os設(shè)備管理課件

軟件技術(shù)根底制作主講段景山段景山設(shè)備管理1操作系統(tǒng)內(nèi)容概要操作系統(tǒng)概述和根本原理操作系統(tǒng)的幾大根本的管理功能處理機(jī)管理存儲(chǔ)器管理設(shè)備管理文件管理作業(yè)管理2設(shè)備管理的根本概念設(shè)備的分配第二篇操作系統(tǒng)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)第七章設(shè)備管理設(shè)備數(shù)據(jù)傳送方式緩沖技術(shù)假脫機(jī)技術(shù)3I/O系統(tǒng)7.1I/O系統(tǒng)7.1.1I/O系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)7.1.2I/O設(shè)備分類7.1.3設(shè)備管理的功能設(shè)備控制器7.1.5I/O通道4基于總線結(jié)構(gòu)的I/O系統(tǒng)〔1〕微機(jī)I/O系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)共享總線，設(shè)備與CPU之間要通過設(shè)備控制器CPU存儲(chǔ)器高速I/O設(shè)備總線低速I/O設(shè)備設(shè)備控制器設(shè)備控制器5基于主存和通道的I/O系統(tǒng)CPU主存通道通道通道通道某I/O設(shè)備磁盤磁帶通信設(shè)備主存可同時(shí)進(jìn)行控制〔2〕主機(jī)I/O系統(tǒng)結(jié)構(gòu)通道與CPU共享主存通道代替CPU完成與設(shè)備控制器的通信6I/O設(shè)備分類7.1.2I/O設(shè)備分類按傳輸速度按信息交換單位按分配方式按工作特性I/O設(shè)備存儲(chǔ)設(shè)備低速：鍵盤、鼠標(biāo)中速：打印機(jī)高速：磁盤塊設(shè)備：信息傳輸以塊為單位字符設(shè)備：信息傳輸以字節(jié)為單位獨(dú)占設(shè)備：打印機(jī)共享設(shè)備：磁盤虛擬設(shè)備：將獨(dú)占設(shè)備虛擬為多臺(tái)虛擬設(shè)備到達(dá)共享設(shè)備的目的7設(shè)備管理的功能7.1.3設(shè)備管理的功能為用戶提供簡單一致的方式訪問各種I/O設(shè)備的能力1〕進(jìn)行設(shè)備分配——設(shè)備分配程序按設(shè)備類型和系統(tǒng)分配策略進(jìn)行設(shè)備分配與回收2、實(shí)現(xiàn)真正I/O操作——設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序向用戶提供統(tǒng)一的接口——屏蔽I/O操作的細(xì)節(jié)實(shí)現(xiàn)設(shè)備驅(qū)動(dòng)——真正的I/O操作實(shí)現(xiàn)虛擬設(shè)備管理3、實(shí)現(xiàn)其它功能——緩沖區(qū)管理用緩沖區(qū)提供CPU與I/O設(shè)備的速度匹配8設(shè)備管理控制器設(shè)備控制器1〕什么是設(shè)備控制器位于CPU與設(shè)備之間，接收CPU下達(dá)的輸入、輸出命令并控制具體設(shè)備實(shí)現(xiàn)操作。接口：位于CPU與設(shè)備之間解脫：將CPU從I/O控制中解脫可編址：一個(gè)控制器可控制一個(gè)或多個(gè)設(shè)備接口卡：存在形式，如聲卡、顯卡等字符與塊控制：I/O控制，數(shù)據(jù)傳遞方式9設(shè)備控制器的功能2〕設(shè)備控制器功能接收和識(shí)別命令地址識(shí)別命令接收命令識(shí)別數(shù)據(jù)交換數(shù)據(jù)暫存、緩沖數(shù)傳速率匹配監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)CPU下達(dá)控制命令地址識(shí)別out10H，110H11H命令接收命令識(shí)別彈出光盤光盤就緒產(chǎn)生中斷信號(hào)通知CPU10設(shè)備控制器的接口3〕設(shè)備控制器的接口數(shù)據(jù)接口傳遞數(shù)據(jù)控制接口傳遞控制命令或控制信號(hào)狀態(tài)接口傳遞設(shè)備狀態(tài)信號(hào)11設(shè)備控制器的組成4〕設(shè)備控制器組成控制器與CPU的接口單元控制器與設(shè)備接口單元I/O邏輯單元實(shí)現(xiàn)控制功能：命令識(shí)別，狀態(tài)處理數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)存放器地址線I/O邏輯控制線控制器與設(shè)備接口控制器與設(shè)備接口數(shù)據(jù)信號(hào)控制信號(hào)狀態(tài)信號(hào)數(shù)據(jù)信號(hào)控制信號(hào)狀態(tài)信號(hào)12通道7.1.5I/O通道引入將CPU進(jìn)一步從低速復(fù)雜的I/O操作中解脫出來通道：是一種特殊的處理機(jī)，具有執(zhí)行I/O指令的能力。