O第5章设备管理

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1.操作系统原理 Principle of Operating System 第5章设备管理精品课程 5.1 概述 5.2 I/O 控制 5.3 I/O 软件层次 5.4 缓冲管理 5.5 设备分配 5.6 磁盘调度和管理 5.7 Windows 设备管理本章主要内容
2.操作系统原理 Principle of Operating System 精品课程控制计算机所有输入 / 输出设备是操作系统的主要功能之一。在计算机系统中，除了 CPU 和内存之外，其他的大部分硬件设备称为外部设备。包括常用的输入输出设备、外存设备以及终端设备等。这些设备种类繁多、特性各异、操作时的区别也很大，从而使得操作系统的设备管理变得十分变变变变，因此，变变变变变变管理是操作系变变变变变变变中最变变变变和碎的部分。 2019年5月14日
3.操作系统原理 Principle of Operating System 第5章设备管理 5.1 概述 5.2 I/O 控制 5.3 I/O 软件层次 5.4 缓冲管理 5.5 设备分配 5.6 磁盘调度和管理精品课程
4.操作系统原理 Principle of Operating System 5.1 精品课程概述 5.1.1 设备分类 5.1.2 设备控制器 5.1.3 设备通道 2019年5月14日
5.操作系统原理 Principle of Operating System 精品课程设备的种类和数量越来越多，结构也越来越复杂，为了管理上的方便，通常按不同的观点，从不同的角度对设备进行分类。 1 、按照信息交换的单位分类：字符设备 (character device) 、块设备 (block device) 2 、按照输入输出特性分类：输入输出设备、存储设备、通信设备 3 、按照所属关系分类：系统设备、用户设备 2019年5月14日
6.操作系统原理 Principle of Operating System 精品课程 4 、按照资源分配方式分类：独占设备、共享设备、虚拟设备 5 、按照传输速率分类：高速设备、中速设备、低速设备 2019年5月14日
7.操作系统原理 Principle of Operating System 5.1 精品课程概述 5.1.1 设备分类 5.1.2 设备控制器 5.1.3 设备通道 2019年5月14日
8.操作系统原理 Principle of Operating System 精品课程一般而言，设备由两大部分组成：物理设备和电子部件，为了达到设计的模块性和通用性，一般将其分开。物理设备泛指输入输出设备中为执行所规定的操作必须有的物理装置，包括机械运动、光学变换、物理效应以及机电、光电或光机结合的各种有形的设备。电子部件称为设备控制器（ Device Controller ）或适配器（ Adapter ），是和计算机系统直接联系的电子部件，在个人计算机中，它常常是一块可以插入主板扩充槽的印刷电路板。 2019年5月14日
9.操作系统原理 Principle of Operating System 精品课程 1 、设备控制器的组成 2019年5月14日
10.操作系统原理 Principle of Operating System 精品课程 2 、设备控制器的功能 ⑴ 接收和识别 CPU 或通道发来的命令 ⑵ 实现数据交换 ⑶ 发现和记录设备及自身的状态信息 ⑷ 设备地址识别 ⑸ 数据缓冲 ⑹ 差错控制 2019年5月14日
11.操作系统原理 Principle of Operating System 精品课程 3 、设备、控制器和软件之间的关系 2019年5月14日
12.操作系统原理 Principle of Operating System 5.1 精品课程概述 5.1.1 设备分类 5.1.2 设备控制器 5.1.3 设备通道 2019年5月14日
13.操作系统原理 Principle of Operating System 精品课程通道又称输入输出处理器，相当于一台小型的处理机，它接受主机的命令，独立执行通道程序，对外部设备的输入输出操作进行管理和控制，完成主存储器和外围设备之间的成批数据传输。引入通道技术后，输入输出操作过程：中央处理机在执行主程序时遇到输入输出请求，则它启动指定通道上的外围设备，一旦启动成功，通道开始控制外围设备进行操作。这时 CPU 就可执行其它任务并与通道并行工作，直到输入输出操作完成。当主机委托的 I/O 任务完成后，通道发出中断信号，请求 CPU 处理， CPU 停止当前工作，转向处理输入输出操作结束事件。 2019年5月14日
