第7章輸入/輸出管理

7.1I/O管理概述

7.2設(shè)備分配

7.3I/O軟件層次

7.4磁盤調(diào)度和管理7.1I/O管理概述

7.1.1I/O設(shè)備分類和標(biāo)識(shí)1．設(shè)備分類可以從不同角度對(duì)外部設(shè)備進(jìn)行分類，按照工作特性可把它們分成存儲(chǔ)設(shè)備和輸入/輸出設(shè)備兩大類。（1）存儲(chǔ)設(shè)備它們是計(jì)算機(jī)用來(lái)存儲(chǔ)信息的主要設(shè)備。（2）輸入/輸出設(shè)備還可以從其他角度對(duì)設(shè)備進(jìn)行分類。例如：按傳輸速率的快慢；按設(shè)備的共享屬性分類，分為獨(dú)占設(shè)備、共享設(shè)備和虛擬設(shè)備；7.1.1I/O設(shè)備分類和標(biāo)識(shí)2．設(shè)備標(biāo)識(shí)系統(tǒng)按某種原則為每臺(tái)設(shè)備分配惟一的號(hào)碼，用做硬件（設(shè)備控制器）區(qū)分和識(shí)別設(shè)備的代號(hào)，稱做設(shè)備絕對(duì)號(hào)（或絕對(duì)地址）。操作系統(tǒng)為每類設(shè)備規(guī)定了一個(gè)編號(hào)，稱做設(shè)備類型號(hào)。如在UNIX系統(tǒng)中，設(shè)備類型號(hào)稱做主設(shè)備號(hào)。設(shè)備相對(duì)號(hào)，是用戶自己規(guī)定的所用同類設(shè)備中的第幾臺(tái)。7.1.2I/O系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

不同規(guī)模的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其I/O系統(tǒng)結(jié)構(gòu)存在差異。在大多數(shù)微型機(jī)和小型機(jī)中，都使用總線I/O系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，圖7-1典型的PC總線結(jié)構(gòu)7.1.3設(shè)備控制器

I/O設(shè)備一般由機(jī)械和電子兩部分組成。電子部分稱做設(shè)備控制器或適配器操作系統(tǒng)總是通過(guò)設(shè)備控制器實(shí)施對(duì)設(shè)備的控制和操作。控制器是可編址的設(shè)備。1．控制器接口設(shè)備控制器有兩個(gè)方向的接口：一個(gè)是與主機(jī)之間的系統(tǒng)接口；另一個(gè)是與設(shè)備驅(qū)動(dòng)電路之間的低層次接口。7.1.3設(shè)備控制器

2．控制器功能①實(shí)現(xiàn)主機(jī)和設(shè)備之間的通信控制，進(jìn)行端口地址譯碼。②把計(jì)算機(jī)的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械部分能夠識(shí)別的模擬信號(hào)，或者反過(guò)來(lái)。③實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的緩沖。④接收主機(jī)發(fā)來(lái)的控制命令。⑤將設(shè)備和控制器當(dāng)前所處的狀態(tài)提供給主機(jī)。7.1.3設(shè)備控制器

3．存儲(chǔ)器映像I/O為了實(shí)現(xiàn)與CPU通信，每個(gè)控制器都有幾個(gè)寄存器。控制寄存器狀態(tài)寄存器數(shù)據(jù)寄存器除控制寄存器外，很多設(shè)備還有數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。7.1.3設(shè)備控制器

CPU與控制寄存器和設(shè)備數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的通信方式有兩種。一種方式是為每個(gè)控制寄存器分配一個(gè)I/O端口號(hào)（8位或16位整數(shù)），使用專門的I/O指令，CPU可以讀/寫控制寄存器。另一種方式是把所有控制寄存器映像到存儲(chǔ)器空間。這種模式稱做存儲(chǔ)器映像I/O（Memory-MappedI/O）。此外，還有混合方式，既有存儲(chǔ)器映像I/O數(shù)據(jù)緩沖器，又采用單獨(dú)的I/O端口。7.1.3設(shè)備控制器

