网络操作系统第 6章设备管理主要内容
6.1,I/O系统概述
6.2,I/O软件组成
6.3,windows 2000设备管理
6.1,I/O系统概述
1、设备管理的重要性
2、设备管理功能
3、设备的分类
4、设备性能的标准
5、设备的分配
1、设备管理的重要性
一,I/O设备的性能经常成为系统性能的
“瓶颈”。
二,I/O设备千差万别，统一管理难度大。
三、在应用中,I/O设备能否及时将各种信息传送给执行部件，对于实时处理和控制系统至关重要
2、设备管理功能
一、实现对外设的分配和回收
二、实现对外设的启动
三、实现对磁盘的驱动调度
四、实现主存与外设的信息传输
五、实现虚拟设备。
3、设备的分类
1）、按设备从属关系分类
系统设备：
当系统生成时，由系统注册登记的标准配置的设备。
用户设备：用户根据需要配置的，在系统生成时未登记的设备。
2）、按设备的使用特性分类
一、存储设备：保存信息的部件
区分辅存,I/O设备
二、输入设备
三、输出设备
3）、按设备的分配关系分类
一、独占设备是指在一个程序的整个运行期间都必须由单个程序独占，直到该程序完成的设备，
即在任一给定的时刻只能让一个进程使用。
带来的一些问题：低效率、死锁
二、共享设备
是指能够同时让许多程序使用的设备。
广义的共享设备：是指包括非并发和并发的共享，几乎所有的设备都是广义的共享设备。
狭义的共享设备：是指设备本身是独占设备，但经过某种技术处理，可以把它改造成直接经济损失成共享设备，同时分配给多个进程。
三、虚拟设备
是指借助于大量的辅助存储器和程序，
向用户提供虚拟存储器，或将低速独占的设备模拟成可共享的设备，分配给多个进程。
4）、按设备的信息组织方式分类
一、字符设备：以字符为单位组织处理信息的设备
二、块设备：以字符为单位组织和处理信息的设备
划分字符设备和块设备主要是依据设备的信息记录的大小，它的大小决定了设备一次操作的数据传送单位和内部是否可寻址。
5）、其他分类方法
按 I/O对象可分为人机通信与机机通信设备
按是否交互可分为交互设备和非交互设备
按数据传输速率可分为高速设备和低速设备
4、设备性能的标准
一、适应性和多样性
二、容量
三、响应时间
四、吞吐量
五、代价
5、设备的分配
1）、设备控制表
每个设备配置设备控制表：
系统设备控制表：
设备等待队列：是由等待分配资源的进程控制块组成，其组织方式可以按先来先服务的顺序，也可以按照优先顺序。
２）、设备分配的原则
设备分配的总原则是：一方面要充分发挥设备的使用效率，同时又要避免不合理的分配方式造成死锁、系统工作紊乱等现象，使用户在逻辑层面上能够合理方便地使用设备。
一、考虑设备的特性和安全性
二、先来先服务和优先级分配
3)、独占设备的分配与虚拟设备
独占设备每次只能分给一个进程使用，
在分配时一定要结合有关防止和避免死锁的安全算法。
虚拟设备技术 (SPOOLING系统）
,井”：磁盘上的一块
输入井：输入 SPOOLING系统
输出井,输出 SPOOLING系统
4)、共享设备的分配与磁盘调度策略
一、磁盘的特征：
磁盘的结构：盘面、磁道、扇区
磁盘物理信息定位的三个参数：柱面、
磁盘和扇区的编号
固定头磁盘：
移动头磁盘：
二、具体的磁盘调度策略
移臂调度：先来先服务、最短寻找时间优先、电梯调度
旋转调度：根据延迟时间来决定执行次序的调度。
Eg:假定在某磁盘共有 200个柱面,编号为 0~199，
如果在为访问 143号柱面的请求者服务后,当前正在为访问 125号柱面的请求服务,同时有若干请求者在等待服务,它们依次要访问的柱面号为：
8,147,91,177,94,150,102,175,130。
请回答下列问题：
① 分别用先来先服务,电梯调度算法来确定实际的服务次序 。
