操作系統課件第5章

第五章設備管理5.1I/O系統I/O系統：實現數據輸入、輸出及數據存儲的系統。包括：設備、設備控制器、高速總線、通道。I/O設備類型使用特性：存儲設備、輸入輸出設備速度：低：鍵盤、中：打印機、高：磁盤。信息交換單位：塊設備：磁盤、字符設備：打印機設備的共享屬性：獨占設備：臨界資源、共享設備：磁盤、虛擬設備：將獨占設備虛擬為幾個邏輯設備。I/O設備與控制器之間的接口設備不直接與CPU通信，而與設備控制器通信。CPU―――設備控制器―――設備I/O設備與設備控制器間有三種類型的信號，各對應一條信號線。數據信號：雙向，有緩存控制信號：控制器發給設備；要求其完成相關操作狀態信號：設備發給控制器，顯示設備當前狀態設備控制器接收從CPU發來的命令，并控制I/O設備工作。I/O通道在CPU與I/O設備之間增加設備控制器，減少了CPU對I/O的干預，但當系統配置的設備較多時，I/O操作較為頻繁，CPU可能完全陷入I/O處理，降低計算機系統的效率，解決的方法就是用通道技術。通道：專門處理I/O操作的處理機。通道在CPU的控制下獨立地執行通道程序，對外部設備的I/O操作進行控制，實現內存與外設之間成批的數據交換。 通道=I/O處理機單通路I/O系統多通路I/O系統總線系統5.2I/O控制方式四個階段：程序I/O——中斷——DMA——通道。趨勢：提高主機與設備的并行度。程序I/O方式CPU等待I/OCPU資源浪費極大例：從終端向內存輸入一個字符用100ms，其中99.9ms設備進行輸入工作，CPU將字符送入內存用0.1ms，99.9ms+0.1ms=100msCPU有99.9ms在忙等中斷驅動I/O控制方式例：從終端向內存輸入一個字符用100ms，其中99.9ms設備進行輸入工作，CPU將字符送入內存用0.1ms，99.9ms+0.1ms=100msCPU利用99.9ms的時間處理其他任務，I/O完成后由控制器發出中斷信號。直接存儲器訪問（DMA）I/O控制方式中斷I/O方式，每傳送一個“字節”產生一次中斷。不利于塊設備的I/O。DMA：每傳送一個數據塊中斷一次。設備與內存直接交換數據。DMA控制器的組成CR（命令/狀態）;DR（數據寄存器）;MAR（內存地址）;DC（數據計數器）DMA方式的工作流程CR（命令/狀態）;DR（數據寄存器）;MAR（內存地址）;DC（數據計數器）I/O通道控制方式

DMA方式：對離散塊的讀取仍需要多次中斷。通道方式：CPU只需給出通道程序首址、要訪問I/O設備，通道程序可完成一組塊操作。例：六條通道指令組成的通道程序。

操作PRecord計數內存地址Write0080813Write001401034Write01605830Write013002000Write002501850Write11250720通道是一種特殊的（），具有（）能力。主機的CPU與通道可以并行工作，并通過（）實現彼此之間的通信和同步。1、I/O設備2、設備控制器3、處理機4、I/O控制器1、執行I/O指令集2、執行CPU指令集3、傳輸I/O命令4、運行I/O進程1、I/O指令2、I/O中斷3、I/O指令和I/O中斷4、操作員如果I/O設備與存儲設備進行數據交換不經過CPU來完成，這種數據交換方式是_____。A、程序查詢B、中斷方式C、DMA方式在中斷驅動方式中，CPU是以______為單位對I/O進行干預的；DMA方式時，是以______為單位進行干預的；I/O通道方式是以______為單位進行干預的。5.3緩沖管理緩沖的引入緩沖區是在內存劃出的一定區域。1.緩和CPU和I/O設備間速度不匹配的矛盾。 如：計算——打印buffer——打印2.減少對CPU的中斷頻率 如：buffer越大，“buffer滿”信號發生頻率越低。3.提高CPU和I/O并行性單緩沖：當進程發出一I/O請求時，OS為之分配一緩沖區。雙緩沖：為加快輸入輸出速度，引入雙緩沖技術。原理：首先輸入設備向buf1填入數據，進程從buf1提取數據，同時，輸入設備向buf2中填數據。當buf1取空時，進程又從buf2中提取數據，與此同時輸入設備向buf1填數。如此交替使用兩個緩沖區，使CPU和設備的并行操作的程度進一步提高。

