操作系统_ZGSOS[5] 设备管理_ZGSOS[5-4]缓冲管理_
操作系统OS05设备管理
控制器 A 控制器 B 控制器 C
设备
控制器 D
…
N1N2N3…子通道
N 操作系控统制O器S05N设备管理
2. 通道类型（续）
2）数组选择通道（Block Selector Channel）
n 按数组方式进行数据传送。 n 含有一个分配型子通道。 n 一段时间内只执行一道通道程序，控制一台设
备。 n 设备独占通道，通道利用率低。
n CPU一次读(或写)多个数据块。 n 多个数据块送入不同内存区域。 n CPU、通道和I/O设备三者可并行操作。
n 工作过程：
n CPU向通道发送一条I/O指令。 n 给出通道程序首址和要访问的I/O设备。 n 通过执行通道程序完成I/O任务。
操作系统OS05设备管理
通道程序
n 通道是通过执行通道程序，并与设备控制器共同实现对I/O 设备的控制的。
接收用户命令信息，并通过输出设备同步显示用 户命令以及命令执行的结果。
操作系统OS05设备管理
1. I/O设备的类型
n
n 低速设备，每秒钟几个字节至数百个字节。
n 键盘、鼠标器、语音的输入和输出设备
n 中速设备，每秒钟数千个字节至数万个字节。
n 行式打印机、激光打印机
n 高速设备，数百千个字节至数十兆字节 。
n 没有自己的内存（通道与CPU共享内存）。
操作系统OS05设备管理
2. 通道类型
n 通道是用来控制外围设备的，由于外围设备的 类型较多，且其传输速率相差较大，因而使通 道具有多种类型。根据信息交换方式的不同， 可把通道分为三种类型：
1）字节多路通道 2）数组选择通道 3）数组多路通道
操作系统OS05设备管理
2. 中断驱动I/O控制方式
操作系统设备管理培训教材(PPT79页).pptx
(b)
Operating System
9.6 Kb/s
中断CPU 的频率降 低为 9.6Kb/8
8位缓冲寄存器
2021/1/10
送内存
4
缓冲的引入 9.6 Kb/s
(c)
8位缓冲寄存器
每 800s 中断一 次CPU
提高CPU和I/O设备之间的并行性
❖ 提高系统的吞吐量和设备的利用率
Operating System
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循环缓冲
G6
Nexti R 1
2R
类型： R:空缓冲；G：满缓冲；C：当前缓冲
Nexti R 1
G6
2R
G5
3G
4
Nextg
G
G5
3C
4 G
Nextg
current
Operating System
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循环缓冲
循环缓冲区的使用
❖ Getbuf过程
➢ 为计算进程和输入进程提供缓冲区，并移动指针
循环缓冲的组成
❖ 多个缓冲区 ➢ 用于装输入数据的空缓冲区R ➢ 已装满数据的满缓冲区G ➢ 计算进程正在使用的现行工作缓冲区C
❖ 多个指针 ➢ 指示计算进程下一可用缓冲区Nextg ➢ 指示输入进程下一可用空缓冲区Nexti ➢ 指示计算进程正在使用的缓冲区Current
Operating System
Operating System
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1
第五章 设备管理
I/O系统 I/O控制方式
缓冲管理
设备分配 设备处理 磁盘存储器管理
Operating System
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操作系统的设备管理
DC=0 ?
