PURSUING EXCELLENCE / TOWARD SUCCESS WUCHANG UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 武昌理工学院 操作系统原理 第八章 设备管理 我们毕业啦 其实是答辩的标题地方 主讲人 温 静 院系 信息工程学院

主要内容 1 I/O系统概述 2 I/O控制方式 3 缓冲技术 4 设备分配 CONTANTS 5 I/O软件 6 磁盘存储器管理

I/O系统概述 计算机系统的两个主要任务： 计算处理 输入/输出（I/O）处理 I/O系统是用于实现数据输入、输出及数据存储的系统。

I/O设备 在计算机系统中，设备的概念具有广义性。 设备： 进行实际I/O操作的物理设备； 控制这些物理设备并进行I/O操作的控制部件和支持部件，如设备控制器、DMA控制器等； 为提高设备利用率，采用某种I/O技术形成的逻辑设备和虚拟设备。

设备的类型 按使用特性分： 按传输速率分： 按信息交换单位分： 按资源属性分： 按从属关系分： 存储设备、输入/输出设备 低速设备、中速设备、高速设备 按信息交换单位分： 字符设备、块设备 按资源属性分： 独占设备、共享设备、虚拟设备 按从属关系分： 系统设备、用户设备

设备控制器 I/O设备： 设备控制器： 由电子部件和机械部件两部分组成； 设备的电子部分通常称为设备控制器； 机械部件则是设备本身。 可编址设备； 仅控制一个设备时，它只有一个唯一的设备地址； 若连接多个设备时，则应含有多个设备地址，并使每一个设备 地址对应一个设备。

设备控制器的功能 接收和识别CPU或通道发来的命令； 实现CPU与设备控制器、设备控制器与设备之间的数 据交换； 识别控制的每个设备的地址； 数据缓冲； 兼管对由I/O设备传送来的数据进行差错检测。

设备控制器的组成 设备控制器与CPU的接口 设备控制器与设备的接口 I/O逻辑

I/O通道 通道的目的： 使原来由CPU处理的I/O任务转由通道来承担， 从而把CPU从繁杂的I/O任务中解脱出来。

通道程序 通道指令： 通道命令字（Channel Command Word，CCW）； 一条通道命令字往往只能实现一种功能。 通道程序： 用通道指令编写的程序称为通道程序； 通道程序由多条通道命令组成。 每次执行时，通道从内存中依次取出并执行CCW，从而 控制I/O设备完成复杂的I/O操作。

通道系统 通道系统： 存储器、通道、设备控制器和设备之间采用四级连接， 实施三级控制。 一个存储器可以连接若干个通道，一个通道又可以连接 若干个设备控制器，一个设备控制器再连接若干个设备。 CPU通过I/O指令控制通道，通道通过执行通道指令来控 制设备控制器，设备控制器发出动作序列控制相关设备 执行相应的I/O操作。

通道系统的I/O处理过程 CPU在执行主程序时若遇到用户进程的I/O请求，则执 行I/O指令启动相关通道； 通道控制结束后向CPU发出中断信号，CPU停止当前工 作，转去处理I/O操作结束事件。

通道类型 （1）字节多路通道（Byte Multiplexer Channel） （2）数组选择通道（Block Selector Channel） （3）数组多路通道（Block Multiplexer Channel）

“瓶颈”问题 “瓶颈”问题： 由于通道价格昂贵，致使机器中所设置的通道数量 势必较少，这往往又使它成了I/O的“瓶颈”，进而造 成整个系统吞吐量的下降。 解决方法： 增加设备到主机间的通路而不是增加通道。

I/O控制方式 随着计算机技术的发展，I/O控制方式也在不断 地发展。 程序I/O方式 中断驱动方式 DMA控制方式 通道方式

程序I/O控制方式 出现： 早期的计算机系统中，由于无中断机构，处理机对 I/O设备的控制采取程序I/O方式，或称为忙-等待方式。 缺点： CPU的绝大部分时间都处于等待I/O设备完成数据I/O 的循环测试中，造成对CPU的极大浪费。

