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1、操作系统的资源管理,操作系统的资源管理,(1)资源管理的机制与策略 死锁及其解决方法(2)处理机管理(3)主存管理(4)设备管理(5)文件系统,1,操作系统的资源管理 主要内容,设备管理,操作系统的资源管理(4)设备管理,2,设备管理概述缓冲技术设备分配技术I/O控制,3,操作系统的资源管理(4)主要内容,4,1.设备分类存储设备又称块设备，是存储信息的设备，如：磁盘、磁鼓。(以块为单位传输信息)输入输出设备又称字符设备，能将信息从计算机外部输入到机内，或反之，如：键盘、显示器、打印机。(以字符为单 位传输信息)通信设备负责计算机之间的信息传输，如调制解调器、网卡等,操作系统的资源管理(4)设
2、备管理概述,5,2.设备管理的目标提高设备利用率合理分配设备提高设备与CPU、各外部设备之间的并行性方便用户的使用 提供使用方便且独立于设备的界面统一：对各种不同的设备提供一致的界面独立于设备：用户使用的设备与物理设备无关,操作系统的资源管理(4)设备管理概述,6,3.设备管理功能状态跟踪动态地记录各种设备的状态设备分配与回收作业级静态分配 作业进入系统时进行分配，退出系统时收回全部资源。进程级动态分配 进程提出设备申请时进行分配，使用完毕后立即收回。设备控制实施设备驱动和中断处理的工作,操作系统的资源管理(4)设备管理概述,7,4.设备独立性设备独立性概念什么是设备独立性所谓设备独立性是指，
3、用户在编制程序时所使用的设备与实际使 用的设备无关，也就是在用户程序中仅使用逻辑设备名。逻辑设备名 逻辑设备名，是用户自己指定的设备名(或设备号)，它是暂时的、可更改的。物理设备名 物理设备名，是系统提供的设备的标准名称，它是永久的、不可 更改的。,操作系统的资源管理(4)设备管理概述,8,两种类型的设备独立性一个程序独立于分配给它的某种类型的具体设备 系统可以根据设备的使用情况，动态地分配给程序某 类设备中的任一台物理设备，程序都能正确地执行。程序应尽可能与它所使用的I/O设备类型无关 在输入(或输出)信息时，信息可以从不同类型的输入(或输出)设备上输入(或输出)，若要改变输入(或输出)设备
4、的类型，程序只需进行最少的修改。,操作系统的资源管理(4)设备管理概述,9,设备独立性的实现在高级语言中用软通道实现使用高级语言提供的指派语句，通过指派一个逻辑设 备名(通道号)来定义一个设备或文件。如：fd=open(“/dev/lp”,mode)在批处理系统中，用联接说明语句来定义 如：OUTPUT1=LPT在交互系统中，用指派命令来定义 如：PDP系列机上的RT11系统 ASSIGN 设备物理名 设备逻辑名,操作系统的资源管理(4)设备管理概述,10,设备独立性的优点方便用户改善设备利用率提高系统的可扩展性和可适应性4.设备控制块什么是设备控制块(DCB)系统为每一台设备都配置了一个用来
5、记录设备的硬件 特性、连接和使用情况的一组数据，称为设备控制块。,操作系统的资源管理(4)设备管理概述,11,设备控制块的内容,设备名设备的系统名，即设备的物理名。设备属性描述设备现行状态的一组属性命令转换表 转换表包含设备特定的I/O例程地 址，不具备相应功能的设备在其 例程地址上可以填“1”,操作系统的资源管理(4)设备管理概述,12,1.缓冲概念什么是缓冲 缓冲是两种不同速度的设备之间传输信息时平滑传输过程 的常用手段。缓冲类别缓冲器 缓冲器是用来暂时存放数据的一种存储装置，它容量 较小，存取速度快。软件缓冲 在I/O操作期间用来临时存放I/O数据的一块存储区域。,操作系统的资源管理(4
