操作系统原理与实例分析PPT课件第四章设备管理.ppt

第四章 设备管理,4.1 设备管理概述 4.1.1 设备管理的主要功能（1）设备分配 指设备分配程序按照一定的策略，为申请设备的用户进程分配设备，记录设备的使用情况。,（2）设备映射 设备无关性：应用程序所引起的、用于实现I/O操作的设备与物理I/O系统中实际安装的设备没有固定的联系。逻辑设备：应用软件所引用的用于实现I/O操作的设备。物理设备：物理I/O系统中实际安装的设备,逻辑设备的命名方式：文件的命名规则和独立于文件命名规则。设备映射：将应用软件对逻辑设备的引用转换成对相关物理设备的引用。,（3）设备驱动 指对物理设备进行控制，以实现真正的I/O操作。其主要任务接收上层软件发来的抽象服务请求，转换为具体要求，通过一系列的I/O指令，控制设备完成请求的操作；同时，还将设备发来的有关信号传送给上层软件。,（4）I/O缓冲管理 为了缓和处理机于外部设备间的速度不匹配的矛盾，以及提高处理机和外部设备间的并行性，引入了I/O缓冲。I/O缓冲管理的任务是组织I/O缓冲区，并为使用者提供获得和释放I/O缓冲区的手段。,4.1.2 设备管理分层模型（1）通用设备管理分层模型,（2）支持中断的设备管理模型,4.1.3 设备管理工作流程,4.2 计算机I/O子系统的组成 4.2.1 I/O系统的结构(1)总线型I/O系统的结构,总线型I/O系统结构,(2)通道型I/O系统的结构,(3)具有控制器的I/O系统结构,I/O子系统的通道,控制器连接方式,(4)I/O连接的全连通问题 全连通:即将一个设备与说有的控制器相连,将一个控制器与所有的通道相连.全连通不可能实现的原因:*硬件连线过于复杂,设备较多时就无法连线;*设备,控制器以及通道间相互不兼容,一个控制器只能控制一类设备,一个通道只能驱动一类控制器,4.2.2 I/O系统的结构(1)设备的寻址与操作 从处理机的角度看,各种外部设备可以看作是由一组设备寄存器组成的;常见的设备寄存器由:*操作方式寄存器;*命令寄存器;*数据寄存器;*状态寄存器.,I/O端口地址的编址方式*设备寄存器与内存物理存储单元统一 编址;*独立于内存物理存储地址空间单独为 上述设备寄存器编址.,(2)即插即用 即插即用:即插上就可以使用,不需要用 户进行其它设置.,即插即用系统需要计算机BIOS,硬件,设备驱动程序和操作系统软件的相互结合:*对已安装硬件的自动和动态识别;*配合操作系统分配/在分配硬件资源;*加载相应的驱动程序.,(3)设备控制实例 见书上的内容,4.2.3 I/O控制方式(1)程序I/O方式(2)中断方式(3)DMA方式(4)I/O通道方式,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。,4.3 设备分类*输入/输出型设备与存储型设备*块型设备与字符型设备*独占型设备与共享型设备,4.4 设备分配4.4.1 相关数据结构,1.设备控制表DCT,2.控制器控制表、通道控制表和系统设备表,4.4.2 设备无关性 设备无关性: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。,设备无关性的优点:*提高设备的利用率;*程序与设备无关.,4.4.3 设备分配算法(1)先来先服务(2)优先级高者优先服务,4.4.4 独占型设备的分配 独占型设备的特点:在任意时间段内最多只能有一个进程占有并使用它.,进程使用独占型设备的步骤:(1)申请设备 1)根据申请设备的类别查找SDT,找到对应表项;2)wait(Sm);3)查找对应的UCB表,找到一个空闲设备,并分配出去.,(2)使用设备 1)分配通路(相应的控制器和通道);2)进行I/O传输;3)去配通路(释放通路上的控制器和 通道).,(3)释放设备 1)根据释放设备的类型查找SDT,找 到对应的表项;2)查找对应的UCB表,找到准备释放 的设备,并去配该设备;3)signal(Sm).,4.4.5 共享型设备的分配共享型设备的特点:多个进程的I/O传输可以以I/O基本传输单位为界交叉进行.