1、設備管理專業培訓課程設 備 管 理 一 外設按功能分為兩類 存儲設備 磁頭、光頭等 信息載體 磁盤、磁帶、光盤等 I/O設備 存儲設備I/O設備 輸入設備 模擬信號 數字信號A/D轉換 輸出設備 數字信號 模擬信號D/A轉換設 備 管 理 二設備管理的根本任務是：1 控制 I/O 操作，進行設備分配，提高CPU與設備之間的并行工作程度。協調和保證設備的高效工作。2 向用戶提供一個使用設備的方便接口。完成用戶的I/O請求。 I/O 系統的組成 I/O 控制方式 I/O 數據傳輸與緩沖技術 虛擬設備與Spooling技術主要討論以下問題7.1 I/O 系統的組成一 1。微機I/O系統 CPU通過總

2、線與設備控制器相連接，設備 控制器是CPU 與設備之間的接口。2。主機I/O系統 使用I/O通道I/O處理機，實現對設備 控制器的控制。 I/O系統應該由以下局部組成： I/O設備 設備控制器 總線或通道一、I/O 系統的結構7.1 I/O 系統的組成二 2。按傳消息交換的單位分類 塊設備 信息存取以數據塊為單位，屬于有結構設備。 字符設備 信息存取以字符為單位，屬于無結構設備。3。按設備的共享屬性分類 獨占設備 在一段時間只允許一個進程訪問的設備。 共享設備 在一段時間允許多個進程同時訪問的設備。 虛擬設備 使用虛擬技術，將一臺獨占設備變為邏輯 上的多臺設備。二、I/O設備及分類1。按傳輸速

3、率分類 低速設備 中速設備 高速設備 7.1 I/O 系統的組成三 1。設備控制器的功能 接收和識別CPU發出的命令，因此，設備控制器中設有多個存放器，用來存放命令和參數，同時，還設有命令譯碼器。 實現數據交換，即CPU與控制器之間，控制器與設備之間的數據交換。 記錄設備的狀態，以便CPU啟動控制器。為此，在控制器中設置一個狀態存放器。 識別設備地址。使CPU能夠從設備控制器的存放器中讀寫數據。三、設備控制器 設備控制器是CPU與設備之間的接口，接收CPU的命令，控制設備工作。7.1 I/O 系統的組成五 通道Channel 也稱 I/O處理機。 是為了減輕CPU的工作負載，在 CPU 與設備

4、控制器之間而設置的一種專門用于 I/O 的簡單處理機。 通道指令系統 也稱通道控制字CCW，是通道能夠獨立執行的I/O指令。 按照信息交換方式分類： 字節多路通道 用于低、中速設備 含多個非分配型的子通道，子通道按時間片輪轉共享主通道。按字節傳送。傳輸速度慢(。 數組選擇通道 連接中、高速設備 含一個分配型的子通道，一段時間內只能執行、控制一臺設備工作。通道利用率低，傳輸速度快。 數組多路通道 連接中、高速設備 綜合前兩類的優點。四、I/O通道1、為什么引入通道2、通道的類型7.1 I/O 系統的組成六 中央處理機內存字節多路通道成組多路通道選擇通道卡片輸入機卡片輸入機打印機磁盤磁帶通 道 結

5、 構7.1 I/O 系統的組成七 解決“瓶頸問題的多通路系統3、“瓶頸問題由于通道及設備控制器的數量有限，可能造成I/O的瓶頸。7.2 I/O 控制方式 一 1中斷控制方式 2DMA 控制方式 3通道控制方式 設備管理的主要任務之一是控制設備與內存或CPU 之間的數據傳送，選擇控制方式的原那么是： 保證在足夠的傳輸速度下數據的正確傳送。 系統開銷小。 充分發揮硬件資源的能力。本節討論CPU 通過設備控制器來控制數據I/O的方式。常用的I/O控制方式7.2 I/O 控制方式二一、中斷控制方式中斷 當主機接到外部信號時如 I/O完成信號即停止 原來的工作，轉去處理這一事件，處理完后，主機 又回到原