程序I/O控制方式 向I/O控制器发读命令 CPU→I/O 读I/O控制器的状态 I/O→ CPU 未就绪 检查状态？ 出错 向存储器中写字 CPU→内存 未完 传送完成？ 完成 下一条指令

中断驱动I/O控制方式 出现： 计算机系统中引入了中断机构后，当某进程要启动 某个I/O设备工作时，便由CPU向相应的设备控制器发出 一条I/O命令，然后立即返回继续执行原来的任务。设 备控制器于是按照该命令的要求去控制指定I/O设备。 此时，CPU与I/O设备并行操作。

中断驱动I/O控制方式 CPU→I/O 向I/O控制器发读命令 读I/O控制器的状态 I/O→ CPU 检查状态？ 出错 向存储器中写字 CPU→内存 未完 传送完成？ 完成

DMA控制方式 特点： 数据传输的基本单位是数据块，即在CPU与I/O设备之 间，每次传送至少一个数据块； 所传送的数据是从设备直接送入内存的，输出时则相 反； 仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时，才需要 CPU的干预，整块数据的传送是在控制器的控制下完 成的。

DMA控制方式 向I/O控制器发布读块命令 CPU→DMA CPU做其它事 读DMA控制器的状态 中断 DMA→CPU 下一条指令

DMA控制方式 为了实现直接存储器存取操作，DMA控制器至少需要以 下一些逻辑部件。 命令/状态寄存器（CR） 内存地址寄存器（MAR） 字计数器（DC） 数据缓冲寄存器或数据缓冲区（DR） 设备地址寄存器 中断机制和控制逻辑

DMA工作过程 设置MAR和DC初值 启动DMA传送命令 挪用存储器周期传送数据字 在继续执行用户程序的同时，准备又一次传送 存储器地址增1 字计数寄存器减1 否 DC=0？ 是 请求中断

I/O通道控制方式 DMA方式的缺点： 每发出一次I/O指令，只能读写一个数据块，用户希 望一次能够读写多个离散的数据块，并把它们传送到不 同的内存区域或相反，则需要由CPU发出多条启动I/O的 指令及进行多次I/O中断处理才能完成。 通道方式的出现： 是DMA方式的发展，能够再次减少CPU对I/O操作的干 预。

I/O通道控制方式 通道通过执行通道程序，与设备控制器共同实现对I/O 设备的控制。通道程序由一系列通道指令构成。 通道指令：操作码、内存地址、计数、通道程序结束位 及记录结束标志。 通道指令的一般格式为： 操作码 P R 计数 内存地址

I/O通道控制方式 下面是一个包含3条指令的简单的通道程序： WRITE 0 0 250 1000 前两条指令的功能：将内存地址为1000开始的250个单 元中的字符与内存地址为4500开始的80个单元中的字符 写成一条记录； 第三条指令：把内存地址为600开始的100个单元中的字 符单独写成一条记录。

通道方式的处理过程 当进行数据输入时，CPU发出启动指令； 通道接收到指令后，取出通道程序，并开始执行通道指令； 执行一条通道指令，设置设备控制器的控制/状态寄存器； 设备控制器控制设备将数据送往内存指定区域。若本指令 不是通道程序中的最后一条指令，则取出下一条指令，转 步骤（3）处理；否则转步骤（5）执行； 通道处理结束，向CPU发出中断信号，等待CPU响应； CPU接收到中断信号后进行中断处理，然后返回继续执行。

缓冲技术 在设备管理中，引入缓冲的原因主要可归纳为以下几点： 缓和CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾。 协调逻辑记录大小与物理记录大小不一致的问题，以 及设备间不同大小数据的传输问题。