圖7-2內(nèi)存和I/O的地址空間7.1.4I/O系統(tǒng)的控制方式

1．程序控制直接傳遞方式2．程序查詢方式3．中斷控制方式其基本工作過(guò)程是：①CPU執(zhí)行設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，發(fā)出啟動(dòng)I/O設(shè)備的指令，使外設(shè)處于準(zhǔn)備工作狀態(tài)。然后，CPU繼續(xù)運(yùn)行程序，進(jìn)行其他信息的處理。②I/O控制器按照I/O指令的要求，啟動(dòng)并控制I/O設(shè)備的工作。7.1.4I/O系統(tǒng)的控制方式

③當(dāng)輸入就緒、輸出完成或發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，I/O控制器便向CPU發(fā)送一個(gè)中斷信號(hào)。④CPU接收到中斷信號(hào)后，保存少量的狀態(tài)信息。然后將控制傳送給中斷處理程序。⑤中斷處理程序確定中斷原因，執(zhí)行相應(yīng)的處理工作，最后退出中斷，返回中斷前的執(zhí)行狀態(tài)。⑥CPU恢復(fù)對(duì)被中斷任務(wù)的處理工作。4．直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)方式（1）DMA控制方式的引入（2）DMA的傳送操作7.1.4I/O系統(tǒng)的控制方式

圖7-3DMA傳送操作5．獨(dú)立通道方式

（1）通道的引入為使CPU擺脫繁忙的I/O事務(wù)，現(xiàn)代大、中型計(jì)算機(jī)都設(shè)置了專門處理I/O操作的機(jī)構(gòu)，這就是通道。通道程序由通道執(zhí)行的指令組成。（2）通道類型

①字節(jié)多路通道。它以字節(jié)作為信息輸送單位，服務(wù)于多臺(tái)低速I/O設(shè)備。

②選擇通道。它在同一時(shí)間里只能為一臺(tái)設(shè)備服務(wù)。主要用于連接高速外部設(shè)備③成組多路通道。它結(jié)合字節(jié)多路通道分時(shí)操作和選擇通道高速傳送的優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于連接高速和中速設(shè)備。6．I/O處理器方式7.1.5I/O管理的功能1．I/O軟件的主要目標(biāo)（1）與設(shè)備無(wú)關(guān)也稱設(shè)備獨(dú)立性。就是說(shuō)，用戶程序應(yīng)與實(shí)際使用的物理設(shè)備無(wú)關(guān)，由操作系統(tǒng)考慮因?yàn)閷?shí)際設(shè)備不同而需要使用不同的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序等問(wèn)題。（2）統(tǒng)一命名（3）層次結(jié)構(gòu)（4）效率高7.1.5I/O管理的功能2．I/O管理的主要功能（1）監(jiān)視設(shè)備狀態(tài)（2）進(jìn)行設(shè)備分配（3）完成I/O操作（4）緩沖管理與地址轉(zhuǎn)換7.2設(shè)備分配7.2.1與設(shè)備分配相關(guān)的因素（1）I/O設(shè)備的固有屬性（2）系統(tǒng)所采用的分配算法（3）設(shè)備分配應(yīng)防止死鎖發(fā)生（4）用戶程序與實(shí)際使用的物理設(shè)備無(wú)關(guān)7.2.2設(shè)備分配技術(shù)1．按使用性質(zhì)對(duì)設(shè)備分類

（1）獨(dú)占設(shè)備獨(dú)占設(shè)備是不能同時(shí)共用的設(shè)備，即在一段時(shí)間內(nèi)，該設(shè)備只允許一個(gè)進(jìn)程獨(dú)占。