14.操作系统原理 Principle of Operating System 精品课程 1 、通道与设备的连接具有通道装置的计算机，主机、通道、控制器和设备之间采用四级连接，实施三级控制。 2019年5月14日
15.操作系统原理 Principle of Operating System 精品课程 2019年5月14日
16.操作系统原理 Principle of Operating System 精品课程 2 、通道的类型按照信息交换方式和连接设备种类不同，通道可分为三种类型： ⑴ 字节多路通道（ Byte Multiplexer Channel ） ⑵ 数组选择通道（ Blocked Selector Channel ） ⑶ 数组多路通道（ Block Multiplexer Channel ） 2019年5月14日
17.操作系统原理 Principle of Operating System 精品课程 2019年5月14日
18.操作系统原理 Principle of Operating System 精品课程 2019年5月14日
19.操作系统原理 Principle of Operating System 精品课程数组多路通道将数组选择通道传输速度高和字节多路通道能使各子通道分时并行操作的优点相结合，形成一种新的通道。它含有多个非分配型子通道，使得多个通道程序在同一个通道系统中并行运行，每当执行完一条通道命令，它就转向另一通道程序。由于它在任一时刻只能为一台设备作数据传送服务，这类似于选择通道；但它不等整个通道程序执行结束就能执行另一设备的通道程序命令，这类似于字节多路通道。数组多路通道的实质是：对通道程序采用多道程序设计技术的硬件实现。该通道既具有很高的数据传输速率，又能获得令人满意的通道利用率，因而广泛地应用于连接高速和中速设备。 2019年5月14日
20.操作系统原理 Principle of Operating System 第5章设备管理 5.1 概述 5.2 I/O 控制 5.3 I/O 软件层次 5.4 缓冲管理 5.5 设备分配 5.6 磁盘调度和管理精品课程
21.操作系统原理 Principle of Operating System 精品课程 5.2 I/O 控制 5.2.1 程序直接控制 I/O 方式 5.2.2 中断驱动方式 5.2.3 DMA 方式 5.2.4 通道方式 2019年5月14日
22.操作系统原理 Principle of Operating System 精品课程程序直接控制 I/O 方式（ programmed I/O ）又称程序查询方式，在尚无中断的早期计算机系统中，输入输出完全由 CPU 控制。在这种方式下，输入输出指令或询问指令测试一台设备的“忙 / 闲”标志位，决定主存储器和外围设备是否交换一个字节或一个字。每传送一个字节或一个字， CPU 都要循环地执行状态检查。 2019年5月14日
23.操作系统原理 Principle of Operating System 精品课程 2019年5月14日
24.操作系统原理 Principle of Operating System 精品课程 5.2 I/O 控制 5.2.1 程序直接控制 I/O 方式 5.2.2 中断驱动方式 5.2.3 DMA 方式 5.2.4 通道方式 2019年5月14日
25.操作系统原理 Principle of Operating System 精品课程中断技术的引入，是为了消除程序直接控制方式中设备驱动程序不断地轮询控制器状态寄存器的开销，进一步提高系统并行工作的程度。中断技术结合在硬件中实现后，外围设备有了反映其状态的能力，仅当 I/O 操作正常或异常结束后，由设备控制器“自动地”通知设备驱动程序，这时才中断 CPU ，实现了一定程度的并行操作，这就叫中断驱动方式（ interrupt-driven I/O ）。 2019年5月14日
26.操作系统原理 Principle of Operating System 精品课程 2019年5月14日
27.操作系统原理 Principle of Operating System 精品课程 5.2 I/O 控制 5.2.1 程序直接控制 I/O 方式 5.2.2 中断驱动方式 5.2.3 DMA 方式 5.2.4 通道方式 2019年5月14日