循環緩沖：當生產和消費數據的速度相差甚遠時，要增加緩沖區的數量，引入循環緩沖技術。

類型：R:空緩沖；G：滿緩沖；C：當前緩沖緩沖池：循環緩沖區一般用于特定的進程，屬于專用緩沖區，當系統較大時，為提高緩沖區的利用率，使用公用緩沖池，池中的緩沖區可供多個進程共享。相同類型緩沖區鏈成一個隊列，形成以下三個隊列：空緩沖隊列emq、輸入隊列inq、輸出隊列outq。四個工作緩沖區：hin：收容輸入數據（空）sin：提取輸入數據（裝滿輸入數據）hout：收容輸出數據（空）sout：提取輸出數據（裝滿輸出數據）5.4I/O軟件I/O軟件層次結構：低層軟件實現與硬件相關的操作，高層軟件向用戶提供一個友好、規范、清晰的界面I/O軟件設計的具體目標：①設備獨立性。屏蔽設備細節。②統一命名。使用設備邏輯名。③對錯誤的處理。在低層解決錯誤。④緩沖技術。屏蔽緩沖區差異。⑤設備的分配和釋放。避免死鎖。⑥I/O控制方式。屏蔽不同I/O控制方式的差異。產生I/O請求，格式化I/O;Spooling映射，保護，分塊，緩沖，分配建立設備寄存器；檢查狀態當I/O結束時，喚醒驅動器執行I/O操作I/O軟件層次及功能中斷處理流程設備驅動程序的處理過程將抽象要求轉化為具體要求檢查I/O請求的合法性讀出和檢查設備的狀態傳送必要的參數設置工作方式啟動I/O設備設備獨立性概念（設備無關性）應用程序獨立于具體使用的物理設備。在應用程序中，使用邏輯設備名稱來請求使用某類設備。系統在實際執行時，必須使用物理設備名稱。設備獨立性軟件驅動程序是一個與硬件緊密相關的軟件，為了實現設備獨立性，必須在其上設置一層軟件稱為設備獨立性軟件。用戶層的I/O軟件大部分的I/O軟件都在操作系統內部，有一小部分在用戶層，包括與用戶程序鏈接在一起的庫函數，以及完全運行于內核之外的一些程序。用戶層軟件必須通過一組系統調用來取得操作系統的服務。練習設備驅動程序與（）密切相關，如果計算機中配置有一個光盤，一個軟盤，一個硬盤，此時應為它們配置（）種外存設備驅動程序。如果系統中連接有四個相同的終端設備，此時應為它們配置（）個終端設備驅動程序。程序員利用系統調用打開I/O設備時，通常使用的設備標識是（）A.邏輯設備名B.物理設備名C.主設備號D.從設備號本地用戶通過鍵盤登陸系統，首先獲得鍵盤輸入信息的程序時()。A.命令解釋程序B.中斷處理程序 C.系統調用程序 D.用戶登錄程序下列選項中，操作系統提供的給應用程序的接口是（）。A、系統調用B、中斷C、庫函數D、原語5.5設備分配

