,（,1,）、（,3,）（,4,）（,2,）,43,49.,对于一个每磁道,8,个扇区的磁盘，若,4,个访问柱面,3,的请求,A,、,B,、,C,、,D,同时出现，它们对应的,(,磁头号，扇区号,),分别是,(1,，,2),、,(2,，,2),、,(3,，,5),、,(4,，,4),，且当前磁头在扇面,1,的位置。请给出进行旋转调度后，满足这四个请求的次序。,ADCB,或,BDCA,44,信息在磁道上的,排列方式,也会影响旋转调度的时间,5.4.3,信息的优化分布,L1,L2,L6,L8,L5,L4,L3,L7,假定要求,顺序处理,这,8,个记录。对读出的纪录花,5ms,处理。磁盘,转速为,20ms/,周,。求总用时？,45,（,1,）解：由,磁盘转速为,20ms/,转,得：读一个记录所需时间为（）,ms,。从,L1,记录,到达,磁头下,开始计时，得：,从开始读记录,L1,到处理完,L1,用时为,从处理完,L1,到处理完,L2,用时为：,L2,记录的延迟时间,+,读取时间,+,处理时间,=,（）,+,（）,+,（）,=,（）,同理从处理完,L2,记录到处理完,L3,记录，。从处理完,L7,记录到处理完,L8,记录用时与此相等,故顺序处理完这些记录总用时为（）,+,7,（）,=,（）,20ms8=2.5,2.5+5=7.5ms,62.5,2.5,22.5 ms,7.5ms,22.5 ms,165ms,5,46,（,2,）为节省处理时间，记录存放应作优化，优化后存放如图：,优化后：读,;L1,记录并处理,L1,用时仍为（），但,处理完,L1,后磁头,正好到达,记录,L2,开始，故接着直接可以,读,L2,并处理,L2,，其他纪录处理,与此相同，中间,无延迟时间,。,故优化后总用时,8,（,）,=,7.5ms,7.5ms,60ms,L1,L2,L6,L8,L5,L4,L3,L7,47,4l.,通过记录在磁道上的优化分布，可以,减少,_,时间。,延迟,58ms,48,5.5,设备的启动和,I/O,中断处理,主,存,外围设备,输入输出,操作,49,5.5.1,通道,四种,/,控制方式：,查询,方式,中断,方式,直接内存存取,方式,通道,方式,主要区别：处理器和外设,并行,工作,的,方式,和,程度,不同,50,查询方式,循环测试方式,机械部件,设备控制器,状态寄存器,数据缓冲寄存器,具体实现：,设备,启动时,，,状态寄存器,的启动位为,0,，此时外设把,数据,送往,数据缓冲寄存器,，并,状态位,置,1,CPU,执行完一条指令后测试状态位，,是,1,，则从缓冲寄存器中,取出数据,到,内存,否则,再测试,，直到状态位为,1,0,data,1,CPU,51,例如：打印机打印一行需要,60ms,在查询方式中,大约,59.99ms,CPU,都处于,循环等待,缺点：浪费,CPU,时间,52,中断方式,中断方式是指设备,完成,I/O,操作,后，,主动,向,CPU,报告，,CPU,只用,少量,时间处理,I/O,中断,，并将数据取回,.,53,例如：打印机打印一行需要,60ms,在查询方式中,大约,59.99msCPU,都处于循环等待，若采用,中断方式,，,CPU,仅花费,0.1ms,来,处理,I/O,设备发来的,中断,54,直接内存存取方式,每传送,一个,数据,不会,产生,中断,，只有,本次,DMA,传送的,数据全部,传送完毕时，,才,产生中断,硬盘,内,存,数据,DMA,方式，用于,批量的,数据传输,erect,emory,cess,55,DMA,方式,只能完成,简单的,数据传送，计数，内存地址加,1,或减,1,操作，,不能,满足,复杂,I/O,操作,请求,56,5.5,通道方式,又称,I/O,处理器,，是,专用,于管理,内存,和,外设,之间,信息交换,的,小型,处理器,通道,能够去读取和执行它,自己的指令,，指令功能包括数据,传送,、,检索,、分支,转移,、甚至简单的,算术、逻辑,运算,大、中型,计算机系统和,高档微机,系统中普遍采用,57,5.5.2,外围设备的启动,CPU,输入输出,工作,通道,执行,通道程序,58,1.,通道程序,若干条通道命令（,CCW:Channel Command Word),组成的程序,命令码,数据主存地址,传送字节个数,标识码,59,0,7 8,31 32,39 40,63,命令码,数据主存地址,标志码,传送字节个数,规定,外围设备,所执行的,动作,，主要有,三类,：,数据传输类,、通道转移类、,设备控,制类,对于,不同的,命令，所表示,含义不同,通道程序,即将结束的,标志。