28.操作系统原理 Principle of Operating System 精品课程 ⒈ DMA 控制方式的引入：虽然程序中断方式消除了程序查询方式的“忙式”测试，提高了 CPU 的利用率，但是 CPU 在响应中断请求后，必须停止现行程序转入中断处理程序并参与数据传输操作。例如，要从键盘输入 1KB 的数据，就需要中断 1024 次 CPU 。如果 I/O 设备能直接与主存交换数据而不占用 CPU ，那么 CPU 的利用率还可提高，这就出现了直接存储器存取 (Direct Memory Access ， DMA) 方式。 DMA 方式适用于具有 DMA 控制器的计算机系统。 2019年5月14日
29.操作系统原理 Principle of Operating System 精品课程 DMA 控制器至少需要以下逻辑部件： ⑴ 内存地址寄存器 ⑵ 字（变变）计数器变变变 ⑶ 数据缓冲寄存器或数据缓冲区 ⑷ 变变地址寄存器 ⑸ 中断机制和控制逻辑 2019年5月14日
30.操作系统原理 Principle of Operating System 精品课程 ⒉ DMA 控制方式的工作原理 2019年5月14日
31.操作系统原理 Principle of Operating System 精品课程 DMA 方式的特点： ⑴ 数据在内存和设备之间直接传送，传送过程中不需要 CPU 干预。 ⑵ 仅在一个数据块传送结束后， DMA 控制器才向 CPU 发送中断请求。 ⑶ 数据的传送控制工作完全由 DMA 控制器完成，速度快，适用于高速设备的数据成组传送。 ⑷ 在数据传送过程中， CPU 与外设并行工作，提高了系统效率。 2019年5月14日
32.操作系统原理 Principle of Operating System 精品课程 ⒊ DMA 控制方式的工作模式许多总线都支持 DMA 控制器工作的以下两种模式： ⑴ 字模式也称周期窃取 (cycle stealing) ：字模式每次变求变变变送一个字，在变变变变变 DMA 控制器启动数据传送变，它要占用总线。 ⑵ 变模式也称突变变变模式（变 burst mode ）。在变模式下， DMA 控制器占用总线时，命令设备发送一连串数据予以传送，然后释放总线。 2019年5月14日
33.操作系统原理 Principle of Operating System 精品课程 5.2 I/O 控制 5.2.1 程序直接控制 I/O 方式 5.2.2 中断驱动方式 5.2.3 DMA 方式 5.2.4 通道方式 2019年5月14日
34.操作系统原理 Principle of Operating System 精品课程 ⒈ 通道方式的引入通道方式是 DMA 方式的发展，它进一步将 CPU 对 I/O 操作及有关管理和控制的干预减少到以多个数据块为单位的干预，通道的出现是现代计算机系统功能不断完善、性能不断提高的结果。例如，当 CPU 要完成一组相关数据块的读（写）操作时，只需要向通道发出一条 I/O 指令，给出所要执行的通道处理程序的地址和要访问的 I/O 设备，通道接到该指令后，通过执行通道处理程序便可完成 CPU 指定的 I/O 任务。 2019年5月14日
35.操作系统原理 Principle of Operating System 精品课程 2 ．通道指令通道处理程序是由一系列通道指令构成的。通道指令在进程要求数据时自动生成。通道指令的格式一般有操作码、计数器、内存地址和结束位构成：  操作码：变定了指令所要变变行的操作，如变变变变变变变、写、控制等。变变变变变变计数器：表示本条指令要变（写）数据的字变变变变变变变变数。变变  内存地址：变变数据要送入的内存地址或从内存何变变变取出数据。变变变  通道程序结束位 P ：表示通道程序是否结束， P=1 表示本条指令是通道程序的最后一条指令。 变变变束 R ：位 R=0 表示本条通道指令与下一条通道指令所处理的数据属于一个记录， R=1 表示该指令处理的数据是最后一条记录 2019年5月14日
36.操作系统原理 Principle of Operating System 精品课程 3 ．通道方式处理过程 ⑴ 当进程要求设备输入数据时 CPU，发出启动指令，并指明要进行的 I/O 操作、使用设备的设备号和对应的通道。 ⑵ 通道接收到 CPU 发来的启动指令后，把存放在内存的通道处理程序取出，开始执行通道指令。 ⑶ 执行一条通道指令，设置对应设备控制器中的控制状态寄存器。 2019年5月14日
37.⑷ 设备根据通道指令的要求，把数据送往内存指定区域，如果本指令不是通道处理程序的最后一条指令，取下一条通道指令，并转⑶继续执行；否则执行⑸。 ⑸ 通道处理程序执行结束，通道向 CPU 发中断信号请求 CPU 做中断处理。 ⑹ CPU 接到中断处理信号后进行善后处理，然后返回被中断进程继续执行。 2019年5月14日