6、)缓冲技术,13,为什么要引入缓冲处理数据流的生产者与消费者间的速度差异 如：从调制解调器收到一个文件，并保存到硬盘上。协调传输数据大小不一致的设备 如：在计算机网络中用来处理消息的分段和重组。应用程序的拷贝语义 如：操作系统为保证系统调用write的正确语义(应用程 序要写入磁盘的数据就是write系统调用发生时的版本)。方法：在系统调用返回前将应用程序缓冲区复制到内 核缓冲区。,操作系统的资源管理(4)缓冲技术,14,2.利用缓冲技术如何进行I/O操作进程活动期间，请求从某字符设备读入数据进程请求从输入设备进行读操作的图示,与需要同步,操作系统的资源管理(4)缓冲技术,15,进程请求从输入
7、设备进行读操作的步骤 当用户要求在某个设备上进行读操作时，首先从系 统中获得一个空的缓冲区；将一个物理记录送到缓冲区中；当用户请求这些数据时，系统将依据逻辑记录特性 从缓冲区中提取并发送到用户进程存储区中；当缓冲区空而进程又要从中取用数据时该进程被迫 等待。此时，操作系统需要重新送数据填满缓冲 区，进程才能从中取数据继续运行。要注意操作与操作的同步关系,操作系统的资源管理(4)缓冲技术,16,进程活动期间，请求从输出设备输出数据进程请求从输出设备进行写操作的图示,与需要同步,操作系统的资源管理(4)缓冲技术,17,进程请求从输出设备进行写操作的步骤 当用户要求进行写操作时，首先从系统中获得一个
8、 空的缓冲区；将一个逻辑记录从进程存储区传送到缓冲区中；当缓冲区写满时，系统将缓冲区的内容作为物理记 录文件写到设备上，使缓冲区再次为空；只有在系统还来不及腾空缓冲区之前，进程又企图 输出信息时，它才需要等待。要注意操作与操作的同步关系,操作系统的资源管理(4)缓冲技术,18,3.常用的缓冲技术 双缓冲、环形缓冲、缓冲池双缓冲 在双缓冲方案下，为输入或输出分配两个缓冲区buf1、buf2。例：输入数据时，如何利用双缓冲,操作系统的资源管理(4)缓冲技术,19,输入数据时，利用双缓冲的图示,操作系统的资源管理(4)缓冲技术,20,输入数据时，利用双缓冲的操作步骤 当用户要求在某个设备上进行读操作
9、时，首先从系 统中获得两个空的缓冲区buf1、buf2；输入设备将记录送到缓冲区buf1中；当buf1中满时，将记录送到缓冲区buf2中，同时将缓 冲区buf1中的信息发送到用户进程存储区中；当buf1空，buf2满时，将缓冲区buf2中的信息发送到用 户进程存储区中；同时，输入设备将记录送到缓冲区 buf1中；,操作系统的资源管理(4)缓冲技术,21,1.独享分配 常用的设备分配技术：独享分配、共享分配和虚拟分配 独享设备让一个作业在整个运行期间独占使用的设备。特点 临界资源费时的I/O操作或需人工干预 独享分配 在一个作业执行前，将它所要使用的设备分配给它；当它结束撤离时，将分配给它的这类
10、设备收回。,操作系统的资源管理(4)设备分配技术,22,2.共享分配 共享设备由多个作业、进程共同使用的设备称为共享设备。特点旋转设备，可直接或随机访问便于共享，转接简单，耗费较少独享分配 在一个作业执行前，将它所要使用的设备分配给它；当它结束撤离时，将分配给它的这类设备收回。,操作系统的资源管理(4)设备分配技术,23,3.虚拟分配虚拟技术 所谓虚拟技术，是在一类物理设备上模拟另一类物理设备的技术，是将独占设备转化为共享设备的技术。虚拟设备 通常把用来代替独占型设备的那部分外存空间(包括有关的控制表格)称为虚拟设备。,操作系统的资源管理(4)设备分配技术,24,虚拟分配 当进程需要与独占型设
