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l/O系统的功能、模型和接口
l/O设备和设备控制器
中断和中断处理程序
设备驱动程序
与设备无关的I/O
用户层的I/O软件
缓冲区管理
磁盘性能概述和磁盘调度 l/O系统的功能、模型和接口
I/O系统管理 1#xff09;主要对象#xff1a; I/O设备和对应的设备控制器 …目录
l/O系统的功能、模型和接口
l/O设备和设备控制器
中断和中断处理程序
设备驱动程序
与设备无关的I/O
用户层的I/O软件
缓冲区管理
磁盘性能概述和磁盘调度 l/O系统的功能、模型和接口
I/O系统管理 1主要对象 I/O设备和对应的设备控制器 2主要任务 完成用户提出的I/O请求 提高I/O速率 改善I/O设备的利用率 3基本功能 能够隐藏物理设备的细节 能够保证OS与设备无关 能够提高处理机和I/O设备的利用率 能够对I/O设备进行控制 能够确保对设备的正常共享 能够处理错误
I/O软件的层次结构
I/O系统接口 1块设备接口 块设备数据的存取和传输都是以数据块为单位的设备如磁盘、光盘通常采用DMA I/O方式 隐藏了磁盘的二维结构 将抽象命令映射为低层操作 如收到读磁盘命令时先将抽象命令中的逻辑块号转换为磁盘的盘面、磁道和扇区等 2流设备字符设备接口 字符设备数据的存取和传输都是以字符为单位的设备如键盘、打印机。 不可寻址。 通常采用中断驱动I/O方式。 get和put操作字符设备采用顺序存取方式。 get操作用于从字符缓冲区取得一个字符到内存并将它返回给调用者。 put操作用于将一个新字符从内存输出到字符缓冲区网络。 in-control指令包含许多参数每个参数均表示一个与具体设备相关的特定功能。 3网络通信接口 OS提供相应的网络软件和网络通信接口以使计算机能通过网络同网络上的其他计算机进行通信或上网浏览信息。
l/O设备和设备控制器
I/O设备的类型 按使用特性分类存储设备、I/O设备 按输出速率分类 低速设备键盘、鼠标器、语音的输入和输出等 中速设备行式打印机、激光打印机等 高速设备磁带机、磁盘机、光盘机等 按信息交换单位分类块设备、字符设备 按设备的共享属性分类独占设备、共享设备
设备控制器主要功能控制一个或多个I/O设备以实现I/O设备和计算机之间的数据交换 设备控制器是CPU与I/O设备之间的接口接收从CPU发来的命令并去控制I/O设备工作 设备控制器是一个可编址的设备。 当仅控制一个设备时它只有一个惟一的设备地址 若控制器可连接多个设备时则应含有多个设备地址并使每一个设备地址对应一个设备基本功能 接收和识别命令数据交换标识和报告设备的状态地址识别数据缓冲区差错控制组成 1设备控制器与处理机的接口实现CPU与设备控制器之间的通信包括数据线、地址线和控制线 2设备控制器与设备的接口一个设备控制器可以连接一个或多个设备 3I/O逻辑实现对设备的控制
内存映像I/O 驱动程序将抽象I/O命令转换成具体的命令和参数等装入设备控制器的相应寄存器由控制器执行这些命令具体实施对I/O设备的控制。 具体方法 采用特定I/O指令访问内存和设备需要两种不同的指令 采用内存映像I/O形式 在编址上不在区分内存单元地址和设备控制器中的寄存器地址统一编址 k 。 k在0~n-1范围时为内存地址若kn时为某控制器的寄存器地址 统一了访问方法简化了I/O编程
I/O通道 目的使一些原来由CPU处理的I/O任务转由通道来承担从而把CPU从繁杂的I/O任务中解脱出来 通道与普通处理机 通道是特殊处理机 不同点 指令类型单一没有自己的内存与CPU共享内存 类型 字节多路通道按字节交叉方式工作的通道 数组选择通道可以连接多台高速设备但在一段时间内只允许一台设备传输数据传输率高 数组多路通道结合前两者优点含有多个非分配型子通道
