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第10章 设备管理 I/O基本概念 I/O控制技术 I/O子系统层次结构 设备分配 假脱机技术 设备控制 磁盘调度管理 10.1 概述 I/O设备 在计算机系统中除CPU和内存储外所有的设备和装置。也叫计算机外部设备(外围设备)。 I/O子系统 操作系统中负责I/O设备管理的功能模块。 外设的特点： 种类多 差异大(控制和速度) 设备分类 按交互对象分类： 人机交互设备：视频显示设备、键盘、鼠标、打印机。 与计算机或其他电子设备交互的设备：磁盘、磁带、传感器、控制器。 计算机间的通信设备：网卡、调制解调器。 按外设特性分类 使用特征：存储、输入/输出、终端 信息组织特征： 块设备：信息按字符块组织和处理。（面向块的设备） 如：磁盘。 字符设备：信息按字符组织和处理。（面向字符的设备）。如：打印机。 1、I/O控制技术 程序控制I/O(programmed I/O) 1、I/O控制技术 中断驱动方式(interrupt-driven I/O） I/O操作由程序发起，在操作完成时（如数据可读或已经写入）由外设向CPU发出中断，通知该程序。数据的每次读写通过CPU。 优点：在外设进行数据处理时，CPU不必等待，可以继续执行该程序或其他程序。 缺点：每次I/O都要CPU的干预，CPU每次处理的数据量少（通常不超过几个字节），只适于数据传输率较低的设备。 中断驱动方式 CPU 计算 启动设备 计算 … 计算 中断处理 计算 1、I/O控制技术 DMA方式 通道控制方式(channel control) 通道：是计算机系统中专门用于I/O的处理机。 在大、中、小型计算机中一般称为通道，结构如图所示 通道控制方式(channel control) 2、设备管理的目的和功能 I/O子系统设计目标 有效性： 提高效率：提高I/O访问效率，匹配CPU和多种不同处理速度的外设 通用性 方便使用：方便用户使用，对不同类型的设备统一使用方法，协调对设备的并发使用 方便控制：方便OS内部对设备的控制：增加和删除设备，适应新的设备类型 设备独立性 设备独立性是指用户在编程序时所使用的设备与实际设备无关。 两类设备独立性： 一个程序应独立于分配给它的某类设备的具体设备。即在用户程序中只指明I/O使用的设备类型即可。如在系统中配备了两台打印机，用户要打印时只要告诉系统要将信息送到打印机即可。 程序要尽可能地与它使用的设备类型无关。即在用户程序中只要指出要输入或输出信息，至如信息I/O使用的设备不需用户指明。 3、 I/O管理功能 设备存取 实现对设备的存取操作，提供命令接口和编程接口。 设备分配 在多用户的环境下，负责设备的分配和回收。 设备控制 设备控制包括设备的驱动、完成和故障中断处理。 状态跟踪 设备控制块是存放设备管理和控制信息的数据结构。 系统要掌握设备的状态。 4、 I/O子系统层次模型 逻辑I/O：逻辑设备(也称为虚拟设备)实体，不涉及实际的设备控制； 针对用户接口，提供抽象的命令，如：Open, Close, Read, Write。 针对通信设备，则是通信体系结构如网络协议栈； 针对文件存储设备，是文件系统的逻辑结构控制； 设备I/O：逻辑设备与物理设备间的过渡协调机构。 用户命令到设备操作序列的转换 I/O缓冲：提高I/O效率。 调度和控制：物理设备控制实体；直接面对硬件设备的控制细节。这部分通常体现为设备驱动程序。 并发I/O访问调度 设备控制和状态维护 中断处理 10.2 设备分配 由于外设资源的有限，需解决进程间的外设共享问题，以提高外设资源的利用率。设备分配是对进程使用外设过程的管理。这里有两种作法： 在进程间切换使用外设，如键盘和鼠标； 通过一个虚拟设备把外设与应用进程隔开，只由虚拟设备来使用设备。 1、 设备分配原则 独占设备 在一段时间内只能有一个进程使用的设备，一般为低速I/O设备。（如打印机，磁带等） 共享设备 在一段时间内可有多个进程共同使用的设备，多个进程以交叉的方式来使用设备，其资源利用率高。（如磁盘、网卡） 虚拟设备 在一类设备上模拟另一类设备，常用共享设备模拟独占设备，用高速设备模拟低速设备，被模拟的设备称为虚拟设备。 目的：将慢速的独占设备改造成多个用户可共享的设备，提高设备的利用率 设备分配方式： 静态分配：在进程创建时分配，在进程退出时释放； 不会出现死锁； 设备利用率不高； 动态分配：在进程执行过程中根据需要分配，使用结束后释放； 需要考虑死锁问题 有利于提高设备利用率 动态分配策略：针对特定的设备采用特定的分配策略。 先来先服务(FCFS)：按I/O请求的先后顺序，排成I/O请求命令队列；按FCFS分配设备； 基于优先级：依据进程的优先级，指定I/O请求的优先级，