1、1,2019年10月8日星期二,北京交通大学计算机学院何永忠,操作系统（A）,北京交通大学计算机学院 何永忠 副教授,第五章：设备管理,第五章 设备管理,5.1 I/O系统组成 5.2 I/O控制方式 5.3 设备管理目标、功能及结构 5.4 缓冲管理 5.5 设备分配 5.6 设备处理 5.7 磁盘存储器管理,5.4 缓冲管理,5.4.1 缓冲技术的引入 5.4.2 单缓冲 5.4.3 双缓冲 5.4.4 循环缓冲 5.4.5 缓冲池,缓冲技术的引入,设备控制器的数据缓冲寄存器 暂存输入输出数据的中转站 提高CPU与I/O设备之间的并行性,利用缓冲降低中断频率举例说明,远程通信系统,缓冲技术
2、的引入,操作系统引入缓冲机制的原因 直接从I/O设备输入输出数据？ while(iN) scanf (“%d, 问题1：执行scanf时才能输入，速度不匹配，CPU等待用户； 问题2：执行computing时键盘不能输入数据,5.4 缓冲管理,5.4.1 缓冲技术的引入 5.4.2 单缓冲 5.4.3 双缓冲 5.4.4 循环缓冲 5.4.5 缓冲池,单缓冲,系统对每一整块数据处理时间为 max(C, T) + M,缓冲技术的引入,操作系统引入缓冲机制的好处 缓和CPU与I/O设备速度不匹配的矛盾 减少对CPU的中断频率，放宽对中断响应时间的限制 提高CPU与I/O设备之间的并行性,5.4 缓
3、冲管理,5.4.1 缓冲技术的引入 5.4.2 单缓冲 5.4.3 双缓冲 5.4.4 循环缓冲 5.4.5 缓冲池,双缓冲,双缓冲,系统对每一整块数据处理时间为 max(M+C , T),T1（缓冲1）,M1,C1,T2 （缓冲2）,T3 （缓冲1）,T4 （缓冲2）,t,M2,C2,M3,C3,M4,C4,T5 （缓冲1）,T6 （缓冲2）,双缓冲,工作区的变化！,双缓冲,系统对每一整块数据处理时间为 max(C, T),利用双缓冲实现双向通信,双机通信单缓冲 只能实现单向数据传输,双机通信双缓冲 可以实现双向数据传输,5.4 缓冲管理,5.4.1 缓冲技术的引入 5.4.2 单缓冲 5.
4、4.3 双缓冲 5.4.4 循环缓冲 5.4.5 缓冲池,(输入)循环缓冲的组成,工作区,用户进程,传送,操作系统,输入,输入 设备,缓冲区,缓冲区的使用及进程同步,缓冲区使用过程 GetBuf (BufType, Current)过程 ReleaseBuf (BufType, Current) 过程 进程同步 Nexti 指针追赶上Nextg 指针时，输入进程应阻塞，直至计算进程把某满缓冲区数据取走并调用ReleaseBuf 过程将之唤醒 Nextg指针追赶上 Nexti指针时，计算进程应阻塞，直至输入进程装满某空缓冲区并调用ReleaseBuf 过程将之唤醒,5.4 缓冲管理,5.4.1
5、缓冲技术的引入 5.4.2 单缓冲 5.4.3 双缓冲 5.4.4 循环缓冲 5.4.5 缓冲池,缓冲池的组成,三个队列及队首尾指针（F/L） 空缓冲队列 EmptyQueue 输入队列 InputQueue 输出队列 OutputQueue 四种工作缓冲区 用于收容输入数据的工作缓冲区 Hin 用于提取输入数据的工作缓冲区 Sin 用于收容输出数据的工作缓冲区 Hout 用于提取输出数据的工作缓冲区 Sout,缓冲队列组织形式,缓冲首部,缓冲区工作方式,Procedure GetBuf(QType, pBuf) Procedure PutBuf(QType, pBuf),GetBuf过程和P
6、utBuf过程,Procedure GetBuf(QType,pBuf)beginwait(RSQType);wait(MSQType);pBuf TakeBuf(QType);signal(MSQType);end,Procedure PutBuf(QType, pBuf)beginwait(MSQType);AddBuf(QType, pBuf);signal(MSQType);signal(RSQType);end,5.4 缓冲管理,5.4.1 缓冲技术的引入 5.4.2 单缓冲 5.4.3 双缓冲 5.4.4 循环缓冲 5.4.5 缓冲池,作业题,5.3 为什么要引入缓冲机制？缓冲与高
