操作系统设备管理知识点介绍.pptx

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,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,*,*,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,*,*,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,*,*,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,第6章 设备管理,主要内容：,I/O硬件概念，设备控制器，I/O控制方式，缓冲技术，设备使用方法，I/O层次结构，磁盘管理。,重点：,I/O控制方式，缓冲区种类，设备分配。,难点：,磁盘调度策略。,1,第1页,6.1 I/O硬件概念,6.1.1 常见I/O设备分类,人-机交互设备(,字节设备,发送接收以字节方式)；,存放类型设备(,块设备,读写以数据块方式）；,网络通信设备,(网络接口，调制解调器)。,I/O,设备特点：,数据传输速率不一样；,数据传输单位不一样；,控制复杂性不一样；,设备使用目标不一样。,2,第2页,6.1.2 设备控制器（I/O部件）,I/O设备通常包含一个机械部件和一个电子部件。电子部件被称做I/O部件或设备控制器（当控制多设备时：又叫总线控制器，通道控制器）。,操作系统普通只与控制器打交道，而非设备本身。,早期CPU是直接控制外部设备，在引入I/O部件之后，才将CPU逐步从与外设交互细节中解放出来。,3,第3页,PCI总线,控制器,处理机,（CPU）,主存,显卡,SCSI,控制器,外设,控制器,控制器,控制器,连接CPU、主存、设备控制器和I/O设备模型,磁带,磁盘,外设,SCSI总线,主板总线,设备控制器功效：,1、接收和识别来自CPU各种命令;,2、实现CPU与设备控制器、设备控制器与设备之间数据交换;,3、统计设备状态供CPU查询;,4、识别控制器每个设备地址;,4,第4页,控制器任务是在外部设备与CPU（内存）之间完成比特流（外部信号）和字节流（块）之间转换,。,磁盘 控制器,主存,比特流,字节块,转换、校验,CRT 控制器,主存,显示信号,字节流,转换,5,第5页,每个控制器都有一些用来与CPU通信I/O存放器。操作系统经过向这些存放器写命令字来执行I/O功效。,键盘,060-063,硬盘,320 32F,打印机,378 37F,软盘,3F0 3F7,彩色显示器,3D0 3DF,IBM PCI/O地址,内存,0,k,n,控制器存放器,6,第6页,6.1.3 I/O控制方式,（1）程序直接控制方式,CPU直接控制I/O操作全过程，包含测试设备状态、发送读写命令、传输数据。,处理机指令集应包含下述指令：,控制类,测试类,读写类I/O。,示例,:,从外存读数据块到内存,(见下一页),7,第7页,向I/O部件发读命令,读I/O部件状态存放器,从I/O部件读字数据,将该字写入内存,未OK,OK,犯错,OK,下一,指令,未OK,检验状态,该块读完?,8,第8页,（2）中止控制方式,优点：,CPU无须重复测试，节约了时间。,缺点：,依然消耗大量CPU时间,9,第9页,（3）DMA方式,DMA方式思想：,DMA（直接内存存取）负责完成整个I/O操作，无需再经CPU存放器转发，并在全部传输结束后向CPU发中止信号。,给DMA命令中应包含：,操作类别,I/O设备地址,读写数据在内存中首地址,字数。,向DMA部件发读命令,读取DMA部件状态,中止,中止后续处理,注意：,DMA功效能够以独立DMA部件在系统I/O总线上完成，也可整合到I/O部件中完成。,缺点：,DMA部件需与CPU竞争控制总线。