② 按实际的服务次序计算在上述算法下移动臂的移动的距离 。
解答：
① 先来先服务算法,86,147,91,177，
94,150,102,175,130
电梯调度算法,102,94,91,86，
130,147,150,175,177
② 先来先服务需移动的柱面数,61,56，
86,83,56,48,73,45共移动了 547个柱面数
电梯调度算法需移动的柱面数为：
23,8,3,5,44,17,3,25,2共移动了 130个柱面。
6.2,I/O软件组成
设备管理软件的设计水平决定了设备管理的效率。设计 I/O设备管理软件的结构的基本思路是分层构造，也就是说把设备管理软件组成为一系列的层次。其中低层与硬件相关，它把硬件与较高层的软件隔离开来，而最高层的软件则向应用提供了一个友好、清晰、统一的接口主要内容：
1,I/O软件的目标
2、中断处理程序
3、设备驱动程序
4、与设备无关的系统软件
5、通道
1,I/O软件的目标
一、设备独立性
除了直接与设备打交道的低层之外，其他部分的软件并不依赖于硬件。
二、统一命名
是指在系统中采取预先设计的、统一的逻辑名称，对各类设备进行命名，并且应用在同设备有的全部软件模块中。
2、中断处理程序
１）、中断的概念
２）、中断的分类与优先级
３）、软中断
４）、中断处理过程
５）、设备管理程序与中断方式
１）、中断的概念
中断：是指计算机在执行期间，系统内发生任何非寻常的或非预期的急需的急需处理的事件，
使介 CPU暂时中断当前正在执行的程序而转去执行相应的事件处理程序，待处理完后又返回到被中断处继续执行或调度新的进程执行的过程。
中断源：引起中断发生的事件
中断响应：中断源向 CPU发出的请求中断处理信号称为中断请求，而 CPU收到中断请求后转向相应的事件处理程序。
２）、中断的分类与优先级
外中断：是指来自处理器和内存外部的中断的中断，包括 I/O设备发出的 I/O中断，外部信号中断、各种定时器引起的时钟中断，以及调试程序中设置的断点等引起的调试中断等。狭义上一般称为中断。
内中断（陷阱、异常）：主要是指在处理和内存内部产生的中断
中断和陷阱的主要区别：
一、陷阱通常由处理器正在执行的现行指令引起，而中断则是由与现行指令无关的中断源引起的。
二、陷阱处理程序提供的服务是为当前进程所用的，而中断处理程序提供的服务则不为当前进程所用的。
三,CPU执行完一条指令之后，在下一条指令开始之前响应中断，而在一条指令执行过程中也可以响应陷阱。
３）、软中断
软中断概念主要来源于操作，软中断是对于硬中断而言的。
硬中断：通过硬件产生相应的中断请求
软中断：是在通信进程之间通过模拟硬中断而实现的一种通信方式。
４）、中断处理过程
CPU响应，中断处理程序处理中断：
一,CPU检查响应中断的条件是否满足
二,CPU响应中断,CPU关中断
三、保存现场,PSW和 PC
四、分析中断原因，调用中断处理子程序
五、执行中断处理子程序
六、退出中断
七、开中断,CPU继续执行。
５）、设备管理程序与中断方式
采用中断方式的原因：为了提高整体效率，减少在程序直接控制方式中的 CPU
等待时间以及提高系统的并行工作效率，
采用中断方式来控制 I/O设备和内存与
CPU之间的数据传送
在硬件结构上，要求 CPU与 I/O设备之间有相应的中断请求线，而且在 I/）设备控制器的控制状态寄存器上有相应的中断允许位。
在断方式下，中央处理与 I/O设备之间数据传输的大致如下：
一、某个进程需要数据时，发出指令启动 I/O设备数据。
二、在进程发出指令启动设备之后，该进程放弃处理器，等待相关 I/O操作完成。
三、当 I/O操作完成时,I/O控制器通过中断请求线向处理发出中断信号。
四、得到了数据的进程、转入就绪状态