通道通過執(zhí)行通道程序來控制I/O操作主機(jī)具有一個(gè)或多個(gè)通道，通道和CPU都共享一個(gè)主存一個(gè)通道可管理一個(gè)或多個(gè)設(shè)備控制器，進(jìn)而管理一個(gè)或多個(gè)設(shè)備13通道一個(gè)通道可管理一個(gè)或多個(gè)設(shè)備控制器，進(jìn)而管理一個(gè)或多個(gè)設(shè)備通道設(shè)備控制器設(shè)備控制器設(shè)備設(shè)備設(shè)備通道設(shè)備控制器設(shè)備設(shè)備主存CPU14OPPR數(shù)量地址031OP:操作碼，讀、寫、控制P:通道程序結(jié)束標(biāo)志R:紀(jì)錄結(jié)束標(biāo)志C0004R011000200W01401200w113001240RWC例：磁帶反卷從通道中讀入1000個(gè)字節(jié)到內(nèi)存200起始處向通道寫出40字節(jié)，數(shù)據(jù)塊起始于內(nèi)存1200向通道寫出300字節(jié)，數(shù)據(jù)塊起始于內(nèi)存1240通道程序指令結(jié)構(gòu)通道程序15通道工作原理通道工作根本原理CPU只需向通道發(fā)出一條指令，通道便從內(nèi)存中取出本次執(zhí)行的通道程序，并執(zhí)行。通道程序可以包含屢次輸入、輸出，是一個(gè)相對(duì)完整的過程通道把CPU從繁雜的I/O任務(wù)中解脫出來通道之間可以并行執(zhí)行，系統(tǒng)I/O效率得到提高16通道的類型通道類型字節(jié)多路通道以字節(jié)為單位傳送數(shù)據(jù)以“分時(shí)〞方式效勞于多個(gè)I/O設(shè)備——多路數(shù)據(jù)傳送速率低數(shù)組選擇通道以數(shù)組為單位傳送數(shù)據(jù)設(shè)備獨(dú)占通道數(shù)據(jù)傳送速率高，通道利用率低17通道的類型通道的類型數(shù)組多路通道以數(shù)組為單位分時(shí)效勞于多個(gè)設(shè)備數(shù)據(jù)傳送速率高，通道利用率高18單通路與多通路系統(tǒng)單通路與多通路系統(tǒng)單通路：樹型結(jié)構(gòu)，從通道到設(shè)備只有一條通路多通路：從設(shè)備到通道有多條通路通道設(shè)備控制器設(shè)備控制器設(shè)備設(shè)備設(shè)備通道通道設(shè)備控制器設(shè)備控制器設(shè)備設(shè)備通道設(shè)備19I/O控制方式7.2I/O控制方式程序控制I/O方式中斷控制I/O方式DMA方式通道控制方式類比假設(shè)你參加希望工程，捐助一名失學(xué)兒童，你會(huì)怎樣與她/他溝通？20程序控制I/O方式7.2.1程序控制I/O方式〔輪詢〕由程序循環(huán)測試控制器的狀態(tài)啟動(dòng)數(shù)據(jù)接收有數(shù)據(jù)接收？否是啟動(dòng)數(shù)據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù)發(fā)送完畢？否是忙等21中斷控制方式與DMA方式CPU總線I/O設(shè)備內(nèi)存中斷CPUI/O設(shè)備內(nèi)存DMA通知已傳輸完畢22中斷控制I/O方式7.2.2中斷控制方式設(shè)備的控制通過中斷機(jī)制實(shí)現(xiàn)，如有數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)，設(shè)備通過中斷信號(hào)通知CPU，CPU調(diào)用相應(yīng)的中斷處理程序接收數(shù)據(jù)結(jié)合中斷機(jī)制和進(jìn)程狀態(tài)轉(zhuǎn)換，可實(shí)現(xiàn)讓權(quán)等待CPU總線I/O設(shè)備內(nèi)存中斷23中斷實(shí)現(xiàn)