38.操作系统原理 Principle of Operating System 第5章设备管理 5.1 概述 5.2 I/O 控制 5.3 I/O 软件层次 5.4 缓冲管理 5.5 设备分配 5.6 磁盘调度和管理精品课程
39.操作系统原理 Principle of Operating System 精品课程 5.3 I/O 软件层次 5.3.1 I/O 软件的目标 5.3.2 I/O 中断处理程序 5.3.3 I/O 设备驱动程序 5.3.4 与设备无关的 I/O 软件 5.3.5 用户空间的 I/O 软件 2019年5月14日
40.操作系统原理 Principle of Operating System 精品课程 I/O 软件的总体设计目标是：高效率和通用性。通常， I/O 软件设计时主要考虑以下问题：设备无关性 (Device Irrespective) 、统一命名 (Uniform Naming) 、出错处理 (Error Handling) 、同步 (Synchronous) 、缓冲 (Buffering) 、独占型外变变变变和共享型外变变变变变变变变。变了合理、高效地解决以上变变变，操作系变变变变变通常把变I/O 变软件组织成以下四个层次： ⑴ I/O 中断处理程序（底层） ⑵ I/O 设备驱动程序 ⑶ 与设备无关的操作系统 I/O 软件 ⑷ 用户层 I/O 软件 2019年5月14日
41.操作系统原理 Principle of Operating System 精品课程 5.3 I/O 软件层次 5.3.1 I/O 软件的目标 5.3.2 I/O 中断处理程序 5.3.3 I/O 设备驱动程序 5.3.4 与设备无关的 I/O 软件 5.3.5 用户空间的 I/O 软件 2019年5月14日
42.操作系统原理 Principle of Operating System 精品课程中断处理程序是紧挨硬件的最内层软件，是与硬件设备密切相关的软件。所以中断是应该尽量加以屏蔽的概念，放在操作系统的底层进行处理，以便其余部分尽可能少地与之发生联系。每个进程在启动一个 I/O 操作后将阻塞，然后等待 I/O 操作的完成。当 I/O 操作完成并产生一个中断时，由操作系统接管 CPU 后转中断处理程序执行，中断处理程序执行相应的处理，并解除相应进程的阻塞状态。 2019年5月14日
43.操作系统原理 Principle of Operating System 精品课程 5.3 I/O 软件层次 5.3.1 I/O 软件的目标 5.3.2 I/O 中断处理程序 5.3.3 I/O 设备驱动程序 5.3.4 与设备无关的 I/O 软件 5.3.5 用户空间的 I/O 软件 2019年5月14日
44.操作系统原理 Principle of Operating System 精品课程不同设备的控制器中寄存器的个数以及能够识别的命令的性质有着本质的不同，所以每个连接到计算机上的 I/O 设备都需要某些特定的代码来对其控制，这样的代码称为设备驱动程序（ Device Driver ），它一般由设备的制造商编写并连同设备一起交付。因为每一个操作系统都需要自己的设备驱动程序，所以设备制造商通常要为不同的操作系统提供驱动程序。设备驱动程序中包括了所有与设备相关的代码，是直接与硬件打交道的模块。 2019年5月14日
45.操作系统原理 Principle of Operating System 精品课程 ⒈ 设备驱动程序的功能设备驱动程序是控制设备动作的核心模块，用来控制设备上的数据传输。一般来说应该有以下功能： ⑴ 接收来自上层的与设备无关软件中的抽象请求，并且监督这些请求的执行； ⑵ 取出请求队列中的队首请求，将相应设备分配给它； ⑶ 向设备控制器发送命令，启动该设备工作，完成指定 I/O 操作； ⑷ 处理来自设备的中断。对于设置有通道的计算机系统，驱动程序还应该能够根据用户的 I/O 请求，自动构造通道程序。 2019年5月14日
46.操作系统原理 Principle of Operating System 精品课程 ⒉ 设备驱动程序在系统中的逻辑定位 2019年5月14日
47.操作系统原理 Principle of Operating System 精品课程 ⒊ 设备驱动程序的特点 ⑴ 驱动程序的主要作用是实现请求 I/O 的进程与设备控制器之间的通信。 ⑵ 驱动程序与设备的特性密切相关。 ⑶ 驱动程序可以动态地安装或卸载。 ⑷ 驱动程序与 I/O 控制方式相关。 ⑸ 驱动程序与硬件密切相关。 ⑹ 不允许驱动程序使用系统调用 2019年5月14日