,10,第10页,CPU直接控制外部设备,引入I/O部件，CPU直接控制I/O部件,引入中止驱动方式,引入DMA,I/O通道或I/O处理机,输入/输出控制方式发展过程,11,第11页,6.2 设备输入/输出子系统,6.2.1 设备使用方法,一、设备相关系统调用,1.申请设备。有参数说明要申请设备名称，操作系统处理该系统调用时，会按照设备特征（独占还是分时共享）及设备占用情况来分配设备，返回申请是否成功标志。,2.将数据写入设备。,3.从设备读取数据。,4.释放设备。这是申请设备逆操作。,说明：,主要用于对人-机交互类慢速外设使用。,对于存放类外设，用户程序普通经过文件访问。,12,第12页,在UNIX中，能够用以下系统调用将数据直接写入软盘中：,fd=open(“/dev/fd0”,ORDRW)；申请软盘，,/dev/fd0代表软盘,。,lseek(fd,1024,0)；将软盘当前I/O位置定位到1024字节位置。,Write(fd,buffer,36)；将用户缓冲区buffer中36个字节写入软盘10241059字节。,close(fd)；释放软盘。,13,第13页,二、独占式使用设备,如打印机,申请,空闲吗？,独占使用,等候,释放,14,第14页,三、分时式共享使用设备,独占式使用设备时，设备利用率很低。,分时式共享：,以一次I/O为单位分时使用设备，不一样进程I/O操作请求以排队方式分时地占用设备进行I/O。,注：,针对一个逻辑上完整数据I/O操作。,如：,终端设备，磁盘设备。,15,第15页,请求设备,请求I/O,释放设备,P,1,请求设备,请求I/O,释放设备,P,2,请求,请求,设备,图6.6 排队使用设备,16,第16页,产生条件：,I/O中止；通道；磁盘。,SPOOLing（并发外部设备联机操作）,基本思想,：,用磁盘设备作为主机直接输入/输出设备,即主机从磁盘选取作业并运行,结果也存在磁盘中。对应通道则负责磁盘与慢速外设传输。利用通道和中止机制,作业输入/输出与作业在处理机上运行可很好地并行起来。,四、以SPOOLing方式使用外设,17,第17页,通道,主机,通道,通道,卡片机,打印机,SPOOLing,系统图示,磁盘,18,第18页,比如:,全部输出数据已经写到文件当中，并排到打印输出队列，打印进程申请占用打印机后，成批读出文件中数据，并送打印机打印出去。,打印请求队列（含要打印文件）,打印daemon 进程,打印机,19,第19页,6.2.2 I/O层次结构,通常，操作系统将设备管理系统划分并组织成三个层次：,用户层I/O；,设备无关I/O；,设备驱动及中止处理；,用户层I/O,设备驱动及中止处理,硬件,系统调用接口，设备无关操作系统软件,20,第20页,用户进程,用户层I/O,设备无关I/O,设备驱动及中止处理,硬件,设备管理子系统,逻辑结构图,21,第21页,一、用户层I/O,与设备控制细节无关。,将全部设备看做逻辑资源，为用户进程提供各类I/O函数。用户以设备标识符和一些简单函数来使用设备，如打开、关闭、读、写等。,如C库中函数fopen()，fread()，fwrite()，fclose()等。,22,第22页,二、设备无关I/O,基本功效：,执行适合用于全部设备公共I/O功效，并向其上层提供统一系统调用接口。,任务包含：,1.设备名及与设备驱动程序映射。在UNIX中，如/dev/tty00惟一地确定了一个i-node数据结构，其中包含了主设备号，经过主设备号能够找到对应设备驱动程序。,2.设备保护:许可权限保护。,3.缓冲I/O：块设备,、,字符设备。,4,.,错误汇报：汇报驱动程序产生错误信息。,5.分配及释放独占型设备：申请、关闭。,23,第23页,三、设备驱动与中止处理,1.设备驱动程序,包含了全部与设备相关代码，其功效是从与设备无关软件中接收I/O请求，排入请求队列或执行之；执行时，将请求转化为更详细形式。,2.