《设备管理》PPT课件.ppt

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1、1,第五章 设备管理,“设备”泛指计算机系统中的外部设备，即除CPU和内存以外的其他所有设备。除了进行实际I/O操作的设备外，还包括设备控制器、DMA控制器、中断控制器、I/O处理器等支持设备。,2,磁带机,硬盘,光盘,绘图仪,扫描仪,键盘,打印机,3,5.1 设备管理的功能 实现对外围设备分配与回收。按照设备类型和相应的分配算法决定将I/O设备分配给要求使用该设备的进程。凡未分配到所需设备的进程被放入一个等待队列。,4,实现外围设备的启动 现代计算机系统不允许用户直接启动外围设备。启动工作由系统统一来做。,实现对磁盘的驱动调度 若干个用户的信息都可以存放在磁盘上，但每一时刻只能为一个用户存取

2、信息。这就涉及到磁盘调度的问题。,5,处理外围设备的中断事件 现代计算机系统中的外围设备基本上都是由中断驱动的，当“信息传送结束”或“传送过程中出现某些事件”时，会产生中断，CPU暂停正执行的程序转去处理该中断。实现虚拟设备 把模拟成共享的独占设备，称为虚拟设备。,6,5.2 设备的分类计算机系统配有各种各样的设备，常见的有显示器、键盘、打印机、磁带机、磁盘机、光盘、激光打印机、绘图仪、鼠标、图形数字化仪器，声音输入输出设备等等。可以从不同的角度去对外部设备进行分类。,7,基于设备的从属关系系统设备：操作系统生成时就纳入系统管理范围的设备就是系统设备，通常也称为“标准设备”。,8,用户设备：在

3、完成任务过程中，用户特殊需要的设备称为用户设备。由于这些是操作系统生成时未经登记的非标准设备，因此需安装设备驱动程序等。,9,（2）设备中的数据组织方式,块设备,字符设备,快速设备,慢速设备,10,（3）基于设备的分配特性 可以把系统中的设备分为独占设备、共享设备和虚拟设备三类。独占设备 共享设备 虚拟设备,例如打印机、独享设备的使用具有排它性。,磁盘等设备,可以由几个用户进程交替地对它进行信息的读或写操作。,利用某种技术，把独享设备“改造”成可共享的设备,11,5.3 独占设备的分配5.3.1 设备的绝对号与相对号 设备的绝对号：计算机系统对每一台设备进行登记且为每台设备进行了编号，以便于区

4、分和识别，称为设备的绝对号,设备的相对号：由用户对自己需要使用的若干台同类设备给出的编号,12,5.3.2 设备的分配 用户申请分配设备时，用“设备类相对号”来提出使用设备的要求，而与实际能占用的设备无关。,设备独立性,13,设备分配表,设备类表,设备表,14,设备如何分配？,用户申请使用某类设备,查设备类表,现存台数=申请台数？,分配该类设备，并修改设备类表和设备表，启动设备,等 待,是,否,用户A的作业J3申请使用一台打印机，分配否？,用户B申请使用两台输入机，分配否？,15,设备分配表,设备类表,设备表,0,已分配,J3,*,16,设备如何回收？,根据作业名查找设备表,把标志修改成“未分

5、配”，清除作业名,修改“设备类”表,作业J1执行完毕，如何回收？,17,设备分配表,设备类表,设备表,未分配,2,18,1.现代计算机系统不允许用户直接启动外围设备，这是为了（）A.统一由通道程序控制B.统一由通道程序启动C.防止用户错误启动外设D.处理外围设备的中断事件,C,19,2.把打印机归入独占设备类的原因是（）A.任何时候都只能够由一个作业在使用它B.任何时候都只能够由一个进程在使用它C.一旦被一个作业占用，在该作业结束前不允许其他作业使用它D.一旦被一个作业占用，在该作业放弃它之前不允许其他作业使用它,D,20,3、从使用角度对下列外围设备进行分类，属于可共享的设备是()A、绘图仪

6、B、键盘C、打印机D、磁盘机,D,21,4现代计算机系统不允许用户直接启动外部设备的动机并非是为了（）A减轻用户的负担B提高系统的可靠性C提高信息在主存储器和外设间传输的效率D实现对外设的分配与回收,C,C,22,5.4 磁盘的调度,23,0,2,1,3,4,5,磁头号,24,磁道,系统对磁道从外向内进行编号，从0开始，称为磁道号,扇区,按磁盘旋转的反向、从0开始为每个扇区编号，称为“扇区号”,25,磁盘的访问时间构成,磁盘的物理构造决定了一次磁盘的I/O操作，物理记录的位置必须由柱面号，磁头号（盘面号），扇区号三个参数共同确定。,26,寻找时间,延迟时间,27,5.4 磁盘的驱动调度,执行一