48.操作系统原理 Principle of Operating System 精品课程 ⒋ 设备驱动程序的框架 ⑴ 设备驱动程序与外界的接口对设备驱动程序与外界的接口需要进行严格的定义，主要体现在以下三个方面：  设备驱动程序与操作系统内核的接口。  设备驱动程序与系统引导的接口。  设备驱动程序与设备的接口。 2019年5月14日
49.⑵ 设备驱动程序的组成  设备驱动程序的注册与注销。  设备的打开与释放。  设备的读 / 写操作  设备的控制操作。  设备的中断或轮询处理。 2019年5月14日
50.操作系统原理 Principle of Operating System 精品课程 5.3 I/O 软件层次 5.3.1 I/O 软件的目标 5.3.2 I/O 中断处理程序 5.3.3 I/O 设备驱动程序 5.3.4 与设备无关的 I/O 软件 5.3.5 用户空间的 I/O 软件 2019年5月14日
51.操作系统原理 Principle of Operating System 精品课程设备无关软件一般完成以下的功能： ⑴ 设备驱动程序的统一接口 ⑵ 设备命名 ⑶ 设备保护 ⑷ 提供独立于设备的块大小 ⑸ 缓冲区管理 ⑹ 块设备的存储分配 ⑺ 独占型外围设备的分配和释放 2019年5月14日
52.操作系统原理 Principle of Operating System 精品课程 5.3 I/O 软件层次 5.3.1 I/O 软件的目标 5.3.2 I/O 中断处理程序 5.3.3 I/O 设备驱动程序 5.3.4 与设备无关的 I/O 软件 5.3.5 用户空间的 I/O 软件 2019年5月14日
53.操作系统原理 Principle of Operating System 精品课程尽管大部分 I/O 软件在操作系统中，但用户空间也有一小部分，通常它们以库函数的形式出现，甚至是在核心外运行的完整程序。例如用户编写的 C 程序中可以使用标准 I/O 库函数，经编译以后，用户程序就和相应的库函数链接在一起了，然后装入内存运行。而库函数代码中要使用系统调用（其中包括 I/O 系统调用），经过系统调用进入操作系统，为用户提供相应的服务。 2019年5月14日
54.操作系统原理 Principle of Operating System 精品课程 2019年5月14日
55.操作系统原理 Principle of Operating System 第5章设备管理 5.1 概述 5.2 I/O 控制 5.3 I/O 软件层次 5.4 缓冲管理 5.5 设备分配 5.6 磁盘调度和管理精品课程
56.操作系统原理 Principle of Operating System 5.4 精品课程缓冲管理 5.4.1 缓冲的引入 5.4.2 单缓冲 5.4.3 双缓冲 5.4.4 循环缓冲 5.3.5 缓冲池 2019年5月14日
57.操作系统原理 Principle of Operating System 精品课程在设备管理中，引入缓冲区的主要原因： ⑴ 改善 CPU 与外围设备之间速度不匹配的矛盾。 ⑵ 减少对 CPU 的中断频率，放宽对 CPU 中断响应时间的限制。 ⑶ 提高 CPU 和 I/O 设备的并行性。缓冲有硬缓冲和软缓冲之分在操作系统管理下，常常辟出许多专用主存区域的缓冲区用来服务于各种设备，支持 I/O 管理功能。常用的缓冲技术有：单缓冲、双缓冲、循环缓冲、缓冲池。 2019年5月14日
58.操作系统原理 Principle of Operating System 5.4 精品课程缓冲管理 5.4.1 缓冲的引入 5.4.2 单缓冲 5.4.3 双缓冲 5.4.4 循环缓冲 5.3.5 缓冲池 2019年5月14日
59.操作系统原理 Principle of Operating System 精品课程 2019年5月14日
60.操作系统原理 Principle of Operating System 5.4 精品课程缓冲管理 5.4.1 缓冲的引入 5.4.2 单缓冲 5.4.3 双缓冲 5.4.4 循环缓冲 5.3.5 缓冲池 2019年5月14日
61.操作系统原理 Principle of Operating System 精品课程 2019年5月14日
62.操作系统原理 Principle of Operating System 5.4 精品课程缓冲管理 5.4.1 缓冲的引入 5.4.2 单缓冲 5.4.3 双缓冲 5.4.4 循环缓冲 5.3.5 缓冲池 2019年5月14日
63.操作系统原理 Principle of Operating System 精品课程 ⒈ 循环缓冲的组成包含多个缓冲区和多个指针 (Nextg 、 Nexti 、 Current) 2019年5月14日