单缓冲 用户进程 处理(C) (a) (b) 传送(M) 输入(T) 缓冲区 I/O设备 工作区 T4 T1 T2 T3 M3 M2 M1

双缓冲 用户进程 缓冲区1 (a) (b) 工作区 I/O设备 缓冲区2 T4 (缓冲4） T1(缓冲1） T2 (缓冲2） M3 M3 M4 M2 M1 C2 C3 C4 C1

循环缓冲 采用双缓冲技术虽然能提高设备的并行工作程 度，但在设备和处理进程速度不匹配的情况下 仍不十分理想。 为了改善这种情况，获得较高的并行度，常常 采用多缓冲所组成的循环缓冲技术。

循环缓冲的组成 循环缓冲中的缓冲区按用途可分为： （1）空缓冲区E （2）满缓冲区F （3）当前工作 缓冲区W 三个链接指针指向不同缓冲区： NextE Working NextF 循环缓冲中的缓冲区按用途可分为： （1）空缓冲区E （2）满缓冲区F （3）当前工作 缓冲区W 三个链接指针指向不同缓冲区： （1）NextE：第一个空缓冲区； （2）NextF：第一个满缓冲区； （3）Working：当前工作缓冲区。

循环缓冲的使用 调用两个过程： getbuf过程：计算进程要使用缓冲区中的数据时；输 入进程要使用空缓冲区来装入数据时。 releasebuf过程：计算进程把C缓冲区中的数据提取 完毕时； 输入进程把缓冲区装满时。 使用过程中的进程同步： NextE指针追赶上NextF指针：系统受计算限制 。 NextF指针追赶上NextE指针：系统受I/O限制。

设备分配 每当进程提出I/O请求时，OS将按一定的策略 把设备分配给它，在有的系统中，为了确保 CPU和设备之间能进行通信，还必须为进程分 配相应的控制器和通道。

设备分配的数据结构 1.设备控制表DCT 2.控制器控制表COCT,通道控制表CHCT,系统设备表SDT 设备类型type 设备控制表集合 设备标识符：deviceid 设备状态：等待/不等待 忙/闲 DCT2 指向控制器表的指针 重复执行次数或时间 DCTn 设备队列的队首指针 2.控制器控制表COCT,通道控制表CHCT,系统设备表SDT

设备分配策略 为了使系统有条不紊地工作，系统在分配设备 时，应考虑这样几个因素： 设备的固有属性 设备分配算法 设备分配中的安全性 设备独立性

设备独立性 用户在应用程序中使用逻辑设备名来请求设备， 而系统在实际分配时使用的是物理设备名，从 而实现了应用程序和物理设备之间的独立。 系统再采用某种方法建立逻辑设备和物理设备 之间的关系，把逻辑设备名转换成物理设备名， 这就是“设备独立性”，或称设备无关性。

设备独立性 在实现了设备独立性的功能后，可带来以下两 个方面的好处。 设备分配时的灵活性 2. 易于实现I/O重定向

设备独立性 设备独立性的实现主要体现在逻辑设备与物理 设备之间的转换上。 为了实现这种转换，系统必须设置一张逻辑设 备表（Logical Unit Table，LUT）。在该表的 每个表目中包含了三项内容：逻辑设备名、物 理设备名和设备驱动程序的入口地址。

SPOOLing技术 为了缓和CPU的高速性与I/O设备的低速性之间 的矛盾而引入了脱机输入输出技术。 为了减少硬件成本，用软件来模拟输入输出时 外围机的功能，由此产生的这种在联机情况下 实现的同时外围操作称为SPOOLing （Simultaneaus Periphernal Operating On Line），或称为假脱机操作。

