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1、,計算機操作系統(tǒng),制作者：張曉艷 2010年5月,第四章 設備管理設備管理程序的功能： （1）提供和進程管理系統(tǒng)的接口。 （2）進行設備分類。按照設備類型和相應的分配算法把設備和其他有關的硬件分別給請求該設備的進程，并把未分配到所請求設備或其他有關硬件的進程放入等待隊列。 （3）實現(xiàn)設備和設備、設備和CPU等之間的并行操作。 （4）進行緩沖管理，解決低速I/O設備與高速CPU之間傳送數(shù)據(jù)不匹配問題。,4.3 緩沖管理 引入緩沖技術的目的 改善中央處理器與外圍設備之間速度不配的矛盾，凡是數(shù)據(jù)到達和離去速度不匹配的地方均可采用緩沖技術。 減少對CPU的中斷頻率，放寬對CPU中斷響應時間的限制， 提

2、高CPU和I/O設備的并行性。,緩沖技術實現(xiàn)的基本思想： 進程執(zhí)行寫操作輸出數(shù)據(jù)時，向系統(tǒng)申請一個緩沖區(qū)，若為順序?qū)懻埱?，則不斷把數(shù)據(jù)填到緩沖區(qū)，直到被裝滿。此后，進程繼續(xù)它的計算，系統(tǒng)將緩沖區(qū)內(nèi)容寫到I/O設備上。 進程執(zhí)行讀操作輸入數(shù)據(jù)時，向系統(tǒng)申請一個緩沖區(qū)，系統(tǒng)將一個物理記錄的內(nèi)容讀到緩沖區(qū)，根據(jù)進程要求，把當前需要的邏輯記錄從緩沖區(qū)中選出并傳送給進程。,在輸出數(shù)據(jù)時，只有在系統(tǒng)還來不及騰空緩沖而進程又要寫數(shù)據(jù)時，它才需要等待； 在輸入數(shù)據(jù)時，僅當緩沖區(qū)空而進程又要從中讀取數(shù)據(jù)時，它才被迫等待。 根據(jù)系統(tǒng)對緩沖區(qū)的不同設置，可把緩沖技術分為以下幾類： 單緩沖 雙緩沖 循環(huán)緩沖 緩沖池,

3、單緩沖 單緩沖是操作系統(tǒng)提供的最簡單的一種緩沖形式。每當一個進程發(fā)出一個I/O請求時，操作系統(tǒng)便在主存中為之分配一緩沖區(qū)，該緩沖區(qū)用來臨時存放輸入/輸出數(shù)據(jù)。 對于塊設備,單緩沖機制如下工作： OS為進程分配一緩沖區(qū)，塊設備輸入時從磁盤把一塊數(shù)據(jù)輸入緩沖區(qū)的時間為T，OS將緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)傳送給用戶區(qū)的時間為M，計算時間為C，則T和C時可以并行的。數(shù)據(jù)處理時間約為 maxC，T+M。,對于字符設備,緩沖區(qū)用于暫存用戶輸入的一行數(shù)據(jù)，輸入時，進程掛起等待輸入完畢；輸出時進程將一行數(shù)據(jù)輸入到緩沖區(qū)，繼續(xù)執(zhí)行處理。如果前面的數(shù)據(jù)尚未提取完畢，則進程應阻塞。,工作區(qū),用戶進程,處理機,單緩沖,輸入(T),

4、傳送(M),I/O設備,緩沖區(qū)屬于臨界資源，不允許多個進程同時對一個緩沖區(qū)操作，讀、寫在單緩沖上互斥發(fā)生，因此單緩沖無法實現(xiàn)CPU與設備的并行操作。,？,緩沖區(qū)屬于臨界資源，不允許多個進程同時對一個緩沖區(qū)操作，讀、寫在單緩沖上互斥發(fā)生，因此單緩沖無法實現(xiàn)CPU與設備的并行操作。,一次僅允許一個進程訪問的資源稱為臨界資源。 硬件資源 如打印機、磁帶機等。 軟件資源 如共享變量、表格、隊列、棧等。,？,雙緩沖提高設備并行操作 輸入數(shù)據(jù)時，首先填滿緩沖區(qū)A,操作系統(tǒng)可從緩沖區(qū)A把數(shù)據(jù)送到用戶進程區(qū),用戶進程便可對數(shù)據(jù)進行加工計算;與此同時,輸入設備填充緩沖區(qū)B。 當緩沖區(qū)A空出后，輸入設備再次向緩沖