64.操作系统原理 Principle of Operating System 精品课程 ⒉ 循环缓冲的使用 ⑴ Getbuf 过程：当计算进程要使用缓冲区中的数据时，调用 Getbuf 过程，该过程将由指针 Nextg 所指示的缓冲区提供给进程使用，并且把它改为当前工作缓冲区，令 current 指针指向该缓冲区的第一个单元，同时，将指针 Nextg 移向下一个 G 缓冲区。同理，当输入进程要使用空缓冲区时，调用 Getbuf 过程，该过程将由指针 Nexti 所指示的缓冲区提供给输入进程使用，同时移动指针 Nexti 指向下一个 R 缓冲区。 ⑵ Releasebuf 过程：当计算进程把 C 缓冲区的数据提取完毕时，便调用 Releasebuf 过程释放 C 缓冲区，同时把 C 缓冲区改为 R 缓冲区；同理，当输入进程把缓冲区装满时，也调用 Releasebuf 过程释放 R 缓冲区，同时把 R 缓冲区改为 G 缓冲区。 2019年5月14日
65.操作系统原理 Principle of Operating System 精品课程 ⒊ 进程同步使用输入循环缓冲，可使输入进程和计算进程并行执行。相应地，指针 Nexti 和指针 Nextg 将不断地沿着顺时针方向移动，这样就可能出现下面两种情况： ⑴ 指针 Nexti 追赶上指针 Nextg ：无缓冲区可用。 ⑵ 指针 Nextg 追赶上指针 Nexti ：无装满数据的缓冲区可供计算进程提取数据。 2019年5月14日
66.操作系统原理 Principle of Operating System 5.4 精品课程缓冲管理 5.4.1 缓冲的引入 5.4.2 单缓冲 5.4.3 双缓冲 5.4.4 循环缓冲 5.3.5 缓冲池 2019年5月14日
67.操作系统原理 Principle of Operating System 精品课程 ⒈ 缓冲池的组成 ⑴ 公用变冲池：至少包含空变变变变变变变变变变冲区、装变变变变变变入数据的缓冲区和装满输出数据的缓冲区。 ⑵ 三个队列：空缓冲区队列 emq 、输入缓冲区队列 inq 、输出缓冲区队列 outq 。 ⑶ 四种工作缓冲区：用于收容输入数据的工作缓冲区、用于提取输入数据的工作缓冲区、用于收容输出数据的工作缓冲区、用于提取输出数据的工作缓冲区。 2019年5月14日
68.操作系统原理 Principle of Operating System 精品课程 ⒉ Getbuf 过程和 Putbuf 过程 Procedure Getbuf(type) { Wait(RS(type)); Wait(MS(type)); B(number):=Takebuf(type); signal(MS(type)); } 2019年5月14日
69.Procedure Putbuf(type, number) { Wait(MS(type)); Addbuf(type, number); signal(MS(type)); signal(RS(type)); } 2019年5月14日
70.操作系统原理 Principle of Operating System 精品课程 ⒊ 缓冲区的工作方式 2019年5月14日
71.操作系统原理 Principle of Operating System 第5章设备管理 5.1 概述 5.2 I/O 控制 5.3 I/O 软件层次 5.4 缓冲管理 5.5 设备分配 5.6 磁盘调度和管理精品课程
72.操作系统原理 Principle of Operating System 精品课程分配的顺序是：分配设备、分配控制器、分配通道。 2019年5月14日
73.操作系统原理 Principle of Operating System 5.5 5.5.1 精品课程设备分配设备分配中的数据结构 5.5.2 设备独立性 5.5.3 设备分配技术 2019年5月14日
74.操作系统原理 Principle of Operating System 精品课程 2019年5月14日
75.操作系统原理 Principle of Operating System 5.5 5.5.1 精品课程设备分配设备分配中的数据结构 5.5.2 设备独立性 5.5.3 设备分配技术 2019年5月14日
76.操作系统原理 1. Principle of Operating System 精品课程设备独立性的概念设备独立性是指用户程序独立于具体使用的物理设备。要实现设备独立性，必须引入逻辑设备和物理设备两个概念。设备独立性有以下优点： ⑴ 增加了外围设备分配的灵活性，能更有效利用外围设备资源，实现多道程序设计技术。 ⑵ 提高了系统的可靠性。 2019年5月14日