（2）共享設(shè)備共享設(shè)備是可由若干進(jìn)程同時(shí)共用的設(shè)備。

（3）虛擬設(shè)備虛擬設(shè)備是利用某種技術(shù)把獨(dú)占設(shè)備改造成可由多個(gè)進(jìn)程共用的設(shè)備。7.2.2設(shè)備分配技術(shù)2．設(shè)備分配技術(shù)（1）獨(dú)占分配獨(dú)占分配技術(shù)是把獨(dú)占設(shè)備固定地分配給一個(gè)進(jìn)程，直至該進(jìn)程完成I/O操作并且釋放它為止。（2）共享分配（3）虛擬分配虛擬分配技術(shù)利用共享設(shè)備去實(shí)現(xiàn)獨(dú)占設(shè)備的功能，從而使獨(dú)占設(shè)備“感覺(jué)上”成為可共享的、快速的I/O設(shè)備。7.2.3設(shè)備分配算法

（1）先來(lái)先服務(wù)（2）優(yōu)先級(jí)高的優(yōu)先服務(wù)7.2.4SPOOLing系統(tǒng)

常駐內(nèi)存的進(jìn)程去模擬一臺(tái)外圍機(jī)圖7-5SPOOLing系統(tǒng)①存輸入部分②取輸入部分③存輸出部分④取輸出部分7.2.4SPOOLing系統(tǒng)

上述4個(gè)部分的工作可由輸入進(jìn)程IN和輸出進(jìn)程OUT完成。ISPOOLing可使一個(gè)作業(yè)的輸入/輸出與其他作業(yè)的計(jì)算重疊起來(lái)進(jìn)行。SPOOLing提供了非常重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)——作業(yè)池。付出不少代價(jià)①占用大量的內(nèi)存作為外設(shè)之間傳送信息用的緩沖區(qū)，它所用的表格也占用不少內(nèi)存空間；②占用大量磁盤空間作為輸入井和輸出井；③增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。7.3I/O軟件層次圖7-6I/O軟件系統(tǒng)的層次7.3.1中斷處理程序7.3.2設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序1．設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的功能①接受來(lái)自上層、與設(shè)備無(wú)關(guān)軟件的抽象讀寫請(qǐng)求，并且將該I/O請(qǐng)求排在請(qǐng)求隊(duì)列的隊(duì)尾，同時(shí)還要檢查I/O請(qǐng)求的合法性（如參數(shù)是否合法）。②取出請(qǐng)求隊(duì)列中隊(duì)首請(qǐng)求，且將相應(yīng)設(shè)備分配給它。③向該設(shè)備控制器發(fā)送命令，啟動(dòng)該設(shè)備工作，完成指定的I/O操作。④處理來(lái)自設(shè)備的中斷。7.3.2設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序

2．設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序在系統(tǒng)中的位置通常，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序與設(shè)備類型是一一對(duì)應(yīng)的。主設(shè)備號(hào)表示設(shè)備類型，而次設(shè)備號(hào)表示該類型的一個(gè)設(shè)備。圖7-7設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序在系統(tǒng)中的邏輯位置7.3.3與設(shè)備無(wú)關(guān)的操作系統(tǒng)I/O軟件圖7-8與設(shè)備無(wú)關(guān)的操作系統(tǒng)I/O軟件的功能7.3.3與設(shè)備無(wú)關(guān)的操作系統(tǒng)I/O軟件1．設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的統(tǒng)一接口2．緩沖技術(shù)（1）緩沖技術(shù)的引入引入緩沖技術(shù)的主要目的是：①緩解CPU與I/O設(shè)備間速度不匹配的矛盾。②提高它們之間的并行性。③減少對(duì)CPU的中斷次數(shù)，放寬CPU對(duì)中斷響應(yīng)時(shí)間的要求。（2）緩沖區(qū)的設(shè)置