5、區(qū)1輸入。操作系統(tǒng)又可把緩沖區(qū)B的數(shù)據(jù)傳送到用戶進程區(qū),用戶進程開始加工緩沖B的數(shù)據(jù)。,雙緩沖,工作區(qū),用戶進程,處理機,緩沖區(qū)A,緩沖區(qū)B,I/O設備,寫,讀,雙緩沖,工作區(qū),用戶進程,處理機,緩沖區(qū)A,緩沖區(qū)B,I/O設備,寫,讀,如果CT，當上一塊數(shù)據(jù)計算完畢后，需把一個緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)傳送到用戶區(qū)，花費時間為M，再對這塊數(shù)據(jù)進行計算，花費時間為C，所以，一塊數(shù)據(jù)的傳輸和處理時間為C+M、即max(C,T)+M，這種情況下進程不必要等待I/O。,？,計算機系統(tǒng)中的外圍設備較多，讀/寫數(shù)據(jù)速度有很大的差異，在向緩沖區(qū)讀/寫數(shù)據(jù)的過程中，高速設備等待的情況仍然比較嚴重，設備利用率比較低。,雙緩

6、沖,循環(huán)緩沖 環(huán)形緩沖技術是在主存中分配一組大小相等的存儲區(qū)作為緩沖區(qū)，并將這些緩沖區(qū)鏈接起來，每個緩沖區(qū)中有一個指向下一個緩沖的指針，最后一個緩沖區(qū)的指針指向第一個緩沖區(qū)，這樣n個緩沖區(qū)就成了一個環(huán)形。 三種類型的緩沖區(qū)：用于裝輸入數(shù)據(jù)的空緩沖區(qū)R、已經(jīng)裝滿數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)G、以及計算進程正在訪問的工作緩沖區(qū)C。 設置了四個指針。,循環(huán)緩沖,Nexti ：指示寫進程下次可用的空緩沖區(qū)R,循環(huán)緩沖,Nextg ：指示讀進程下一個可用的緩沖區(qū)G,循環(huán)緩沖,Current_R: 指示讀進程正在使用的緩沖區(qū),循環(huán)緩沖,Current_W: 指示寫進程正在使用的緩沖區(qū),進程同步問題,（1）Nexti指針追

7、趕上Nextg指針。這意味著進程輸入數(shù)據(jù)的速度大于進程取數(shù)據(jù)的速度，已把全部緩沖區(qū)裝滿。此時，寫進程應阻塞，直到讀進程把某個緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)全部提取完，使之成為空緩沖區(qū)R，并調(diào)用Releasebuf過程將它釋放時，才將寫進程喚醒。（2）Nextg指針追趕上Nexti指針這意味著讀進程取數(shù)據(jù)的速度高于寫進程輸入數(shù)據(jù)的速度，使全部緩沖區(qū)都被抽空，讀進程只能阻塞，直到寫進程裝滿某個緩沖區(qū)，調(diào)用Releasebuf過程將它釋放時，才去喚醒計算進程。,循環(huán)緩沖,循環(huán)緩沖,？,循環(huán)緩沖區(qū)僅適用于某特定的I/O進程和計算進程，屬于專用緩沖，共享程度低。當系統(tǒng)較大時，將會有許多這樣的緩沖區(qū)，這不僅要消耗大量的內(nèi)存

8、空間，而且其利用率不高。,緩沖池從自由主存中分配一組緩沖區(qū)即可構(gòu)成緩池。1緩沖池的組成 緩沖池中的緩沖區(qū)一般有以下三種類型：空閑緩沖區(qū)、裝滿輸入數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)和裝滿輸出數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)。 為了管理將相同類型的緩沖區(qū)鏈成三個隊列： 空緩沖隊列emq 輸入隊列inq 輸出隊列outq,除了上述三種隊列外，還應具有四種工作緩區(qū)： 用于收容輸入數(shù)據(jù)的工作緩沖區(qū)hin； 用于提取輸入數(shù)據(jù)的工作緩沖區(qū)sin； 用于收容輸出數(shù)據(jù)的工作緩沖區(qū)hout； 用于提取輸出數(shù)據(jù)的工作緩沖區(qū)sout；,緩沖池,2. Getbuf過程和Putbuf過程,隊列是臨界資源互斥且同步 信號量 為使諸進程能互斥地和同步地訪問緩沖池隊列

9、，可分別為每一隊列設置一個互斥訪問信號量S1(type)，初值為1。 另外一個是資源同步信號量S2(type)，初值為n，表示該類緩沖區(qū)的數(shù)目。,Getbuf與Putbuf流程圖,3.緩沖區(qū)的工作方式,3.緩沖區(qū)的工作方式,1)收容輸入工作方式 調(diào)用Getbuf(emp) emp隊列的隊首摘下一個空緩沖區(qū) hin 輸入數(shù)據(jù) 調(diào)用Putbuf(inq，hin) 將hin掛到inq隊列的隊尾2)提取輸入工作方式 調(diào)用Getbuf(inq) 輸入隊列的隊首摘下一個緩沖區(qū) sin 提取數(shù)據(jù) 調(diào)用Putbuf(emp，sin) 將sin掛到emp隊列的隊尾3)收容輸出工作方式 調(diào)用Getbuf(emp)

