第7章設(shè)備管理最復(fù)雜最瑣碎的部分磁帶機(jī)硬盤(pán)光盤(pán)繪圖儀掃描儀鍵盤(pán)打印機(jī)7.1設(shè)備管理的概念

---設(shè)備的分類(lèi)按傳輸速率分類(lèi)低速設(shè)備：每秒幾個(gè)到數(shù)百字節(jié)。如Modem，鍵盤(pán)中速設(shè)備：每秒數(shù)千到數(shù)萬(wàn)字節(jié)。如打印機(jī)高速設(shè)備：每秒數(shù)百K到數(shù)兆。如磁盤(pán)7.1設(shè)備管理的概念

---設(shè)備的分類(lèi)按信息交換的單位分類(lèi)字符型設(shè)備：這類(lèi)設(shè)備也稱(chēng)為輸入/輸出型設(shè)備。在信息存取調(diào)用時(shí)，都是以字符為單位來(lái)訪(fǎng)問(wèn)的。如鍵盤(pán)、紙帶輸入機(jī)、打印機(jī)等屬于該類(lèi)型設(shè)備。塊設(shè)備：這種設(shè)備也稱(chēng)為存儲(chǔ)型設(shè)備，在其上信息的組織、安排，都以塊為單位進(jìn)行。常見(jiàn)的有磁盤(pán)、磁帶機(jī)、磁鼓等。7.1設(shè)備管理的概念

---設(shè)備的分類(lèi)從資源分配角度進(jìn)行劃分獨(dú)占設(shè)備：一次只允許分給一個(gè)用戶(hù)作業(yè)使用的設(shè)備。而且，這類(lèi)設(shè)備如果分配不當(dāng)，可能會(huì)造成死鎖。多數(shù)是一些慢速設(shè)備，如讀卡機(jī)、打印機(jī)等。共享設(shè)備：一次可以允許多個(gè)作業(yè)同時(shí)進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)的設(shè)備。各作業(yè)在執(zhí)行期間內(nèi)，可以交替分時(shí)地對(duì)共享設(shè)備進(jìn)行占用。常見(jiàn)的有磁盤(pán)、磁鼓等。按使用特性分類(lèi)：7.1設(shè)備管理的概念

---設(shè)備的分類(lèi)7.1設(shè)備管理的概念

---設(shè)備管理的任務(wù)建立方便、一致的用戶(hù)界面。盡量使CPU與外圍設(shè)備、外設(shè)與外設(shè)之間的并行處理能力提高。充分發(fā)揮I/O設(shè)備的效率。7.1設(shè)備管理的概念

---設(shè)備管理的功能提供和進(jìn)程管理系統(tǒng)的接口。進(jìn)行設(shè)備分配。實(shí)現(xiàn)設(shè)備和設(shè)備、設(shè)備和CPU等之間的并行操作。進(jìn)行緩沖區(qū)管理。7.2I/O控制方式四個(gè)階段：程序I/O（輪詢(xún)方式）——中斷I/O——DMA控制——通道控制。趨勢(shì)：提高并行度。7.2I/O控制方式

---輪詢(xún)方式

輪詢(xún)方式又稱(chēng)程序直接控制方式，就是由用戶(hù)進(jìn)程來(lái)直接控制內(nèi)存或CPU和外圍設(shè)備之間的信息傳送。

一旦CPU啟動(dòng)I/O設(shè)備，便不斷查詢(xún)I/O設(shè)備的準(zhǔn)備情況，終止原程序的執(zhí)行，浪費(fèi)CPU時(shí)間；I/O準(zhǔn)備就緒后，CPU參與數(shù)據(jù)傳送工作，而不能執(zhí)行原程序。CPU和I/O設(shè)備串行工作，使主機(jī)不能充分發(fā)揮效率，外圍設(shè)備也不能得到合理使用，整個(gè)系統(tǒng)效率很低。7.2I/O控制方式

---輪詢(xún)方式7.2I/O控制方式

---中斷方式CPU啟動(dòng)I/O設(shè)備后，不必查詢(xún)I/O設(shè)備是否就緒，而是繼續(xù)執(zhí)行其它進(jìn)程。當(dāng)設(shè)備將數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好，發(fā)出中斷信號(hào)后，CPU再進(jìn)行中斷處理。提高了CPU和設(shè)備間的并行效率。7.2I/O控制方式---中斷方式向I/O發(fā)命令——返回——執(zhí)行其它任務(wù)。I/O中斷產(chǎn)生——CPU轉(zhuǎn)相應(yīng)中斷處理程序。如：讀數(shù)據(jù)，讀完后以中斷方式通知CPU，CPU完成數(shù)據(jù)從I/O—內(nèi)存的傳送。中斷處理程序中，CPU全程參與數(shù)據(jù)傳輸操作，它從I/O接口讀一個(gè)字(字節(jié))并寫(xiě)入主存，如果I/O設(shè)備上的數(shù)據(jù)尚未傳送完成，轉(zhuǎn)向現(xiàn)行程序再次啟動(dòng)I/O設(shè)備，重復(fù)上述過(guò)程；否則，中斷處理程序結(jié)束后，繼續(xù)從K+1條指令執(zhí)行。7.2I/O控制方式