輸入的流程進(jìn)程利用中斷實(shí)現(xiàn)輸入的流程初始化阻塞等待輸入控制設(shè)備完成輸入中斷處理程序中，根據(jù)中斷類型喚醒相應(yīng)等待進(jìn)程設(shè)備產(chǎn)生輸入中斷需要輸入數(shù)據(jù)的進(jìn)程24中斷實(shí)現(xiàn)輸出的流程進(jìn)程利用中斷實(shí)現(xiàn)輸出的流程向設(shè)備輸出數(shù)據(jù)阻塞等待輸出完成設(shè)備產(chǎn)生輸出中斷中斷處理程序中，根據(jù)中斷類型喚醒相應(yīng)等待進(jìn)程需要輸出數(shù)據(jù)的進(jìn)程25中斷機(jī)制實(shí)現(xiàn)了CPU與設(shè)備的并行控制——讓權(quán)等待CPU輸入：其他進(jìn)程中斷處理設(shè)備等待數(shù)據(jù)繼續(xù)處理輸入數(shù)據(jù)被喚醒的等待進(jìn)程數(shù)據(jù)到設(shè)備產(chǎn)生中斷暫不接收數(shù)據(jù)去除中斷等待數(shù)據(jù)喚醒等待接收的進(jìn)程CPU等待進(jìn)程測試設(shè)備設(shè)備等待數(shù)據(jù)繼續(xù)測試設(shè)備處理輸入數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)到設(shè)備暫不接收數(shù)據(jù)等待數(shù)據(jù)忙等輪詢方式中斷方式26中斷控制方式的特點(diǎn)中斷控制方式的特點(diǎn)結(jié)合中斷控制方式和進(jìn)程的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，可以實(shí)現(xiàn)讓權(quán)等待，使CPU和設(shè)備都得到充分利用中斷控制方式一般以字節(jié)為單位產(chǎn)生中斷，傳輸速率較低系統(tǒng)處理一個(gè)字節(jié)要經(jīng)過中斷響應(yīng)、中斷程序處理、控制設(shè)備的進(jìn)程被喚醒、進(jìn)程被調(diào)度，進(jìn)程從設(shè)備讀入或向設(shè)備輸出一個(gè)字節(jié)。開銷較大，傳輸效率較低27DMA控制I/O方式7.2.3DMA方式DMA方式為成塊傳遞，減少CPU在數(shù)據(jù)傳遞過程中的干預(yù)1〕數(shù)據(jù)直接在DMA控制器控制下通過總線傳遞到內(nèi)存中2〕在完成指定數(shù)量的數(shù)據(jù)接收后，DMA控制器才向CPU產(chǎn)生中斷。3〕中斷處理程序可能喚醒等待數(shù)據(jù)的進(jìn)程4〕等待數(shù)據(jù)的進(jìn)程經(jīng)過調(diào)度后，處理輸入的數(shù)據(jù)，此時(shí)數(shù)據(jù)已經(jīng)在內(nèi)存里了28通道控制I/O方式7.2.4通道控制通道通過執(zhí)行通道程序并行完成一系列輸入輸出過程通道進(jìn)一步減少CPU對(duì)輸入輸出過程的干預(yù)。整個(gè)過程中，CPU只需向通道發(fā)出一個(gè)指令通道提高CPU與設(shè)備之間的并行性，提高資源利用率，提高系統(tǒng)吞吐量通道之間，通道與CPU之間是并行的29緩沖管理7.3緩沖管理7.3.1緩沖思想的引入：CPU與I/O設(shè)備速度匹配問題減少中斷頻率緩沖一定數(shù)量的數(shù)據(jù)后才向CPU產(chǎn)生一次中斷提高CPU與I/O之間的并行性減少CPU在設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸期的干預(yù)速度1速度230單緩沖管理7.3.2單緩沖接收設(shè)備以速率V向緩沖輸入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)滿后CPU以速率W讀出數(shù)據(jù)緩沖區(qū)處理完后再由設(shè)備輸入數(shù)據(jù)發(fā)送反之亦然速度V速度W解決了速率匹配問題31雙緩沖管理雙緩沖設(shè)置兩個(gè)緩沖區(qū)提高CPU與設(shè)備間的并行度設(shè)備CPU設(shè)備1設(shè)備2CPU雙向通信接收設(shè)備發(fā)送設(shè)備CPU例1例2例3同時(shí)同時(shí)32循環(huán)緩沖管理7.3.4循環(huán)緩沖多個(gè)緩沖區(qū)循環(huán)使用，類似循環(huán)隊(duì)列CPU設(shè)備輸入next_innext_out33緩沖池的管理緩沖池的管理可供多個(gè)對(duì)象共享的公用緩沖區(qū)組成的緩沖池緩沖池組成 