采用中断方式仍然存在的一些问题：
在 I/O控制器的数据缓冲寄存器装满数据之后将会发生中断。
现代计算机系统通常配置有各种各样的
I/O设备。
3、设备驱动程序
1）、设备驱动程序的功能
2）、设备驱动程序的特性
3）、设备驱动程序的结构
4）、设备驱动程序的内部策略
4、与设备无关的系统软件
1）、统一命名
2）、设备保护
3）、提供与设备无关的逻辑块
4）、缓冲
5）、存储设备的块分配
6）、独占设备的分配和释放
7）、出错处理
5、通道
通道：能单独地完成输入输出操作，也叫输入输出处理机
主存储器与外围设备之间传送信息的输入输出操作就由通道去做，只要中央处理器启动了通道，通道就能按指定的要求独立去完成输入输出操作，然后中央处理器可做与输入输出操作无关的其它工作，从而使计算机系统获得了中央处理器与外围设备之间并行工作的能力。
6.３,windows 2000设备管理
Windows2000的设备管理主要是由
windows2000I/O系统完成，该系统是
windows2000执行体的组件；负责接受 I/O，并且把请求以不同的形式传送到 I/O设备，此系统的具体设计的目标是：
1）、使用标准的安全机制完成共享资源的保护
2）、满足不同子系统对 I/O服务的需要
3）、使设备驱动程序开发更方便，简单
4）、允许动态地在系统中添加、删除设备驱动程序。
虚拟文件：
winNT中：程序在虚拟文件中执行 I/O，
虚拟文件是指所有用于 I/O的目标，它们都可以被当作文件来处理，所有 I/O的数据都被看作该虚拟文件的简单字节流。
Windows2000：程序在虚拟文件中执行
I/O操作。所谓“虚拟文件”是指用于
I/O的所有源目标都被当作文件处理，所有被处理的数据都可以看作是这些虚拟文件的简单字节流。
主要内容：
1、设备管理
2,PnP管理器
3、电源管理器
1、设备管理
1）,I/O管理器工作简介
2）、设备驱动程序
3）,windows2000设备管理
1）,I/O管理器工作简介
IRP（ I/O请求包）：表示 I/O请求，可以从一个 I/O系统组件转换到另一个 I/O系统组件。
I/O管理器负创建 IRP，并传递 IRP到正确的驱动程序，并且此 I/O操作完成后，将结果反馈给这个包。
I/O管理器还为不同的驱动程序提供公共的代码，驱动程序调用这些代码来执行它们的 I/O
处理。
I/O管理也提供灵活的 I/O服务，允许环境子系统执行它们各自的 I/O函数。
2）、设备驱动程序
一,VDD：用来模拟 16位的应用程序，负责捕获 16位 DOS应用程序对 I/O的请求，并将其转化为 Win32I/O函数。
二、核心态设备驱动程序：是能够直接控制和访问硬件设备的唯一的驱动程序类型。包括：
端口、文件、低层硬件设备驱动程序。
三,win32“显示驱动程序”与“打印驱动程序”
负责将与设备无关的图形请求转换为设备专用请求。
3）,windows2000设备管理
在 windows2000中设备的管理可以通过“设备管理器”完成。通过“设备管理器”提供的计算机硬件的图形化视图，可以更改硬件的配置方式以及硬件与计算机处理器之间的交互方式。
设备安装：
安装即插即用设备时,windows2000将自动配置该设备，该设备就能和计算机安装的其他设备一起工作。 作为配置过程的一部分，
windows2000将唯一的一组系统资源分配给安装的设备。
设备卸载：必须登录为管理员或管理员组成员。如是果计算机连接在网络上，
则络规则设备也可能会禁止用户完成该过程。
2,PnP管理器
PnP:即插即用，是计算机系统 I/O设备与部件配置的应用技术。
主要特点：
支持 I/O设备及部件的自配置，使用户能够简单方便地使用系统扩充设备；
减少了由制造商造成的种种用户限制
