第十章設備管理1本章基本內容與要求基本內容設備管理的有關概念I/O請求的檢測與控制緩沖技術設備管理程序虛擬設備技術2本章基本內容與要求要求掌握設備管理的有關概念掌握I/O請求的檢測與控制掌握緩沖技術、設備管理程序、虛擬設備技術3第一節設備管理的有關概念1.設備分類(1)從數據組織的角度分類：塊設備，以塊為單位組織和傳送數據，每塊的大小一般是512的倍數，如磁盤是一種典型的塊設備；字符設備，以字符為單位組織和傳送數據，如鍵盤、打印機等。(2)從資源分配的角度分類：獨占設備，在系統運行期間，在某一段時間內，為某一進程所獨占的設備，大多數低速設備屬于獨占設備，如紙帶輸入機、打印機等；共享設備，允許若干用戶或進程同時共同使用的設備，如磁盤等；虛擬設備，通過軟件技術（如假脫機技術），把原來的獨占設備改造成共享設備。42.設備管理的任務1）根據各類設備的特點確定相應的分配策略，按照進程的請求把進程需要的輸入／輸出設備分配給進程。2）啟動設備完成實際的輸入／輸出3）向用戶提供一個統一的、友好的使用界面，使用戶能方便地利用外部設備資源。4）優化設備的調度、提高設備的利用率第一節設備管理的有關概念5設備管理的主要內容：1)I/O請求的檢測與控制。2)解決設備的低速性與CPU高速性之間的矛盾，提高CPU的利用率。3)設備分配策略。第一節設備管理的有關概念6第二節I/O請求的檢測與控制

循環測試I/O方式中斷驅動方式直接內存存取（DMA）方式I/O通道方式71.循環測試I/O方式

利用I/O測試指令測試設備的忙與閑。若設備處于閑狀態，則執行輸入輸出指令；若設備處于忙狀態，則I/O測試指令不斷對設備進行測試，直到設備空閑為止。這種方式的缺點是CPU要花費大量時間進行設備忙/閑測試，造成CPU資源的極大浪費。82.中斷驅動方式

在現代操作系統中，廣泛采用中斷驅動方式進行I/O檢測與設備控制，當進程需要啟動某個I/O設備工作時，便由CPU向相應的設備控制器發出一條I/O指令，然后立即返回繼續執行原來的任務，而設備控制器便按照該指令的要求去控制I/O設備。每當設備完成I/O操作，便以中斷請求方式通知CPU，然后轉向相應的中斷處理程序進行相應處理。9103.直接內存存取（DMA）方式

DMA方式主要用于塊設備與主存之間進行批量數據傳輸。它使用一個專用DMA控制器，使用截取總線控制權的方法，由DMA控制器送出內存地址，發出內存讀、設備寫或設備讀、內存寫的控制信號來完成內存與設備之間的直接數據傳輸，而不用CPU干預。當一次DMA傳送的數據全部完成時，才產生中斷，告訴CPU數據傳輸完畢。11124.I/O通道方式通道控制結構13通道工作原理通道方式有獨立的I/O管理機制，這時只要發一條I/O指令給通道，告訴通道執行I/O操作要訪問的設備，通道便從內存儲器中讀取通道程序以完成I/O控制管理。通道控制設備的工作過程是由通道程序來實現的。通道程序由通道指令組成，一般包括操作碼、交換信息數及信息在內存的首地址。通道程序的執行步驟如下：1）當進程要求設備輸入時，CPU發指令指明I/O操作、設備號和對應通道。2）對應通道收到CPU發來的啟動指令后，讀出內存中的通道指令程序、設置對應設備的控制狀態寄存器的初值。3）設備按通道指令的要求，把數據送往內存指定區域。144）若傳送結束，I/O控制器通過中斷請求線發中斷信號，請求CPU做中斷處理。5）中斷處理結束后，CPU返回到被中斷進程處繼續執行。6）當進程調度程序選中這個已得到數據的進程后，才能進行加工處理。當通道或外設發生需要向CPU報告的事件時，通道就向CPU發出中斷請求，這時就產生外部設備中斷事件。外部設備中斷的中斷源主要有操作正常結束、操作中發生故障或錯誤以及人工輸入控制命令等。15第三節緩沖技術

單緩沖區和雙緩沖區多緩沖區緩沖池161.單緩沖區和雙緩沖區

單緩沖區中系統僅設置一個緩沖區，當進程要輸入數據時，外設先把數據輸入到緩沖區，再由CPU把數據從緩沖區取走；而當進程要輸出數據時，先把數據送入緩沖區，再由外設輸出。在單緩沖區情況下，當某一外設占用緩沖區后，必須等緩沖區中數據被取空后才能放入新數據，因此單緩沖區的工作方式是串行的。如果開設兩個緩沖區，并且配合合理，就有可能使兩個外設并行工作，設備利用率可以提高。172.多緩沖區

當進程輸入輸出數據量很大或很不均勻時，為使外設與CPU能很好地并行工作，應設置多緩沖區，一般將輸入、輸出緩沖區分別連接成環形多緩沖區。對輸入緩沖區，指針P指示進程下次可取用的緩沖區地址，指針q指示輸入設備輸入時可用的緩沖區地址。對輸出緩沖區來說，進程把輸出數據按指針q依次輸入緩沖區，而輸出設備則按指針P依次輸出。183.緩沖池