7、速缓存的区别？ 5.4 为什么在单缓冲情况下，系统对一块数据的处理时间为多少 ?,第五章 设备管理,5.1 I/O系统组成 5.2 I/O控制方式 5.3 设备管理目标、功能及结构 5.4 缓冲管理 5.5 设备分配 5.6 设备处理 5.7 磁盘存储器管理,设备分配,设备分配：将设备分配给请求进程的使用过程。需要考虑如下问题： 设备种类繁多，并且可能会不断的增加设备或者移除设备，操作系统必须对系统中当前的设备信息进行统一管理； 同一类型的设备可有不同的设备ID，应用程序通过什么方式方便的使用系统中可用的设备？ 如何现代操作系统的基本特征之一是并发性。多个进程竞争设备会带来影响，分配时应如何选
8、择分配策略？,5.5 设备分配,5.5.1 设备分配用数据结构 5.5.2 设备分配考虑因素 5.5.3 设备独立性 5.5.4 独占设备的分配程序 5.5.5 假脱机技术,设备分配用数据结构,系统设备表 记录系统全部设备的情况,系统设备表SDT,系统设备表,设备分配用数据结构,系统设备表 记录系统全部设备的情况,系统设备表SDT,系统设备表,设备控制表DCT,设备控制表集合,?,设备控制表 针对每台设备而设置和记录对应情况,设备控制器控制表COCT,设备控制器控制表集合,设备控制器控制表 针对每个设备控制器而设置和记录对应情况,通道控制表CHCT,通道控制表集合,5.5 设备分配,5.5.1
9、 设备分配用数据结构 5.5.2 设备分配考虑因素 5.5.3 设备独立性 5.5.4 独占设备的分配程序 5.5.5 假脱机技术,设备属性与分配策略,设备的固有属性 独占：仅分配给一个进程的独占分配。 共享：可同时分配给多个进程。多个进程获得设备后会不时提出访问设备请求，产生了对访问请求进行调度问题。 虚拟设备：将独占设备变为共享设备，分配给多个进程；然后按照先后顺序转化为对实际物理设备分配与访问。,设备属性与分配策略,共享设备的分配：进程对共享设备提出使用情况，可立刻分配。 设备分配算法：多个进程提出对独占设备的访问请求时，必须排队等候分配，常用的分配方法 先来先服务 优先级高者优先：高优
10、先权的进程优先获得设备。,设备分配的安全性,安全分配方式 每当进程发出I/O请求和获得某种设备(资源)后，便进入阻塞状态(使其不可能再请求任何资源而在它运行时又不保持任何资源)，直到其I/O操作完成时才被唤醒 分配安全，但CPU与I/O设备串行工作，进展慢 不安全分配方式 进程发出I/O请求后仍继续运行，需要时又可发出第二、第三个I/O请求；仅当进程所请求的设备已被另一进程占用时，进程才进入阻塞状态 同一进程可同时操作多台设备，故推进迅速 为避免死锁，需进行安全性计算,5.5 设备分配,5.5.1 设备分配用数据结构 5.5.2 设备分配考虑因素 5.5.3 设备独立性 5.5.4 独占设备的
11、分配程序 5.5.5 假脱机技术,设备独立性,问题与对策 用户直接使用设备ID来访问设备可行吗？ 应用程序以逻辑设备名称来请求使用某类设备；而系统实际执行时则使用物理设备名称 目标 设备分配时的灵活性、可扩展性/适应性 易于实现I/O重定向(指用于I/O操作的设备可以更换即重定向，而不必改变应用程序),逻辑设备表LUT两种设置方式,整个系统设置 一张逻辑设备表,为每个用户设置 一张逻辑设备表,设备管理层次结构,设备独立性软件层,向用户空间I/O请求层软件提供统一接口 执行所有设备管理的公有操作（与特定设备相关的操作放入下面一层） 设备的分配与回收 逻辑地址到物理地址的转换 逻辑设备到物理设备的
12、映射（驱动程序入口） 一维逻辑盘块号到一维物理盘块号的转换等。 缓冲管理、设备保护、差错控制（处理设备驱动程序返回错误）,5.5 设备分配,5.5.1 设备分配用数据结构 5.5.2 设备分配考虑因素 5.5.3 设备独立性 5.5.4 独占设备的分配程序 5.5.5 假脱机技术,基本的设备分配程序,对于具有I/O通道的系统，在进程提出I/O请求后，系统的设备分配程序可按下述步骤进行设备分配 逻辑设备名物理设备名SDTDCT COCTCHCT 状态可用？&安全？分配；否则插入请求进程队列,5.5 设备分配,5.5.1 设备分配用数据结构 5.5.2 设备分配考虑因素 5.5.3 设备独立性 5
13、.5.4 独占设备的分配程序 5.5.5 假脱机技术,假脱机技术(SPOOLing),脱机输入输出假脱机输入输出,SPOOLing系统的组成,建立在具有多道程序功能的操作系统上，且应有高速随机外存（磁盘存储技术）的支持 输入井（或输出井） 磁盘上开辟的存储空间用以收容数据 输入缓冲区（或输出缓冲区） 内存中开辟的存储空间用以暂存数据 输入进程SPi（或输出进程SPo ） 模拟脱机输入（或输出）时的外围控制机 请求输入队列（或请求输出队列） 由用户请求输入（或输出）表构成,SPOOLing系统组成示意图,基于Spooling技术的共享打印机,打印机是一种慢速的独占设备，采用Spooling可以提