但是,当某个进程正在输入/输出数据期间,其它共享的进程只能等待.,进程使用共享型设备的步骤:1)申请设备及相应的通路;2)进行I/O传输;3)去配设备及通路.,4.5 I/O缓冲技术 4.5.1 缓冲技术的引入(1)缓解处理机与设备之间速度不 匹配的矛盾;(2)实现设备与处理机一定程度上 的并行;(3)减少设备的中断频率,放宽对中 断响应时间的限制.,提前读:指用户进程从I/O缓冲区中取走前一个数据以后,立即发出对下一个数据的输入请求.用户进程加工前一个数据的工作与操作系统输入下一个数据的工作可以同时进行.,延后写:指用户进程请求输出数据时,操作系统将很快把用户进程请求输出的数据从用户进程的工作区中取走并将其暂时存放在I/O缓冲区中.用户进程生成下一个输出数据的工作与操作系统输出前一个输出数据的工作可以同时进行.,4.5.2 硬件缓冲和软件缓冲*硬件缓冲通常配置在设备中.*软件缓冲有内存提供,是内存空间 的一部分,弥补硬件缓冲的不足.*硬件缓冲对操作系统是透明的,因 此,操作系统中介绍的缓冲区是指 软件缓冲.,4.5.3 缓冲区的组织形式 缓冲区技术可以分为:*单缓冲*双缓冲*循环缓冲*缓冲池,1.单缓冲(Single Buffer),单缓冲工作示意图,2.双缓冲(Double Buffer),双缓冲工作示意图,3.循环缓冲,循环缓冲,*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。,4.循环缓冲,缓冲区的工作方式,4.6 虚拟设备 4.6.1 虚拟设备的引入 虚拟设备是利用共享型设备实现的数量较多,速度较快的独占型设备.1)独占型设备的速度一般较慢,进程 执行时通常需要花费较长时间等待 I/O传输完成,因而影响该进程本身 的推进速度;2)由于进程占用某设备期间,可能会 进行与该设备无关的其它活动.,虚拟设备技术的基本思想是:在独占型设备与进程之间加入一个共享型设备作为过渡.,4.6.2 虚拟设备的实现(1)输入型虚拟设备的实现 以共享型设备选择磁盘,独占型设备选择读卡机为例,其操作系统要完成的工作如下:1)申请,分配一台虚拟设备(磁盘区域),分配一台实设备(一台读卡机),将信息由实设备连续传输到虚拟设备,释放实设备;2)使用,将数据从虚拟设备(磁盘区域)传输到进程空间;3)释放,回收虚拟设备(磁盘区域).,(2)输出型虚拟设备的实现 以共享型设备选择磁盘,独占型设备选择磁盘为例,其操作系统要完成的工作如下:1)申请,分配一台虚拟设备(磁盘区域);2)使用,将数据由进程空间传输到虚拟设备(磁盘区域);3)释放,分配一台实设备(一台打印机),将信息由虚拟设备(磁盘区域)输出到实设备(打印机),回收实设备.,4.6.3 SPOOLing系统(1)什么是SPOOLing系统 SPOOLing(Simultaneous Peripheral Operations On-Line),即联机情况下同时进行的外围设备操作,常称假脱机.,(2)SPOOLing系统的组成,SPOOLing系统组成,*输入/输出设备和通道;*输入井和输出井;*输入井和输出井程序;*假脱机输入程序;*假脱机输出程序;,4.7 磁盘设备的管理 4.7.1 磁盘设备的地位和作用 提高磁盘I/O操作的性能和数据安全性,可以从五个方面入手:*使用高性能的磁盘;*使用高性能的磁盘控制器;*使用硬件或操作系统软件实现的 RAID磁盘冗余阵列和其它磁盘容 错技术,提高磁盘的读/写速度和数 据安全性;,*操作系统的对磁盘设备的管理算法;*根据操作系统的算法,人为调整磁盘 文件的物理存储结构以提高访问性能.,4.7.2 磁盘设备的物理特性,移动磁头磁盘的物理结构示意图,(1)磁盘的物理结构,磁盘磁头的工作方式 根据磁盘磁头的设置方式的不同,磁盘可以分为:*固定头磁盘*移动头磁盘,(3)影响磁盘I/O性能的技术指标,1)寻道时间Ts 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 Ts=mn+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，m0.1,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。,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。