---DMA方式DMA方式又稱(chēng)直接存儲(chǔ)器訪(fǎng)問(wèn)方式。其基本思想是在外設(shè)和主存之間開(kāi)辟直接的數(shù)據(jù)交換通路。7.2I/O控制方式

---DMA方式DMA方式的特點(diǎn)是：數(shù)據(jù)傳送的基本單位是數(shù)據(jù)塊。所傳送的數(shù)據(jù)是從設(shè)備送內(nèi)存，或者相反。僅在傳送數(shù)據(jù)的開(kāi)始和結(jié)束時(shí)，才需中斷CPU請(qǐng)求干預(yù)，減少了CPU中斷處理的次數(shù)。數(shù)據(jù)傳送工作由DMA完成而不是由CPU完成。7.2I/O控制方式

---DMA方式7.2I/O控制方式

---通道控制方式

通道是一個(gè)獨(dú)立于CPU的專(zhuān)管輸入輸出控制的處理機(jī)，它控制設(shè)備與內(nèi)存直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。它有自己的通道指令，這些通道指令受CPU啟動(dòng)，并在操作結(jié)束時(shí)向CPU發(fā)中斷信號(hào)。7.2I/O控制方式

---通道控制方式與DMA方式不同的是：在DMA方式中，數(shù)據(jù)的傳送方向、存放數(shù)據(jù)的內(nèi)存始址以及傳送的數(shù)據(jù)塊長(zhǎng)度等都由CPU控制。而在通道方式中，這些都由專(zhuān)管輸入輸出的硬件——通道來(lái)進(jìn)行控制。7.2I/O控制方式

---通道控制方式與DMA方式不同的是：與DMA方式中要求每臺(tái)設(shè)備至少一個(gè)DMA控制器。通道控制方式可以做到一個(gè)通道控制多臺(tái)設(shè)備與內(nèi)存進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，從而，通道方式進(jìn)一步減輕了CPU的工作負(fù)擔(dān)和增加了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的并行工作程度。在通道方式下CPU只需發(fā)出啟動(dòng)指令，指出通道相應(yīng)的操作和I/O設(shè)備，該指令就可啟動(dòng)通道并使該通道從內(nèi)存中調(diào)出相應(yīng)的通道指令執(zhí)行。通道指令一般包含有被交換數(shù)據(jù)在內(nèi)存中應(yīng)占據(jù)的位置、傳送方向、數(shù)據(jù)塊長(zhǎng)度以及被控制的I/O設(shè)備的地址信息、特征信息等，通道指令在通道中沒(méi)有存儲(chǔ)部件時(shí)存放在內(nèi)存中。7.2I/O控制方式

---通道控制方式7.2I/O控制方式

---通道控制方式7.2I/O控制方式

---通道控制方式選擇通道磁盤(pán)字節(jié)多路通道打印機(jī)輸入機(jī)內(nèi)存儲(chǔ)器處理機(jī)磁帶數(shù)組多路通道7.3中斷技術(shù)

---中斷的基本概念

中斷：是指計(jì)算機(jī)在執(zhí)行期間，系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生任何非尋常的或非預(yù)期的急需處理事件，使得CPU暫時(shí)中斷當(dāng)前正在執(zhí)行的程序而轉(zhuǎn)去執(zhí)行相應(yīng)的事件處理程序，待處理完畢后又返回原來(lái)被中斷處繼續(xù)執(zhí)行或調(diào)度新的進(jìn)程執(zhí)行的過(guò)程。7.3中斷技術(shù)

---中斷的基本概念中斷源：引起中斷發(fā)生的事件被稱(chēng)為中斷源。中斷請(qǐng)求：中斷源向CPU發(fā)出的請(qǐng)求中斷處理信號(hào)稱(chēng)為中斷請(qǐng)求。中斷響應(yīng)：CPU收到中斷請(qǐng)求后轉(zhuǎn)相應(yīng)的事件處理程序稱(chēng)為中斷響應(yīng)。7.3中斷技術(shù)

---中斷的基本概念根據(jù)中斷源產(chǎn)生的條件外中斷（中斷）內(nèi)中斷（陷阱）二者的區(qū)別（P284）軟中斷通信進(jìn)程之間用來(lái)模擬硬中斷的一種信號(hào)通信方式硬中斷7.3中斷技術(shù)