把輸入輸出緩沖區統一起來，形成一個既能用于輸入又能用于輸出的緩沖區，稱為緩沖池。在緩沖池中存在三種類型緩沖區：1）輸入數據緩沖區2）輸出數據緩沖區3）空白緩沖區每一種緩沖區都通過指針分別鏈成三個隊列，稱為輸入隊列(in)，輸出隊列(out)和空白隊列(em)。19第四節設備管理程序

邏輯設備與物理設備設備分配程序設備驅動程序201.邏輯設備與物理設備與設備無關性——用戶可不必指定特定設備，而代之指定邏輯設備，使得用戶程序與實際使用的物理設備無關，可以脫離具體的物理設備來使用設備。由系統進行邏輯設備與物理設備之間的對應關系維護，并由系統做相應的連接工作。系統為此引入了邏輯設備名與物理設備名：設備的絕對號：對每臺設備按某種原則進行編號。設備類型號：用戶向系統說明他所需的設備類型時可使用。邏輯設備名：用符號名代替設備的類型名。如LPT表示打印機等。21為了實現與設備的無關性，系統中必須有一張聯系邏輯設備和物理設備名稱的映射表。設備分配程序通過進程傳送來的參數獲得邏輯設備號，然后通過映射表找到相應的物理設備及其驅動程序，調用設備驅動程序，完成實際的操作。222.設備分配程序當多個進程同時要求使用同一類或同一臺設備時，設備分配程序按照一定的算法，決定把某臺設備分配給某個要求該設備的進程。若系統不能立即滿足進程的申請時，應把它們排成一個等待隊列，使這些進程按一定的次序使用設備。

進程提出I/O請求后，設備分配程序根據進程所提出的物理設備名，查看該設備忙閑情況。23設備分配算法：先到先服務算法當有多個進程請求同一設備時，誰先請求，就先給誰服務。優先級算法當有多個進程請求同一設備服務時，根據進程的優先級將所有請求同一設備服務的進程按優先級排成隊列。24

3.設備驅動程序

一旦要求I/O的進程在設備分配程序工作下，為其分配了設備及相應的控制器和通道后由設備驅動程序實現I/O操作。設備驅動程序主要完成下述功能：１）使CPU通過發I/O指令，去啟動指定的I/O設備，進行I/O操作。２）當I/O操作完成或發生其他事件時，I/O設備向CPU發出中斷請求，要求處理機進行相應處理。25第五節虛擬設備技術

所謂虛擬設備，實際上是一個軟件子系統，使用這個軟件子系統，可以將獨占設備變成共享設備。這個軟件子系統一般由外存儲空間、相應的數據結構和控制代碼三部分內容構成：比較著名的虛擬設備技術是所謂的SPOOLing（SimultaneousPeripheralOperationOn-Line）技術，習慣上稱其為假脫機技術。其基本含義是，當在外圍設備和計算機處理器之間傳送數據時，為了減少處理的延時,把輔助存儲器作為緩沖存儲器來使用的一種方法或技術。26虛擬設備的引入SPOOLing系統的組成SPOOLing技術的特點271.虛擬設備的引入我們需要首先了解早期解決CPU的高速與外圍設備慢速之間矛盾的方法，即脫機外圍設備技術：使用一臺外圍計算機，它的功能是以最大速度從讀卡機上讀取信息并記錄到輸入磁盤上。然后，將包含有輸入信息的輸入磁盤人工移動到主處理機上。在多道程序環境下，可讓作業從磁盤上讀取各自的數據，把運行的結果信息寫入到輸出磁盤上。最后，把輸出磁盤移動到另一臺外圍計算機上，其任務是以最大速度讀出信息并從打印機上輸出。282.SPOOLing系統的組成

1）輸入井和輸出井。2）輸入緩沖區（輸入隊列）和輸出緩沖區（輸出隊列）。3）輸入進程SPI和輸出進程SPO。受上述技術的啟發，我們可以取消外圍計算機，在主計算機中創建兩個進程SPI和SPO，SPI用于處理輸入，SPO用于處理輸出，在外存上開辟兩個區域，分別作為輸入池和輸出池。這就是SPOOLing技術的思路。29303.SPOOLing技術的特點

1）提高了I/O速度

從對低速I/O設備進行的I/O操作變為對輸入井或輸出井的操作，如同脫機操作一樣，提高了I/O速度，緩和了CPU與低速I/O設備速度不匹配的矛盾。2）設備并沒有分配給任何進程

在輸入井或輸出井中，分配給進程的是一個存儲區和建立的一張I/O請求表。3）實現了虛擬設備功能

多個進程同時使用同一獨享設備，而對每一進程而言，都認為自己獨占這一設備，不過，該設備是邏輯上的設備。3132磁盤的調度磁道、柱面、扇區動頭盤、固定頭磁盤尋道時間、旋轉延遲時間(潛在時間)33磁盤系統硬件：磁盤驅動器——機械部分，包括驅動電機、讀\寫頭及相應邏輯電路磁盤控制器——與計算機的邏輯接口，接收來自CPU的指令磁盤地址：驅動器號、面號、磁道號、扇區號一次磁盤服務時間：尋道時間+潛在時間+傳送時間34磁盤調度算法先來先服務FCFS例：頭的初始位置為53，請求磁盤服務隊列如下，請求訪問磁道數依次為98，183，37，122，14，124，65，67共移動640個磁道

磁頭移動幅度大，尋道時間長，易產生機械振動和誤差，影響使用壽命35最短尋道時間優先SSTF：先服務接近當前頭位置的所有請求例：頭的初始位置為53，請求磁盤服務隊列如下，請求訪問磁道數依次為