7、次磁盘的/需要花费的时间：寻找时间：在移动臂的带动下，把磁头移动到指定柱面所需要的时间。延迟时间：将指定的扇区旋转到磁头下所需要的时间。传输时间：由磁头进行读/写，完成信息传送所需要的时间,等待时间,28,要使磁盘利用率高，应尽量减少每次I/O操作的访问时间,寻找时间约占整个访问时间的,29,磁盘调度,移臂调度,旋转调度,目标：尽可能减少寻找时间,目标：尽可能减少延迟时间,30,5.4.1 移臂调度,先来先服务,以I/O请求到达的先后次序作为磁盘调度的顺序,最短查找时间优先,电梯调度策略,31,例题：假定某磁盘共有200个柱面，编号为0199，如果当前正在为访问125号柱面的请求者服务。这时又

8、有若干个请求者要使用磁盘，它们必须等待。假定这些访问者依次要访问的柱面号为：86、147、91、177、94、150、122、175、130.当访问125号柱面的服务结束后，用FCFS算法为他们服务的次序。,32,磁头总共滑过了507个磁道的距离,0,86,147,91,177,94,150,122,175,130,125,先来先服务调度算法,33,“最短寻找时间优先”算法 总是让寻找时间最短的那个请求访问者先执行，而不管访问者到来的先后次序,34,0,86,147,91,177,94,150,122,175,130,125,磁头总共滑过了149个磁道的距离,最短寻找时间优先,35,优点：吞吐

9、量高平均相应时间低,缺点：对用户的服务请求的响应机会不均等,36,前两种算法：如果I/O请求很多，移动臂就有可能会里外地来回“振动”，极大地影响了输入/输出的工作效率,37,电梯调度策略,思想：选择请求队列中，按磁臂前进方向其所在柱面最接近磁头的访问请求作为下一个服务对象，直到该方向无访问请求，磁臂才改变方向，依次响应另一方向的访问请求。,扫描策略,38,由于此调度算法与移动臂当前的移动方向有关，因此移动臂移动的结果路线应该有两个情况。,39,磁头总共滑过了146 个磁道的距离,0,86,147,91,177,94,150,122,175,130,125,电梯调度策略,40,磁头总共滑过了13

10、0个磁道的距离,0,86,147,91,94,150,122,175,130,125,电梯调度策略,41,42.若请求访问磁盘柱面2、4、7、9的要求已经依次到达，目前磁头位于柱面5，并正朝着柱面号大的方向移动。在这种情况下，比较现有的三种移臂调度算法(先来先服务、最短寻找时间优先和电梯调度)，_算法需移动的柱面数最多。,电梯调度算法,42,5.4.2 旋转调度,访问同一磁头下的不同编号扇区,访问不同磁头下的不同编号扇区,访问不同磁头下的相同编号扇区,对先到达磁头下的扇区进行信息传送,任意选择一个进行读写，其余的必须等扇区再次转到磁头下,43,例如：有四个访问5号柱面的访问者，访问要求如下：,

11、进行旋转调度后，执行次序为：(1)、（2）、（4）（3）或（1）、（3）（4）（2）,44,49.对于一个每磁道8个扇区的磁盘，若4个访问柱面3的请求A、B、C、D同时出现，它们对应的(磁头号，扇区号)分别是(1，2)、(2，2)、(3，5)、(4，4)，且当前磁头在扇面1的位置。请给出进行旋转调度后，满足这四个请求的次序。,ADCB,或BDCA,45,信息在磁道上的排列方式也会影响旋转调度的时间,5.4.3 信息的优化分布,L1,L2,L6,L8,L5,L4,L3,L7,假定要求顺序处理这8个记录。对读出的纪录花5ms处理。磁盘转速为20ms/周。求总用时？,46,（1）解：由磁盘转速为20

12、ms/转得：读一个记录所需时间为（）ms。从L1记录到达磁头下开始计时，得：从开始读记录L1到处理完L1用时为 从处理完L1到处理完L2用时为：L2记录的延迟时间+读取时间+处理时间=（）+（）+（）=（）同理从处理完L2记录到处理完L3记录，。从处理完L7记录到处理完L8记录用时与此相等 故顺序处理完这些记录总用时为（）+7（）=（）,20ms8=2.5,2.5+5=7.5ms,62.5,2.5,22.5 ms,7.5ms,22.5 ms,165ms,5,47,（2）为节省处理时间，记录存放应作优化，优化后存放如图：优化后：读;L1记录并处理L1用时仍为（），但处理完L1后磁头正好到达记录L