6、來的斷點繼續工作。中斷處理過程：向CPU中斷源中斷請求中斷響應轉中斷處理程序退出中斷保護CPU現場識別中斷源恢復CPU現場7.2 I/O 控制方式四 由于大多數的小型、微型計算機采用總線結構，DMA方式是“竊取或“挪用 CPU總線的控制權，即要求CPU暫停假設干總線周期，由DMA控制器占有存儲器周期進行設備與內存之間的數據交換。 直接存儲器訪問 DMADirect Memory Access 方式的引入是為解決中斷控制方式對塊設備低效的問 題。減少中斷次數。二、DMA控制方式1、DMA方式的根本思想1以數據塊為單位進行數據傳送。2設備與內存之間直接交換數據。7.2 I/O 控制方式八 CCW的

7、信息： 操作碼 內存地址 傳送數據字節數 通道程序結束位PP =1 結束 記錄結束標志R 通道Channel 是比DMA方式更加完善，功能更強的I/O 控制方式。DMA與通道方式的異同： 相同：以內存為中心，實現設備與內存之間直接交換數據 的控制方式。 不同：通道是專門控制 I/O的處理機。其指令稱為通道控 制字CCW，由CCW編制的通道程序，獨立執 行I/O任務。三、通道控制方式1、I/O處理機0 指令處理同一記錄1 處理記錄結束7.2 I/O 控制方式九 DMA方式與通道控制方式的數據傳送過程有何相同和不同之處？ 畫出DMA及通道控制方式的控制流程圖分別畫出輸入、輸出兩種情況。2、通道的控

8、制過程：CPU啟動通道 通道程序的始址存放在稱為通道地址字CAW的內存單元中，由 CPU啟動通道程序后，CPU可去執行其他任務。執行通道指令CCW ，向設備控制器發出I/O操作命令。設備根據CCW將數據傳送到內存指定單元。數據傳送結束，I/O控制器向CPU 發出中斷請求命令。思 考 題7.3 緩沖管理一 1、單緩沖區single buffer 在設備和主機之間設置一個緩沖區。只能緩解速度匹配的問題。不能實現設備之間的并行操作。1、緩解CPU與外設速度不匹配的問題。2、減少CPU中斷響應次數，放寬響應時間。3、提高CPU與I/O設備，I/O設備之間的并行操作能力。 緩沖技術的根本思想： 在內存中

9、開辟一個或多個專用區域緩沖區，作為CPU 與I/O設備間信息的集散地。一、為什么引入緩沖技術二、緩沖區的組織緩沖區用戶進程傳送操作系統輸入I/O設備7.3 緩沖管理二 一般是建立兩個大小相等的緩沖區，設備交替對兩個緩沖區輸入數據，操作系統也交替地從兩個緩沖區移出數據送用戶進程區。二、雙緩沖區double buffer緩沖區1用戶進程傳送操作系統輸入I/O設備緩沖區2 發送緩沖區 接收緩沖區 接收緩沖區發送緩沖區A機B機雙機通信的緩沖區設置7.3 緩沖管理三 三、循環緩沖circular buffer 循環緩沖即是多個大小相同的緩沖區構成循環隊列，有三種緩沖區：空緩沖區(R)，滿緩沖區(G)，正

10、使用的緩沖區(C)。例如：生產者消費者問題 生產者進程 PiP1，P2，Pk; 消費者進程 CiC1，C2，Cm。 in 指向下一空緩沖區的指針。 Out 指向下一滿緩沖區的指針。 current 指向當前工作緩沖區的指針。inoutC iP icurrentRGC7.3 緩沖管理三 1、緩沖池的結構 緩沖池由多個緩沖區構成。每個緩沖區又分為緩沖區首部和緩沖體。四、緩沖池buffer pool設備號緩沖區號緩沖區地址緩沖區狀態忙/閑數據塊號互斥標識位設備緩沖隊列指針緩沖區首部將緩沖區連接成三種隊列： 空緩沖區隊列emq 滿輸入緩沖區隊列inq 滿輸出緩沖區隊列outq有四類工作緩沖區： sin

11、 提取輸入的工作緩沖區 hin 收容輸入數據的緩沖區 sout 提取輸出的工作緩沖區 hout 收容輸出數據的緩沖區7.4 設備分配一2、控制器控制表COCTControler Control Table 記錄I/O控制器使用情況及與通道連接情況。DMA無 設備分配是設備管理的重要問題。討論設備分配的數據結構，分配原那么及分配算法。一、設備分配的數據結構1、設備控制表DCTDevice Control Table反映設備特性，設備與I/O控制器連接情況。7.4 設備分配二4、系統設備表SDTSystem Device Table整個系統一張，記錄已連接到系統中的設備情況，每個設備在SDT中占一