Y 请求中断
N
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4. 通道控制方式
与DMA方式相比，通道所需的CPU干预 更少，且可以做到一个通道控制多台设备， 进一步减轻了CPU的负担。
通道是一种专用的I/O处理机。 通道有自己的指令系统，若干条通道命令
连接成通道程序。
18
CPU
主存储器
总线
字节多路通道 数组多路通道 选择通道
终端 控制器
磁盘控制器
磁盘控制器
打印机 控制器 读卡机 控制器
磁带控制器 软盘控制器
磁盘控制器
CPU、通道和I/O设备并行工作 19
通道的三种类型
1. 字节多路通道：以字节为单位传输信息，可以分 时地执行多个通道程序，一个通道程序对应一台 设备。主要用来连接大量慢速设备。
2. 选择通道：以成组方式工作，即每次传送一批数 据，故传送速度很高。在一段时间内只能执行一 个通道程序，只允许一台设备传输数据。可用于 连接高速设备，如固定头磁盘等。
3. 数组多路通道：结合了选择通道传送速度高和字 节多路通道能够分时的优点。先为一台设备执行 一条通道指令，自动转接，再为另一台设备执行 一条通道指令。可连接多台活动头磁盘机。
20
工作过程： 1. CPU向I/O通道发出一条I/O指令，给出
所要执行的通道程序的首地址和要访问 的I/O设备。 2. 通道接到CPU发来的指令，通过执行通 道程序便可完成CPU指定的I/O任务。 3. 完成任务后，通道与设备一起发出中断 请求信号，请求CPU处理。
操作系统的设备管理
1
目标和功能
I/O管理是操作系统的主要功能之一，负责 管理所有I/O设备。计算机系统中存在着大 量的I/O设备，其性能和应用特点可能完全 不同，所以要建立一个通用的、一致的设 备访问接口，使用户和应用程序开发人员 能够方便地使用I/O设备，而无须关心每种 设备各自的特性。
计算机操作系统第五章设备管理复习资料
第五章设备管理（一）简答题1、为什么要在设备管理中引入缓冲技术？解：缓冲技术是用来在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。
在OS的设备管理中，引入缓冲技术的主要原因可归结为以下几点。
（1）缓和CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾。
一般情况下，程序的运行过程是时而进行计算，时而进行输入或输出。
以打印机输出为例，如果没有缓冲，则程序在输出时，必然由于打印机的速度跟不上而使CPU停下来等待；然而在计算阶段，打印机又无事可做。
如果设置一个缓冲区，程序可以将待输出的数据先输出到缓冲区中，然后继续执行；而打印机则可以从缓冲区取出数据慢慢打印。
（2）减少中断CPU的次数。
例如，假定设备只用一位二进制数接收从系统外传来的数据，则设备每接收到一位二进制数就要中断CPU一次，如果数据通信速率为9.6Kb/s，则中断CPU的频率也是9.6KHz，即每100us就要中断CPU一次，若设置一个具有8位的缓冲寄存器，则可使CPU被中断的次数降低为前者的1/8。
（3）提高CPU和I/O设备之间的并行性。
由于在CPU和设备之间引入了缓冲区，CPU可以从缓冲区中读取或向缓冲区写入信息，相应地设备也可以向缓冲区写入或从缓冲区读取信息。
在CPU工作的同时，设备也能进行输入输出操作，这样，CPU和I/O设备就可以并行工作。
2、引入缓冲的主要原因是什么？P155【解】引入缓冲的主要原因是：●缓和CPU和I/O设备速度不匹配的矛盾；●减少对CPU的中断频率，放宽对中断响应时间的限制●提高CPU和I/O设备之间的并行性。
3、请简述为什么要在核心I/O子系统中要引入缓冲机制（Buffering）。
答：引入缓冲的主要原因：（1）缓和CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾。
（2）减少对CPU的中断频率，放宽对中断响应时间的限制。
（3）提高CPU与I/O设备之间的并行性。
4、简述SPOOLing（斯普林）系统的工作原理。
解：多道程序并发执行后，可利用其中的一道程序来模拟脱机输入时外围控制机的功能，将低速I/O设备上的数据传送到高速磁盘上；再利用另一道程序来模拟脱机输出时外围控制机的功能，将高速磁盘上的数据传送到输出设备上，这样就可以在主机的直接控制下，实现脱机输入、输出操作，这时外围操作与CPU对数据的执行同时进行。
操作系统课后习题答案第五章设备管理习题