,“,0”,表示本条命令为,最后一条,，执行完后通道程序结束。,否则为,“非,0”,对于,传送类指令,，指该命令,应传送的,字节个数，每传送,一个字节,的数据该值减,1,，直至,为,0,，本次,传送结束,60,例：,任务：,要求打印机输出一行信息：“,Operating System”,输出位置：,新的一页第四行,信息存放位置：,主存,L,号开始的区域，含空格共,16,个字符,61,通道命令了解：,命令码,07,：表示“走纸到新的一页开始”,命令码,EF,：表示“走纸三行”,命令码,F9,:,表示“打印一行信息”,标志码,60,：表示“还有后继指令”,07,EF,F9,命令码,数据主存地址,标志码,传送字节个数,L,00,0010,60,60,000000,000000,0001,0001,通道程序,62,2.,外围设备的启动,编写,通道程序,CPU,执行,“,启动,I/O,”,指令,启动通道,工作，,由通道执行通道程序，,控制设备,进行,输入输出,工作,完成,“,I/O,”,操作，通道向,CPU,报告,，,CPU,处理该中断,执行情况记录在,CSW,（,通道状态字）中,63,CPU,主 存,作业,1,作业,2,作业,3,输入机,打印机,并行工作,64,5.5.3 I/O,中断事件的处理,I/O,中断,是,通道,与,CPU,之间,协调工作的手段。,中断事件,可分为,两大类,：,操作,正常,结束,操作,异常,结束,65,操作正常结束,CSW,通道状态字内容为：,通道结束,、,设备结束,、,控制器结束,时表示,正常,结束,CPU,查,设备分配表,，得到,哪个作业,（进程）使用,的该设备，并把,该作业的状态,由“,等待,”变为“,就绪,”,66,操作异常结束,接口错,通道程序错,控制错,数据错,通道程序复执,打印机纸用完,磁带写满,操作员排出故障即可,67,1,。在主机,I/0,系统中，通道是（）,A.I/0,端口,B.,软件工具,C.,数据通道,D.I/O,专用处理机,D,68,1,关于通道的功能，不正确的描述是（）,A,通道使主机以标准接口连接不同的外围设备,B,通道使,CPU,无需直接控制外部设备,C,通道完成逻辑文件和物理文件的相互转换,D,通道为外部设备的并行工作创造了条件,2,并非由通道完成的工作是（）,A,执行“启动,I,O”,指令,B,控制指定设备完成通道命令,C,记录设备的工作状态,D,形成,I,O,中断,C,A,69,3.,当通道发出,I/O,中断请求后，需要操作员进行干预的情况是（）,A.,了解,I/O,操作的执行情况,B.,转入操作系统进行中断处理,C.,若,I/O,操作异常，启动,I/O,复执,D.I/O,复执失败,D,70,4,I/O,中断事件或是由于,_,的执行引起，或是由于,_,的原因而引起。,通道程序,外界,71,4.,通道的出现把,_,从耗时的输入输出操作中解放出来。,CPU,CPU,等待状态,就绪状态,72,D,C,73,5.6,缓冲技术,1.,引入缓冲技术的原因,可以,提高,CPU,、通道、,I/O,设备间,并行,操作程度,改善,CPU,和,I/O,设备之间,速度不匹配,的情况,可以,减少,I/O,对,CPU,的,中断,次数,74,缓冲的分类,硬件,缓冲,软件,缓冲,专用的,寄存器,作为缓冲器,内存,中若干单元作为缓冲区,75,根据系统设置缓冲区的,个数,，可以分为三种：,单,缓冲,双,缓冲,缓冲池,76,单缓冲,产生数据者,不是,把数据,直接送给,接收数据者,而是把数据送入到所设置的,缓冲区,中。