I/O设备的控制方式 1.使用轮询的可编程I/O方式基本不用 ① 由CPU定时发出询问询问设备是否忙进程进入忙等 ②不忙即进行I/O否则转① 实现容易但效率偏低CPU会长期处于忙等待 2.使用中断的可编程I/O方式广泛采用 当某进程要启动某个I/O设备工作时便由CPU向相应的设备控制器发出一条I/O命令然后立即返回继续执行原来的任务。设备控制器于是按照该命令的要求去控制指定的I/O设备。此时CPU与I/O设备并行操作。 3. 直接存储器访问DMA方式 DMA的引入进一步减少CPU对I/O设备的干预 数据传输的基本单位是数据块 所传送的数据是从I/O设备直接送入内存的或者相反 仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时才须CPU干预 4.I/O通道控制方式 引入是DMA方式的发展可进一步减少CPU的干预。 是对一组数据块以读/写及有关的控制和管理为单位干预 可实现CPU、通道和I/O设备三者的并行操作。 通道程序由一系列通道指令所构成的。 通道指令不同于CPU指令。 指令包含操作码、内存地址、计数、通道程序结束位P、记录结束位R。
瓶颈问题 通道不足造成“瓶颈”问题通道价格昂贵 解决方法 1增加设备到CPU间的通路而不增加通道 2多通路方式不仅解决了“瓶颈”问题而且提高了系统的可靠性
中断和中断处理程序
中断(Interrupt)是指CPU对I/O设备发来的中断信号的一种响应陷入(Trap)是指CPU内部事件所引起的中断 中断向量表中断向量表存放每个设备的中断处理程序的入口地址并为每个设备的中断请求作为一个中断号对应于中断向量表中的一个表项 中断优先级系统为每个中断源规定不同的优先级 中断源引起中断的事件 当处理机正在处理一个中断时又来了一个新的中断请求 有两种处理方式 屏蔽(禁止)中断 嵌套中断
中断处理程序 1测定是否有未响应的中断信号 2保护被中断进程的CPU现场 3转入相应的设备处理程序 4处理中断 5恢复CPU现场并退出中断
Linux系统中断处理 采用了上半部和下半部机制 上半部中断处理程序。 简单快速执行时禁止一些或全部中断。 下半部一些虽然与中断有关但是可以延后执行的任务。 稍后执行执行时可以响应所有的中断。 中断处理程序的设计 注册中断 处理中断 注销中断
设备驱动程序
功能接收上层软件发来的抽象I/O请求再把它们转换为具体要求后发送给设备控制器启动设备去执行特点 实现与设备无关的软件和设备控制器直接通信和转换的程序 与设备控制器以及I/O设备特性紧密相关 与I/O设备所采用的I/O控制方式紧密相关 基本部分固化在ROM中 允许可重入设备处理方式 为每类设备设置一个进程专门用于执行这类设备的I/O操作 在整个系统中设置一个I/O进程专门用于执行系统中各类设备的I/O操作 不设置专门的设备处理进程而只为各类设备设置相应的设备驱动程序处理过程 1将抽象要求转换为具体要求 2对服务请求进行校验 3检查设备的状态 4传送必要的参数 5启动I/O设备设备驱动程序与外界的接口 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 设备的中断与轮询
与设备无关的I/O
目的实现设备独立性 逻辑设备名抽象的设备名可实现I/O重定向(指用于I/O操作的设备可以更换而不必改变应用程序) 逻辑设备名到物理设备名的转换 必须具备将逻辑设备名转换为物理设备名的功能 系统配备逻辑设备表