12、表項。3、通道控制表CHCTChannel Control Table 描述通道的使用情況。針7.4 設備分配四 設備分配的方式： 靜態分配 一次分配所有需要的設備。不符合分配 原那么。 動態分配 進程執行過程中，按需分配。 設備分配總原那么：充分發揮設備利用率，防止由于不合理分配引起進程死鎖。 具體考慮以下方面： 1、設備的固有屬性 獨占、共享、虛擬。 2、設備分配算法先來先效勞、優先級。 3、設備分配的平安性平安或不平安分配方式，指是否保持“請求與保持條件。 4、設備獨立性。二、設備分配的原那么及方式7.4 設備分配五 為了實現設備獨立性，進程使用邏輯設備名。即系統為 每個進程建立一張邏輯

13、設備表LUTLogical Unit table。 在VMS中，還建立了一張系統邏輯設備表。 有利于改善資源的利用率。提供了設備分配的靈活性。 為用戶程序提供了與設備無關的接口，為I/O重定位提供方便，因此，提高了用戶程序的可適應性。設備獨立性 LUT 包括：邏輯設備名、物理設備名、驅動程序地址。 通過LUT 實現用戶程序中邏輯設備名到物理設備名的 映射。1、邏輯設備表 設備獨立性device independence是I/O軟件的一個關鍵性概念，是指用戶程序獨立于使用的物理設備。2、使用邏輯設備名的優點7.4 設備分配六三、設備分配流程進程P發出I/O請求搜索SDT找到DCT指針查DCT設備

14、忙？進程P按分配算法入I/O隊列YN按分配算法選擇進程進程P選中？進程P等待設備空閑NY檢查設備分配的平安性平安嗎？NY設備分配給進程P11搜索DCT找到COCT指針 控制器忙？Y進程P等待控制器N分配控制器給進程P搜索COCT找到CHCT指針CHCT忙Y進程P等待通道N分配通道給進程 P啟動 I/O7.4 設備分配七 多道程序系統中，進程對設備的需求頻繁，尤其是獨占設備數量有限、效率低，故引入虛擬設備管理技術。 根本思想：用大容量的快速設備磁盤模擬慢速度的 獨占設備，把一臺物理上的獨占設備變為邏輯上的多臺共享設備。 SPOOLing是一種典型的虛擬設備技術， SPOOLing 是 Simul

15、taneous Peripheral Operations On Line 外圍設 備同時聯機操作的縮寫，是用程序模擬脫機I/O的功能，故又稱為假脫機技術。四、虛擬設備與SPOOLing技術2、SPOOLing 技術1、虛擬設備管理7.5 設備處理一 I/O請求的處理過程，由輸入/輸出控制系統IOCS完成，其中最主要的局部是設備驅動程序。它是I/O請求進程與設備控制器之間的通信程序。1、用戶進程向IOCS發出I/O請求。2、IOCS查邏輯設備表LUT，將邏輯請求轉換為物 理請求。3、IOCS調用驅動程序的“啟動過程啟動I/O設備。4、IOCS將有關信息放入中斷表中。5、將用戶進程掛起，放入I/

16、O等待隊列。6、執行驅動程序的“繼續過程中斷處理、傳送 I/O 數據。7、完成I/O操作，重新啟動用戶進程。一、I/O請求處理過程7.5 設備處理二 二。I/O設備驅動程序 設備驅動程序是IOCS的主體，一般為每類個設備設置一個驅動程序。驅動程序啟動過程 啟動一個I/O操作。繼續過程 處理中斷和完成數據傳送。驅動程序執行步驟：1、效勞請求校驗 確定請求的操作，檢驗硬件支持。2、確認設備狀態 確定設備狀態存放器是否可用。3、啟動I/O請求 假設確認設備狀態可用，啟動I/O。4、中斷處理 CPU處理I/O過程的中斷。驅動程序應保存處 理器的當前狀態，以便進程重新執行。5、I/O請求完成 驅動程序識

