1、1,5.1 I/O系统 5.2 I/O控制方式 5.3 缓冲管理 5.4 I/O软件 5.5 设备分配 5.6 磁盘存储器管理,2,教学目的与要求,了解I/O系统的硬件组成和控制方式。 掌握缓冲技术、SPOOLing技术。 理解设备驱动程序和I/O中断处理程序。 掌握磁盘存储器的管理。,教学重点：缓冲技术、SPOOLing技术和磁盘存储器的管理 教学难点：缓冲技术，磁盘调度,3,引言,设备管理的基本任务： 完成用户提出的I/O请求 提高I/O速率 提高I/O设备的利用率 为用户提供一个友好的透明接口,4,引言,设备管理的主要功能： 缓冲区管理 设备分配 设备处理 虚拟设备及实现设备独立性,5,
2、5.1 I/O系统 -用于实现数据输入、输出及数据存储的系统,5.1.1 I/O设备 1、类型 （1）按速度分： 低：键盘 中：打印机 高：磁盘。 （2）按信息交换单位分： 块：磁盘,可定位 字符：打印机、串口,6,5.1 I/O系统,5.1.1 I/O设备 1、类型 （3）按设备的共享属性分： 独占：如临界资源 共享：磁盘 虚拟：如本身因有属性为独占，但通过虚拟技术将其变换为几个逻辑设备。,7,2、设备与控制器之间的接口,CPU控制器设备三种信号： （1）数据信号：双向，有缓存 （2）控制信号：控制器发给设备；要求其完成相关操作 （3）状态信号：传送指示设备当前状态的信号；,图 5-1 设备
3、与控制器间的接口,8,5.1.2 设备控制器,1、功能：接收CPU命令，控制I/O设备工作，解放CPU. 1）接收和识别命令。 应有相应的Register来存放命令（“命令寄存器”） 2）数据交换 CPU控制器的数据寄存器设备 3)设备状态的了解和报告 设备控制器中应用“状态寄存器” 4)地址识别 CPU通过“地址”与设备通信，设备控制器应能识别它所控制的设备地址以及其各寄存器的地址。,9,5.1.2 设备控制器,1、功能：接收CPU命令，控制I/O设备工作，解放CPU， 5)数据缓冲 6)差错控制2、组成（图5.2） 各类寄存器：数据、控制、状态 信号线：数据线(独立寻址、内存寻址)、地址线
4、、控制线 I/O逻辑：在其控制下完成与CPU、设备的通信。,10,图 5-2 设备控制器的组成,11,5.1.3 I/O通道,1、引入 通道一种特殊的执行I/O指令的处理机，与CPU共享内存，可以有自己的总线。 引入目的解脱CPU对I/O的组织、管理。 CPU只需发送I/O命令给通道，通道通过调用内存中的相应通道程序完成任务。,12,5.1.3 I/O通道,2、类型 1.字节多路通道：（图5-3） 各子通道以时间片轮转方式共享通道，适用于低、中速设备。 2.数组选择通道： 无子通道，仅一主通道，某时间由某设备独占，适于高速设备。 但通道未共享，利用率低。 3.数组多路通道： 综合了前面2种通道
5、类型的优点。,13,图 5-3 字节多路通道的工作原理,14,5.1.3 I/O通道,3、通道“瓶颈”问题：,图 5-4 单通路I/O系统,15,图 5-5 多通路I/O系统,解决瓶颈：采用复联的多通路方式,16,5.1.4 总线系统,1、微机I/O系统,设备控制器：与设备是一对多的关系，系统是通过它与设备通信 系统设备控制器 设备 缺点：总线瓶颈，CPU瓶颈。,17,5.1.4 总线系统,2、主机I/O系统（四级结构） 计算机I/O通道I/O控制器设备 I/O通道相当于对总线的扩展，即多总线方式，且通道有一定的智能性，能与CPU并行，解决其负担。 3、常见的总线 ISA EISA Local
6、BUS VESA PCI,18,A Typical PC Bus Structure,19,5.2 I/O控制方式,四个阶段： 程序I/O中断I/ODMA控制通道控制。 趋势：提高并行度。,20,5.2.1 程序I/O（忙等待方式）,查询方式：CPU需花代价不断查询I/O状态（图5-7a） CPU资源浪费极大。 例：99.9ms+0.1ms=100ms 在5.2.1中99.9在忙等,21,5.2.2 中断I/O,向I/O发命令返回执行其它任务。 I/O中断产生CPU转相应中断处理程序。 如：读数据，读完后以中断方式通知CPU，CPU完成数据从I/O内存,22,5.2.3 DMA方式用于块设备中
7、,1、引入 中断I/O，CPU“字节”干预一次，即每“字节”传送产生一次中断。 DMA：由DMA控制器直接控制总线传递数据块。DMA控制器完成从I/O内存。 图5.7c 2、组成 一组寄存器+控制逻辑。图5.8 CR（命令/状态）; DR（数据）; MAR（内存地址）; DC（计数）,23,图 5-8 DMA控制器的组成,24,Direct Memory Access,25,图 5-9 DMA方式的工作流程,3、DMA工作过程,26,DMA,27,DMA,28,DMA,29,5.2.4 I/O通道控制方式,DMA方式：对需多离散块的读取仍需要多次中断。 通道方式：CPU只需给出 （1）通道程序