设备分配 1数据结构 设备控制表DCT– 记录设备的情况 控制器控制表COCT、通道控制表CHCT和系统设备表SDT 2设备分配时应考虑的因素 独占设备、共享设备、虚拟设备的分配策略 分配算法先来先服务、优先级高者优先 安全性考虑安全分配、不安全分配 3独占设备的分配程序 基本分配程序分配设备、分配控制器、分配通道 分配程序改进
设备控制表DCT
逻辑设备名映射物理设备名 在应用程序中请求使用I/O设备时应使用逻辑设备名而系统只识别物理设备名 逻辑设备表LUT用于将逻辑设备名映射为物理设备名 包含逻辑设备名、物理设备名和设备驱动程序入口地址 设置方式整个系统已张LUT每个用户一张LUT
I/O调度 调度一组I/O请求就是按照确定好的顺序来执行I/O操作 提高计算机效率。 通过I/O调度可以 改善系统整体性能 在进程间公平共享设备访问 减少完成I/O调度所需的平均等待时间。 实现为每个设备维护一个请求等待队列。
用户层的I/O软件
大部分I/O软件都放在OS内部仍有一小部分在用户层
系统调用应用程序通过系统调用间接调用OS中的I/O过程对I/O设备进行操作 库函数Win32 API C 语言或UNIX系统中系统调用与库函数几乎一一对应
假脱机系统
假脱机技术外围操作与CPU对数据的处理同时进行这种在联机情况下实现的同时外围操作称为SPOOLing (Simultaneous Peripheral Operations On-Line)或假脱机技术 为了缓和CPU的高速性与I/O设备的低速性间的矛盾而引入了脱机输入、脱机输出技术。 SPOOLing系统 的组成 1输入井和输出井 在磁盘上开辟的两个大存储空间 输入井模拟脱机输入时的磁盘设备用于暂存输入设备输入的数据 输出井模拟脱机输出时的磁盘用于暂存用户程序的输出数据 2输入缓冲区和输出缓冲区 缓和CPU和磁盘之间速度不匹配的矛盾 输入缓冲区用于暂存由输入设备送来的数据以后再传送到输入井。 输出缓冲区用于暂存从输出井送来的数据以后再传送给输出设备 输入进程SPiSpi模拟脱机输入时的外围控制机将用户要求的数据从输入设备通过输入缓冲区再送入输入井当CPU需要输入数据时直接从输入井读入内存 输出进程Sp0Sp0模拟脱机输出时的外围控制机把用户要求输出的数据先从内存送到输出井待输出设备空闲时再将输出井中的数据经过输出缓冲区送到输出设备上 井管理程序用于控制作业与磁盘井之间信息的交换
SPOOLing系统特点 提高了I/O的速度将独占设备改造为共享设备实现了虚拟设备功能
假脱机打印机系统打印机属于独占设备。利用SPOOLing技术可将之改造为一台可供多个用户共享的设备从而提高设备的利用率也方便了用户。 共享打印机技术已被广泛用于多用户系统和局域网络添加方法中 磁盘缓冲区磁盘空间暂存用户程序的输出数据 打印缓冲区设在内存暂存从磁盘缓冲区送来的数据 假脱机管理进程和假脱机打印进程 假脱机管理进程为每个要求打印的用户数据建立一个假脱机文件并放入文件队列中 假脱机打印进程依次对队列中的文件进行打印
共享打印机 1假脱机管理进程 在磁盘缓冲区中为之申请一个空闲盘块并将要打印的数据送入其中暂存 为用户进程申请一张空白的用户请求打印表并将用户的打印要求填入表中再将该表挂到假脱机文件队列上 2假脱机打印进程 当打印机空闲时进程从请求打印队列的队首取出一张请求打印表根据表中的要求将要打印的数据从输出井传送到内存缓冲区再由打印机进行打印 打印完进程再次察看请求打印队列若非空重复上述工作直到队列为空。此后进程才将自己阻塞起来。仅当下次再有打印请求时进程才被唤醒
方案修改取消假脱机管理进程为打印机建立一个守护进程由它执行一部分原来的假脱机管理进程的功能。 守护进程是允许使用打印机的唯一进程。
缓冲区管理
