操作系统的设备管理ppt课件.ppt

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1、1共43页,操作系统的设备管理,2共43页,目标和功能,I/O管理是操作系统的主要功能之一，负责管理所有I/O设备。计算机系统中存在着大量的I/O设备，其性能和应用特点可能完全不同，所以要建立一个通用的、一致的设备访问接口，使用户和应用程序开发人员能够方便地使用I/O设备，而无须关心每种设备各自的特性。I/O管理是管理I/O设备，控制I/O操作,3共43页,6.1 I/O硬件组成6.2 I/O软件的组成6.3 设备分配6.4 磁盘管理,4共43页,6.1 I/O硬件组成,6.1.1 I/O设备按信息交换的单位分类：块设备：把信息存储在固定大小的块中，每个块有自己的地址，可独立地读写。通常块的大

2、小为512B32KB。如磁盘、磁带、光盘和电子盘。字符设备：以字符为单位发送和接收字符流。是不可寻址的。键盘、鼠标、扫描器、打印机、绘图仪、网络接口等。,时钟既不是块可寻址的，也不产生或接收字符流，只是按预先规定好的时间间隔产生中断。,5共43页,I/O设备一般由机械和电子两部分组成。机械部分是设备本身。电子部分叫做设备控制器。设备控制器处于CPU和I/O设备之间，接收从CPU发来的命令，控制I/O设备工作。很多控制器可以连接两个、四个，甚至八个相同的设备。控制器与设备之间的接口是一个标准接口，符合国际标准。,6.1.2 设备控制器,6共43页,接收OS的命令，控制设备实现指定的功能。每个控制

3、器有几个寄存器，用来与CPU通信，即存放设备驱动程序向设备发送的命令和参数。控制寄存器：被主机用来向设备发送命令。状态寄存器：包含主机可读取的状态信息。数据缓冲寄存器每个寄存器被分配一个端口号。处理机通过I/O端口地址找到对应的I/O部件和设备寄存器，以实现对设备的控制和数据传输。,控制器的作用,7共43页,控制器的作用,除了几个寄存器外，许多设备控制器还有一个操作系统可以读写的数据缓冲区。如在屏幕上显示像素的常规方法是使用一个视频RAM，该RAM基本上只是一个数据缓冲区。磁盘控制器：从磁盘驱动器出来的是一连串的位流，控制器把串行的位流组装为字节，存入控制器内部的数据缓冲区中，形成以字节为单位

4、的块。对块验证后，复制到主存。,8共43页,内存映射I/O,单独的I/O和内存空间IN R0,4MOV R0,4前者读取I/O端口4的内容并将其存入R0，后者读取内存字4的内容并将其存入R0。,内存,I/O端口,两个地址空间,9共43页,内存映射I/O,内存映射I/O：将所有设备控制器寄存器映射到内存空间。每个控制器寄存器被分配唯一的一个内存地址。通常分配给控制器寄存器的地址位于地址空间的顶端。优点：对内存的操作指令都可用于对I/O端口的操作，不需要专门的I/O指令。I/O设备驱动程序可以完全用C语言编写。如UNIX。,内存,一个地址空间,10共43页,内存映射I/O-混合方案,内存映射I/O

5、的数据缓冲区，控制器寄存器则具有单独的I/O端口。Pentium处理器使用的就是这一体系结构。,内存,I/O端口,两个地址空间,11共43页,计算机系统对I/O设备的4种控制方式,程序查询方式（轮询(polling)）程序中断方式直接存储器访问(DMA)方式通道控制方式,12共43页,程序查询方式,从外部设备读取一块数据到存储器，每次读几个字节的数据。,CPU忙等串行工作,13共43页,2.程序中断方式,CPU/设备并行工作,向设备控制器发写命令,CPU转去执行其它程序,将控制传递给中断服务例程,无,重试或故障终止,中断服务例程检查本次传输是否有错,传输有错？,中断返回，继续执行被中断的进程,

6、CPU响应中断,传输完成？,无,完,CPU工作情况,设备完成数据传输或出错，产生中断,设备驱动程序启动设备工作,I/O设备工作情况,有,14共43页,支持大量数据传输的块设备，其控制器支持直接存储器存取（DMA，Direct Memory Access）。通常，CPU控制地址总线，进行与主存储器的数据交换。允许DMA控制器接管地址总线的控制权，直接控制与主存的数据交换。,3.直接存储器访问（DMA）,15共43页,整块数据的传输是在控制器的控制下完成的。仅在开始和结束时才需CPU干预。,向磁盘O控制器发读块命令,读DMA控制器的状态,下条指令,CPUDMA,CPU做其它事,中断,DMACPU,

7、DMA方式,16共43页,数据缓冲寄存器,主存地址寄存器MAR,传送字节个数计数器DC,控制/状态寄存器,数据总线,地址总线,DMA控制器,主存,CPU,数据缓冲存储区,磁盘,控制器独立地进行DMA传送,控制总线,17共43页,DMA工作过程：,每当磁盘把一块数据读入控制器的数据缓冲区时，检验校验和。DMA控制器取代CPU，接管地址总线的控制权，直接控制与主存的数据交换。使CPU访问总线时速度会变慢。,18共43页,与DMA方式相比，通道所需的CPU干预更少，且可以做到一个通道控制多台设备，进一步减轻了CPU的负担。通道是一种专用的I/O处理机。通道有自己的指令系统，若干条通道命令连接成通道程