13、2开始，故接着直接可以读L2并处理L2，其他纪录处理与此相同，中间无延迟时间。故优化后总用时 8（）=,7.5ms,7.5ms,60ms,L1,L2,L6,L8,L5,L4,L3,L7,48,4l.通过记录在磁道上的优化分布，可以减少_时间。,延迟,58ms,49,5.5 设备的启动和I/O中断处理,主存,外围设备,输入输出操作,50,5.5.1 通道,四种/控制方式：查询方式中断方式直接内存存取方式通道方式,主要区别：处理器和外设并行工作的方式和程度不同,51,查询方式,循环测试方式,具体实现：设备启动时，状态寄存器的启动位为0，此时外设把数据送往数据缓冲寄存器，并状态位置1,CPU执行完一

14、条指令后测试状态位，是1，则从缓冲寄存器中取出数据到内存，否则再测试，直到状态位为1,0,data,1,CPU,52,例如：打印机打印一行需要60ms,在查询方式中,大约59.99msCPU都处于循环等待,缺点：浪费CPU时间,53,中断方式 中断方式是指设备完成I/O操作后，主动向CPU报告，CPU只用少量时间处理I/O中断，并将数据取回.,54,例如：打印机打印一行需要60ms,在查询方式中,大约59.99msCPU都处于循环等待，若采用中断方式，CPU仅花费0.1ms来处理I/O设备发来的中断,55,直接内存存取方式,每传送一个数据不会产生中断，只有本次DMA传送的数据全部传送完毕时，才

15、产生中断,DMA方式，用于批量的数据传输,erect emory cess,56,DMA方式只能完成简单的数据传送，计数，内存地址加1或减1操作，不能满足复杂I/O操作请求,57,5.5 通道方式,又称I/O处理器，是专用于管理内存和外设之间信息交换的小型处理器,通道能够去读取和执行它自己的指令，指令功能包括数据传送、检索、分支转移、甚至简单的算术、逻辑运算,大、中型计算机系统和高档微机系统中普遍采用,58,5.5.2 外围设备的启动,CPU,输入输出工作,通道,执行通道程序,59,1.通道程序 若干条通道命令（CCW:Channel Command Word)组成的程序,命令码数据主存地址传

16、送字节个数标识码,60,0,7 8,31 32,39 40,63,命令码,数据主存地址,标志码,传送字节个数,规定外围设备所执行的动作，主要有三类：数据传输类、通道转移类、设备控 制类,对于不同的命令，所表示含义不同,通道程序即将结束的标志。“0”表示本条命令为最后一条，执行完后通道程序结束。否则为“非0”,对于传送类指令，指该命令应传送的字节个数，每传送一个字节的数据，该值减1，直至为0，本次传送结束,61,例：任务：要求打印机输出一行信息：“Operating System”输出位置：新的一页第四行 信息存放位置：主存L号开始的区域，含空格共16个字符,62,通道命令了解：命令码07：表示

17、“走纸到新的一页开始”命令码EF：表示“走纸三行”命令码F9:表示“打印一行信息”标志码60：表示“还有后继指令”,07 EFF9,命令码,数据主存地址,标志码,传送字节个数,L,00,0010,60,60,000000,000000,0001,0001,通道程序,63,2.外围设备的启动,编写通道程序,CPU执行“启动I/O”指令启动通道工作，由通道执行通道程序，控制设备进行输入输出工作,完成“I/O”操作，通道向CPU报告，CPU处理该中断,执行情况记录在CSW（通道状态字）中,64,CPU,主 存,作业1,作业2,作业3,输入机,打印机,并行工作,65,5.5.3 I/O中断事件的处理

18、I/O中断是通道与CPU之间协调工作的手段。中断事件可分为两大类：,操作正常结束,操作异常结束,66,操作正常结束 CSW通道状态字内容为：通道结束、设备结束、控制器结束时表示正常结束,CPU查设备分配表，得到哪个作业（进程）使用的该设备，并把该作业的状态由“等待”变为“就绪”,67,操作异常结束,接口错,通道程序错,控制错,数据错,通道程序复执,打印机纸用完,磁带写满,操作员排出故障即可,68,1。在主机I/0系统中，通道是（）A.I/0 端口 B.软件工具 C.数据通道 D.I/O 专用处理机,D,69,1关于通道的功能，不正确的描述是（）A通道使主机以标准接口连接不同的外围设备B通道使C

19、PU无需直接控制外部设备C通道完成逻辑文件和物理文件的相互转换D通道为外部设备的并行工作创造了条件2并非由通道完成的工作是（）A执行“启动IO”指令B控制指定设备完成通道命令C记录设备的工作状态D形成IO中断,C,A,70,3.当通道发出I/O中断请求后，需要操作员进行干预的情况是（）A.了解I/O操作的执行情况B.转入操作系统进行中断处理C.若I/O操作异常，启动I/O复执D.I/O复执失败,D,71,4I/O中断事件或是由于_ 的执行引起，或是由于_ 的原因而引起。,通道程序,外界,72,4.通道的出现把_从耗时的输入输出操作中解放出来。,CPU,CPU,等待状态,就绪状态,73,D,C,

