操作系统第5章设备管理

1操作系统2计算机操作系统第一章操作系统概述第二章作业与界面管理（用户接口）第三章文件管理第四章内存管理第五章设备管理第六章进程管理3设备管理的目的4.1概述4.1.1设备管理的目的由操作系统来对设备进行统一管理，就是为了方便用户使用设备，最大限度地实现设备的共享，提高设备的利用率，实现外围设备和其他计算机部件之间的并行操作，防止用户错误地使用外围设备，从而提高外围设备和系统的可靠性和安全性。4设备管理的任务4.1.2设备管理的任务选择和分配输入/输出设备以进行数据传输操作；控制输入/输出设备和CPU（或内存）之间交换数据；为用户提供一个友好的透明接口，屏蔽硬件设备的具体特性，使用户在编制应用程序时不必涉及具体设备，由操作系统按用户要求控制设备工作；提高设备和设备之间、CPU和设备之间的并行操作度。5设备管理的功能4.1.3设备管理的功能1.进行设备分配，按照设备类型和相应的分配算法把设备和其它有关的硬件分配给请求该设备的进程，并把未分配到所请求设备或其它有关硬件的进程放入等待队列；2.实现设备和设备、设备和CPU等之间的并行操作;3.进行缓冲区管理。6I/O系统的组成4.2I/O系统计算机的外部设备就是除了CPU和主存之外的其他大部分的计算机硬件设备，它与计算机的主存之间的信息传送操作称为输入输出操作。I/O系统包括I/O设备及其接口线路、控制部件、通道和管理软件。计算机的技术进步飞速，应用领域不断扩大，其输入输出信息量急剧增加，I/O设备的种类和数量也越来越多，而它们与主机的联络和信息交换方式差异较大。输入输出操作不仅影响计算机的通用性和可扩充性，而且成为衡量计算机系统综合处理能力及其性能价格比的重要因素。7系统设备和用户设备4.2.1I/O设备分类1.按系统和用户分类按此种分类,将IO设备分为:系统设备(一般是标准设备)，在安装操作系统时就记载在系统中，属于系统基本配置。例如目前使用的显示器、键盘、鼠标器、光盘驱动器等。用户设备(一般为非标准设备)，通常由用户根据需要自行添加的。如打印机等。8字符设备和块设备2按输入输出传送方式分类按I/O设备的物理特性和它们在系统中所起的作用，还可分为两种主要类型：字符设备和块设备。字符型设备(characterdevice)是以字符为单位进行输入输出的设备，也就是说这类设备每输入或输出一个字符就要中断一次主机CPU请求进行处理，这类设备也称为慢速字符设备。块设备(blockdevice):是以字符块为单位进行输入输出的设备，在不同的系统或系统的不同版本中，“块”的大小定义不同。9独占设备,共享设备和虚拟设备3按资源特点分类独占设备：所谓独占，是指这类设备要以用户作业或任务为单位分配，在用户作业或任务未完成或退出之前，此设备不能分配作其它用。共享设备：所为共享，是指多个用户作业、多个任务或多个进程可以“同时”从这些设备上存取信息，而这里的“同时存取”实际上是指可以交替地从这些设备上存取信息。虚拟设备：通过某种技术将独享设备改造成多台同类型独享设备或共享设备。例如，通过排队转储的技术(SPOOLing，Spooler)可以使一台打印机虚拟成多台打印机。10顺序存取设备和直接存取设备4按设备硬件物理特性分类顺序存取设备存取时间与物理上当前位置有关，例如磁带。直接存取设备存取时间与物理上当前位置关系不大，例如磁盘。磁盘是直接存取设备，又称随机存取设备，存取磁盘上任一物理块的时间不依赖于该物理块所处的位置，这类设备多数是共享设备。11设备控制器的单总线模型12设备控制器的主要功能设备控制器的主要功能为：接收和识别CPU或通道发来的命令，例如，磁盘控制器能接收读、写、查找、搜索等各种命令；实现数据交换，包括设备和控制器之间的数据传输；通过数据总线或通道，控制器和主存之间的数据传输；发现和记录设备及自身的状态信息，供CPU处理使用；设备地址识别。