11、备交换信息时，系统将分配磁盘空间，并建立相应的数据结构，这种分配方法称为设备的虚拟分配。,操作系统的资源管理(4)设备分配技术,25,4.SPOOLING系统 SPOOLING系统提供外围设备同时联机操作的功能。设计思想预输入 在作业需要数据前，OS已将所需数据预先输入到辅存输入井存放。当作业(或进程)需要数据时，可直接从辅存中读入主存。缓输出 在在作业执行时，将输出数据写入辅存输出井中。当作业(或进程)执行完毕(或需要数据时)，由操作系统将数据输出。,操作系统的资源管理(4)设备分配技术,26,什么是SPOOLING系统利用通道和中断技术，在主机控制之下，由通道完成输入输出工作。系统提供一个
12、软件系统(包括预输入程序、缓输出程序、井管理程序、预输入表、缓输出表)。它提供输入收存和输出发送的功能，使外部设备可以并行操作。这一软件系统称为SPOOLING系统。SPOOLING系统的优点提供虚拟设备外围设备同时联机操作加快作业处理速度,操作系统的资源管理(4)设备分配技术,27,实现SPOOLING系统的基础大容量的辅存空间 在辅存上需开辟两个较大的输入井和输出井，用以存放多作业的 输入信息和输出信息。硬件基础 通道装置、中断系统数据结构预输入表、缓输出表：描述辅存输入井和输出井的状态变化。如：输入信息从哪台设备输入，存放在辅存输入井什么位置；输出信息存放在辅存输出井什么位置，从哪台输出
13、设备输出。,操作系统的资源管理(4)设备分配技术,28,1.输入/输出控制方式 CPU一般通过I/O控制器与物理设备打交道。按照I/O控制器智能化程度的高低，将I/O设备的控制方式分为四类循环测试I/O方式I/O中断方式DMA方式通道方式,操作系统的资源管理(4)输入/输出控制,29,2.I/O子系统,操作系统的资源管理(4)输入/输出控制,30,I/O子系统的特点在应用层为用户提供 I/O应用接口 对设备的控制和操作则由内核I/O子系统来实施。每个通用设备类型都通过一组标准函数(及接口)来访问 具体的差别被I/O子系统中的内核模块(称为设备驱动程序)所封装，这些设备驱动程序一方面可以定制以适
14、合各种设备，另一方面也提供了一组标准的接口。设备驱动程序层的作用是为内核I/O子系统隐藏设备控制器之间的差异。将I/O子系统与硬讲分离，简化了操作系统开发人员的任务，也有利于设备的设计与制造。,操作系统的资源管理(4)输入/输出控制,31,I/O控制的功能解释用户的I/O系统调用 设备驱动中断处理设备处理程序 设备处理程序是能直接控制设备运转的程序，它根据各类设备的特点和性能来编写。每一类设备有一个相应的设备处理程序，能控制同类中多台物理设备同时工作。,操作系统的资源管理(4)输入/输出控制,32,控制I/O核心模块的方式以设备处理进程的方式为每一类设备设置一个设备处理进程(对应的程序就是设备
15、处理程序)；当有I/O请求来到时，该进程被唤醒，进行设备驱动工作；当没有I/O请求时，该进程睡眠。由I/O控制模块的接口程序负责解释用户的I/O系统调用，将其转 换成I/O控制模块认识的命令形式后，将I/O请求发给对应的设备 处理进程。将设备与文件一样对待将设备与文件一样对待，使用文件系统的系统调用命令进行设备的读、写。,操作系统的资源管理(4)输入/输出控制,33,设备管理的基本概念I/O管理的功能设备独立性 定义 优点设备控制块 定义缓冲技术 什么是缓冲，引入缓冲的目的常用的缓冲技术双缓冲技术,操作系统的资源管理(4)小结,34,设备分配常用的设备分配技术独享设备 独享分配 定义共享设备 共享分配 定义虚拟设备 虚拟技术 定义Spooling系统 定义 I/O控制I/O控制的主要功能,操作系统的资源管理(4)小结,