8、首址。 （2）要访问I/O设备 后，通道程序就可完成一组块操作,30,5.3 缓冲管理,5.3.1 缓冲的引入,缓和CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾。 (2) 减少对CPU的中断频率， 放宽对CPU中断响应时间的限制。 (3) 提高CPU和I/O设备之间的并行性。,31,图 5-10 利用缓冲寄存器实现缓冲,32,5.3.2 单缓冲和双缓冲,1. 单缓冲(Single Buffer),图 5-11 单缓冲工作示意图,Max（C,T）M,33,2. 双缓冲(Double Buffer),图 5-12 双缓冲工作示意图,Max（C,T）,34,图 5-13 双机通信时缓冲区的设置,35,例：,
9、假设T是从磁盘输入一块数据的时间，C是CPU对一块数据进行处理的时间，而M是将一块数据从缓冲区传送到用户区的时间。当用户进程按顺序访问的方式处理大量的数据时，请问在单缓冲和双缓冲的情况下，系统对一块数据的处理时间分别是多少？,36,答：,从单缓冲的工作示意图和时序图可以看出：数据有I/O控制器到缓冲区和数据由缓冲区到工作区，必须串行操作；同样，数据从缓冲区到工作区和CPU从工作区取出数据进行处理，也需串行进行。但由于在顺序访问时可采用预先读的方式，即CPU在处理一块数据时，可从磁盘输入下一块数据。因此，系统对一块数据处理的时间为Max（C，T）+M。而双缓冲，数据由I/O控制器到双缓冲，以及数
10、据由双缓冲到工作区，可以并行工作，因此系统对一块数据处理的时间为Max（T，M+C）。如果TC，由于 MT，则此时系统对一块数据处理的时间约为Max（T ，C），即T。,37,5.3.3 循环缓冲,1. 循环缓冲的组成,图 5-14 循环缓冲,38,2. 循环缓冲区的使用,Getbuf过程。(2) Releasebuf过程。,3. 进程同步,Nexti指针追赶上Nextg指针。(2) Nextg指针追赶上Nexti指针。,39,5.3.4 缓冲池(Buffer Pool),1. 缓冲池的组成,公用缓冲池，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
11、。,40,缓冲区的首部,41,缓冲区队列,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。,42,2. Getbuf过程和Putbuf过程,Procedure Getbuf(type)beginWait(RS(type);Wait(MS(type);B(number)=Takebuf(type);Signal(MS(type);endProcedure Putbuf(type, number)beginWait(MS(type);Addbuf(type, number);Signal(
12、MS(type);Signal(RS(type);end,43,3. 缓冲区的工作方式,图 5-15 缓冲区的工作方式,44,5.4 I/O软件,1）与具体设备无关 2）统一命名 3）对错误的处理 4）缓冲技术 5）设备的分配和释放 6）I/O控制方式,5.4.1 I/O软件的设计目标和原则,总体设计目标：高效率和通用性,45,I/O系统的层次和功能,46,5.4.2 中断处理程序,流程 设备启动I/O完成发送中断CPU调用中断处理过程 中断处理过程 唤醒被阻塞的驱动程序进程 保护被中断进程CPU环境 转入相应的设备处理程序 中断处理(特性) 恢复被中断进程的现场,47,图 5-17 中断现场
13、保护示意图,48,图 5-18 中断处理流程,49,5.4.3 设备驱动程序,设备处理程序即是设备驱动程序。设备驱动程序的功能和特点设备驱动程序的处理过程,50,5.4.3 设备驱动程序,1.功能： 接收进程的I/O命令 检查I/O命令合法性、检查设备状态、设置设备工作方式 驱动I/O操作 响应设备中断 构成通道程序,51,2. 设备处理方式,为每一类设备设置一个进程，专门用于执行这类设备的I/O操作 .(2) 在整个系统中设置一个I/O进程，专门用于执行系统中所有各类设备的I/O操作。 (3) 不设置专门的设备处理进程，而只为各类设备设置相应的设备处理程序(模块)， 供用户进程或系统进程调用