3、电源管理器
6.1,I/O系统概述
6.2,I/O软件组成
6.3,windows 2000设备管理
6.1,I/O系统概述
1、设备管理的重要性
2、设备管理功能
3、设备的分类
4、设备性能的标准
5、设备的分配
1、设备管理的重要性
一,I/O设备的性能经常成为系统性能的
“瓶颈”。
二,I/O设备千差万别，统一管理难度大。
三、在应用中,I/O设备能否及时将各种信息传送给执行部件，对于实时处理和控制系统至关重要
2、设备管理功能
一、实现对外设的分配和回收
二、实现对外设的启动
三、实现对磁盘的驱动调度
四、实现主存与外设的信息传输
五、实现虚拟设备。
3、设备的分类
1）、按设备从属关系分类
系统设备：
当系统生成时，由系统注册登记的标准配置的设备。
用户设备：用户根据需要配置的，在系统生成时未登记的设备。
2）、按设备的使用特性分类
一、存储设备：保存信息的部件
区分辅存,I/O设备
二、输入设备
三、输出设备
3）、按设备的分配关系分类
一、独占设备是指在一个程序的整个运行期间都必须由单个程序独占，直到该程序完成的设备，
即在任一给定的时刻只能让一个进程使用。
带来的一些问题：低效率、死锁
二、共享设备
是指能够同时让许多程序使用的设备。
广义的共享设备：是指包括非并发和并发的共享，几乎所有的设备都是广义的共享设备。
狭义的共享设备：是指设备本身是独占设备，但经过某种技术处理，可以把它改造成直接经济损失成共享设备，同时分配给多个进程。
三、虚拟设备
是指借助于大量的辅助存储器和程序，
向用户提供虚拟存储器，或将低速独占的设备模拟成可共享的设备，分配给多个进程。
4）、按设备的信息组织方式分类
一、字符设备：以字符为单位组织处理信息的设备
二、块设备：以字符为单位组织和处理信息的设备
划分字符设备和块设备主要是依据设备的信息记录的大小，它的大小决定了设备一次操作的数据传送单位和内部是否可寻址。
5）、其他分类方法
按 I/O对象可分为人机通信与机机通信设备
按是否交互可分为交互设备和非交互设备
按数据传输速率可分为高速设备和低速设备
4、设备性能的标准
一、适应性和多样性
二、容量
三、响应时间
四、吞吐量
五、代价
5、设备的分配
1）、设备控制表
每个设备配置设备控制表：
系统设备控制表：
设备等待队列：是由等待分配资源的进程控制块组成，其组织方式可以按先来先服务的顺序，也可以按照优先顺序。
２）、设备分配的原则
设备分配的总原则是：一方面要充分发挥设备的使用效率，同时又要避免不合理的分配方式造成死锁、系统工作紊乱等现象，使用户在逻辑层面上能够合理方便地使用设备。
一、考虑设备的特性和安全性
二、先来先服务和优先级分配
3)、独占设备的分配与虚拟设备
独占设备每次只能分给一个进程使用，
在分配时一定要结合有关防止和避免死锁的安全算法。
虚拟设备技术 (SPOOLING系统）
,井”：磁盘上的一块
输入井：输入 SPOOLING系统
输出井,输出 SPOOLING系统
4)、共享设备的分配与磁盘调度策略
一、磁盘的特征：
磁盘的结构：盘面、磁道、扇区
磁盘物理信息定位的三个参数：柱面、
磁盘和扇区的编号
固定头磁盘：
移动头磁盘：
二、具体的磁盘调度策略
移臂调度：先来先服务、最短寻找时间优先、电梯调度
旋转调度：根据延迟时间来决定执行次序的调度。
Eg:假定在某磁盘共有 200个柱面,编号为 0~199，
如果在为访问 143号柱面的请求者服务后,当前正在为访问 125号柱面的请求服务,同时有若干请求者在等待服务,它们依次要访问的柱面号为：
8,147,91,177,94,150,102,175,130。
请回答下列问题：
① 分别用先来先服务,电梯调度算法来确定实际的服务次序 。
