1第6章設備管理主要內容：

I/O硬件概念，設備控制器，I/O控制方式，緩沖技術，設備的使用方法，I/O層次結構，磁盤管理。重點：I/O控制方式，緩沖區的種類，設備分配。難點：磁盤調度策略。第一頁，共四十五頁。26.1I/O硬件概念6.1.1常見I/O設備的分類

人-機交互設備(字節設備,發送接收以字節方式)；存儲類型設備(塊設備,讀寫以數據塊方式）；網絡通信的設備(網絡接口，調制解調器)。I/O設備的特點：數據傳輸速率不同；數據傳輸單位不同；控制的復雜性不同；設備的使用目的不同。第二頁，共四十五頁。36.1.2設備控制器（I/O部件）

I/O設備通常包含一個機械部件和一個電子部件。電子部件被稱做I/O部件或設備控制器（當控制多設備時：又叫總線控制器，通道控制器）。操作系統一般只與控制器打交道，而非設備本身。早期CPU是直接控制外部設備的，在引入I/O部件之后，才將CPU逐漸從與外設的交互細節中解放出來。第三頁，共四十五頁。4PCI總線控制器

處理機（CPU）

主存

顯卡

SCSI

控制器

外設控制器控制器控制器連接CPU、主存、設備控制器和I/O設備模型

磁帶磁盤外設SCSI總線主板總線設備控制器的功能：1、接收和識別來自CPU的各種命令;2、實現CPU與設備控制器、設備控制器與設備之間的數據交換;3、記錄設備的狀態供CPU查詢;4、識別控制器的每個設備的地址;第四頁，共四十五頁。5

控制器的任務是在外部設備與CPU（內存）之間完成比特流（外部信號）和字節流（塊）之間的轉換。磁盤控制器主存比特流字節塊轉換、校驗CRT控制器主存顯示信號字節流轉換第五頁，共四十五頁。6每個控制器都有一些用來與CPU通信的I/O寄存器。操作系統通過向這些寄存器寫命令字來執行I/O功能。鍵盤060-063硬盤320–32F打印機378–37F軟盤3F0–3F7彩色顯示器3D0–3DFIBMPC的I/O地址內存0kn控制器寄存器第六頁，共四十五頁。76.1.3I/O控制方式

（1）程序直接控制方式CPU直接控制I/O操作的全過程，包括測試設備狀態、發送讀寫命令、傳輸數據。

處理機指令集應包括指令下述指令：控制類測試類讀寫類I/O。示例:從外存讀數據塊到內存(見下一頁)第七頁，共四十五頁。8向I/O部件發讀命令讀I/O部件狀態寄存器從I/O部件讀字數據將該字寫入內存未OKOK出錯OK下一指令未OK檢查狀態該塊讀完?第八頁，共四十五頁。9向I/O部件發讀命令讀I/O部件狀態寄存器檢查狀態從I/O部件讀字數據將該字寫入內存OK出錯處理該塊讀完OK下一指令未OK中斷（2）中斷控制方式優點：

CPU不必反復測試，節約了時間。缺點：仍然消耗大量的CPU時間第九頁，共四十五頁。10（3）DMA方式DMA方式的思想：DMA（直接內存存取）負責完成整個I/O操作，無需再經CPU寄存器轉發，并在全部傳輸結束后向CPU發中斷信號。給DMA的命令中應包括：操作類別I/O設備的地址讀寫數據在內存中的首地址字數。向DMA部件發讀命令讀取DMA部件狀態中斷下一條指令注意：DMA的功能可以以獨立的DMA部件在系統I/O總線上完成，也可整合到I/O部件中完成。缺點：DMA部件需與CPU競爭控制總線。第十頁，共四十五頁。11CPU直接控制外部設備引入I/O部件，CPU直接控制I/O部件引入中斷驅動方式引入DMAI/O通道或I/O處理機輸入/輸出控制方式的發展過程第十一頁，共四十五頁。12

6.2設備輸入/輸出子系統6.2.1設備的使用方法

一、設備相關系統調用1.申請設備。有參數說明要申請的設備名稱，操作系統處理該系統調用時，會按照設備特性（獨占還是分時共享）及設備的占用情況來分配設備，返回申請是否成功標志。2.將數據寫入設備。3.從設備讀取數據。4.釋放設備。這是申請設備的逆操作。

說明：主要用于對人-機交互類慢速外設的使用。對于存儲類外設，用戶程序一般通過文件的訪問。第十二頁，共四十五頁。13在UNIX中，可以用如下的系統調用將數據直接寫入軟盤中：