接收数据者,总是,从缓冲区中去取所需要的数据,77,双缓冲,整个,I/O,的路线是,先,1,后,2,，并且,交替,进行,78,缓冲池,既用于,输入,，也用于,输出,受系统的,统一,管理和调配,79,在缓冲池中有,3,类,缓冲区，一类,现在,用于,输入,；一类,现在,用于,输出,；还有一类为,空闲,，既可用于输入，也可用于输出。,80,（,3,）基于设备的,分配,特性,可以把系统中的设备分为,独占,设备、,共享,设备和,虚拟,设备三类。,独占设备 共享设备 虚拟设备,例如,打印机,、独享设备的使用具有,排它性。,磁盘,等设备,可以由几个用户进程,交替,地对它进行信息的读或写操作。,利用某种技术，把独享设备“,改造,”成可共享的设备,5.7,.,虚拟设备,81,CPU,主 存,作业,1,作业,2,作业,3,输入机,打印机,作业,4,作业一、二执行过程中分别提出对输入机和打印机的使用申请，分配否？接着作业三、四执行过程中也分别提出对输入机和打印机的使用申请，分配否？,82,虚,拟,设,备,为提高,独占设备,的利用率，从而提高,作业吞吐量，通过,某种技术,，把,独占,设备,模拟成,共享设备,（用户,感觉上,），,称为,虚拟设备,83,目的,:,是为了将慢速的,独占设备,改造成多个用户,共享的,设备，以,提高,设备的,利用率,脱机,外围设备操作,联机,同时外围设备操作,84,5.7.1,脱机外围设备操作,一批作业信息,外围计算机,1,磁盘,主机计算机,1,执行,结果,作业,信息,执行,结果,外围计算机,2,结果,85,5.7.2,联机同时外围设备操作,实现这一功能的技术称为,SPOOLing,技术,86,SPOOLing,系统中实现虚拟设备的,软件功能模块,由三部分组成：,预输入程序,缓输出程序,井管理程序,预先,把,作业,的全部,信息,输入到磁盘的,输入井,中,定期查看“,输出井”,中是否有,等待输出,的,作业信息,。如果,有,，就,启动,输出设备,进行输出,负责把请求,I/O,设备,的工作,转化,为对,输入,/,输出井,的工作,87,预输入程序,缓输出程序,输入井,输出井,作业执行,作业,结,果,磁盘,88,采用,SPOOLing,技术后，读卡机,不用等待,作业执行完毕，就,可以输入,其它作业的信息，,CPU,也不用等待读卡机把作业输入和打印机把作业的结果信息打印出来，这样既,提高,了,CPU,的,利用率,，,也提高,了,独占设备,的,利用率,89,问题,1,。磁带、磁盘这样的存储设备都是以（）为单位与内 存进行信息交换的,3,、操作系统采用缓冲技术，能够减少对,CPU,的（）次数，从而提高资源的利用率。,A,、中断,B,、访问,C,、控制,D,、依赖,块,A,90,40.,某程序逐块处理从磁盘读入的数据，考虑到,CPU,的处理速度大大高于磁盘传输的速度，执行该程序时,CPU,的利用率极低。操作系统常常采用,_,技术，以缓解这种情况。,缓冲技术,91,37,、由于处理器的执行速度与外围设备传输信息的速度不匹配，影响了进程的,_,使进程的,_,时间变长。,38,、采用斯普林操作使,_,设备利用率提高了。就打印机而言，采用了斯普林操作后，其效果好象每个作业都拥有一台与磁盘一样快的打印机。我们把此类操作系统模拟的设备称作,_,。,独占设备,虚拟设备,执行速度,周转时间,92,4,、,CPU,输出数据的速度远远高于打印机的打印速度，为了解决这一矛盾，可 采用（）。,A,、并行技术,B,、通道技术,C,、缓冲技术,D,、虚存技术,5,、采用,SPOOLing,技术的目的是（）。,A,、提高独占设备的利用率,B,、提高主机效率,C,、减轻用户编程负担,D,、提高程序的运行速度,C,A,93,7,、虚拟设备是指,(),A.,允许用户使用比系统中具有的物理设备更多的设备,B.,允许用户以标准化方式来使用物理设备,C.,用共享设备模拟独占设备,D.,允许用户程序不必全部装入主存便可使用系统的设备,C,94,