14、。,52,3.特点： 设备驱动程序主要是指在请求I/O的进程与设备控制器之间的一个通信和转换程序和I/O控制方式、硬件紧密相关各个设备有自己的设备驱动,5.4.3设备驱动程序,53,4 设备驱动程序处理过程,包括 启动过程 中断处理过程启动过程 将抽象要求转化为具体要求 检查I/O请求合法性 读出和检查设备状态 传送必要的参数 设置工作方式 启动I/O设备,54,5.4.4 设备独立性软件,1、概念： 即设备无关性，指应用程序独立于具体使用的物理设备。 逻辑设备 物理设备 逻辑设备表（LUT）：分配流程：进程给出逻辑名通过LUT得到物理设备及其driver入口。,55,5.4.4 设备独立性,
15、优点： 1）设备分配更灵活； 逻辑设备和物理设备间可以是多多的映射关系。提高了物理设备的共享性，以及使用的灵活性。如： 某逻辑名可对应这一类设备，提高均衡性与容错性。 几个逻辑名可对应某一个设备，提高共享性。 2）易于实现I/O重定向。 不变程序，只需改变LUT表的映射关系。,56,5.4.4 设备独立性,2、设备独立性软件 执行所有设备的公有操作 分配回收 名字映射 保护 缓冲 差错控制 向用户层软件提供统一接口 read、write,57,5.4.4 设备独立性,3.名字映射 LUT的生成 在用户进程第一次请求设备时完成映射并在LUT中生成相应项 LUT的配置 （1）整个系统一张LUT表：
16、 要求：逻辑名不重复，（一般用于单用户系统） （2）每个用户一张LUT表。 可重名/可限制用户对某些设备的使用。,58,5.4.5 用户层的I/O软件,大部分的I/O软件在操作系统中 小部分在用户层，如用户程序链接在一起的库函数 用户层软件通过系统调用取得OS的服务,59,5.5 设 备 分 配,5.5.1 设备分配中的数据结构,1. 设备控制表DCT,图 5-16 设备控制表,60,2. 控制器控制表、 通道控制表和系统设备表,图 5-17 COCT、 CHCT和SDT表,61,5.5.2 设备分配时应考虑的因素,1. 设备的固有属性,独享设备。(2) 共享设备。(3) 虚拟设备。,62,2
17、. 设备分配算法,先来先服务。 (2) 优先级高者优先。,3. 设备分配中的安全性,安全分配方式 2) 不安全分配方式,63,5.5.4 独占设备分配程序,1. 基本的设备分配程序,分配设备 2) 分配控制器 3) 分配通道,2. 设备分配程序的改进,增加设备的独立性2) 考虑多通路情况,64,5.5.4 SPOOLING技术,1、概念 脱机技术：利用专门的外围控制机，将低速I/O设备上的数据传送到高速磁盘上，缓和CPU的高速性与I/O设备低速性间的矛盾；假脱机技术，在联机情况下同时出现外围操作 假脱机技术的作用：通过缓冲方式，将独占设备改造为共享设备,65,2、SPOOLing系统的组成：,
18、1）输入和输出： 在磁盘上开辟的2个大存储空间，模拟输入和输出设备。 2）输入buf和输出buf（内存中） 输入设备输入buf输入#用户区（1） 用户区输出#输出buf设备（2） 3）输入Spi和输出SPo进程。 分别控制（1），（2）的动作。 SPi相当于脱机输入控制器。 SPo相当于脱机输出控制器。,66,2、SPOOLing系统的组成：,67,3、共享,(1)输入 a.进程n请求 SPi为n在输入中分配空间设备数据由输入buf送输入#生成输入请求表挂输入请求队列。 b.CPU空取请求表中的任务,送进程缓冲区。（2）输出：（打印） a.进程n请求SPo为n在输出#中分配空间将数据由进程bu
19、f转到输出#生成一打印请求表挂打印请求队列。 b.打印机空查打印请求表中的任务 取输出中对于数据输出buf 打印,68,4. SPOOLing的特点,1)提高I/O速度： 对低速设备操作变为对输入/出#操作。2)将独占设备改造为共享设备 分配设备的实质是分配输入/出#3)实现了虚拟设备功能,69,5.6 磁盘存储器管理,5.6.1 磁盘性能简述 1、数据组织和格式（图524） 磁道号磁头号扇区字节 2、类型 1）固定头磁盘： 每个磁道上有一个磁头，快 2）移动头磁盘： 每个盘面仅有一个磁头，慢,70,图 5-24 磁盘的格式化,71,5.6.1 磁盘性能简述,3、磁盘访问时间：1）寻道时间：T
20、S=m*n+s m：常量，n：磁道数，s：磁臂启动时间。2）旋转延时间Tr： 指定扇区旋转到磁头下所需时间。 设每秒r转，则Tr1/2r（均值）3）数据传输时间Ttb/rN b：读写字节数 N：每道上的字节数 访问时间：Ta=Ts+1/2r+b/rN 可见，由于特定磁盘，适当地集中数据传输，将更好提高传输效率。,72,5.6.2 磁盘调度,目标：减少寻道时间 1、FCFS（Fisrt Come First Served）先来先服务 特点：公平、简单，寻道时间长，相当于随机访问模式。 仅适用于请求磁盘I/O的进程数目较少的场合。 2、SSTF（最短寻道优先）最短寻道时间优先SSTF比FCFS有更