fd=open(“/dev/fd0”,O＿RDRW)；申請軟盤，/dev/fd0代表軟盤。

lseek(fd,1004,0)；將軟盤當前I/O位置定位到1024字節位置。

Write(fd,buffer,36)；將用戶緩沖區buffer中的36個字節寫入軟盤1024～1059字節。

……close(fd)；釋放軟盤。第十三頁，共四十五頁。14

二、獨占式使用設備如打印機申請空閑嗎？獨占使用等待釋放第十四頁，共四十五頁。15三、分時式共享使用設備獨占式使用設備時，設備利用率很低。分時式共享：以一次I/O為單位分時使用設備，不同進程的I/O操作請求以排隊方式分時地占用設備進行I/O。注：針對一個邏輯上完整的數據的I/O操作。如：終端設備，磁盤設備。第十五頁，共四十五頁。16請求設備請求I/O釋放設備P1請求設備請求I/O釋放設備P2請求請求設備圖6.6排隊使用設備第十六頁，共四十五頁。17產生的條件：I/O中斷；通道；磁盤。SPOOLing（并發的外部設備聯機操作）的基本思想：用磁盤設備作為主機的直接輸入/輸出設備,即主機從磁盤選取作業并運行,結果也存在磁盤中。相應的通道則負責磁盤與慢速外設的傳輸。利用通道和中斷機制,作業的輸入/輸出與作業在處理機上的運行可很好地并行起來。四、以SPOOLing方式使用外設第十七頁，共四十五頁。18通道主機通道通道卡片機打印機SPOOLing系統圖示磁盤第十八頁，共四十五頁。19例如:所有輸出數據已經寫到文件當中，并排到打印輸出隊列，打印進程申請占用打印機后，成批讀出文件中數據，并送打印機打印出去。打印請求隊列（含要打印文件）打印daemon進程打印機第十九頁，共四十五頁。206.2.2I/O層次結構

通常，操作系統將設備管理系統劃分并組織成三個層次：用戶層I/O；設備無關的I/O；設備驅動及中斷處理；用戶層I/O設備驅動及中斷處理硬件系統調用接口，設備無關的操作系統軟件第二十頁，共四十五頁。21用戶進程用戶層I/O設備無關的I/O設備驅動及中斷處理硬件設備管理子系統邏輯結構圖第二十一頁，共四十五頁。22一、用戶層I/O

與設備的控制細節無關。將所有的設備看做邏輯資源，為用戶進程提供各類I/O函數。用戶以設備標識符和一些簡單的函數來使用設備，如打開、關閉、讀、寫等。如C庫中的函數fopen()，fread()，fwrite()，fclose()等。第二十二頁，共四十五頁。23二、設備無關的I/O基本功能：執行適用于所有設備的公共I/O功能，并向其上層提供統一的系統調用接口。任務包括：1.設備名及與設備驅動程序的映射。在UNIX中，如/dev/tty00惟一地確定了一個i-node數據結構，其中包含了主設備號，通過主設備號可以找到相應的設備驅動程序。2.設備保護:許可權限保護。3.緩沖I/O：塊設備、字符設備。4.錯誤報告：報告驅動程序產生的錯誤信息。5.分配及釋放獨占型設備：申請、關閉。第二十三頁，共四十五頁。24

三、設備驅動與中斷處理1.設備驅動程序包括了所有與設備相關的代碼，其功能是從與設備無關的軟件中接收I/O的請求，排入請求隊列或執行之；執行時，將請求轉化為更具體的形式。

2.中斷處理當進程進行I/O操作時，將其阻塞至I/O操作結束并發生中斷。中斷發生時，由中斷處理程序啟動請求排隊的下一請求并解除等I/O進程的阻塞狀態，使其能夠繼續執行。

第二十四頁，共四十五頁。256.2.3設備驅動程序

一．設備驅動程序接口函數驅動程序初始化函數：做一些針對驅動程序本身的初始化工作，如向操作系統登記該驅動程序的接口函數，該初始化函數在系統啟動時或驅動程序安裝入內核時執行。驅動程序卸載函數：在支持驅動程序可動態加載卸載的系統中才需要。申請設備函數：申請一個驅動程序所管理的設備，按照設備特性進行獨占式占用或者分時共享式占用。釋放設備函數I／O操作函數：實現對設備的I／O。對獨占型設備：包含了啟動I／O的指令；分時共享型設備：將I／O請求形成一個請求包，將其排到設備請求隊列。中斷處理函數：在設備I／O完成時向CPU發中斷，然后被調用。該函數對I／O完成做善后處理。第二十五頁，共四十五頁。26

二、設備管理有關的數據結構描述設備、控制器等部件的表格：系統中常常為每一個部件、每一臺設備分別設置一張表格，常稱為設備表或部件控制塊。這類表格具體描述設備的類型、標識符、進行狀態，以及當前使用者的進程標識符等。建立同類資源的隊列：通常在設備表的基礎上通過指針將相同物理屬性的設備連成隊列（稱設備隊列）。面向進程I/O請求的動態數據結構：每當進程發出塊I/O請求時，系統建立一張表格（稱I/O請求包）。將此次I/O請求的參數填入表中，同時也將該I/O有關的系統緩沖區地址等信息填入表中。I/O請求包隨著I/O的完成而被刪除。建立I/O隊列：如請求包隊列。第二十六頁，共四十五頁。27