缓冲区管理 缓冲区是一个存储区域可以由专门的硬件组成更多的是利用内存 缓冲管理的主要功能是组织好这些缓冲区并提供获得和释放缓冲区的手段。 引入原因缓和CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾减少对CPU的中断频率放宽对CPU中断响应时间的限制解决数据粒度不匹配的问题提高CPU与I/O设备之间的并行性
单缓冲 每当用户进程发出一I/O请求时操作系统便在主存中为之分配一缓冲区 在块设备输入时 T从磁盘把一块数据输入到缓冲区的时间 M操作系统将该缓冲区中的数据传送到工作区的时间 CCPU对这块数据处理的时间。 当TC时系统对每一块数据的处理时间为MTC忽略 反之则为MC 系统对每一块数据的处理时间为Max(C,T)M
双缓冲 双缓冲机制缓冲对换 在设备输入时先将数据送入第一缓冲区装满后便转向第二缓冲区。 此时操作系统可以从第一缓冲区移出数据并送入用户进程。接着由CPU对数据进行计算。 在双缓冲时系统处理一块数据的时间可以粗略地认为是Max(C,T)如果CT,则可使CPU不必等待设备输入
环形缓冲 多个缓冲区 在循环缓冲中包含多个缓冲区其每个缓冲区的大小相同。 作为输入的多缓冲区可分为三种类型 用于装输入数据的空缓冲区R; 已装满数据的缓冲区G; 计算进程正在使用的现行工作缓冲区C 多个指针 作为输入的缓冲区可设置3个指针 用于指示计算进程下一个可用缓冲区G的指针Nextg 指示输入进程下次可用的空缓冲区R的指针Nexti 用于指示计算进程正在使用的缓冲区C的指针Current 使用 Getbuf过程计算进程要使用缓冲区的数据时调用该过程将指针Nextg所指示的缓冲区提供给进程使用修改Nextg和Current指针输入进程要使用空缓冲装数据时调用该过程将指针Nexti所指示的缓冲区提供给进程使用修改Nexti Releasebuf过程当计算进程把C缓冲区中的数据提取完毕时调用过程将缓冲区C释放当输入进程把缓冲区装满时调用过程将该缓冲区释放并将其改为可用缓冲区G 进程间的同步问题Nexti指针追赶上Nextg指针 Nextg指针追赶上Nexti指针
缓冲池 为了提高缓冲区的利用率引入公用缓冲池在池中设置了多个可供若干个进程共享的缓冲区。 对于既可用于输入又可用于输出的公用缓冲池 组成 空闲缓冲队列emq空缓冲区所链成的队列 输入队列inq装满输入数据的缓冲区所链成的队列 输出队列out装满输入数据的缓冲区所链成的队列 4种工作缓冲区收容输入缓冲区、提取输入缓冲区、收容输出缓冲区、提取输出缓冲区 Getbuf和putbuf过程 对缓冲池中的队列进行操作既可实现互斥又可保证同步 工作方式收容输入 提取输入 收容输出 提取输出
缓存Cache 缓存是保存数据副本的高速内存区域CPU缓存、磁盘缓存、光驱缓存等。 CPU缓存高速缓存为了缓和CPU运行速率与内存读/写速率不匹配的矛盾 当CPU要读取一个数据时首先从CPU缓存中查找找到就立即读取并送给CPU处理若没有找到则从速率相对较慢的内存中读取并送给CPU处理同时把这个数据所在的数据库调入缓存中。 缓存和缓冲缓冲可以保存数据项的唯一的现有版本。缓存只是提供一个位于其他地方的数据项的更快存储副本。 有时同一个内存区既可以是缓冲也可以是缓存。
磁盘性能概述和磁盘调度