---中斷處理過(guò)程流程設(shè)備啟動(dòng)I/O完成發(fā)送中斷CPU調(diào)用中斷處理過(guò)程中斷處理過(guò)程保護(hù)被中斷進(jìn)程環(huán)境轉(zhuǎn)入相應(yīng)的設(shè)備處理程序中斷處理(特性)恢復(fù)被中斷進(jìn)程的現(xiàn)場(chǎng)7.6I/O軟件原理

---I/O軟件的設(shè)計(jì)目標(biāo)和原則設(shè)備的獨(dú)立性：用戶(hù)編制程序使用的設(shè)備與實(shí)際使用的設(shè)備無(wú)關(guān)。用戶(hù)編程時(shí)只考慮邏輯設(shè)備，系統(tǒng)調(diào)用的是物理設(shè)備，邏輯設(shè)備與物理設(shè)備間的轉(zhuǎn)化工作由設(shè)備分配程序來(lái)完成。當(dāng)某臺(tái)設(shè)備壞了，只要操作系統(tǒng)改變分配就行了，而程序本身不必做任何修改。設(shè)備獨(dú)立性在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，可以配置的外設(shè)品種繁多。而且在小型機(jī)以上的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，可以同時(shí)接入多臺(tái)同樣的外設(shè)。為了便于對(duì)這些外設(shè)進(jìn)行管理，系統(tǒng)對(duì)每臺(tái)進(jìn)入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的設(shè)備都給定一個(gè)對(duì)應(yīng)的編號(hào)，作為調(diào)用時(shí)識(shí)別和區(qū)分設(shè)備用。這種編號(hào)無(wú)任何重復(fù)，一般被稱(chēng)為設(shè)備的絕對(duì)號(hào)（或物理設(shè)備名）設(shè)備獨(dú)立性

有了設(shè)備的絕對(duì)號(hào)，系統(tǒng)在管理過(guò)程中對(duì)設(shè)備的調(diào)用變得簡(jiǎn)單而方便。但作為用戶(hù)而言，如果直接讓其用絕對(duì)號(hào)來(lái)申請(qǐng)?jiān)O(shè)備，就會(huì)造成用戶(hù)在使用中極不方便，復(fù)雜程度增加。設(shè)備獨(dú)立性

特別是在多通道程序環(huán)境下，用戶(hù)想查找哪臺(tái)設(shè)備是空閑的，哪臺(tái)是被占用的，根本是不可能的。有時(shí)申請(qǐng)的設(shè)備可能剛好很忙，而未被申請(qǐng)的其他同類(lèi)設(shè)備即使處于空閑狀態(tài)也不能使用，造成了設(shè)備使用的靈活性降低，設(shè)備利用率差。所以在系統(tǒng)中一般不允許用戶(hù)用絕對(duì)號(hào)來(lái)直接申請(qǐng)所需的設(shè)備。設(shè)備獨(dú)立性為了方便用戶(hù)，也為了提高外設(shè)利用率，在計(jì)算機(jī)中規(guī)定用戶(hù)申請(qǐng)外設(shè)時(shí)，只需要向系統(tǒng)說(shuō)明所需用的某類(lèi)設(shè)備，至于真正在實(shí)際中使用哪臺(tái)設(shè)備，由系統(tǒng)根據(jù)這類(lèi)設(shè)備的應(yīng)用情況作出分配。設(shè)備獨(dú)立性即使用戶(hù)所需多臺(tái)同樣的設(shè)備，系統(tǒng)也允許用戶(hù)按自己的使用要求提出編號(hào)，這種由用戶(hù)申請(qǐng)?jiān)O(shè)備時(shí)所用的編號(hào)稱(chēng)為相對(duì)號(hào)（或稱(chēng)邏輯設(shè)備名）

有了設(shè)備的絕對(duì)號(hào)和相對(duì)號(hào)后，用戶(hù)編制程序使用的設(shè)備與實(shí)際使用的設(shè)備無(wú)關(guān)，這就是設(shè)備的獨(dú)立性。設(shè)備獨(dú)立性具備設(shè)備獨(dú)立性的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，用戶(hù)編程時(shí)只考慮邏輯設(shè)備，系統(tǒng)調(diào)用的是物理設(shè)備，邏輯設(shè)備與物理設(shè)備間的轉(zhuǎn)化工作由設(shè)備分配程序來(lái)完成。這樣，使系統(tǒng)的適應(yīng)性好，靈活性強(qiáng)，對(duì)改善資源利用率極為有利。當(dāng)某臺(tái)設(shè)備壞了，只要操作系統(tǒng)改變分配就行了，而程序本身不必做任何修改。對(duì)方便用戶(hù)，改善資源利用率、提高系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和可適應(yīng)性都有極大的好處。7.6I/O軟件原理