8、序。,4.通道控制方式,19共43页,CPU,主存储器,磁盘控制器,软盘控制器,磁带控制器,读卡机,磁盘控制器,控制器,控制器,磁盘控制器,打印机,控制器,终端,数组多路通道,选择通道,字节多路通道,CPU、通道和I/O设备并行工作,总线,20共43页,1.字节多路通道：以字节为单位传输信息，可以分时地执行多个通道程序，一个通道程序对应一台设备。主要用来连接大量慢速设备。2.选择通道：以成组方式工作，即每次传送一批数据，故传送速度很高。在一段时间内只能执行一个通道程序，只允许一台设备传输数据。可用于连接高速设备，如固定头磁盘等。3.数组多路通道：结合了选择通道传送速度高和字节多路通道能够分时的

9、优点。先为一台设备执行一条通道指令，自动转接，再为另一台设备执行一条通道指令。可连接多台活动头磁盘机。,通道的三种类型,21共43页,工作过程：CPU向I/O通道发出一条I/O指令，给出所要执行的通道程序的首地址和要访问的I/O设备。通道接到CPU发来的指令，通过执行通道程序便可完成CPU指定的I/O任务。完成任务后，通道与设备一起发出中断请求信号，请求CPU处理。,22共43页,6.2 I/O软件的组成,I/O软件的基本思想：按分层构建，较低层的软件为较高层的软件服务，使较高层软件独立于硬件，为用户提供统一接口。,23共43页,设备独立性。用户在编写使用磁盘上文件的程序时，无需为不同的设备类

10、型而修改程序，就可以使用。用户程序中给出的是一个逻辑设备名，由OS实现逻辑设备与物理设备的映射。设备的统一命名。与设备独立性密切相关。一个设备的逻辑名字只应是一个简单的字符串或一个整数，如 PRN，不依赖于具体的设备。,6.2.1 I/O软件的目标,24共43页,出错处理。数据传输中的错误应尽可能地在接近硬件层上处理，可重试多次。仅当低层软件无能为力时，才将错误上交高层软件处理。缓冲技术。其目的就是设法使数据的到达率和离去率相匹配，以提高系统的吞吐量。设备的分配。涉及到共享设备和独占设备的分配问题。,25共43页,6.2.2 I/O软件的功能,中断处理程序设备驱动程序独立于设备的软件用户空间的

11、I/O软件,I/O软件的分层：,在I/O软件中，大部分软件是与设备无关的。,26共43页,1.中断处理程序,每个进程在启动一个I/O操作后阻塞起来，I/O操作完成，控制器产生一个中断。CPU响应中断，执行中断处理程序。检查设备状态。若是正常完成，就唤醒等待该I/O的进程。然后检查是否还有I/O请求，若有，就启动下一个请求。若传输出错，再发启动传输命令，或向上层报告“设备错误”的信息。,27共43页,每个设备驱动程序处理一种类型设备。由一些与设备密切相关的代码组成。提供一些与文件类似的API：open,close,read,write,control等是OS中唯一知道设备控制器的配置情况，如设置

12、有多少个寄存器以及这些寄存器作用的。,2.设备驱动程序,通常包含三部分功能：设备初始化。启动设备进行数据传输例程。中断处理例程：处理设备发出的各种中断。,28共43页,工作过程,设备驱动程序接收来自上层软件的抽象请求，并执行这个请求。若忙，则排到I/O请求队列中。将请求转换成应向控制器发送的命令和设备的具体参数。通常，驱动程序进程等待命令完成，阻塞自己，直到中断处理时将其唤醒。有时不必等待，如滚屏操作，把几个字节写到控制器中即可。检查数据传输是否有错；向上层传送数据。继续未完成的I/O请求。,29共43页,3.独立于设备的软件,（1）基本任务：实现所有设备都需要的公共功能，且向用户级软件提供一

13、个统一接口。（2）设备命名。把设备的符号名映射到正确的设备驱动上。UNIX，/dev/tty01i节点主设备号（用来定位终端设备驱动程序），次设备号（作为参数用来确定设备驱动程序要读/写的具体终端）。,30共43页,（3）设备保护。防止无权存取设备的用户使用设备。UNIX的I/O设备作为文件用“rw”位进行保护。禁止用户进程对I/O设备直接访问，必须通过OS提供的系统调用命令进行I/O操作。（4）提供与设备无关的块尺寸。不同磁盘可以采用不同的扇区尺寸。应向较高层的软件掩盖这一事实并提供大小统一的块尺寸。较高层软件只与抽象磁盘打交道，使用等长的逻辑块。,31共43页,（5）缓冲技术,缓解CPU与