21、好的寻道性能 贪心的算法 饥饿现象 不能保证平均寻道时间最短 ？,73,FCFS,Illustration shows total head movement of 640 cylinders.,74,SSTF (Cont.),75,图 5-25 FCFS调度算法,图 5-26 SSTF调度算法,76,3、SCAN 扫描算法（也称为电梯算法）。 进程“饥饿现象” SSTF存在。 SCAN算法： 在移动方向固定的情况下采用了SSTF，以避免饥饿现象 存在请求进程等待延迟现象4、循环扫描CSCAN 磁头单向移动 一个方向读完，不是象SCAN那样回头，而是循环扫描。 请求延迟时间：2TT+Smax,
22、77,SCAN (Cont.),78,C-SCAN (Cont.),79,图 5-27 SCAN调度算法示例,图 5-28 CSCAN调度算法示例,80,5.6.2 磁盘调度,5、NStepSCAN和FSCAN算法。 1） NStepSCAN 磁臂粘着：由于连续对某磁道访问引起的垄断访问，将磁盘请求队列分为长为N的子队列m个，如下图处理。当N=1时，为FCFS。当N很大时，为SCAN.,81,5.6.2 磁盘调度,2）FSCAN,82,5.6.3 磁盘高速缓存,1、形式 逻辑上是磁盘、物理上是驻留在内存中的盘块 固定大小和可变大小 2、数据交付方式 数据交付指将磁盘高速缓存中的数据传送给请求者
23、进程 步骤：先查缓存、后查磁盘并更新缓存 方式： 数据交付 指针交付,83,5.6.3 磁盘高速缓存,3、置换算法 最近最久 访问频率 可预见性 数据一致性：将需要一致性的块放在替换队列的头部，优先回写。 4、周期性回写磁盘 例：msdos采用写穿透方式,84,5.6.4 提高磁盘I/O速度的其它方法,提前读 延迟写 访问频率高的磁盘块放在替换队列的尾部，减少回写次数 优化物理块的分布 目的是减小磁头移动距离 簇分配方式：一个簇为多个连续的块 虚拟盘（RAM盘） 和磁盘高速缓存区别：虚拟盘由用户控制；磁盘高速缓存由系统控制。,85,5.6.5 廉价磁盘冗余阵列,并行交叉存取（条化存取） 冗余存
24、取 校验存取 优点 可靠性高 磁盘I/O速度高 性价比高,86,RAID 0 (不冗余）,87,RAID 0,88,RAID 0,不冗余 不校验 分布式存储 低可靠性 低价格 并行 I/O 访问,89,RAID 1 (镜像),分布存放 镜像冗余 不校验,90,RAID 1,读性能比 RAID 0好 (选择寻道时间小的磁盘访问) 写性能比 RAID 0差 存储开销大 可靠性高,91,RAID 2 (汉明码校验冗余),92,RAID 3,用一个校验盘,93,RAID 4 (Block-Level Parity),94,RAID 4,和RADI3相比较，RAID4基于大的块校验,95,RAID 5,
25、96,RAID 5,解决了RAID4校验盘不可靠性问题,97,作业,假定磁盘有200 个柱面，编号0199，当前存取臂的位置在143 号柱面上，并刚刚完成了125 号柱面的服务请求，如果请求队列的先后顺序是：86，147，91，177，94，150，102，175，130；试问：为完成上述请求，下列算法存取臂移动的总量是多少？并算出存取臂移动的顺序。(1)先来先服务算法FCFS；(2)最短查找时间优先算法SSTF；(3)扫描算法SCAN。(4)C-SCAN算法。,98,解,(1)先来先服务:磁头移动顺序为:143861479117794150102175130,磁头移动共565柱面。 最短寻道
26、时间优先（SSTF）:磁头移动顺序为:143147150130102949186175177, 磁头移动共162柱面。 SCAN算法：磁头移动顺序为:143147150175177130102949186, 磁头移动共125柱面。 CSCAN算法：磁头移动顺序为:143147150175177869194102130, 磁头移动共169柱面。,99,假设磁盘有200 个磁道，磁盘请求队列中是一些随机请求，它们按照到达的次序分别处于98、183、37、122、14、124、65、67号磁道上，当前磁头在53号磁道上，并向磁道号减小的方向上移动。请给出按先来先服务算法（FCFS）、最短寻道时间优先算法(SSTF)、扫描算法（SCAN）及循环扫描算法（CSCAN）算法进行磁盘调度时满足请求的次序，并算出它们的平价寻道长度 ?,100,
