第 4 单元设备管理

第 4 单元设备管理设备特点各异，如何管？用户如何使用设备？

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2. 设备管理的目标提高设备利用率

合理分配设备提高设备与 CPU 、各外部设备之间的并行性

方便用户的使用提供使用方便且独立于设备的界面

统一：对各种不同的设备提供一致的界面独立于设备：用户使用的设备与物理设备无关

输入∕输出管理——设备管理概述

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2. I/O 子系统

输入∕输出管理——设备控制

内核

内核 I/O 子系统

SCSI设备驱动器

键盘设备驱动器

鼠标设备驱动器

PCI 总线设备驱动器

软盘设备驱动器 …

SCSI设备控制器

键盘设备控制器

鼠标设备控制器

PCI 总线设备控制器

软盘设备控制器 …

SCSI设备

键盘鼠标 PCI总线

软盘驱动器 …

软件

硬件

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I/O 接口程序 (I/O 过程 )

将逻辑设备转换为物理设备获得 I/O 系统调用中给出的逻辑设备名 (ldev)

根据逻辑设备描述器，将逻辑设备名转换为物理设备名

合法性检查获得 I/O 系统调用中给出的操作模式 mode

根据 DCB 中命令转换表中允许的操作，检查操作的合法性

形成 I/O 请求块，发消息给对应的设备处理进程根据请求的参数形成 I/O 请求块 (IORB)

将 I/O 请求块 (IORB) 挂到对应的设备请求队列


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设备处理 ( 驱动 ) 程序设备处理程序是能直接控制设备运转的程序，它根据各类

设备的特点和性能来编写。每一类设备有一个相应的设备处理程序，能控制同类中多台物理设备同时工作。


设备驱动程序层的作用是为内核 I/O 子系统隐藏设备控制器之间的差异。将 I/O 子系统与硬件分离，简化了操作系统开发人员的任务，也有利于设备的设计与制造。

I/0 过程中各层工作分工

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输入

控制器寄存器组

用户数据区缓冲区相关层无关层

输出



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图 5-16 I/O 系统的层次及功能

ÓÃ»§²ãÈí¼þ

Éè±¸¶ÀÁ¢ÐÔÈí¼þ

Éè±¸Çý¶¯³ÌÐò

ÖÐ¶Ï´¦Àí³ÌÐò

Ó²¼þ

I/OÓ¦´ð

²úÉúI/OÇëÇó¡¢¸ñÊ½»¯I/O¡¢Spooling

Ó³Éä¡¢±£»¤¡¢·Ö¿é¡¢»º³å¡¢·ÖÅä

ÉèÖÃÉè±¸¼Ä´æÆ÷£¬¼ì²é¼Ä´æÆ÷×´Ì¬

Ö´ÐÐI/O²Ù×÷

相关

层

无关

层

操作系统设备管理功能的内部结构设计一般是基于分层的思想，因此，通常将 I/O 软件组织成四个层次：用户应用层软件、中断处理程序、独立于设备的软件和设备驱动程序。采用分层思想的主要目的是 _(1)__ 。当用户进程提出 T/O 请求访问硬件时：需要按“ __(2)__ ” 的层次结构进行。(1)

A ．便于即插即用　 B ．减少系统占用的空间C ．便于系统修改、扩充和移植　 D ．提高处理速度

(2)A ．进程请求 I/O 一独立于设备的软件一中断处理程序一设备驱动程序一硬件　 B ．进程请求 I/O 一独立于设备的软件—设备驱动程序一中断处理程序一硬件　 C ．进程请求 I/O 一设备驱动程序一中断处理程序一独立于设备的软件一硬件　 D ．进程请求 I/O 一设备驱动程序一独立于设备的软件一中断处理程序一硬件

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3. 设备管理功能状态跟踪

动态地记录各种设备的状态设备分配与回收

作业级——静态分配作业进入系统时进行分配，退出系统时收回全部资源。进程级——动态分配

进程提出设备申请时进行分配，使用完毕后立即收回。设备控制

实施设备驱动和中断处理的工作


设备控制块什么是设备控制块 (DCB )

系统为每一台设备都配置了一个用来记录设备的硬件特性、连接和使用情况的一组数据，称为设备控制块。

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设备控制块的内容

设备名

设备属性

指向命令转换表的指针

在 I/O 总线上的设备地址

设备状态

当前用户进程指针

I/O 请求队列指针

设备名设备的系统名，即设备的物理名。

设备属性是描述设备现行状态的一组属性

命令转换表转换表包含设备特定的 I/O 例程地址，不具备相应功能的设备在其例程地址上可以填“－ 1”


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设备分类存储设备

又称块设备，是存储信息的设备，如：磁盘、磁鼓。 ( 以块为单位传输信息 )