10、 emp隊列的隊首摘下一個空緩沖區(qū) hout 輸出數(shù)據(jù) 調(diào)用Putbuf(outq，hout) 將hout掛到outq隊列的隊尾4)提取輸出工作方式 調(diào)用Getbuf(outp) 輸出隊列的隊首摘下一個緩沖區(qū) hin 提取數(shù)據(jù) 調(diào)用Putbuf(emp，sout) 將sout掛到emp隊列的隊尾,設備分配的總原則（1）既要充分發(fā)揮設備的使用效率，又要避免由于不合理的分配方法而造成進程死鎖（2）實現(xiàn)設備的獨立性，即把用戶程序和具體物理設備隔離開來。,4.4設備分配, 系統(tǒng)分配時要考慮的因素1.設備分配方式 靜態(tài)分配方式 不會出現(xiàn)死鎖 設備利用率低，一般不使用 動態(tài)分配方式 提高了設備利用率，但可

11、能造成死鎖 1）先請求先分配 2）優(yōu)先級高者先分配,系統(tǒng)分配時要考慮的因素2.設備特性 獨占設備 獨享分配策略(靜態(tài)分配） 設備利用率低 共享設備 虛擬設備 同時分配給多個進程使用(動態(tài)分配) 合理調(diào)度訪問次序,系統(tǒng)分配時要考慮的因素3.設備分配中的安全性 安全分配方式 摒棄了“請求和保持”條件 CPU與I/O設備串行工作，進程進展緩慢 不安全分配方式 一個進程可同時操作多個設備，進程推進迅速 可能造成死鎖，應進行安全性計算, 設備分配中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 1.設備控制表DCT, 設備分配中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 2.系統(tǒng)設備表SDT, 設備分配中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 3.控制器控制表COCT, 設備分配中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 4.

12、通道控制表CHCT, 設備分配算法, 設備分配算法,單通路I/O,多通路I/O,設備獨立性應用程序獨立于具體使用的物理設備 設備分配時的靈活性 易于實現(xiàn)I/O重定向,邏輯設備表（LUT）,用于單用戶系統(tǒng),用于多用戶系統(tǒng),4.5 設備虛擬性,脫機輸入輸出 增加不與主機相連而專門用于 輸入/輸出的外圍計算機SPOOLing（Simultaneous Peripheral Operations On-line 外圍設備同時聯(lián)機操作） 假脫機操作,SPOOLing系統(tǒng)的組成,（1）提高了I/O的速度（2）將獨占設備改造成了共享設備（3）實現(xiàn)了虛擬設備功能,SPOOLing系統(tǒng)的特點,SPOOLing系

13、統(tǒng)的應用 共享打印機,設備處理是通過設備處理程序來實現(xiàn)的，通常又稱為設備驅(qū)動程序。它是I/O進程和設備控制器之間的通信程序，常以進程的形式被CPU調(diào)度。,4.6 設備處理過程,設備驅(qū)動程序的特點(1) 驅(qū)動程序主要是在請求I/O的進程與設備控制器之間的一個通信程序。它將進程的I/O請求傳送給控制器，而把設備控制器中所記錄的設備狀態(tài)、I/O操作完成情況，反映給請求I/O的進程。(2) 驅(qū)動程序與I/O設備的特性緊密相關。一般情況下，各類設備包括不同廠家生產(chǎn)的同一類設備都采用不同的驅(qū)動程序。目前有很多驅(qū)動程序，其基本部分已經(jīng)固化，放在ROM中。 (3) 根據(jù)不同的I/O控制方式，驅(qū)動程序驅(qū)動設備完

14、成相應的I/O工作。,設備驅(qū)動程序的主要功能(1) 將接收到的抽象要求轉(zhuǎn)換為具體要求。(2) 檢查用戶I/O請求的合法性，了解I/O設備的狀態(tài)，傳遞有 關參數(shù)，設置設備的工作方式。(3) 發(fā)出I/O命令，啟動分配到的I/O設備，完成指定的I/O操作。(4) 及時響應由控制器或通道發(fā)來的中斷請求，并根據(jù)其中斷 類型調(diào)用相應的中斷處理程序進行處理。(5) 對于設置有通道的計算機系統(tǒng)，驅(qū)動程序還應能夠根據(jù) 用戶的I/O請求，自動地構(gòu)成通道程序。,設備處理流程,每類（個）設備設置一個專門的I/O進程，且該進程只能在系統(tǒng)態(tài)下執(zhí)行。 整個系統(tǒng)設置一個I/O進程，全面復雜系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳送工作。每類（個）設備設置一個專門的I/O進程，但該進程既可以用在用戶態(tài)也可以在系統(tǒng)態(tài)下執(zhí)行。,設備處理方式,謝謝大家！,