①單緩沖。如果數(shù)據(jù)到達(dá)率與離去率相差很大，則可采用單緩沖方式。

②雙緩沖。如果信息的輸入和輸出速率相同（或相差不大），則可利用雙緩沖區(qū)實(shí)現(xiàn)二者的并行。7.3.3與設(shè)備無(wú)關(guān)的操作系統(tǒng)I/O軟件圖7-9雙緩沖工作示例7.3.3與設(shè)備無(wú)關(guān)的操作系統(tǒng)I/O軟件③多緩沖。為了解決陣發(fā)性I/O的速度不匹配問(wèn)題，可以設(shè)立多個(gè)緩沖區(qū)。3．出錯(cuò)報(bào)告根據(jù)錯(cuò)誤產(chǎn)生的原因，可把I/O錯(cuò)誤分為兩類：一類是程序設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，另一類是實(shí)際I/O錯(cuò)誤。4．分配和釋放獨(dú)占設(shè)備5．提供與設(shè)備無(wú)關(guān)的塊大小7.3.4用戶級(jí)I/O軟件多數(shù)I/O軟件都在操作系統(tǒng)中，用戶空間中也有一小部分。通常，它們以庫(kù)函數(shù)形式出現(xiàn)。用戶空間中另一個(gè)重要的I/O軟件是SPOOLing系統(tǒng)。7.4磁盤調(diào)度和管理

7.4.1磁盤硬件1．磁盤的結(jié)構(gòu)圖7-10硬盤結(jié)構(gòu)示意圖7.4.1磁盤硬件（1）Header（磁頭）硬盤盤片數(shù)=（磁頭數(shù)+2）/2（2）Cylinder（柱面）（3）Sector（扇區(qū)）扇區(qū)是將磁道按照相同角度等分的扇形。2．獨(dú)立磁盤冗余陣列廉價(jià)磁盤冗余陣列RAID（RedundantArraysofInexpensiveDesks）。7.4.2磁盤調(diào)度

1．磁盤存取時(shí)間減少平均尋道時(shí)間就可以顯著地改善系統(tǒng)性能。2．磁盤調(diào)度算法（1）先來(lái)先服務(wù)法（FCFS）要訪問(wèn)的磁道分別是：98，183，37，122，14，124，65，67最早來(lái)的請(qǐng)求是訪問(wèn)98道，最后一個(gè)是訪問(wèn)67道。設(shè)磁頭最初在53道上。7.4.2磁盤調(diào)度

圖7-12先來(lái)先服務(wù)調(diào)度算法示例7.4.2磁盤調(diào)度

（2）最短尋道時(shí)間優(yōu)先法（SSTF）圖7-13最短尋道時(shí)間優(yōu)先調(diào)度7.4.2磁盤調(diào)度

（3）掃描法（SCAN）圖7-14掃描調(diào)度算法示例7.4.2磁盤調(diào)度

（4）巡回掃描法（C-SCAN）圖7-15巡回掃描調(diào)度算法示例7.4.2磁盤調(diào)度

（5）尋查法（LOOK）LOOK算法也稱“電梯”算法圖7-16循環(huán)尋查調(diào)度算法示例7.4.2磁盤調(diào)度3．磁盤調(diào)度算法的選擇①任何調(diào)度算法的性能都依賴于I/O請(qǐng)求的數(shù)量和類型。②文件的物理存放方式對(duì)磁盤請(qǐng)求有很大影響。③目錄和索引塊的位置對(duì)I/O請(qǐng)求隊(duì)列有重要影響。④旋轉(zhuǎn)延遲時(shí)間的影響。7.4.3磁盤管理1．磁盤格式化低級(jí)格式化或物理格式化低級(jí)格式化按照規(guī)定的格式為每個(gè)扇區(qū)填充控制信息。扇區(qū)頭、數(shù)據(jù)區(qū)（通常為512B）和扇區(qū)尾（2）磁盤分區(qū)和邏輯格式化第一步是分區(qū)，即把磁盤分成一個(gè)或多個(gè)柱面組。第二步工作是邏輯格式化