② 按实际的服务次序计算在上述算法下移动臂的移动的距离 。
解答：
① 先来先服务算法,86,147,91,177，
94,150,102,175,130
电梯调度算法,102,94,91,86，
130,147,150,175,177
② 先来先服务需移动的柱面数,61,56，
86,83,56,48,73,45共移动了 547个柱面数
电梯调度算法需移动的柱面数为：
23,8,3,5,44,17,3,25,2共移动了 130个柱面。
6.2,I/O软件组成
设备管理软件的设计水平决定了设备管理的效率。设计 I/O设备管理软件的结构的基本思路是分层构造，也就是说把设备管理软件组成为一系列的层次。其中低层与硬件相关，它把硬件与较高层的软件隔离开来，而最高层的软件则向应用提供了一个友好、清晰、统一的接口主要内容：
1,I/O软件的目标
2、中断处理程序
3、设备驱动程序
4、与设备无关的系统软件
5、通道
1,I/O软件的目标
一、设备独立性
除了直接与设备打交道的低层之外，其他部分的软件并不依赖于硬件。
二、统一命名
是指在系统中采取预先设计的、统一的逻辑名称，对各类设备进行命名，并且应用在同设备有的全部软件模块中。
2、中断处理程序
１）、中断的概念
２）、中断的分类与优先级
３）、软中断
４）、中断处理过程
５）、设备管理程序与中断方式
１）、中断的概念
中断：是指计算机在执行期间，系统内发生任何非寻常的或非预期的急需的急需处理的事件，
使介 CPU暂时中断当前正在执行的程序而转去执行相应的事件处理程序，待处理完后又返回到被中断处继续执行或调度新的进程执行的过程。
中断源：引起中断发生的事件
中断响应：中断源向 CPU发出的请求中断处理信号称为中断请求，而 CPU收到中断请求后转向相应的事件处理程序。
２）、中断的分类与优先级
外中断：是指来自处理器和内存外部的中断的中断，包括 I/O设备发出的 I/O中断，外部信号中断、各种定时器引起的时钟中断，以及调试程序中设置的断点等引起的调试中断等。狭义上一般称为中断。
内中断（陷阱、异常）：主要是指在处理和内存内部产生的中断
中断和陷阱的主要区别：
一、陷阱通常由处理器正在执行的现行指令引起，而中断则是由与现行指令无关的中断源引起的。
二、陷阱处理程序提供的服务是为当前进程所用的，而中断处理程序提供的服务则不为当前进程所用的。
三,CPU执行完一条指令之后，在下一条指令开始之前响应中断，而在一条指令执行过程中也可以响应陷阱。
３）、软中断
软中断概念主要来源于操作，软中断是对于硬中断而言的。
硬中断：通过硬件产生相应的中断请求
软中断：是在通信进程之间通过模拟硬中断而实现的一种通信方式。
４）、中断处理过程
CPU响应，中断处理程序处理中断：
一,CPU检查响应中断的条件是否满足
二,CPU响应中断,CPU关中断
三、保存现场,PSW和 PC
四、分析中断原因，调用中断处理子程序
五、执行中断处理子程序
六、退出中断
七、开中断,CPU继续执行。
５）、设备管理程序与中断方式
采用中断方式的原因：为了提高整体效率，减少在程序直接控制方式中的 CPU
等待时间以及提高系统的并行工作效率，
采用中断方式来控制 I/O设备和内存与
CPU之间的数据传送
在硬件结构上，要求 CPU与 I/O设备之间有相应的中断请求线，而且在 I/）设备控制器的控制状态寄存器上有相应的中断允许位。
在断方式下，中央处理与 I/O设备之间数据传输的大致如下：
一、某个进程需要数据时，发出指令启动 I/O设备数据。
二、在进程发出指令启动设备之后，该进程放弃处理器，等待相关 I/O操作完成。
三、当 I/O操作完成时,I/O控制器通过中断请求线向处理发出中断信号。
四、得到了数据的进程、转入就绪状态
采用中断方式仍然存在的一些问题：