统课后习题答案第五理习题（总7页）本页仅作为文档封面，使用时可以删除This document is for reference only-rar21 year.Ma^h设备管理习题1.通道是一种（）A・I/O端口B.共享文件C. I/O专用处理器D.数据通道2.操作系统中引入缓冲技术的目的是为了增强系统的（）能力A.串行操作B.并行操作c .控制操作 D .中断操作3.（）是操作系统中以空间换时间的技术？A .缓冲技术 B.并行技术C.通道技术D・虚拟存储技术4.通道实现（）之间的信息交换A •主存与外设B . CPU与外设C .主存与外存D . CPU与外存5. CPU输出数据的速度远远高于打印机的打印速度，为解决这一矛盾，可采用（）A .并行技术B .通道技术C .缓冲技术D .虚拟存储技术6.在采用Spooling技术的系统中，用户的打印数据首先被送到（）A .打印机B .磁盘的输入井C .磁盘的输出井D .终端7.缓冲技术中的缓冲池在（）中A .外存B .内存C . ROMD .寄存器8•在一般大型计算机系统中，主机对外围设备的控制可通过通道，设备控制器，设备三个层次实现，下面的叙述中正确的是（）A.控制器可控制通道，设备在通道的控制下工作B .通道控制控制器，设备在控制器的控制下工作C .通道和控制器分别控制设备D.控制器控制通道和设备工作9 .下面有关虚拟设备的论述中正确的是（）A.虚拟设备是指允许用户使用比系统中具有的物理设备更多的设备B .虚拟设备是指运行用户以标准方式使用物理设备C .虚拟设备是指把一个物理设备变换成多个对应的逻辑设备D .虚拟设备是指允许用户程序不必全部装入内存就可以使用系统中的设备10.（）算法是设备分配中常用的一种算法A•短作业优先B.最佳适应C.先来先服务D.首次适应11 •用户编程与实际的物理设备无关是指（）A•虚拟设备B.设备的独立性C・设备驱 D.设备分配12.磁盘调度算法的目的是()A.减少寻道时间B.减少延迟时间C.减少旋转时间D. A,B和C14• I/O控制方式的发展经历了4个阶段，分别是? DMA方式与中断控制方式的主要区别是什么？15•什么是Spooling技术该系统由哪几部分组成⑴SPOOLING技术(Simultaneous Peripheral Operations On-Line)假脱机操作(2)SPOOLING系统的组成输入井和输出井、输入缓冲区和输出缓冲区、输入进程和输出进程16.设备独立性的含义？设备独立性是如何实现的。
操作系统-设备管理
I/O设备的类型 I/O设备的类型
按设备共享分类 独占设备：一段时间内，只允许一个进程访问的设备，即临界资源。 独占设备：一段时间内，只允许一个进程访问的设备，即临界资源。 独占设备包括所有的字符型设备和磁带机。 独占设备包括所有的字符型设备和磁带机。 共享设备：一段时间内，允许多个进程同时访问的设备， 共享设备：一段时间内，允许多个进程同时访问的设备，包括除磁带 机以外的所有块型设备，如磁盘。宏观上， 机以外的所有块型设备，如磁盘。宏观上，多个进程使用一个共享设 微观上，多个进程交替使用同一设备。 备，微观上，多个进程交替使用同一设备。 虚拟设备：通过虚拟技术将一台设备变换为若干台逻辑设备， 虚拟设备：通过虚拟技术将一台设备变换为若干台逻辑设备，供多个 进程同时使用。 虚拟光驱、虚拟网卡。 进程同时使用。如，虚拟光驱、虚拟网卡。 按照功能分类 外存设备 I/O设备 I/O设备
I/O设备控制器 I/O设备控制器
设备控制器的功能
接收和识别命令。 接收CPU 的命令和参数， CPU的命令和参数 接收和识别命令 。 接收 CPU 的命令和参数 ， 存放在控制器的 控制寄存器中，并对命令和地址译码。 控制寄存器中，并对命令和地址译码。 数据交换： 通过数据寄存器， 实现CPU 控制器、 控制器CPU数据交换 ： 通过数据寄存器 ， 实现 CPU- 控制器 、 控制器 - 设 备之间的数据交换。 备之间的数据交换。 设备状态的了解和报告：通过设置状态寄存器， 设备状态的了解和报告：通过设置状态寄存器，记录设备的 状态，CPU通过该信息对设备进行有效控制 通过该信息对设备进行有效控制。 状态，CPU通过该信息对设备进行有效控制。 地址识别： 地址识别：
I/O设备控制器 I/O设备控制器
设备控制器的组成
操作系统的磁盘调度与缓存管理
操作系统的磁盘调度与缓存管理一、引言在计算机系统中，操作系统扮演着重要的角色，其中磁盘调度和缓存管理是操作系统中的两个重要组成部分。
磁盘调度算法用于确定磁盘上请求访问的顺序，而缓存管理则负责提高系统的访问速度和性能。
本文将探讨操作系统中的磁盘调度和缓存管理的原理、算法以及在实际应用中的重要性。
二、磁盘调度1. 磁盘的基本原理磁盘是计算机中常见的外部存储设备，由盘片、磁头、磁道和扇区等组成。
磁盘通过旋转和移动磁头的方式实现数据的读写操作。
2. 磁盘调度算法磁盘调度算法的目标是提高磁盘访问的效率，减少寻道时间和旋转延迟。
其中常见的磁盘调度算法有先来先服务（FCFS）、最短寻道时间优先（SSTF）、电梯扫描（SCAN）等。
3. 磁盘调度算法的比较与选择不同的磁盘调度算法根据不同的工作负载和性能需求，可能会产生不同的效果。
因此，在选择磁盘调度算法时需要综合考虑各种因素，包括磁盘访问模式、请求队列大小、响应时间等。
三、缓存管理1. 缓存的基本概念缓存是一种临时存储介质，用于提高计算机系统的读写速度。
操作系统中的缓存一般包括内存缓存和磁盘缓存，常用的缓存算法有最近最少使用（LRU）、先进先出（FIFO）等。
2. 缓存替换策略当缓存已满时需要替换其中的数据，缓存替换策略决定了替换的规则。
常见的缓存替换策略包括LRU、FIFO、最不经常使用（LFU）等，不同的策略适用于不同的应用场景和性能需求。
3. 缓存一致性缓存一致性是指多个缓存之间保持数据的一致性，以防止读写冲突和数据错误。
常用的缓存一致性协议有写回（write back）和写直达（write through）等。
