操作系统的设备管理.ppt

第七章 设备管理 (Devices Management) 教学目的： 设备管理不但要管理实际I/O操作的设备（如磁盘机、打印机），还要管理诸如设备控制器、DMA控制器、中断控制器、I/O处理机（通道）等支持设备。设备管理包括各种设备分配、缓冲区管理和实际物理I／O设备操作，通过管理达到提高设备利用率和方便用户。 设备管理是操作系统中最繁杂而且与硬件紧密相关的部分。 教学要求： 了解设备的分类，熟悉设备管理的目标和功能。 熟悉程序I/O方式、中断方式、DMA方式和通道方式四种I/O的控制方式；掌握通道的概念，熟悉通道类型。 熟悉缓冲的概念，熟悉单缓冲、双缓冲和多缓冲和缓冲池工作原理，了解UNIX系统的缓冲技术。 了解在进行设备分配时应考虑的设备的固有属性、设备的分配算法、设备分配的安全性和设备的独立性等因素；掌握设备分配中数据结构，熟悉设备分配的流程；掌握SPOOLing技术概念和SPOOLing系统的组成。 熟悉设备处理程序的功能和处理方式，熟悉设备处理程序的处理过程。 （一）设备管理的概述 （1）I/O系统的组成： I/O系统的结构可以分成两大类：微机I/O系统和主机I/O系统 1、微机I/O系统 微机I/O系统多采用总线I/O系统结构。 2、主机I/O系统 因为配置的I/O设备较多，若用一条总线直接与CPU通讯，会使总线和CPU的负担太重。因此增加一级I/O通道，以替代CPU与各设备控制器进行通信，实现对它们的控制。 I/O通道共分为4级： （一）设备管理的概述 （1）设备的分类 I/O设备的种类繁多，从OS观点来看，其重要的性能指标有：数据传输速率、数据的传输单位、设备的共享属性等。 1．按传输速率分类 低速设备：指传输速率为每秒钟几个字节到数百个字节的设备。典型的设备有键盘、鼠标、语音的输入等； 中速设备：指传输速率在每秒钟数千个字节至数十千个字节的设备。典型的设备有行式打印机、激光打印机等； 高速设备：指传输速率在数百千个字节至数兆字节的设备。典型的设备有磁带机、磁盘机、光盘机等。 设备的分类-1 2．按信息交换的单位分类 块设备（Block Device）：指以数据块为单位来组织和传送数据信息的设备。这类设备用于存储信息，有磁盘和磁带等。它属于有结构设备。典型的块设备是磁盘，每个盘块的大小为512B～4KB，磁盘设备的基本特征是：①传输速率较高，通常每秒钟为几兆位；②它是可寻址的，即可随机地读/写任意一块；③磁盘设备的I/O采用DMA方式。 字符设备（Character Device）：指以单个字符为单位来传送数据信息的设备。这类设备一般用于数据的输入和输出，有交互式终端、打印机等。它属于无结构设备。字符设备的基本特征是：①传输速率较低；②不可寻址，即不能指定输入时的源地址或输出时的目标地址；③字符设备的I／O常采用中断驱动方式。 设备的分类-2 3．按资源分配的角度分类（或按共享属性） 独占设备：指在一段时间内只允许一个用户（进程）访问的设备，大多数低速的I/O设备，如用户终端、打印机等属于这类设备。因为独占设备属于临界资源，所以多个并发进程必须互斥地进行访问。 共享设备：指在一段时间内允许多个进程同时访问的设备。显然，共享设备必须是可寻址的和可随机访问的设备。典型的共享设备是磁盘。共享设备不仅可以获得良好的设备利用率，而且是实现文件系统和数据库系统的物质基础。 虚拟设备：指通过虚拟技术将一台独占设备变换为若干台供多个用户（进程）共享的逻辑设备。一般可以利用假脱机技术（SPOOLing技术）实现虚拟设备。 (2)设备管理的目标和功能 1．设备管理的目标 提高设备的利用率 为此，应尽量提高CPU与I/O设备之间的并行操作程度，主要利用的技术有：中断技术、DMA技术、通道技术、缓冲技术。 为用户提供方便、统一的界面 所谓方便，是指用户能独立于具体设备的复杂物理特性之外而方便地使用设备。所谓统一，是指对不同的设备尽量使用统一的操作方式，例如各种字符设备用一种I/O操作方式。这就要求用户操作的是简便的逻辑设备，而具体的I/O物理设备由操作系统去实现，这种性能常常被称为设备的独立性。 设备管理的目标和功能-1 2. 设备管理功能 设备分配 指设备管理程序按照一定的算法把某一个I/O设备、及其相应的设备控制器和通道分配给某一用户（进程），对于未分配到的进程，则插入等待队列中。 缓冲区管理 为了解决CPU与I/O之间速度不匹配的矛盾，在它们之间配置了缓冲区。这样设备管理程序又要负责管理缓冲区的建立、分配和释放。 实现物理I/O设备的操作 对于具有通道的系统，设备管理程序根据用户提出的I/O请求，生成相应的通道程序并提交给通道，然后用专门的通道指令启动通道，对指定的设备进行