在 I/O控制器的数据缓冲寄存器装满数据之后将会发生中断。
现代计算机系统通常配置有各种各样的
I/O设备。
3、设备驱动程序
1）、设备驱动程序的功能
2）、设备驱动程序的特性
3）、设备驱动程序的结构
4）、设备驱动程序的内部策略
4、与设备无关的系统软件
1）、统一命名
2）、设备保护
3）、提供与设备无关的逻辑块
4）、缓冲
5）、存储设备的块分配
6）、独占设备的分配和释放
7）、出错处理
5、通道
通道：能单独地完成输入输出操作，也叫输入输出处理机
主存储器与外围设备之间传送信息的输入输出操作就由通道去做，只要中央处理器启动了通道，通道就能按指定的要求独立去完成输入输出操作，然后中央处理器可做与输入输出操作无关的其它工作，从而使计算机系统获得了中央处理器与外围设备之间并行工作的能力。
6.３,windows 2000设备管理
Windows2000的设备管理主要是由
windows2000I/O系统完成，该系统是
windows2000执行体的组件；负责接受 I/O，并且把请求以不同的形式传送到 I/O设备，此系统的具体设计的目标是：
1）、使用标准的安全机制完成共享资源的保护
2）、满足不同子系统对 I/O服务的需要
3）、使设备驱动程序开发更方便，简单
4）、允许动态地在系统中添加、删除设备驱动程序。
虚拟文件：
winNT中：程序在虚拟文件中执行 I/O，
虚拟文件是指所有用于 I/O的目标，它们都可以被当作文件来处理，所有 I/O的数据都被看作该虚拟文件的简单字节流。
Windows2000：程序在虚拟文件中执行
I/O操作。所谓“虚拟文件”是指用于
I/O的所有源目标都被当作文件处理，所有被处理的数据都可以看作是这些虚拟文件的简单字节流。
主要内容：
1、设备管理
2,PnP管理器
3、电源管理器
1、设备管理
1）,I/O管理器工作简介
2）、设备驱动程序
3）,windows2000设备管理
1）,I/O管理器工作简介
IRP（ I/O请求包）：表示 I/O请求，可以从一个 I/O系统组件转换到另一个 I/O系统组件。
I/O管理器负创建 IRP，并传递 IRP到正确的驱动程序，并且此 I/O操作完成后，将结果反馈给这个包。
I/O管理器还为不同的驱动程序提供公共的代码，驱动程序调用这些代码来执行它们的 I/O
处理。
I/O管理也提供灵活的 I/O服务，允许环境子系统执行它们各自的 I/O函数。
2）、设备驱动程序
一,VDD：用来模拟 16位的应用程序，负责捕获 16位 DOS应用程序对 I/O的请求，并将其转化为 Win32I/O函数。
二、核心态设备驱动程序：是能够直接控制和访问硬件设备的唯一的驱动程序类型。包括：
端口、文件、低层硬件设备驱动程序。
三,win32“显示驱动程序”与“打印驱动程序”
负责将与设备无关的图形请求转换为设备专用请求。
3）,windows2000设备管理
在 windows2000中设备的管理可以通过“设备管理器”完成。通过“设备管理器”提供的计算机硬件的图形化视图，可以更改硬件的配置方式以及硬件与计算机处理器之间的交互方式。
设备安装：
安装即插即用设备时,windows2000将自动配置该设备，该设备就能和计算机安装的其他设备一起工作。 作为配置过程的一部分，
windows2000将唯一的一组系统资源分配给安装的设备。
设备卸载：必须登录为管理员或管理员组成员。如是果计算机连接在网络上，
则络规则设备也可能会禁止用户完成该过程。
2,PnP管理器
PnP:即插即用，是计算机系统 I/O设备与部件配置的应用技术。
主要特点：
支持 I/O设备及部件的自配置，使用户能够简单方便地使用系统扩充设备；
减少了由制造商造成的种种用户限制
3、电源管理器