四、磁盘调度与缓存管理的重要性磁盘调度和缓存管理是操作系统中的关键模块，它们的性能直接影响着系统的读写速度和效率。
通过优化磁盘调度算法和缓存管理策略，可以提高系统的响应速度、减少用户等待时间，并且降低系统资源的开销。
五、结论磁盘调度和缓存管理是操作系统中的两个重要组成部分，它们分别通过改善磁盘访问的效率和提高数据读写速度来优化系统性能。
操作系统的五大管理功能和四大分类
操作系统的五大管理功能和四大分类操作系统的五大管理功能和四大分类操作系统是管理计算机硬件资源，控制其他程序运行并为用户提供交互操作界面的系统软件的集合。
操作系统是计算机系统的关键组成部分，负责管理与配置内存、决定系统资源供需的优先次序、控制输入与输出设备、操作网络与管理文件系统等基本任务。
下面是店铺分享的一些相关资料，供大家参考。
一般来说，操作系统可以分为五大管理功能部分：1、设备管理：主要是负责内核与外围设备的数据交互，实质是对硬件设备的管理，包括对输入输出设备的分配，初始化，维护与回收等。
例如管理音频输入输出。
2、作业管理：这部分功能主要是负责人机交互，图形界面或者系统任务的管理。
3、文件管理：这部分功能涉及文件的逻辑组织和物理组织，目录结构和管理等。
从操作系统的角度来看，文件系统是系统对文件存储器的存储空间进行分配，维护和回收，同时负责文件的索引，共享和权限保护。
而从用户的角度来说，文件系统是按照文件目录和文件名来进行存取的。
4、进程管理：说明一个进程存在的唯一标志是pcb(进程控制块)，负责维护进程的信息和状态。
进程管理实质上是系统采取某些进程调度算法来使处理合理的分配给每个任务使用。
5、存储管理：数据的存储方式和组织结构。
操作系统的类型也可以分为几种：批处理系统，分时操作系统，实时操作系统，网络操作系统等。
下面将简单的介绍他们各自的特点：1、批处理系统：首先，用户提交完作业后并在获得结果之前不会再与操作系统进行数据交互，用户提交的作业由系统外存储存为后备作业;数据是成批处理的，有操作系统负责作业的自动完成;支持多道程序运行。
2、分时操作系统：首先交互性方面，用户可以对程序动态运行时对其加以控制;支持多个用户登录终端，并且每个用户共享CPU和其他系统资源。
3、实时操作系统：会有时钟管理，包括定时处理和延迟处理。
实时性要求比较高，某些任务必须优先处理，而有些任务则会被延迟调度完成。
4、网络操作系统：网络操作系统主要有几种基本功能(1)网络通信：负责在源主机与目标主机之间的数据的可靠通信，这是最基本的功能。
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缓冲池
收容输入 Hin
提取输出 Sout
Sin Hout
提取输入 用 户
收容输出 程 序
GetBuf(OGuetptBuutQf(Eumeupey,QSuoeuut)e;, Hout);
Procedu从reSoGute中t输提B出取uf数输(据Q出到数TH据yop输uet出中, ；p；Buf) ProceduPruetBPuuf(EtBmPuputtBfyu(QQf(uOeTuytep,puSetoQ,uutp)e;Bueu, Hf)out);
队列
L[OutputQueue]
缓冲区u
缓冲区v
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缓冲首部
设备号 数据块号 缓冲器号 互斥标识位 连接指针
缓冲区n
缓冲区t
缓冲区w
GetBuf(GEmetpBtuyfQ(InupeuetQ, Hueinu)e; , Sin);
缓冲区工作方式 输入数据从到SHini中n中提；取输入数据；
工作区
T M C : n M C i1
i
传送 1 i(M)
操作系统
缓冲区1 i i 1
缓冲区2
i 输入
I/O (T) 设备
T T T T T T 1（缓冲1） 2 （缓冲2）
3 （缓冲1） 4 （缓冲2）
5 （缓冲1）
6 （缓冲2）
M1缓冲1 M2缓冲2 M3缓冲1
M4缓冲2
C1
C2
C3
C4
知行合一， 开拓进取！
双缓冲■
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循环缓冲
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()
用户进程
操作系统
缓冲区
输 入
工作区
传送
输入 输入 设备
循 环 缓 冲
0
I N1exti
G
I2
指针移动方向
0
I N1exti
G
I2
指针移动方向
的5 组G
成
4G
G Nextg
5 G
3
Current
送内存
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知行合一， 开拓进取！
缓冲技术的引入理由■
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单缓冲
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单缓冲
用户n进1程
操作系统 n
T1
处工理作i (区1C)max传(M(送)Ti