77.操作系统原理 Principle of Operating System 精品课程 2 ．逻辑设备表（ Logical Unit Table ， LUT ）表 5-2 操作系统逻辑设备表示例逻辑设备名物理设备名驱动程序入口地址 /dev/tty 5 1034 /dev/print 3 2056 … … … LUT 的设置可以采用两种方式： ⑴ 整个系统设置一张 LUT 。 ⑵ 为每个用户设置一张 LUT 。该表放入进程的 PCB 中。 2019年5月14日
78.操作系统原理 Principle of Operating System 5.5 5.5.1 精品课程设备分配设备分配中的数据结构 5.5.2 设备独立性 5.5.3 设备分配技术 2019年5月14日
79.操作系统原理 Principle of Operating System 精品课程 ⒈ 设备分配方式 ⑴ 独占方式可以采用静变变分配和变变变变变分配两种方式。变变变变变变 ⑵ 共享方式变于磁变变、磁鼓等可共享的变变变变变变变变变变，一般不必变变变变变行分配。但有些系变变也采用静变变变变变分配方式把各柱面变变变变变变变分配给不同的作业使用，这可提高存取速度，但使存变变空变变利用率降低，用变变变变变变变变变变变充困变变变。 ⑶ 虚变变方式变变变虚变变变分配的技变变变变 SPOOLing 是技变变。 2019年5月14日
80.操作系统原理 Principle of Operating System 精品课程 2 ．设备分配算法设备分配算法就是按照某种原则把设备分配给进程。 ⑴ 先请求先服务 ⑵ 优先级高者优先服务 3 ．设备分配中的安全性从进程运行的安全性上考虑，设备分配有以下两种方式： ⑴ 安全分配方式 ⑵ 不安全分配方式 2019年5月14日
81.操作系统原理 Principle of Operating System 精品课程 4. 设备分配程序对于具有 I/O 通道的多通路系统，在进程提出 I/O 请求后，系统按以下步骤进行设备分配： ⑴ 分配设备：查找逻辑设备表 LUTSDTDCT ⑵ 分配控制器： DCTCOCT ⑶ 分配通道： COCTCHCT ，逐次查找 CHCT 中的标记，若找到一个空闲通道则将该通道分配给请求进程。否则将请求 I/O 的进程阻塞在等待该通道的等待队列上。只有在设备、控制器和通道三者都分配成功时，本次分配才算成功。然后就可以启动设备进行数据传送。 2019年5月14日
82.操作系统原理 Principle of Operating System 第5章设备管理 5.1 概述 5.2 I/O 控制 5.3 I/O 软件层次 5.4 缓冲管理 5.5 设备分配 5.6 磁盘调度和管理精品课程
83.操作系统原理 Principle of Operating System 5.6 精品课程磁盘调度和管理 5.6.1 磁盘的物理性能 5.6.2 磁盘调度算法 5.6.3 磁盘调度算法的比较 5.6.4 磁盘的错误处理 5.6.5 独立磁盘冗余阵列 2019年5月14日
84.1 ．磁盘的类型磁盘是一种直接存取存储设备，又叫随机存取存储设备。从不同的角度进行分类，可将磁盘分成硬盘和软盘；单片盘和多片盘；固定磁头和活动磁头等。磁盘读与写的速度相同，为了提高可靠性，可将若干磁盘组成阵列。 2019年5月14日
85.操作系统原理 Principle of Operating System 精品课程 2. 磁盘的物理结构 2019年5月14日
86.操作系统原理 Principle of Operating System 精品课程 3. 磁盘访问时间 Ta ⑴ 寻道时间 Ts ：启动磁臂的时间 s 与磁头移动 n 条磁道所花费的时间之和。 Ts m n  s ⑵ 旋转延迟时间 Tτ ：等待所需扇区旋转到读写头下的时间。 ⑶ 传输时间信息 Tt ：信息在磁盘和内存之间传输的时间。 b Tt  rN R 为磁盘的转速， N 为一条磁道上的字节数， b 是每次读写的字节数。 1 b Ta Ts  T  Tt Ts   2r rN 2019年5月14日
87.4. 影响存取访问速度的几个因素 ⑴ 循环排序例：考虑磁道保存 4 个记录的旋转型设备，假定收到四个 I/O 请求。请求次序记录号（1）读记录 4 （2）读记录 3 （3）读记录 2 （4）读记录 1 2019年5月14日