SPOOLing技术 SPOOLing系统主要由三部分组成： 输入井和输出井 输入缓冲区和输出缓冲区 输入进程SPi和输出进程SPo

SPOOLing技术 引入SPOOLing技术，把一个共享的硬盘改造成若干 台输入设备（对作业调度程序而言）和若干台输出 设备（对各作业而言）。 这样的设备称为虚拟设备，它们的物理实体是输入 （出）井。 这样改造后，保持了物理输入（出）设备繁忙地与 主机并行工作，提高了整个系统的效率。

SPOOLing技术 当用户进程请求输出打印时，SPOOLing系统同意为它 打印输出，但并不真正把打印机分配给该用户进程， 而只是做两件事。 由输出进程在输出井中为之申请一个空闲磁盘块区， 并将要打印的数据送入其中； 输出进程再为用户进程申请一张空白的用户打印请 求表，并将用户的打印要求填入表中，再将该表挂 到请求打印队列中。

SPOOLing技术 SPOOLing系统具有如下主要特点： 提高了I/O的速度。对数据进行的I/O操作，已从 对低速I/O设备进行的I/O操作演变成为对输入井 或输出井中数据的存取。 将独占设备改造为共享设备。 实现了虚拟设备功能。

I/O软件 I/O软件应达到以下几个方面的目标： 设备无关性 出错处理 同步/异步传输 缓冲技术

I/O软件 I/O软件层次结构： 中断处理程序 设备驱动程序 设备独立性软件 用户层软件

中断处理程序 中断处理程序在设备管理软件中是一个相当重 要的部分。 1. 中断的基本概念 2. 中断类型 3. 中断处理过程

中断的基本概念 所谓中断是指某个事件（例如电源掉电、定点加法溢出 或I/O传输结束等）发生时，系统中止现行程序的运行、 引出处理该事件程序进行处理，处理完毕后返回断点， 继续执行。 用户程序 中断进入 中断处 理程序 中断信号 中断 返回

中断类型 （1）按中断功能分类 ① 输入/输出（I/O）中断 ② 外部中断 ③ 机器故障中断 ④ 程序性中断 ⑤ 访管中断

中断类型 （2）按中断方式分类 ① 强迫性中断 ② 自愿性中断 按中断功能所划分的五大类中断中，I/O中断、外部中 断、机器故障中断及程序性中断都属于强迫性中断，而 访管中断则属于自愿性中断。

中断类型 （3）按中断来源分类 ① 中断 由处理机外部事件引起的中断称为外中断，又称 为中断。包括I/O中断、外中断。 ② 俘获 由处理机内部事件引起的中断称为俘获。包括访管 中断、程序性中断及机器故障中断。 若系统中同时发生中断和俘获请求时，俘获总是优 先得到响应和处理，所以它也称为高优先级中断。

中断处理过程 对于为每一类设备设置一个I/O进程的设备处理方式，其 中断处理程序的处理过程可分成以下几个步骤。 （1）唤醒被阻塞的驱动（程序）进程 （2）保护被中断进程的CPU环境 （3）转入相应的设备处理程序 （4）中断处理 （5）恢复被中断进程的现场

设备驱动程序 所有与设备相关的代码放在设备驱动程序中，设备驱 动程序通常又称之为设备处理程序，它是I/O进程与 设备控制器之间的通信程序，又由于它经常以进程的 形式存在，所以也可以简称之为设备驱动进程。

设备驱动程序 设备驱动程序的处理过程： （1）将抽象命令转换为具体命令。 （2）检查I/O请求的合法性 （3）读出和检查设备的状态 （4）传送必要的参数 （5）工作方式的设置 （6）启动I/O设备

用户层的I/O软件 一般来说，大部分I/O软件都包含在操作系统中，但是 用户程序仍有一小部分是与库函数连接在一起的，甚至 还有在内核之外运行的程序。通常的系统调用，包括 I/O系统调用，是由库函数实现的。