输入输出设备又称字符设备，能将信息从计算机外部输入到机内，或反之，如：键盘、显示器、打印、调制解调器、网

卡等


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I/O 子系统与驱动交互方式以设备处理进程的方式

将设备与文件一样对待


以设备处理进程的方式

为每一类设备设置一个设备处理进程 ( 对应的程序就是设备处理程序 ) ；

当有 I/O 请求来到时，该进程被唤醒，进行设备驱动工作；

当没有 I/O 请求时，该进程睡眠。由 I/O 控制模块的接口程序负责解释用户的 I/O 系统调用，将其转

换成 I/O 控制模块认识的命令形式后，将 I/O 请求发给对应的设备处理进程。

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请求 I/O 的进程、 I/O 过程、设备处理进程、中断处理程序之间的同步关系


中断处理程序

doio(ldev,mode,

amount,addr);

/* 等 I/O 完成*/

标识设备；执行出错检查；构成 iocb;

将 iocb 送入设备请求队列；唤醒因等待 I/O 请求块而睡眠的 I/O

进程；

取 iocb;

如无 iocb 则等待；启动 I/O 操作；/* 等 I/O 完成 */

执行出错检查；

唤醒等待 I/O 的进程；

I/O 设备

中断服务；唤醒 I/O 处理进程；

用户进程 I/O 子系统 I/O 驱动进程启动设备

中断信号

控制关系

同步关系

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3. 输入 / 输出控制的例用户进程请求 I/O 的系统功能调用系统功能调用的形式为： doio(ldev,mode,amount,addr);

ldev ：逻辑设备名 mode ：操作模式 amount ：传输数据的数目 addr ：传送地址


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I/O 接口程序的描述算法 doio

输入：设备的逻辑名 ldev

操作类型 mode

传送数据数目 amount

传数数据地址 addr

输出：如果传送出错，则带错误码返回，否则正确返回


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{ while ( 该进程的逻辑设备描述器队列不空 )

{

if ( 与 ldev 相联结的物理设备找到 )

break ； / * 找到 * /

}

if ( 该进程的逻辑设备描述器队列为空 )

return( 错误码 ) ； / * 设备逻辑名错 * /

检查参数与该设备特性是否一致 ;

if ( 不一致 )

return ( 错误码 ) ； / * 传送参数错 * /

构造 iorb ；把 iorb 插入到该设备的请求队列中；唤醒因等待 I/O 请求块而睡眠的进程； }


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设备处理进程 process io

{ l ： while ( 设备请求队列不空 )

{ 取一个 iorb ；提取请求的详细信息；启动 I/O 操作； sleep ( 事件： I/O 完成 ) / * I/O 操作 * /

/ * 等 I/O 完成后，进入中断处理程序，并在那里唤醒设备处理进程 * /

if ( 出错 ) 将错误信息写在该设备的 dcb 中；传送数据到目的地；唤醒请求此 I/O 操作的进程；删除 iorb ； }

sleep ( 事件：因无 I/O 请求 ) ； goto l ； }


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I/O 子系统与驱动交互方式以设备处理进程的方式

将设备与文件一样对待


设备当文件处理

• 将设备与文件一样对待，使用文件系统的系统调用命令进行设备的读、写。

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打开设备

• 与文件系统统一： open(“/dev/pt”)• FCB( 存放文件属性信息的数据结构 ) 中设置标志位来

区分是设备或文件• 打开一个设备文件，得到该文件的 FCB ，不过同普

通文件的 FCB 不同，包含内容• 主设备号：索引设备开关表• 次设备号：作为参数传递给设备驱动程序

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写设备

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输入



输出



读设备

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输入



输出



讨论缓冲分配

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1. 缓冲概念什么是缓冲缓冲是两种不同速度的设备之间传输信息时平滑传输过程的常用手段。缓冲类别

缓冲器缓冲器是用来暂时存放数据的一种存储装置，它容量较小，存取速度快。

软件缓冲在 I/O 操作期间用来临时存放 I/O 数据的一块存储区域。

输入∕输出管理——缓冲技术

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为什么要引入缓冲处理数据流的生产者与消费者间的速度差异

如：从调制解调器收到一个文件，并保存到硬盘上。协调传输数据大小不一致的设备

如：在计算机网络中用来处理消息的分段和重组。应用程序的拷贝语义

如：操作系统为保证系统调用 write 的正确语义 ( 应用程

序要写入磁盘的数据就是 write 系统调用发生时的版本 ) 。

方法：在系统调用返回前将应用程序缓冲区复制到内

核缓冲区。对于磁盘缓冲而言还有另外的好处


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UNIX 缓冲管理算法缓冲读、写示意图

缓冲读

高速缓冲

用户数据区

用户进程磁盘

预先缓存

缓冲写

高速缓冲

用户数据区

用户进程

磁盘

延迟发送


. 常用的缓冲技术双缓冲、环形缓冲、缓冲池

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2. 利用缓冲技术如何进行 I/O 操作进程活动期间，请求从某字符设备读入数据