17、別I/O完成，將控制返回IOCS， 將被中斷的進程置為就緒。7.6 磁盤存儲器管理一一、磁盤的工作過程大容量磁盤(固定頭磁盤 - 磁盤的每條磁道上都有一個讀/寫磁頭，并行讀/寫。中小型磁盤設備活動頭磁盤 - 每個盤面配置一個磁頭，串行讀/寫。 - 為了讀/寫某磁道、某扇區的數據，首先讓磁頭移動，尋找指定磁道，再旋轉磁盤將相應扇區定位到磁頭下面。 磁盤驅動器發出尋道命令后便釋放相關的通道控制器， 以便系統用它來處理其它I/O操作。當磁臂(磁頭)被移動到指定的磁道時，磁盤驅動器便開始驅動磁盤旋轉，以便把指定扇區的起始位置定位到磁臂(磁頭)下。一旦指定扇區的起始位置被定位到磁臂(磁頭)下，磁盤驅動器

18、便重新申請通道控制器，以便建立到主機的通路。如果請求失敗，磁盤驅動器將驅動磁盤旋轉一周后再次申請通道控制器。7.6 磁盤存儲器管理二 主要對移動頭磁盤進行討論：二、訪盤時間1、尋道時間Ts 將磁頭移動到指定磁道上的時間。其中： M 常數一般0.5，高速小于0.1 S 磁盤啟動時間 n 磁頭移動磁道數2、旋轉延遲時間Tr 把指定扇區的起始位置置于磁頭下所花費的時間。與磁盤轉速有關。 Tr 1/(2r) 3、傳輸時間Tt 讀/寫數據的時間。 Tt = b/ rN 其中：r 磁盤旋轉速度；N 一條磁道上的字節數； b 讀/寫的總字節數。Ts = m n + S7.6 磁盤存儲器管理三主要討論移動頭磁

19、盤的調度算法： 磁盤驅動程序一般要考慮磁盤的調度策略，在三類訪問時間中，尋道所占時間最長。所以大多數磁盤驅動程序都是以尋道優化為出發點的，主要討論尋道算法。問 題三類訪問時間中，哪類時間最長？7.6 磁盤存儲器管理四主要討論移動頭磁盤的調度算法：二、磁盤的訪問時間 1、尋道時間Ts (Seek Time) Ts = m n + S 2、旋轉延時Tr (Rotational Delay) 與磁盤的轉速有關。 3、數據傳輸時間Tt (Transfer Time) 磁盤驅動程序一般要考慮磁盤的調度策略，在三類訪問時間中，尋道所占時間最長。所以大多數磁盤驅動程序都是以尋道優化為出發點的，主要討論尋道算

20、法。播 放5.6 磁盤的調度與驅動二三、常用的調度算法 1、先來先效勞FCFS 按照申請效勞的先后次序。未考慮尋道優化。 2、最短尋道優先算法SSTF 優先選擇離磁頭最近的請求。未考慮磁頭來回擺動。可能出現老進程的“饑餓現象。 3、掃描算法SCAN 既考慮請求與磁頭的距離，又考慮磁頭移動的方向；又稱為：電梯法。 4、循環掃描算法C-SCAN 規定磁頭單向移動，即將最小磁道號與最大磁道號構成循環，進行循環掃描。7.6 磁盤存儲器管理四7.7 提高磁盤I/O速度的技術一、磁盤高速緩存Disk Cache) 把磁盤I/O緩沖區叫做磁盤高速緩存Disk Cache，但它并不是一種硬件設施。事實上，磁盤I/O緩沖區仍然是內存中的一個區域。其組織形式基于程序引用的局部性原理。 其工作原理類似Cache Memory) 以輸入為例：當用戶進程請求從磁盤上讀入一個扇區時， 系統首先在磁盤I/O緩沖區中尋找該扇區的副本：如果能夠找到，那么系統將從磁盤I/O緩沖區中取出該扇區的副本并返給用戶進程；否那么，系統首先從磁盤上讀入該扇區并在磁盤I/O緩沖區中為其建立一個副本，然后將該副本返給用戶進程。 其置換算法類似請求調頁存儲管理中的頁面置換算法LRU、NRU、LFU等。7.7 提高磁盤I/O速度的技術最近最少使用置換算法LRU置換算法置換在最近一段時間內最久沒有被訪問過的扇區。最小訪問頻度置換