中止处理,当进程进行I/O操作时，将其阻塞至I/O操作结束并发生中止。中止发生时，由中止处理程序开启请求排队下一请求并解除等I/O进程阻塞状态，使其能够继续执行。,24,第24页,6.2.3 设备驱动程序,一设备驱动程序接口函数,驱动程序初始化函数,：做一些针对驱动程序本身初始化工作，如向操作系统登记该驱动程序接口函数，该初始化函数在系统开启时或驱动程序安装入内核时执行。,驱动程序卸载函数,：在支持驱动程序可动态加载卸载系统中才需要。,申请设备函数,：申请一个驱动程序所管理设备，按照设备特征进行独占式占用或者分时共享式占用。,释放设备函数,IO操作函数,：实现对设备IO。对独占型设备：包含了开启IO指令；分时共享型设备将IO请求形成一个请求包，将其排到设备请求队列。,中止处理函数,：在设备IO完成时向CPU发中止，然后被调用。该函数对IO完成做善后处理。,25,第25页,二、设备管理相关数据结构,描述设备、控制器等部件表格：,系统中经常为每一个部件、每一台设备分别设置一张表格，常称为,设备表,或,部件控制块,。这类表格详细描述设备类型、标识符、进行状态，以及当前使用者进程标识符等。,建立同类资源队列：,通常在设备表基础上经过指针将相同物理属性设备连成队列（称设备队列）。,面向进程I/O请求动态数据结构：,每当进程发出块I/O请求时，系统建立一张表格（称,I/O请求包,）。将此次I/O请求参数填入表中，同时也将该I/O相关系统缓冲区地址等信息填入表中。I/O请求包伴随I/O完成而被删除。,建立I/O队列：,如请求包队列,。,26,第26页,设备表,设备表,设备表,请求包,请求包,设备管理相关数据结构关系,27,第27页,引入原因：,（1）能够改进进程运行速度与I/O传输速度之间速差矛盾。,（2）降低中止CPU次数。,（3）提升CPU和I/O设备之间并行性。,6.2.4 缓冲技术,28,第28页,块设备,字符设备：,一次一行方式：打印机，显示器,一次一字节方式：传感器，控制杆,一、单缓冲,当用户进程发出I/O请求时，操作系统在主存系统空间为该操作分配一个缓冲区，能够实现预先读和延迟写。,操作系统,I/O设备 输入,用户进程,移动,29,第29页,二、双缓冲,能够实现用户数据区与缓冲区之间交换数据和缓冲区与外设之间交换数据并行。,操作系统,I/O设备 输入,用户进程,移动,30,第30页,三、循环缓冲,引入系统缓冲池，采取有限缓冲区生产者/消费者模型对缓冲池中缓冲区进行循环使用。,缓冲区结合预先读和延迟写技术对含有重复性及阵发性I/O进程、提升I/O速度很有帮助。,操作系统,I/O设备 输入,用户进程,移动,31,第31页,6.3 存放设备,6.3.1 常见存放外设,磁盘,数据组织,一个磁盘由多个盘面组成，盘面有同心圆磁道组成，磁道有扇区组成，扇区为基本传输单位。,物理特征,单磁头，多磁头。,32,第32页,存取装置,主轴,动臂,盘片,柱面,磁道,读写头,多磁头活动头盘示意图,33,第33页,光学存放设备,CD-ROM；,CD-R,CD-RW。,34,第34页,6.3.2 磁盘调度,磁盘地址：,台号+柱面号+盘面号+扇区号,读写一次磁盘信息所需时间可分解为：寻找时间(寻道时间)、延迟时间、传输时间。,为提升磁盘传输效率，软件应着重考虑降低寻找时间和延迟时间。,35,第35页,一、降低寻找时间(寻道时间)方法,降低寻找时间是提升磁盘传输效率关键。因为“寻找时间”在几十毫秒时间量级。,操作系统磁盘驱动程序能够经过对磁盘访问请求次序合理调度多道进程，到达降低磁盘平均服务时间目标。,36,第36页,磁盘调度策略,1、先来先服务FCFS(First Come First Server)：,这是最简单磁盘调度策略，它依据进程请求访问磁盘时间次序进行调度。,2、最短寻道时间优先SSFT(Shortest Seek Time First)：,它是依据磁头当前位置，选择请求队列中距离磁头最短请求响应。