1, Ci )
缓冲区
n
Mi
i 1 输入 (T)
Cn
I/O 设备
T1
T2
T3
T4
M1
M2
M3
M4
C1
C2
C3
C4
t
系统对每一整块数据处理时间为
max(C, T) + M
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知行合一， 开拓进取！
单缓冲■
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双缓冲
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双缓冲
用户进程
T M C 处理(C)
工作区
T M C : n T i1
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知行合一， 开拓进取！
循环缓冲■
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缓冲池
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缓冲池的组成
三个队列及队首尾指针（F[…]/L[…]） 空缓冲队列 EmptyQueue 输入队列 InputQueue 输出队列 OutputQueue
四种工作缓冲区 用于收容输入数据的工作缓冲区 Hin 用于提取输入数据的工作缓冲区 Sin 用于收容输出数据的工作缓冲区 Hout 用于提取输出数据的工作缓冲区 Sout
缓冲技术的引入理由
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缓冲技术的引入
操作系统引入缓冲机制的原因 缓和CPU与I/O设备速度不匹配的矛盾 减少对CPU的中断频率，放宽对中断响应时间 的限制 提高CPU与I/O设备之间的并行性
缓冲管理的主要功能 缓冲区的组织 缓冲区的获得与释放
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G
3
4
G
Nextg
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缓冲区的使用及进程同步
缓冲区使用过程 GetBuf (BufType, Current)过程 ReleaseBuf (BufType, Current) 过程
进程同步 Nexti 指针追赶上Nextg 指针时，输入进程应阻 塞，直至计算进程把某满缓冲区数据取走并调用 ReleaseBuf 过程将之唤醒 Nextg指针追赶上 Nexti指针时，计算进程应阻 塞，直至输入进程装满某空缓冲区并调用 ReleaseBuf 过程将之唤醒
i
传送
(M) i
n 操作系统
缓冲i区1 i 1
缓冲区2
n 输入 n
I/O (T) 设备
T T T 1（缓冲1）
2 （缓冲2）
3 （缓冲1）
T T 4 （缓冲2）
5 （缓冲1）
M1缓冲1
M2缓冲2
M3缓冲1
M4缓冲2
C1
C2
C3
C4
t
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双缓冲
n
用户进程
T (M C ) 处理(C)
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缓冲队列组织形式
空缓冲 队列
空缓冲队列头结点 F[EmptyQueue]
L[EmptyQueue]
缓冲区l
缓冲区m
输入缓冲队列头结点
输入缓冲 F[InputQueue]
队列
L[InputQueue]
缓冲区r
缓冲区s
输出缓冲队列头结点
输出缓冲 F[OutputQueue]
利用缓冲降低中断频率举例说明
1位缓冲
每100μs中断
(a) 9.6Kb/s
远
送内存
每CP8U00一μs次中，断且 C响PU应一处次理，必且须 响在应10处0 μ理s内必完须成
程
8位缓冲寄存器
在100 μs内完成
通 (b) 9.6Kb/s
送内存
信 系 统
8位缓冲寄存器 (c) 9.6Kb/s
每800μs中断 CPU一次，且 响应处理必须 在800 μs内完成
t
系统对每一整块数据处理时间为
max(M+C , T)
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利用双缓冲实冲
区
区
双机通信单缓冲 只能实现单向数据传输
(单工通信)
A机
发送 缓冲区
B机
接收 缓冲区
接收 缓冲区
发送 缓冲区
双机通信双缓冲
可以实现双向数据传输 （双工通信）
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北京交通大学计算机学院 翟高寿
GetBuf过程和PutBuf过程
VAR integer: EmptyQueue:=0, InputQueue:=1, OutputQueue:=2; semaphore: RS[0..2]:={N,0,0}, MS[0..2]:={1,1,1};
Procedure GetBuf(QType, Procedure PutBuf(QType,