进程请求从输入设备进行读操作的图示


输入设备

BUF

进程

①

②

③

②与③需要同步

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进程活动期间，请求从输出设备输出数据进程请求从输出设备进行写操作的图示


②与③需要同步

①

② ③

输出设备

BUF

进程

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输入数据时，如何利用双缓冲


输入设备

BUF1

进程

① ②

③

BUF2

②

③

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输出数据时，如何利用双缓冲


输出设备

BUF1

进程

①

②

③

BUF2

②

③

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缓冲区既用于输入，也用于输出数据时，如何利用双缓冲


输入设备

BUF1

①②③

BUF2

②

③

输出设备


4. UNIX 系统的缓冲区管理 UNIX 系统缓冲管理的目的

加快系统响应、增强系统吞吐量减少对磁盘的 I/O 操作次数

UNIX 系统缓冲管理的思路当进程要从磁盘读数据时，首先考虑从高速缓冲中读预先缓存当进程要写数据到磁盘时，先写入高速缓冲中延迟发送

UNIX 缓冲管理算法缓冲读、写示意图

缓冲读

高速缓冲

用户数据区

用户进程磁盘

预先缓存

缓冲写

高速缓冲

用户数据区

用户进程

磁盘

延迟发送


缓冲管理数据结构缓冲区的组成

缓存数组　——　含有磁盘上的数据的存储器数组缓存首部　——　描述缓冲区特性的数据结构

缓存首部结构


缓存首部结构设备号 dev

块号 blkno

状态 flag

指向数据区域的指针传送字节数返回的 I/O 出错信息b_forw 设备缓冲区队列前向指针b_back 设备缓冲区队列后向指针av_forw 空闲缓冲区队列前向指针 av_back 空闲缓冲区队列后向指针

设备号 dev 缓冲区所包含的信息所属设备的设备号

块号 blkno 由设备号指出的设备上相对于第 0 块的块

号状态 flag—— 描述了缓冲区当前的状态

忙标志 BUSY ：缓冲区当前正“忙” 有效位 AVE ：缓冲包含的数据有效延迟写 DELWR ：核心在某缓冲区重新分

配出去之前必须把缓冲区内容写到磁盘上写标志 WRITE ：核心当前正把缓冲区的内

容写到磁盘读标志 READ ：核心当前正从磁盘往缓冲

区写信息等待位 WAIT ：一个进程当前正在等候缓

冲区变为空闲


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缓冲区队列结构设备缓冲区队列与某类设备有关的所有缓冲区组成的队列称为设备缓冲

区队列，简称 b链。空闲缓冲区队列可供重新分配使用的缓冲区组成的队列称为空闲缓冲区

队列，简称 av链。

av_forw

av_backav_forw

av_back

av_forw

av_back

av_forw

av_back

空闲缓冲区队列


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缓冲区队列指针 b 链指针

b_forw ：指向设备缓冲区队列上的下一个缓冲区的指针 b_back ：指向设备缓冲区队列上的上一个缓冲区的指针

av 链指针 av_forw ：指向空闲缓冲区队列上的下一个缓冲区的指针 av_back ：指向空闲缓冲区队列上的上一个缓冲区的指针

b_forw

b_back b_forw

b_back

b_forw

b_back

b_forw

b_back

设备缓冲区队列


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UNIX 缓冲管理算法缓冲管理算法

一个 buf 被分配用于读 / 写某设备上的块时置 B_ BUSY=1 ，位于 b链上，不在 av链上；

当读 / 写操作结束时释放该 buf ，置 B_BUSY=0 ，仍留在 b链上，并送

入 av链尾；

若进程需要的信息在 buf 中时在该设备的 b链上找到，置 B_BUSY=1；从 av链

上摘除，使用完后，又送入 av链，链入队尾。


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对空闲 buf 空队列的处理当需要一个空闲 buf 时，总是取空闲 buf 队列 (av 链 )

的首元素；一个使用过的 buf释放时，插入到空闲 buf 队列 (av

链 )

　　　　　　　　　　　　　　　　　　的队尾。实现了精确的最久未使用淘汰算法 (LRU 算法 )

对延迟写的处理当一个具有延迟写标记的 buf 移到 av链头，要用于

分配时，立即进行写操作。从 av链上摘除，使用完后又送入 av头部。


讨论缓冲分配

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1. 独享分配常用的设备分配技术：独享分配、共享分配和虚拟分配 • 独享设备– 让一个作业在整个运行期间独占使用的设备。– 特点