,3、SCAN：,也称电梯策略，要求磁头臂仅仅沿一个方向移动，并在途中满足全部未完成请求，直到它抵达这个方向最终一个磁道，或这个方向没有别请求为止（Look算法），然后倒转服务方向，一样按次序完成有请求。,4、CSCAN：,是循环扫描法，当抵达最终一个磁道时，磁头臂返回到磁头另一端，并再次开始扫描。（无需抵达端点，称C-Look算法）,37,第37页,其它调度策略,为防止磁头臂粘性，磁盘请求队列被分成段，一次只有一个段被完全处理,1、N-Step-SCAN：,它是把磁盘请求分成长度为N子队列，每次用SCAN处理一个子队列。当N比较大时性能与SCAN相近，当N1时退化为FCFS,2、FSCAN：,使用两个子队列，当扫描开始时，全部请求都在一个队列中，而另一个队列为空。在扫描过程中，全部新到请求都被放入另一个队列。所以，对新请求服务延迟处处理完全部老请求以后。,38,第38页,假设磁盘有200个磁道，磁盘请求队列中是一些随机请求。被请求磁道按接收次序分别为：55、58、39、18、90、160、150、38、184，当前磁头在100磁道处,FCFS策略磁头臂移动轨迹以下：,18,38,39,55,58,90,150,160,184,100,39,第39页,假设磁盘有200个磁道，磁盘请求队列中是一些随机请求。被请求磁道按接收次序分别为：55、58、39、18、90、160、150、38、184，当前磁头在100磁道处,SSTF策略磁头臂移动轨迹以下：,18,38,39,55,58,90,150,160,184,100,40,第40页,假设磁盘有200个磁道，磁盘请求队列中是一些随机请求。被请求磁道按接收次序分别为：55、58、39、18、90、160、150、38、184，当前磁头在100磁道处,SCAN策略磁头臂移动轨迹以下：,18,38,39,55,58,90,150,160,184,100,200,41,第41页,假设磁盘有200个磁道，磁盘请求队列中是一些随机请求。被请求磁道按接收次序分别为：55、58、39、18、90、160、150、38、184，当前磁头在100磁道处,C-SCAN策略磁头臂移动轨迹以下,：,18,38,39,55,58,90,150,160,184,100,200,42,第42页,调度策略比较,（,a,）,FCFS,（,b,）,SSTF,（,c,）,SCAN,（,d,）,C-SCAN,下一个被访问磁道,横跨磁道数,下一个被访问磁道,横跨磁道数,下一个被访问磁道,横跨磁道数,下一个被访问磁道,横跨磁道数,55,45,90,10,150,50,150,50,58,3,58,32,160,10,160,10,39,19,55,3,184,24,184,24,18,21,39,16,90,94,18,234,90,72,38,1,58,32,38,20,160,70,18,20,55,3,39,1,150,10,150,132,39,16,55,16,38,112,160,10,38,1,58,3,184,146,184,24,18,20,90,32,平均寻,道长度,55.3,平均寻,道长度,27.5,平均寻,道长度,27.8,平均寻,道长度,43.3,结论：,SCAN和C-SCAN适合于磁盘负载较大系统。,SSTF较为通用和自然。,FCFS最理想。,43,第43页,二、降低延迟时间方法,普通常将盘面扇区交替编号。,0,4,1,5,7,3,6,2,7,0,4,1,3,6,2,5,3,7,0,4,6,2,5,1,6,3,7,0,2,5,1,4,同柱面不一样盘面扇区若能错开命名，在连续读/写相邻两个盘面逻辑统计时，能降低磁头延迟时间。,0,4,1,5,7,3,6,2,0,1,2,3,7,6,5,4,44,第44页,作业：P161 6.7，6.11,45,第45页,