13设备分配原则与设备分配方式4.5设备分配4.5.2设备分配原则先请求先分配优先级高者先分配设备分配方式有两种，即：静态分配动态分配14磁盘设备的结构4.7磁盘组织与管理4.7.1磁盘性能简述1.磁盘设备的结构盘片组磁道轴读写磁头移动臂柱面15磁盘信息的存取时间3.磁盘信息的存取时间访问磁盘时，要经过移动磁头、扇区转动等待和读写操作3个步骤,所以读写一个盘块的时间由3个因素决定：（1）寻道时间Ts，这是把磁头从当前位置移动到指定磁道上所经历的时间。该时间是启动磁盘时间s与磁头移动n条磁道所花费的时间之和。即Ts=an+s16磁盘信息的存取时间式中a是一常数，它与磁盘驱动器的速度有关。对一般磁盘a=0.3；对高速磁盘a=0.1，磁盘启动时间约为3ms。对于一般磁盘其寻道时间将随寻道距离的增大而增大，大体上是10ms~40ms。（2）旋转延迟时间Tr，即指定扇区移动到磁头下面所经历的时间。硬盘的旋转速度一为4500r/min，每转需时13.3ms，平均旋转延迟时间为6.6ms。（3）传输时间Tt，指把数据从磁盘读出，或向磁盘写入数据所经历的时间，Tt的大小与每次所读/写的字节数b及旋转速度有关：Tt=b/rN其中，r为磁盘每秒钟的转数；N为一条磁道上的字节数，rN就是每秒读取的字节数。17先来先服务（FCFS）算法4.7.2磁盘调度1.先来先服务（FCFS）算法这种算法是根据进程请求访问磁盘的先后次序进行调度。此算法的优点是公平、处理简单，且每个进程的请求都能得到处理，不会出现某一个进程的请求长期得不到满足的情况。但此算法未对寻道进行优化，致使平均寻道时间可能较长。一般适用于请求磁盘I/O的进程数目较少的场合。例如，当前磁头在53号柱面上执行输入输出操作，而等待访问者依次要访问的柱面为98、183、37、122、14、124、65、67，则当53号柱面上的操作结束后，移动臂将按请求的先后次序将磁头移动到98号柱面，最后到达67号柱面，如图4-16所示18先来先服务调度算法0143753656798122124183199（45+85+146+85+108+110+59+2）/8=8019SSTF2.最短寻道时间优先（SSTF)算法SSTF总是从等待访问者中挑选寻找时间最短的那个请求先执行，而不管访问者到来的先后次序。继续FCFS的例子来讨论，当53号柱面的操作结束后，应该先处理65号柱面的请求，然后到达67号柱面执行操作。随后应该处理37号柱面的请求，而不是98号柱面的请求。后继操作的次序应该是14、98、122、124、183，如图4-17所示。20sstf0143753656798122124183199(12+2+30+23+84+24+2+59)/8=29.521扫描(SCAN)算法3.扫描(SCAN)算法该法俗称探照灯法。磁臂从磁盘的一端出发，向另一端移动，遇到需要访问的柱面就完成访问请求，直到到达磁盘的另一端再改变磁臂的移动方向，如此反复进行。此算法获得了较好的寻道性能，防止了饥饿现象，故广泛用于大、中、小型机和网络中的磁盘调度。其存在的问题是：当磁头刚从里向外移动过某一磁道时，恰有一个进程请求访问此磁道，这时该进程必须等待，待磁头从里向外，然后再从外向里扫描完所有要访问的磁道后，才处理该进程的请求，致使该进程的请求被严重推迟。22上述例子，规定递减的方向，即访问顺序为53、37、14、65、67、98、122、124、183（16+23+51+2+31+24+2+59）/8=2623磁盘的旋转调度7.磁盘的旋转调度随着磁盘技术的改进，寻道时间越来越短，而旋转延迟时间却没有改变。有一些磁盘的平均寻道时间已经比旋转延迟时间短了。由于旋转延迟时间成为磁盘寻道的主要部分，就应该重点考虑旋转调度的算法了。根据延迟时间来决定执行次序的调度称为旋转调度。当移动臂定位后，有多个访问者等待访问该柱面时，应该优先选择延迟时间最短的访问者。可见，当一次移臂调度把移动臂定位到某一柱面后，还可能进行多次旋转调度，以减少若干个信息传输操作的总时间。