磁盘存储器的管理 在现代计算机系统中都配置了磁盘，并以它为主来存放 文件，因此，对文件的操作，都将涉及到对磁盘的访问。 磁盘不仅存储容量大，而且可以实现随机存取，也是实 现虚拟存储器的必备硬件之一。磁盘I/O速度的快慢， 将直接影响系统的性能，因此，如何提高磁盘I/O的性 能，已成为现代操作系统的重要任务之一。

磁盘性能概述 磁盘是由表面涂有磁性物质的金属或塑料构成 的圆形盘片，是典型的直接存取设备，这种设 备允许文件系统直接存取磁盘上的任意物理块。

磁盘结构 每个磁盘划分若干个柱面。 对应每一个柱面，将磁盘表面划分为若干个磁道。信息线性地记录在每条磁道上。 按照由内到外的顺序，依次标记为磁道0、磁道1等等。每条磁道的大小约为若干KB。 将磁道进一步划分为若干个扇区。扇区可以是定长的，也可以是变长的，主要由硬件决定。

磁盘类型 （1）固定头磁盘 每条磁道上都有一个读/写磁头，所有磁头都被装在一刚 性磁臂中，磁臂可以伸展，通过这些磁头可访问所有的 磁道，并进行并行读/写，有效地提高了磁盘的I/O速度。 这种结构主要用于大容量磁盘上。 （2）移动头磁盘 每一个盘面上仅配有一个磁头，也被装入磁臂中。由于 磁头必须能够定位在任何一个磁道上，磁臂为这个目的 可以伸展或缩回。

磁盘访问时间 对于采用移动磁头的磁盘要访问某特定的磁盘块时， 所用时间通常包括以下三部分时间： （1）寻道时间Ts （2）旋转延迟时间Tr （3）传输时间Tt 传输时间 寻道时间 旋转延迟时间 磁臂

磁盘调度 系统采用一定的调度策略来决定各等待访问者的执行次 序，把决定等待访问者执行次序的工作称为驱动调度， 采用的调度策略称为驱动调度算法。 对磁盘来说，驱动调度包括“移臂调度”和“旋转调度” 两部分。 先进行移臂调度，再进行旋转调度。 移臂调度目标：尽可能地减少寻找磁道的时间。 旋转调度目标：尽可能地减少延迟时间。

移臂调度 移臂调度：根据等待访问者指定的柱面位置来决定次序。 目的：尽可能地减少输入/输出操作中的寻找磁道的时间。 常用的移臂调度算法： 先来先服务调度算法 最短寻道时间优先调度算法 扫描算法 循环扫描算法

先来先服务调度算法（FCFS） 优点: 公平、简单； 不会出现饥饿； 缺点： （从100号磁道开始） 被访问的下一个磁道号 移动距离（磁道数） 56 44 60 4 40 20 19 21 95 76 165 70 150 15 38 112 185 147 平均寻道长度：56.6 优点: 公平、简单； 不会出现饥饿； 缺点： 平均寻道时间较长；与后面要讲的几种高速算法相比，其平均寻道长度最大。

最短寻道时间优先调度算法（SSTF） 优点： 能获得较好的寻道性能； 缺点： 可能导致饥饿； 只要不断有新进程的请求到达，且其所要访问的磁道与磁头当前所在磁道的距离较近，这种新进程的I/O请求必被优先满足。 （从100号磁道开始） 被访问的下一个磁道号 移动距离（磁道数） 95 5 60 35 56 4 40 16 38 2 19 150 131 165 15 185 20 平均寻道长度：27.4

扫描算法（SCAN） 该算法与电梯的运行规律相似，也称为电梯调度。 优点： 较好的寻道性能； 防止进程饥饿； 缺点： （从100号磁道开始，向磁道号增加方向访问） 被访问的下一个磁道号 移动距离（磁道数） 150 50 165 15 185 20 95 90 60 35 56 4 40 16 38 2 19 平均寻道长度：27.9 该算法与电梯的运行规律相似，也称为电梯调度。 优点： 较好的寻道性能； 防止进程饥饿； 缺点： 某些进程的请求可能会被严重地推迟。