設備表

設備表

設備表請求包請求包設備管理有關數據結構關系第二十七頁，共四十五頁。28

一、單緩沖

當用戶進程發出I/O請求時，操作系統在主存的系統空間為該操作分配一個緩沖區，可以實現預先讀和延遲寫。引入原因：（1）可以改善進程運行速度與I/O傳輸速度之間的速差矛盾。（2）減少中斷CPU的次數。（3）提高CPU和I/O設備之間的并行性。操作系統I/O設備輸入用戶進程移動6.2.4緩沖技術第二十八頁，共四十五頁。29

二、雙緩沖

可以實現用戶數據區與緩沖區之間交換數據和緩沖區與外設之間交換數據的并行。操作系統I/O設備輸入用戶進程移動第二十九頁，共四十五頁。30

三、循環緩沖

引入系統緩沖池，采用有限緩沖區的生產者/消費者模型對緩沖池中的緩沖區進行循環使用。緩沖區結合預先讀和延遲寫技術對具有重復性及陣發性I/O進程、提高I/O速度很有幫助。操作系統I/O設備輸入用戶進程移動…第三十頁，共四十五頁。316.3存儲設備6.3.1常見存儲外設

磁盤數據組織一個磁盤有多個盤面組成，盤面有同心圓磁道組成，磁道有扇區組成，扇區為基本傳輸單位。物理特性單磁頭，多磁頭。第三十一頁，共四十五頁。32存取裝置主軸動臂盤片柱面磁道讀寫頭多磁頭活動頭盤示意圖

第三十二頁，共四十五頁。33

光學存儲設備

CD-ROM；

CD-R,CD-RW。第三十三頁，共四十五頁。346.3.2磁盤調度磁盤地址：臺號+柱面號+盤面號+扇區號讀寫一次磁盤信息所需的時間可分解為：尋找時間(尋道時間)、延遲時間、傳輸時間。為提高磁盤傳輸效率，軟件應著重考慮減少尋找時間和延遲時間。第三十四頁，共四十五頁。35

一、減少尋找時間(尋道時間)的方法減少尋找時間是提高磁盤傳輸效率的關鍵。因為“尋找時間”在幾十毫秒時間量級。操作系統磁盤驅動程序可以通過對磁盤的訪問請求順序合理調度多道進程，達到減少磁盤平均服務時間的目的。第三十五頁，共四十五頁。36磁盤調度策略1、先來先服務FCFS(FirstComeFirstServer)：這是最簡單的磁盤調度策略，它根據進程請求訪問磁盤的時間順序進行調度。2、最短尋道時間優先SSFT(ShortestSeekTimeFirst)：它是根據磁頭當前的位置，選擇請求隊列中距離磁頭最短的請求響應。3、SCAN：也稱電梯策略，要求磁頭臂僅僅沿一個方向移動，并在途中滿足所有未完成的請求，直到它到達這個方向的最后一個磁道，或這個方向沒有別的請求為止，然后倒轉服務方向，同樣按順序完成的有請求。4、C－SCAN：是循環掃描法，當到達最后一個磁道時，磁頭臂返回到磁頭的另一端，并再次開始掃描。第三十六頁，共四十五頁。37其他調度策略為避免磁頭臂的粘性，磁盤請求隊列被分成段，一次只有一個段被完全處理1、N-Step-SCAN：它是把磁盤請求分成長度為N的子隊列，每次用SCAN處理一個子隊列。當N比較大時性能與SCAN相近，當N＝1時退化為FCFS2、FSCAN：使用兩個子隊列，當掃描開始時，所有請求都在一個隊列中，而另一個隊列為空。在掃描過程中，所有新到的請求都被放入另一個隊列。因此，對新請求的服務延遲到處理完所有老請求以后。第三十七頁，共四十五頁。38假設磁盤有200個磁道，磁盤請求隊列中是一些隨機請求。被請求的磁道按接收順序分別為：55、58、39、18、90、160、150、38、184，當前磁頭在100磁道處

FCFS策略磁頭臂的移動軌跡如下：

183839555890150160184100第三十八頁，共四十五頁。39假設磁盤有200個磁道，磁盤請求隊列中是一些隨機請求。被請求的磁道按接收順序分別為：55、58、39、18、90、160、150、38、184，當前磁頭在100磁道處

SSTF策略磁頭臂的移動軌跡如下：

183839555890150160184100第三十九頁，共四十五頁。40假設磁盤有200個磁道，磁盤請求隊列中是一些隨機請求。被請求的磁道按接收順序分別為：55、58、39、18、90、160、150、38、184，當前磁頭在100磁道處

SCAN策略磁頭臂的移動軌跡如下：

183839555890150160184100200第四十頁，共四十五頁。41假設磁盤有200個磁道，磁盤請求隊列中是一些隨機請求。被請求的磁道按接收順序分別為：55、58、39、18、90、160、150、38、184，當前磁頭在100磁道處

C-SCAN策略磁頭臂的移動軌跡如下：

183839555890150160184100200第四十一頁，共四十五頁。42調度策略的比較（a）FCFS（b）SSTF（c）SCAN（d）C-SCAN下一個被訪問的磁道橫跨的磁道數下一個被訪問的磁道橫跨的磁道數下一個被訪問的磁道橫跨的磁道數下一個被訪問的磁道橫跨的磁道數554590