88.操作系统原理 Principle of Operating System 精品课程 ⑵ 优化分布例：信息在存储空间的排列方式会影响存取等待时间。考虑 10 个逻辑记录 A ， B…… ， J 被存于旋转型设备上，每道存放 10 个记录，安排如下：物理块 1-10 逻辑纪录 A-J 处理 10 个记录的总时间 ( 旋转速度 20ms) ： 214 毫秒 2019年5月14日
89.操作系统原理 Principle of Operating System 精品课程 ⑶ 交替地址每个记录重复记录在设备的多个区域，读相同的数据，有几个交替地址，也称为多重副本或折迭。成功与否取决于下列因素：数据记录总是读出使用，不需修改写入；数据记录占用的存储空间总量不太大；数据使用极为频繁。 2019年5月14日
90.⑷ 搜查定位对于移动臂磁盘设备，除了旋转位置外，还有搜查定位的问题。输入输出请求需要三部分地址：柱面号、磁头号和记录号。因此除了应有使旋转圈数最少的调度策略外，还应该考虑使移臂时间最短的调度策略。 2019年5月14日
91.操作系统原理 Principle of Operating System 5.6 精品课程磁盘调度和管理 5.6.1 磁盘的物理性能 5.6.2 磁盘调度算法 5.6.3 磁盘调度算法的比较 5.6.4 磁盘的错误处理 2019年5月14日
92.操作系统原理 Principle of Operating System 精品课程 ⒈ 先来先服务调度（ FCFS ） ⒉ 最短寻道时间优先调度（ SSTF ） ⒊ 扫描算法（ SCAN ） ⒋ 循环扫描算法（ C-SCAN ） 2019年5月14日
93.例：有如下的一个磁盘请求序列，其磁道号为： 98 ， 185 ， 37 ， 122 ， 14 ， 124 ， 65 ， 67 ，假定一开始读 / 写磁头位于 53 号磁道，且磁头向里移动，磁道号最大为 199 。分别采用下列调度算法时，存取臂移动的顺序，并计算出移臂总量。 ⑴ FCFS 调度算法；⑵ SSTF 调度算法；⑶ SCAN 调度算法；⑷ C-SCAN 调度算法； 2019年5月14日
94.操作系统原理 Principle of Operating System 5.6 精品课程磁盘调度和管理 5.6.1 磁盘的物理性能 5.6.2 磁盘调度算法 5.6.3 磁盘调度算法的比较 5.6.4 磁盘的错误处理 2019年5月14日
95.操作系统原理 Principle of Operating System 精品课程 SSTF 算法在单位时间内处理的输入输出请求较多即吞吐量较大，但是请求的等待时间较长，一般说来 SCAN 算法较好，但它不分具体情况而扫过所有柱面造成性能不够好。 CSCAN 仅适应不断有大批量输入输出存取请求且磁道上存放记录数量较大的情况。 2019年5月14日
96.操作系统原理 Principle of Operating System 5.6 精品课程磁盘调度和管理 5.6.1 磁盘的物理性能 5.6.2 磁盘调度算法 5.6.3 磁盘调度算法的比较 5.6.4 磁盘的错误处理 2019年5月14日
97.操作系统原理 Principle of Operating System 精品课程 ⒈ 程序性错误当驱动程序命令控制器去查找一个不存在的柱面，读一个不存在的扇区，使用不存在的磁头，以及与一个不存在的存储器地址交换数据时，都产生程序性错误。大多数控制器对发给它的参数进行检查，并告知是否合法。理论上，这些错误不应发生；如果控制器指示这类错误发生了，那么驱动程序通常终止当前的磁盘请求，给出错误的原因。 2019年5月14日
98.操作系统原理 Principle of Operating System 精品课程 ⒉ 瞬时检查和错误瞬时检查和错误是由于磁盘表面与磁头之间的灰尘引起的。通常是重复执行这个操作，就可消去错误。倘若错误继续存在，则将该块标记为坏块。一些“智能”磁盘控制器保留了几个备用磁道，这些磁道对用户程序不开放。当磁盘进行格式化时，控制器确定哪些块是坏的，自动由备份磁道替换它。将坏磁道映射到备用磁道的表格保留在控制器内部存储器和磁盘上，对驱动程序透明。 2019年5月14日
99.操作系统原理 Principle of Operating System 精品课程 ⒊ 寻道错误寻道错误是由于磁臂的机械故障引起的。控制器内部记录磁臂位置，为了执行寻道，它泄放一系列脉冲给磁臂马达，每个柱面一个，这样可将磁臂移动到新的柱面上。当臂移到目标位置时，控制器读出实际的柱面号（驱动器格式化时写的）；如果位置不对，则出现寻道错误。关于寻道错误，有些控制器可以自动修正，而有些控制器（包括 IMB PC 在内）只设置一个错误标志位，其他工作留给驱动程序。 2019年5月14日
100.谢谢 ! 2019年5月14日