---I/O軟件的設(shè)計(jì)目標(biāo)和原則例如：有１、２、３號(hào)打印機(jī)，作業(yè)J1要申請(qǐng)其中兩臺(tái)，如果讓J1直接申請(qǐng)１號(hào)、２號(hào)打印機(jī)，此時(shí)，如果１號(hào)打印機(jī)為另一作業(yè)J2占用，即使系統(tǒng)中還有一臺(tái)可用，J1也必須等待，造成資源浪費(fèi)。如能讓作業(yè)J1按相對(duì)號(hào)來(lái)申請(qǐng)?jiān)O(shè)備，則可以避免這種缺陷。J1只要提出某類(lèi)設(shè)備兩臺(tái)，系統(tǒng)可將剩下的兩臺(tái)分給J1，J1就可運(yùn)行。設(shè)備得到充分利用。用戶(hù)進(jìn)程進(jìn)行I/O調(diào)用；格式化I/O；SPOOLING設(shè)備無(wú)關(guān)軟件命名；保護(hù)；阻塞；緩沖；分配設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序建立設(shè)備寄存器；檢查狀態(tài)硬件執(zhí)行I/O操作中斷處理程序當(dāng)I/O結(jié)束時(shí)，喚醒驅(qū)動(dòng)程序?qū)哟蜪/O應(yīng)答I/O功能I/O請(qǐng)求磁盤(pán)是一種直接(隨機(jī))存取存儲(chǔ)設(shè)備。它的每個(gè)物理記錄有確定的位置和唯一的地址，存取任何一個(gè)物理塊所需的時(shí)間幾乎不依賴(lài)于此信息的位置。磁盤(pán)包括多個(gè)盤(pán)面用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。每個(gè)盤(pán)面有一個(gè)讀寫(xiě)磁頭，所有的讀寫(xiě)磁頭都固定在惟一的移動(dòng)臂上同時(shí)移動(dòng)。7.7磁盤(pán)調(diào)度和管理

---磁盤(pán)的結(jié)構(gòu)7.7磁盤(pán)調(diào)度和管理

---磁盤(pán)的結(jié)構(gòu)在一個(gè)盤(pán)面上的讀寫(xiě)磁頭的軌跡稱(chēng)為磁道在磁頭位置下的所有磁道組成的圓柱體稱(chēng)為柱面一個(gè)磁道又可劃分成一個(gè)或多個(gè)物理塊，通常稱(chēng)為扇區(qū)7.7磁盤(pán)調(diào)度和管理

---磁盤(pán)調(diào)度為了讀取磁盤(pán)上的信息，磁頭必須能移到所要求的磁道上，并等待所要求的扇區(qū)的開(kāi)始位置旋轉(zhuǎn)到磁頭下，然后再開(kāi)始讀或?qū)憯?shù)據(jù)，故整個(gè)磁盤(pán)的訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間可分成三個(gè)部分：尋道時(shí)間旋轉(zhuǎn)延遲時(shí)間數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間。7.7磁盤(pán)調(diào)度和管理

---磁盤(pán)調(diào)度尋道時(shí)間是磁臂將磁頭移動(dòng)到包含目標(biāo)扇區(qū)的柱面時(shí)間。旋轉(zhuǎn)延遲時(shí)間是磁盤(pán)需要將目標(biāo)扇區(qū)轉(zhuǎn)動(dòng)到磁頭下的時(shí)間。數(shù)據(jù)處理時(shí)間是指從磁盤(pán)讀出數(shù)據(jù)或向磁盤(pán)寫(xiě)入數(shù)據(jù)的時(shí)間。7.7磁盤(pán)調(diào)度和管理

---磁盤(pán)調(diào)度常用的磁盤(pán)調(diào)度算法先來(lái)先服務(wù)（FCFS）最短尋道時(shí)間優(yōu)先(SSTF)掃描算法(SCAN,或電梯算法)先來(lái)先服務(wù)（FCFS）按訪(fǎng)問(wèn)請(qǐng)求到達(dá)的先后次序服務(wù)假設(shè)磁盤(pán)訪(fǎng)問(wèn)序列：98，183，37，122，14，124，65，67。讀寫(xiě)頭起始位置：53，最短尋道時(shí)間優(yōu)先(SSTF)

SSTF算法選擇與當(dāng)前磁頭位置最近的請(qǐng)求作為下一個(gè)服務(wù)對(duì)象，即尋道時(shí)間最短的請(qǐng)求。掃描算法(SCAN)

磁臂從磁盤(pán)的一端向另一端移動(dòng)，同時(shí)當(dāng)磁頭移過(guò)每個(gè)柱面時(shí)