,3)传输时间Tt 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。Tt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，Tt与T相同，因此，可将访问时间Ta表示为：,4)缓存 较大缓存对磁盘的I/O性能有较大的影响,但不是决定性的.,4.7.3 调整磁盘I/O性能 提高磁盘的I/O性能本质是缩短寻道时间和旋转延迟.,*先来先服务FCFS(First-Come,First Served),FCFS调度算法,(1)磁盘调度算法,*最短寻道时间优先SSTF(Shortest Seek Time First),SSTF调度算法,*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。,2)SCAN算法,SCAN调度算法示例,*循环扫描(CSCAN)算法,CSCAN调度算法示例,(2)磁盘高速缓存 磁盘高速缓存:指操作系统利用内存实现的,专门针对磁盘I/O操作的缓冲区.,磁盘机本身所带的缓存以及磁盘控制器所带的缓存与磁盘高速缓存的关系:*磁盘机本身所带的缓存以及磁盘控制器所带的缓存较小,但进行数据提前读和延后写操作能与主机并行工作;*磁盘高速缓存容量较大,但进行数据提前读和延后写操作需要主机的管理,增加了主机的负担.*磁盘高速缓存在遇到坏扇区时,系统效率反而会降低.由于有提前读的功能.,磁盘高速缓存在内存中有两种实现形式:*在内存中单独开辟一个大小固定的存储空间作为磁盘高速缓存;*把系统中所有未使用的内存空间变为一个缓冲池,供请求分页系统和磁盘高速缓存共享,其大小不固定.,磁盘高速缓存选择写时机策略:*在系统空闲或需要淘汰被写的缓存空间时写,风险最大,效率最高;*周期性地写操作;*立即回写(写穿透高速缓存),相当于没有 写缓存.,(3)优化数据的物理存储结构*磁盘高速缓存的效率取决于命中率;*使用缓存需要基于两个因素:1)访问频率;2)基于局部性原理的提前读技术,(关 键).为了提高其命中率,磁盘上的数据存放应尽量连续存放,如果很离散,磁盘高速缓存反而会降低系统效率.,4.7.4 磁盘容错技术 磁盘容错技术容错技术大体分为三个级别:1)SFT-I是低级磁盘容错技术 主要用于防止磁盘表面介质缺陷 所引起的数据丢失.2)SFT-II是中级磁盘容错技术 主要用于防止磁盘驱动器和磁盘控制器故障所引起的数据丢失.3)SFT-III是高级磁盘容错技术 双服务器技术.,1、第一级容错技术 第一级容错技术包括双份目录,双份文件分配表及写后读校验等措施,支持SFT-I,SFT-II和SFT-III.*双份目录和双份文件分配表;*热修复重定位和写后读校验.,2、第二级容错技术 SFT-II包括:*磁盘镜像;*磁盘双工.,3、RAID技术 即独立或廉价磁盘冗余阵列 以较低的成本,提供大容量,快速,安全可靠的磁盘存储系统.,4.7.5 RAID技术(1)RAID技术的基本概念 RAID有两部分构成:*一组可以并行工作的磁盘所构成的磁 盘阵列;*在磁盘子系统中执行的或者在主机系 统中执行的磁盘阵列管理软件.,磁盘条带的粒度:*细粒度,比如:字节或字等.只利于对单个存取请求进行并行处理.*粗粒度,比如:一个或多个扇区.只利于对多个独立的存取请求进行并行 处理.,根据实现RAID的软件存放的地方,可以分为*硬件实现RAID;*软件实现的RAID.,(2)RAID的常见组织形式 RAID的基本组织形式有六种,从RAID Level0到RAID Level5,并在此基础上进行组合,比如:RAID01,RAID10等.,*RAID0仅使用了条带化技术,不存储数据 的校验信息;*RAID1仅使用了磁盘镜像或磁盘双工技 术,能提供最好的安全性.*RAID3同时使用了磁盘条带化技术(细粒 度,条带大小为一个字或一个字节)和奇 偶校验容错技术.,*RAID5和RAID3类似 二者的主要区别是:RAID3使用一个磁盘专门存储奇偶校验 数据,RAID5将奇偶校验数据分布到每 一个磁盘中,没有专门的奇偶校验盘,克 服了RAID3的缺点;RAID5使用了粗粒度 的条带;RAID5比RAID3复杂.,