多種類型的緩沖區(qū)組成的三條隊(duì)列inq：從設(shè)備輸入的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)隊(duì)列outq：準(zhǔn)備向設(shè)備輸出的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)隊(duì)列emptyq：空緩沖區(qū)隊(duì)列34緩沖池的組成緩沖池的組成emptyqinqoutq收容輸入提取輸出提取輸入收容輸出設(shè)備CPU數(shù)據(jù)到達(dá)取走數(shù)據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù)取走發(fā)送35緩沖池操作緩沖池操作〔四種操作〕設(shè)備輸入數(shù)據(jù)到緩沖池getbufferfromemptyq;filldatainbuffer;putbufferininq;收容輸入用戶從緩沖池讀入數(shù)據(jù)getbufferfrominq;calculatedatainbuffer;putbufferbacktoemptyq提取輸入用戶向數(shù)據(jù)緩沖池輸出數(shù)據(jù)getbufferfromoutq;Senddata;putbufferinemptyq;收容輸出設(shè)備從緩沖池中讀出輸出數(shù)據(jù)并完成輸出getbufferfromemptyq;filldatainbuffer;putbufferoutq;提取輸出設(shè)備用戶注意：還應(yīng)結(jié)合進(jìn)程同步機(jī)制36設(shè)備分配的功能7.4設(shè)備的分配7.4.1設(shè)備分配功能按一定算法進(jìn)行設(shè)備分配保證：“有〞——用戶能得到設(shè)備使用權(quán)。“平安〞——用戶使用設(shè)備是平安的。包括設(shè)備、設(shè)備控制器及通道3738設(shè)備分配涉及的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)設(shè)備分配的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)備表：紀(jì)錄系統(tǒng)設(shè)備情況設(shè)備控制表：紀(jì)錄設(shè)備信息及設(shè)備的控制器表設(shè)備控制器表：紀(jì)錄控制器信息及通道控制表通道控制表：紀(jì)錄通道信息設(shè)備名SDTDCTCOCTCHCT設(shè)備控制表設(shè)備名設(shè)備控制表設(shè)備名設(shè)備控制表設(shè)備名設(shè)備控制表SDT設(shè)備名設(shè)備控制器設(shè)備名設(shè)備控制器狀態(tài)狀態(tài)控制器名通道控制表狀態(tài)控制器名通道控制表狀態(tài)DCTCOCT通道標(biāo)識(shí)狀態(tài)通道標(biāo)識(shí)狀態(tài)CHCT39設(shè)備分配時(shí)考慮的因素設(shè)備分配應(yīng)考慮的因素1〕設(shè)備的固有屬性：獨(dú)占共享2〕分配的算法：當(dāng)申請(qǐng)?jiān)O(shè)備的進(jìn)程有多個(gè)時(shí)先申請(qǐng)的進(jìn)程先滿足FIFO按進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)分配當(dāng)可申請(qǐng)的設(shè)備有多個(gè)時(shí)40設(shè)備分配時(shí)考慮的因素3〕設(shè)備分配的平安性：死鎖平安分配：非請(qǐng)求和保持，CPU與設(shè)備串行工作不平安分配：分配設(shè)備時(shí)應(yīng)該進(jìn)行平安性狀態(tài)檢測41設(shè)備分配時(shí)考慮的因素4〕邏輯設(shè)備獨(dú)立于物理設(shè)備用戶使用邏輯設(shè)備，由系統(tǒng)控制具體的物理設(shè)備系統(tǒng)能根據(jù)用戶提供的邏輯設(shè)備名找到相應(yīng)的物理設(shè)備優(yōu)點(diǎn)：靈活分配易于重定向邏輯設(shè)備表：完成邏輯設(shè)備名到物理設(shè)備的映射4243設(shè)備分配的過程設(shè)備分配的根本過程分配設(shè)備分配設(shè)備控制器分配通道啟動(dòng)I/O設(shè)備開始信息傳遞44分配設(shè)備的子流程分配設(shè)備根據(jù)設(shè)備名查SDT表，找到該設(shè)備的DCT該設(shè)備忙？