20、74,5.6 缓冲技术1.引入缓冲技术的原因,可以提高CPU、通道、I/O设备间并行操作程度,改善CPU和I/O设备之间速度不匹配的情况,可以减少I/O对CPU的中断次数,75,缓冲的分类,硬件缓冲,软件缓冲,专用的寄存器作为缓冲器,内存中若干单元作为缓冲区,76,根据系统设置缓冲区的个数，可以分为三种：,单缓冲双缓冲缓冲池,77,单缓冲,产生数据者不是把数据直接送给接收数据者,而是把数据送入到所设置的缓冲区中。接收数据者总是从缓冲区中去取所需要的数据,78,双缓冲,整个I/O的路线是先1后2，并且交替进行,79,缓冲池,既用于输入，也用于输出受系统的统一管理和调配,80,在缓冲池中有3类缓冲

21、区，一类现在用于输入；一类现在用于输出；还有一类为空闲，既可用于输入，也可用于输出。,81,（3）基于设备的分配特性 可以把系统中的设备分为独占设备、共享设备和虚拟设备三类。独占设备 共享设备 虚拟设备,例如打印机、独享设备的使用具有排它性。,磁盘等设备,可以由几个用户进程交替地对它进行信息的读或写操作。,利用某种技术，把独享设备“改造”成可共享的设备,5.7.虚拟设备,82,CPU,主 存,作业1,作业2,作业3,输入机,打印机,作业4,作业一、二执行过程中分别提出对输入机和打印机的使用申请，分配否？接着作业三、四执行过程中也分别提出对输入机和打印机的使用申请，分配否？,83,虚拟设备,为提

22、高独占设备的利用率，从而提高作业吞吐量，通过某种技术，把独占设备模拟成共享设备（用户感觉上），称为虚拟设备,84,目的:是为了将慢速的独占设备改造成多个用户共享的设备，以提高设备的利用率,脱机外围设备操作,联机同时外围设备操作,85,5.7.1 脱机外围设备操作,一批作业信息,外围计算机1,磁盘,主机计算机1,执行结果,作业信息,执行结果,外围计算机2,结果,86,5.7.2 联机同时外围设备操作,实现这一功能的技术称为SPOOLing技术,87,SPOOLing系统中实现虚拟设备的软件功能模块由三部分组成：,预输入程序,缓输出程序,井管理程序,预先把作业的全部信息输入到磁盘的输入井中,定期查

23、看“输出井”中是否有等待输出的作业信息。如果有，就启动输出设备进行输出,负责把请求I/O设备的工作转化为对输入/输出井的工作,88,预输入程序,缓输出程序,输入井,输出井,作业执行,作业,结果,磁盘,89,采用SPOOLing技术后，读卡机不用等待作业执行完毕，就可以输入其它作业的信息，CPU也不用等待读卡机把作业输入和打印机把作业的结果信息打印出来，这样既提高了CPU的利用率，也提高了独占设备的利用率,90,问题,1。磁带、磁盘这样的存储设备都是以（）为单位与内 存进行信息交换的3、操作系统采用缓冲技术，能够减少对CPU的（）次数，从而提高资源的利用率。A、中断 B、访问 C、控制 D、依赖

24、,块,A,91,40.某程序逐块处理从磁盘读入的数据，考虑到CPU的处理速度大大高于磁盘传输的速度，执行该程序时CPU的利用率极低。操作系统常常采用_技术，以缓解这种情况。,缓冲技术,92,37、由于处理器的执行速度与外围设备传输信息的速度不匹配，影响了进程的_，使进程的_时间变长。38、采用斯普林操作使_设备利用率提高了。就打印机而言，采用了斯普林操作后，其效果好象每个作业都拥有一台与磁盘一样快的打印机。我们把此类操作系统模拟的设备称作_。,独占设备,虚拟设备,执行速度,周转时间,93,4、CPU输出数据的速度远远高于打印机的打印速度，为了解决这一矛盾，可 采用（）。A、并行技术 B、通道技术 C、缓冲技术 D、虚存技术 5、采用SPOOLing技术的目的是（）。A、提高独占设备的利用率 B、提高主机效率 C、减轻用户编程负担 D、提高程序的运行速度,C,A,94,7、虚拟设备是指()A.允许用户使用比系统中具有的物理设备更多的设备B.允许用户以标准化方式来使用物理设备C.用共享设备模拟独占设备D.允许用户程序不必全部装入主存便可使用系统的设备,C,