設備分配中的數據結構包括：對設備、設備控制器、通道的分配設備控制表設備控制表集合（每個設備一張）控制器控制表，通道表，系統設備表系統設備表：整個系統一張，記錄了系統中全部設備及其驅動程序地址。設備分配應考慮的若干因素設備的固有屬性：共享+虛擬：注意調度的合理性；獨占：排它性分配，控制不好可能死鎖。分配算法：先來先服務；優先級高者優先。安全性：安全分配：每進程獲得一I/O后，即block，直到其I/O完成。不安全分配：需進行安全性檢查，進程執行效率高。獨占設備分配程序基本的設備分配程序分配設備分配控制器分配通道設備分配程序的改進增加設備的獨立性（申請的同類設備都忙，才阻塞）考慮多通路情況(所有控制器或通道都忙，進程才進入阻塞)SPOOLing技術通過多道程序技術將一臺物理CPU虛擬為多臺邏輯CPU，實現多個用戶共享一臺主機。通過SPOOLing技術將一臺物理I/O設備虛擬為多臺邏輯I/O設備，實現多個用戶共享一臺物理I/O設備。脫機輸入輸出方式SPOOLing技術（假脫機技術）：在多道程序環境下，利用多道程序中的兩道程序模擬脫機輸入輸出中外圍機的功能，達到“脫機”輸入輸出的目的。作用：通過緩沖方式，將獨占設備改造為共享設備

SPOOLing系統的組成輸入設備輸出設備輸入進程輸出進程內存輸入緩沖區內存輸出緩沖區磁盤輸出井磁盤輸入井對低速設備操作——>變為對輸入/出井操作。輸入井：暫存I/O設備輸入的數據輸出井：暫存用戶程序的輸出數據輸入緩沖區：暫存由輸入設備送來的數據，以后再傳送到輸入井輸出緩沖區：暫存從輸出井送來的數據，以后再傳送給輸出設備Spooling實例輸入進程n請求輸入―>SPi為n在輸入井中分配空間—>設備數據由輸入buf送輸入井CPU空閑—送到內存執行。輸出：（打印）進程n請求打印—>SPo為n在輸出井中申請磁盤空間—>將數據由內存轉到輸出井打印機空—>取輸出井中對應數據—>輸出buf—>打印SPOOLing系統的特點

提高了I/O的速度。將獨占設備改造為共享設備。實現了虛擬設備功能。練習1、在采用SPOOLing技術的系統中，用戶的打印數據首先被送到（）A.打印機B.磁盤固定區域C.內存固定區域D.終端2、實現SPOOLing系統時必須在磁盤上辟出稱為__________和__________的專門區域，以存放作業信息和作業執行結果。

5.6磁盤存儲器的管理磁盤的結構和布局

工作時，磁頭懸浮在盤片上方，不與盤片直接接觸。磁頭在高速旋轉的盤片上做徑向移動。磁頭首先處于0磁道，完成讀寫經歷三個階段：尋道：磁頭沿徑向移動，移到目標扇區所在磁道的上方。尋道時間TS旋轉延遲：找到目標磁道后通過盤片的旋轉，使目標扇區轉到磁頭的下方。旋轉延遲時間Tr數據傳輸：數據在磁盤與內存之間的實際傳輸。數據傳輸時間Tt訪問時間：Ta=Ts+Tr+Tt集中放數據，能更好提高傳輸效率。練習磁盤上的每一個物理塊要用三個參數來定位，首先要把移動臂移動并定位到不同盤面上具有相同編號的磁道位置，表示該位置的參數稱（）號。

A．柱面

B．盤面

C．扇區

D．磁頭

設磁盤的轉速為10ms/轉，盤面劃分10個扇區，當前磁頭在第三塊的開始位置，則花費（）毫秒的時間可以把第二塊的信息讀到主存（假設，旋轉是按由塊號從小到大方向的）

A、1

B、2

C、9

D、10磁盤調度算法當多個訪盤請求在等待時，采用一定的調度算法，對這些請求的服務順序調整安排，減少設備機械運動帶來的時間浪費。1先來先服務FCFS2最短尋道時間優先SSTF3掃描（SCAN）算法4循環掃描（CSCAN）算法先來先服務FCFS最短尋道時間優先SSTF掃描（SCAN）算法

循環掃描(CSCAN)算法

假設磁盤訪問序列：98，183，37，122，14，124，65，67讀寫頭起始位置：53安排磁頭服務序列計算磁頭移動總距離（道數）例先來先服務圖解98，183，37，122，14，124，65，67磁頭走過的總道數：640