分配平安？將設(shè)備分配給進(jìn)程將進(jìn)程插入DCT等待設(shè)備進(jìn)程隊(duì)列中否是是否*45分配設(shè)備控制器的子流程分配設(shè)備控制器根據(jù)DCT表，找到該設(shè)備的控制器表COCT控制器忙？將設(shè)備控制器分配給進(jìn)程將進(jìn)程插入COCT等待設(shè)備控制器進(jìn)程隊(duì)列中否是**46分配通道的子流程分配通道根據(jù)COCT表，找到該設(shè)備的通道表CHCT通道忙？將通道分配給進(jìn)程將進(jìn)程插入CHCT等待通道進(jìn)程隊(duì)列中否是**47真脫機(jī)I/O技術(shù)7.5虛擬設(shè)備管理——SPOOLING技術(shù)“假脫機(jī)技術(shù)〞真脫機(jī)技術(shù)輸入、輸出是脫離主機(jī)完成的。CPU只與高速磁盤〔磁帶〕交換數(shù)據(jù)靠外圍機(jī)控制輸入、輸出設(shè)備與磁盤交換數(shù)據(jù)其它輸入井輸出井高速高速脫離主機(jī)進(jìn)行脫離主機(jī)進(jìn)行48虛擬設(shè)備管理技術(shù)7.5.2Spooling——假脫機(jī)技術(shù)1〕技術(shù)要點(diǎn)：〔1〕多道程序并發(fā)執(zhí)行〔2〕一道程序模擬外圍機(jī)的輸入，將數(shù)據(jù)從設(shè)備輸入到磁盤〔3〕一道程序模擬外圍機(jī)的輸出，將數(shù)據(jù)從磁盤輸出到設(shè)備〔4〕其它程序與設(shè)備的通信和脫機(jī)方式一樣：只讀寫高速磁盤〔5〕主機(jī)仍要控制外圍設(shè)備——“假脫機(jī)〞49虛擬設(shè)備管理技術(shù)的特點(diǎn)2〕特點(diǎn)〔1〕提高了進(jìn)程訪問低速設(shè)備速率〔2〕獨(dú)占設(shè)備成為虛擬設(shè)備不與實(shí)際設(shè)備直接交互〔3〕獨(dú)占設(shè)備成為共享設(shè)備磁盤是可共享的高速設(shè)備多個(gè)進(jìn)程可以同時(shí)共享虛擬設(shè)備〔磁盤上的文件〕，由系統(tǒng)控制獨(dú)占設(shè)備逐件完成任務(wù)。50虛擬設(shè)備管理例例：Windows系統(tǒng)下，使用了spooling技術(shù)的打印機(jī)管理。翻開多個(gè)word文檔，可同時(shí)向虛擬打印機(jī)打印文檔。每個(gè)文檔都在幾秒之內(nèi)認(rèn)為文檔打印結(jié)束，可以繼續(xù)進(jìn)行編輯任務(wù)。實(shí)際文檔并沒有打印出來，而是輸出到spooling技術(shù)控制的打印隊(duì)列中。翻開打印機(jī)管理器，可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)將需要打印的文檔排了隊(duì)，在系統(tǒng)控制下逐個(gè)打印。51虛擬設(shè)備管理例Windows打印管理52其它輸入井：外圍計(jì)算機(jī)輸出井外圍計(jì)算機(jī)高速高速用戶程序用戶終端其它低速硬盤低速模擬輸入高速模擬輸出高速數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)模擬模擬用戶程序獲得：高速輸入高速輸出用戶程序獲得：高速輸入高速輸出低速532〕特點(diǎn)〔1〕提高了進(jìn)程訪問低速設(shè)備速率〔2〕獨(dú)占設(shè)備成為虛擬設(shè)備〔3〕獨(dú)占設(shè)備成為共享設(shè)備虛擬設(shè)備特點(diǎn)不與實(shí)際設(shè)備直接交互磁盤是可共享的高速設(shè)備其它硬盤模擬輸入高速模擬輸出高速54虛擬設(shè)備管理系統(tǒng)的組成xx其它硬盤模擬輸入高速模擬輸出高速3〕Spooling系統(tǒng)組成〔1〕輸入井、輸出井——磁盤上〔2〕輸入緩沖、輸出緩沖——內(nèi)存中〔3〕輸入程序、輸出程序——脫機(jī)模擬〔4〕請(qǐng)求設(shè)備的進(jìn)程列表——排隊(duì)機(jī)制55虛擬設(shè)備比較與不脫機(jī)技術(shù)比較提高了進(jìn)程訪問設(shè)備的速度通過讓用戶進(jìn)程較快完成任務(wù)，從而引入更多進(jìn)程，提高了系統(tǒng)吞吐量獨(dú)占設(shè)備成為虛擬設(shè)