14、高打印输出速度。基本过程：用户进程提出打印输出被重定向到磁盘（输出井）中，然后在排队输出到打印机上。 1、用户提出打印请求，输出进程在输出井中为之申请一空闲盘块区，并将要打印的数据送入其中 2、输出进程申请一张空白的用户请求打印表，并将用户打印要求填入，并挂到请求打印队列上 3、输出进程视打印机空闲与否从请求打印队列队首取出一张用户请求打印表，并按对应要求将打印数据从输出井通过内存缓冲区输出到打印机 4、输出进程在请求打印队列为空时将阻塞自己，直到再次有打印请求出现时才被唤醒,SPOOLing系统的特点,提高了I/O速度 数据I/O操作演化为对输入/出井的存取 CPU数据处理与设备I/O操作的
15、并行化 将独占设备改造为共享设备 设备分配实质为在输入/出井中为用户进程分配一空闲盘块区及建立一张I/O请求表 实现了虚拟设备功能 一台独占设备变换为若干台逻辑独占设备,5.5 设备分配,5.5.1 设备分配用数据结构 5.5.2 设备分配考虑因素 5.5.3 设备独立性 5.5.4 独占设备的分配程序 5.5.5 假脱机技术,第五章 设备管理,5.1 I/O系统组成 5.2 I/O控制方式 5.3 设备管理目标、功能及结构 5.4 缓冲管理 5.5 设备分配 5.6 设备处理 5.7 磁盘存储器管理,设备管理层次结构,5.6 设备处理,5.6.1 设备处理程序的功能 5.6.2 设备处理方式
16、 5.6.3 设备处理程序的特点 5.6.4 设备驱动过程 5.6.5 中断处理过程,设备处理,是操作系统与设备控制器之间直接负责参数设置、数据交换、指令发起的程序或者进程(设备驱动程序) 接收设备独立性层的命令，启动设备执行；接收设备的相关输入数据和控制信息传送给设备独立性层。,设备处理程序的功能,1、启动设备前准备的工作1）接收由I/O请求进程发来的命令和参数，进行必要的转换和检查2）设置设备参数，发出I/O命令，启动I/O设备去完成I/O操作 2、设备中断响应处理及时响应来自通道或设备控制器的中断请求，并根据其中断类型调用相应中断处理程序进行后续处理,5.6 设备处理,5.6.1 设备处
17、理程序的功能 5.6.2 设备处理方式 5.6.3 设备处理程序的特点 5.6.4 设备驱动过程 5.6.5 中断处理过程,设备处理方式,根据设备处理时是否设置进程及设置什么样的进程而划分 为每一类设备设置一个进程 整个系统设置一个I/O进程或设置一个输入进程和一个输出进程 不设置专门的设备处理进程，而是只为各类设备设置相应的设备处理程序（模块）供设备独立性软件和中断处理程序调用,唤醒问题,5.6 设备处理,5.6.1 设备处理程序的功能 5.6.2 设备处理方式 5.6.3 设备处理程序的特点 5.6.4 设备驱动过程 5.6.5 中断处理过程,设备处理程序的特点,与I/O设备特性紧密相关
18、不同类型设备应配置不同驱动程序 与I/O控制方式紧密相关 中断/DMA/通道I/O控制方式 与硬件紧密相关，故部分程序代码必须用汇编语言书写，且基本部分可固化和存放于ROM,5.6 设备处理,5.6.1 设备处理程序的功能 5.6.2 设备处理方式 5.6.3 设备处理程序的特点 5.6.4 设备驱动过程 5.6.5 中断处理过程,设备驱动过程,1、化抽象I/O操作请求为具体要求例子：将一维物理盘块号转换为盘面号、磁道号与扇区号。 2、检查用户I/O请求的合法性非法指令（读打印机数据）或者未授权 3、检查I/O设备状态，判断是否可用就绪状态时设备可用 4、传递和设置I/O设备的有关参数与工作方
19、式磁盘：读写字节数、缓冲区地址；串口：波特率，校验方式等 5、发出I/O命令，启动分配到的I/O设备，驱动进程阻塞写操作：输出数据给设备控制器；读操作：等待操作完成才读通常I/O操作需要一定时间，故驱动（程序）进程应阻塞自己直至I/O处理完毕发出中断到来时才将它唤醒,5.6 设备处理,5.6.1 设备处理程序的功能 5.6.2 设备处理方式 5.6.3 设备处理程序的特点 5.6.4 设备驱动过程 5.6.5 中断处理过程,中断处理程序的处理过程,5.6 设备处理,5.6.1 设备处理程序的功能 5.6.2 设备处理方式 5.6.3 设备处理程序的特点 5.6.4 设备驱动过程 5.6.5 中断处理过程,作业题,5.5 什么是设备独立性？有何作用。 5.6 简述共享打印机的工作原理。,