• 临界资源• 费时的 I/O 操作或需人工干预

• 独享分配在一个作业执行前，将它所要使用的设备分配给它；当它

结束撤离时，将分配给它的这类设备收回。

输入∕输出管理——设备分配

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2. 共享分配 • 共享设备– 由多个作业、进程共同使用的设备称为共享设备。– 特点

• 旋转设备，可直接或随机访问• 便于共享，转接简单，耗费较少 +


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3. 虚拟分配虚拟技术所谓虚拟技术，是在一类物理设备上模拟另一类物理设备

的技术，是将独占设备转化为共享设备的技术。虚拟设备通常把用来代替独占型设备的那部分外存空间 (包括有关

的控制表格 ) 称为虚拟设备。


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虚拟分配当进程需要与独占型设备交换信息时，系统将分配磁盘空

间，并建立相应的数据结构，这种分配方法称为设备的虚拟分配。


虚宽行 1

虚宽行 2

进程 A

进程 B

进程 C

进程 D

输入井

输出井

输入机

打印机

虚输入机 1

虚输入机 2

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4. SPOOLING 系统 SPOOLING 系统提供外围设备同时联机操作的功能。设计思想

预输入在作业需要数据前， OS已将所需数据预先输入到辅存输入井存放。当作业 ( 或进程 ) 需要数据时，可直接从辅存中读入主存。

缓输出在在作业执行时，将输出数据写入辅存输出井中。当作业 ( 或进

程 )

　　　　　　　　　执行完毕 ( 或需要数据时 ) ，由操作系统将数据输出。


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什么是 SPOOLING 系统利用通道和中断技术，在主机控制之下，由通道完成输入输出工作。系统提供一个软件系统 ( 包括预输入程序、缓输出程序、井管理程序、预输入表、缓输出表 ) 。它提供输入收存和输出发送的功能，使外部设备可以并行操作。这一软件系统称为 SPOOLING 系统。

SPOOLING 系统的优点提供虚拟设备外围设备同时联机操作加快作业处理速度


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实现 SPOOLING 系统的基础大容量的辅存空间

在辅存上需开辟两个较大的输入井和输出井，用以存放多作业的输入信息和输出信息。

硬件基础通道装置、中断系统

数据结构预输入表、缓输出表：描述辅存输入井和输出井的状态变化。

如：输入信息从哪台设备输入，存放在辅存输入井什么位置；输出信息存放在辅存输出井什么位置，从哪台输出设备输出。


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所需的软件程序输入程序控制信息从独占设备输入到辅存缓输出程序控制信息从辅存输出到独占设备井管理程序

控制用户程序和辅存之间的信息交换


输入机 1

输入机 2

作业 1

作业 2

打印机

磁盘输入井磁盘输出井主存

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4. 设备独立性设备独立性概念

什么是设备独立性所谓设备独立性是指，用户在编制程序时所使用的设备与实际使

用的设备无关，也就是在用户程序中仅使用逻辑设备名。

逻辑设备名逻辑设备名，是用户自己指定的设备名 ( 或设备号 ) ，它是暂时

的、可更改的。

物理设备名物理设备名，是系统提供的设备的标准名称，它是永久的、不可更改的。


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两种类型的设备独立性一个程序独立于分配给它的某种类型的具体设备

系统可以根据设备的使用情况，动态地分配给程序某类设备中的任一台物理设备，程序都能正确地执行。程序应尽可能与它所使用的 I/O 设备类型无关在输入 ( 或输出 ) 信息时，信息可以从不同类型的输入 ( 或输出 ) 设备上输入 ( 或输出 ) ，若要改变输入 ( 或输

出 )

　　　　　设备的类型，程序只需进行最少的修改。


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设备独立性的实现标准设备逻辑名


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设备独立性的优点方便用户改善设备利用率提高系统的可扩展性和可适应性


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2. I/O 子系统


内核

内核 I/O 子系统

SCSI设备驱动器

键盘设备驱动器

鼠标设备驱动器

PCI 总线设备驱动器

软盘设备驱动器 …

SCSI设备控制器

键盘设备控制器

鼠标设备控制器

PCI 总线设备控制器

软盘设备控制器 …

SCSI设备

键盘鼠标 PCI总线

软盘驱动器 …

软件

硬件

设备管理是分层管理的，分为硬件相关部分和硬件无关部分。操作系统可以只做无关部分，硬件相关部分即设备驱动程序，这部分操作系统可以不做，但是会提供一种方式让其作为操作系统的一部分运行

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第 4 单元 设备管理

第 4 单元设备管理