循环扫描算法（CSCAN） 优点： 为了减少这种延迟，CSCAN算法规定磁头单向移动，即将最小磁道号紧接着最大磁道号构成循环，进行循环扫描。 （从100号磁道开始，向磁道号增加方向访问） 被访问的下一个磁道号 移动距离（磁道数） 150 50 165 15 185 20 19 166 38 40 2 56 16 60 4 95 35 平均寻道长度：36.3 优点： 为了减少这种延迟，CSCAN算法规定磁头单向移动，即将最小磁道号紧接着最大磁道号构成循环，进行循环扫描。

旋转调度 当移动臂定位后，可能会有多个访问者访问该 柱面。 怎样来决定这些等待访问者的执行次序呢？从 效率上考虑，显然应优先选择延迟时间最短的 访问者去执行。 这种根据延迟时间来决定执行次序的调度称为 旋转调度。

旋转调度 在进行旋转调度时应区分如下几种情况： 对于1和2： 旋转调度总是对先到达读写磁头位置下的扇区进行信息 传送。 对于3： 若干请求者要访问同一磁头下的不同扇区； 若干请求者要访问不同磁头下的不同编号的扇区； 若干请求者要访问不同磁头下具有相同编号的扇区。 对于1和2： 旋转调度总是对先到达读写磁头位置下的扇区进行信息 传送。 对于3： 这些请求指定的扇区会同时到达磁头位置下，根据磁头 号从中任意选择一个磁头进行读/写操作，其余请求者必 须等磁盘再次把扇区旋转到磁头位置时才有可能被选中。

旋转调度 例如，有四个访问5号柱面的访问者，它们的访问要求如 下所示： 执行次序： （1）（2）（4）（3）；或（1）（3）（4）（2）； 请求次序 柱面号 磁头号 扇区号 （1） 5 4 1 （2） （3） （4） 2 8 执行次序： （1）（2）（4）（3）；或（1）（3）（4）（2）； 其中第（2）（3）两个请求都是访问第5个扇区，当第5个扇区旋转到磁头位置下时，只有其中一个请求可执行传送操作，而另一个请求必须等磁盘再一次把第5个扇区旋转到磁头位置下时才能执行。

信息的优化分布 信息在磁道上的排列方式也会影响旋转调度的 时间。

信息的优化分布 例：某系统对磁盘初始化时把每个盘面分成8个扇区，现有8个逻辑记录被存放在同一个磁道上供处理程序使用，处理程序要求顺序处理这8个记录，每次请求从磁盘上读一个记录，然后对读出的记录花5毫秒的时间进行处理，以后再读下一个记录进行处理，直至8个记录都处理结束。假定磁盘转速为20毫秒/周。 L3 L2 L4 L1 始点 L5 L8 L6 L7 旋转方向 （a）顺序存放 处理8条记录所要花费的时间：8×（2.5+5）+7×15=165毫秒

信息的优化分布 优化： 处理8条记录所要花费的时间：8×（2.5+5）=60毫秒 L7 L4 L2 L1 始点 L5 L6 L8 L3 旋转方向 （b）优化存放 处理8条记录所要花费的时间：8×（2.5+5）=60毫秒

提高磁盘I/O速度的方法 1. 磁盘高速缓存 2. 提高磁盘I/O速度的其它方法 （1）提前读（Read-ahead） （2）延迟写 （3）优化物理块的分布 （4）虚拟盘

本章小结 I/O控制方式 缓冲技术 设备分配 磁盘存储器 I/O系统概述 I/O设备的分类、I/O通道、“瓶颈”问题 四种I/O控制方式 单缓冲、双缓冲、循环缓冲 设备分配 设备独立性 磁盘存储器 磁盘调度算法

PURSUING EXCELLENCE / TOWARD SUCCESS WUCHANG UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 武昌理工学院 Thank you！