磁盘的结构 盘面磁头磁盘设备可包含一或多个盘片每个盘片分为一个或两个盘面每个面上有一个读写磁头 磁道柱面每个盘面可分成若干条磁道 扇区每条磁道逻辑上分成若干个大小相同的扇区。每个扇区的大小相当于一个盘块数据块 每条磁道上可存储相同数目的二进制位磁盘密度即每英寸中所存储的位数显然是内层磁道的密度较外层磁道的密度高。磁盘容量计算容量柱面×磁头×扇区每扇区存放512B数据 数据的组织和格式 1为了在磁盘上存储数据必须先将磁盘格式化 2如每条磁道含有30个固定大小的扇区每个扇区容量为600个字节其中512个字节存放数据其余的用于存放控制信息 3每个扇区包括2个字段 标识符字段其中一个字节的SYNCH具有特定的位图像作为该字段的定界符利用磁道号、磁头号及扇区号三者来标识一个扇区CRC字段用于段校验 数据字段存放512个字节的数据
磁盘的类型 分类1硬盘、软盘 分类2单片盘、多片盘 分类3 1固定头磁盘 每个磁道上都有一个读写磁头 并行方式读/写有效提高磁盘的I/O速度 主要用于大容量磁盘 2移动头磁盘 每个盘面仅配有一个磁头能移动寻道 串行方式读/写I/O速度较慢 广泛应用于中、小型磁盘设备中
磁盘访问时间 磁盘在工作时是以恒定速率旋转。 为了读写磁头必须移动到所要求的磁道上并等待所指定的扇区的开始位置旋转到磁头下 开始读写数据 磁盘的访问时间磁盘的访问时间旋转延迟时间传输时间寻道时间Ts 把磁臂磁头移动到指定磁道上所经历的时间。 启动磁臂的时间k 磁头移动n条磁道所花费的时间公式Tsm×nk m:常数与磁盘驱动器的速度有关对一般磁盘m0.2对高速磁盘m0.1 k:约2ms 对一般温盘寻道时间将随寻道距离的增加而增大大体上是5~30ms磁盘访问时间 把指定扇区移动到磁头下所经历的时间。 硬盘典型的旋转速度大多为5400r/min现在大多7200每转需11.1ms平均旋转延迟时间Tτ ½*1/(5400/60)sec 5.56ms 软盘旋转速度300 r/min或600 r/min Tτ50~100ms传输时间Tt 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和旋转速度有关
由于在访问磁盘的时间中主要是寻道时间因此磁盘调度的目标是使磁盘的平均寻道时间最小。
先来先服务FCFS(最简单 根据进程请求访问磁盘的先后次序进行调度。 优点公平、简单每个进程的请求都能依次得到处理不会出现某一进程的请求长期得不到满足的情况。 缺点由于未对寻道进行优化致使平均寻道时间可能较长。 FCFS仅适用于请求磁盘I/O的进程数目较少的场合。最短寻道时间优先SSTF 其要求访问的磁道与当前磁头所在的磁道距离最近以使每次的寻道时间最短但不保证平均寻道时间最短 SSTF的平均每次磁头移动的距离明显低于FCFS的距离因而SSTF比FCFS寻道性能更好基于扫描的磁盘调度算法进程“饥饿”现象SSTF寻道性能好但可能导致某个进程发生“饥饿”现象。改进SSTF后可防止进程出现“饥饿”现象。SCAN算法电梯调度算法 不仅考虑到欲访问的磁道与当前磁道的距离更优先考虑的是磁头当前的移动方向。 磁臂从磁盘的一端向另一段移动沿途响应服务请求。当到达另一端时磁头改变移动方向继续处理。磁头在磁盘上来回扫描。循环扫描算法CSCAN CSCAN算法提供比SCAN算法更为均匀的等待时间。 磁头从磁盘一段移到另一端随着移动不断的处理请求。不过当磁头移到另一端时马上返回到磁盘开始返回时并不处理请求。CLOOK 磁头只移动到一个方向上最远的请求为止。接着它马上回头而不是继续到磁盘的尽头NStepSCAN算法“磁臂粘着”现象进程反复请求对某一磁道的I/O操作 将磁盘请求队列分为若干个长度为N的子队列 按FCFS算法依次处理子队列 每个子队列使用SCAN算法。FSCAN算法 是N步SCAN算法的简化 请求队列分为两个子队列 一是当前所有请求队列按SCAN算法调度 二是扫描期间新出现的请求队列推迟到下一次扫描时处理。 本篇先介绍了I/O系统的功能、模型和接口I/O硬件和I/O软件磁盘调度等内容。