14、I/O设备间速度不匹配的矛盾，减少对CPU的中断次数。用户进程发出一个I/O请求时，OS便在主存分配缓冲区，缓存输入或输出的数据。以空间换取时间。单缓冲：OS为I/O请求分配一个缓冲区。双缓冲：建立两个缓冲区，可以平滑I/O设备和进程之间的数据流，改善系统效率。多缓冲和缓冲池：多进程共享缓冲池。,32共43页,高速缓存（补）,（cache）是可以保留数据拷贝的高速内存。有时一块内存区域可以同时用于两个目的。例如，为了有效调度磁盘I/O，在内存开辟了缓冲区来保留磁盘数据。这些缓冲区也可以用作高速缓存，可被多个进程共享。当内核收到I/O请求时，会首先检查高速缓存里是否有。,33共43页,（6）负责

15、设备分配,静态分配：进程运行前，将需要的设备全部分配给它。简单，不死锁，但利用率低。动态分配：在进程运行过程中，分配设备。设备利用率高，但容易引起死锁。,34共43页,独占方式分配：对独占型设备的分配。共享分配：对共享型设备的分配。磁盘。虚拟设备。常用可共享的高速设备来模拟独占的慢速设备。能有效提高独占型设备的利用率。Spooling技术是实现虚拟设备的具体技术。它利用可共享磁盘的一部分空间，模拟独占的输入/输出设备。以空间换时间。,35共43页,假脱机输出：以打印机为例,Spooling实际是一种缓冲技术。进程要打印时，系统并不为它分配打印机，而是在磁盘上申请一个空闲区，把待打印的数据缓冲到

16、空闲区，再把打印请求挂到打印队列上。打印机空闲时，从打印队列上取出一个请求，再从磁盘上的指定区域取出数据，送打印机打印。这种技术又叫缓输出技术。,36共43页,（7）出错处理,绝大多数错误是与设备密切相关的，一般由设备驱动程序来处理。处理设备驱动程序处理不了的错误（重试几次操作后，仍有错误）。将错误信息报告调用者。,37共43页,I/O软件。（1）大部分都包含在操作系统中。（2）一小部分是由与用户程序连接在一起的库函数构成的。例 用户程序中的库函数：count=read(fd,buffer,nbytes);程序运行期间，库函数read将与该程序连接在一起形成一个可执行文件装入主存。这些函数通常

17、只是将系统调用时所需要的参数放在合适的位置，由其他的I/O函数实现真正的操作。如“Printf”将调用“write”系统调用。,4.用户空间的I/O软件,38共43页,5.I/O系统的层次结构,用户进程,独立于设备的软件,设备驱动程序,中断处理程序,硬件,I/O请求,I/O完成后的回答,39共43页,读文件的I/O操作步骤,用户进程发出一个读文件的系统调用。设备独立I/O软件检查参数的正确性。若正确，再检查高速缓存中有无要读的信息块。若有，则从缓冲区直接读到用户区。若无，转3)执行物理I/O。独立于设备的I/O软件将设备的逻辑名转换成物理名，检查设备操作权限。将I/O请求排队，阻塞用户进程且等

18、待I/O完成。核心执行设备驱动程序，分配缓冲区，准备接收数据，且向设备控制寄存器发启动读命令。,40共43页,设备控制器控制设备，执行数据传输。当采用DMA控制器控制传输时，一个块传输完成，硬件产生一个中断。CPU响应中断，转磁盘的中断处理程序。检查中断原因和设备的执行状态，若出错，则向设备驱动程序发信号，若可重试，则再启动设备重传一次；否则，向上报告错误。若传输正确，将数据传输给指定的用户进程空间，将等待进程唤醒并且放入就绪队列，等待调度。当用户进程被调度执行时，从I/O系统调用的断点恢复执行。,41共43页,6.2.3 同步I/O和异步I/O,同步I/O：进程发出I/O请求后阻塞等待，直到

19、数据传输完成后被唤醒，之后才能访问被传输的数据。异步I/O：允许进程发出I/O请求后继续运行。将来I/O完成后的通知方式：设置进程地址空间内的某个变量；通过触发信号或软件中断；进程执行流之外的某个回调函数。（Windows 的APC）对于不必进行缓冲读写的快速I/O，使用同步I/O更有效；对于需要很长时间的I/O操作，可使用异步I/O。,42共43页,6.3 磁盘管理,1.提高磁盘I/O速度的主要途径：选择性能好的磁盘。如 IDE、SCSI采用好的调度算法设置磁盘高速缓冲区2.磁盘的类型 硬盘和软盘；固定头磁盘和活动头磁盘。固定头磁盘：每条道上都有一个读/写磁头，用于大容量磁盘，并行读/写。移动头磁盘：每个盘面仅配有一个磁头。,43共43页,4.访问磁盘块的时间：寻道时间、旋转延迟时间、读/写传输时间。5.调度算法先来先服务（FIFO）：最简单，易实现，又公平合理。最短寻道时间优先(SSTF)：是指在将磁头移向下一请求磁道时，总是选择移动距离最小的磁道。扫描法(SCAN)：是指读/写磁头在由磁盘的一端向另一端移动时，随时处理所到达磁道上的服务请求，直到移动另一端之后，再反向进行服务。变种CSCAN和C-LOOK6.磁盘分配方法 连续分配；链接分配；索引分配,