2022年計算機操作系統(tǒng)chap5設(shè)備管理課程

1、 第5章 設(shè)備管理 設(shè)備管理是操作系統(tǒng)中最繁雜且與硬件關(guān)系最密切的部分。通過本章學習，讀者應(yīng)該掌握以下內(nèi)容：數(shù)據(jù)傳輸方式中斷技術(shù)緩沖技術(shù)設(shè)備分配技術(shù)設(shè)備獨立性設(shè)備驅(qū)動7/21/20225.1. I/O系統(tǒng) 5.2. I/O控制方式 5.3. 緩沖管理 5.4. I/O軟件 5.5. 設(shè)備分配 5.6. 磁盤存儲器的管理7/21/2022設(shè)備管理的目標 根據(jù)設(shè)備請求的情況，按照一定的算法，選擇和分配輸入輸出設(shè)備以便進行數(shù)據(jù)傳輸操作； 控制輸入輸入設(shè)備和CPU或內(nèi)存之間交換數(shù)據(jù)，同時提高設(shè)備和設(shè)備之間、CPU和設(shè)備之間，以及進程和進程之間的并行操作度，以使操作系統(tǒng)獲得最佳效率； 為用戶提供一個友好

2、的透明接口，把用戶和設(shè)備硬件特性分開，使得用戶在編制應(yīng)用程序時不必涉及具體設(shè)備，系統(tǒng)按用戶要求控制設(shè)備工作。7/21/2022設(shè)備管理功能設(shè)備分配與回收緩沖管理設(shè)備處理虛擬設(shè)備7/21/2022511 I/O設(shè)備 計算機系統(tǒng)的外圍設(shè)備包括：顯示器、鍵盤、紙帶閱讀器、紙帶穿孔機、打印機、磁帶、磁盤、光盤、激光打印機、繪圖儀、圖形數(shù)字化儀、鼠標器、聲音輸入、聲音輸出設(shè)備以及辦公自動化設(shè)備等等，種類相當繁多，可從不同的角度對它們進行分類。 5.1 I/O系統(tǒng)7/21/2022系統(tǒng)設(shè)備：在操作系統(tǒng)生成時已配置好的的標準設(shè)備。 如：鍵盤、顯示器、打印機、磁盤等。 用戶設(shè)備：指系統(tǒng)設(shè)備之外的非標準設(shè)備，一

3、般由用戶提供設(shè)備及其處理程序，并通過適當?shù)氖侄伟阉鼈兗{入系統(tǒng)中，由系統(tǒng)實施管理。 如：網(wǎng)卡、調(diào)制解調(diào)器、繪圖儀等。 1設(shè)備的從屬關(guān)系分類7/21/2022塊設(shè)備：指以數(shù)據(jù)塊為單位存儲和傳輸數(shù)據(jù)的設(shè)備 如磁盤、磁帶等。字符設(shè)備：指以單個字符為單位來傳送信息的設(shè)備。 如鍵盤、顯示器、打印機等。2設(shè)備中的信息交換單位方式分類7/21/2022存儲設(shè)備：它是計算機用來存儲永久性信息的設(shè)備 如，磁帶、磁盤（軟盤、硬盤）、光盤等。輸入設(shè)備：將外部信息送給計算機的設(shè)備。 如，鍵盤、鼠標、掃描儀、手寫筆、數(shù)碼相機、麥克風、游戲手柄等輸出設(shè)備：將計算機加工后的信息傳送給外界的設(shè)備。 如，顯示器、打印機、投影儀等

4、。3按設(shè)備的使用特性分類7/21/2022獨占設(shè)備:這類設(shè)備在用戶作業(yè)的整個運行期間必須為此用戶所占有，即多個作業(yè)對某一外設(shè)的訪問應(yīng)該是互斥的，一旦系統(tǒng)將這類設(shè)備分配給某個作業(yè)，便由該設(shè)備獨占，直至釋放該資源。 大多數(shù)低速I/O設(shè)備，如用戶終端、打印機等共享設(shè)備:指在同一時間段內(nèi)可以同時讓幾個作業(yè)使用的設(shè)備，當然，在某一時刻，該設(shè)備只能為一個作業(yè)服務(wù)。 適應(yīng)于高速設(shè)備，如磁盤虛擬設(shè)備:根據(jù)設(shè)備的使用性質(zhì)來決定一臺設(shè)備可以分給幾個進程以提高該設(shè)備的使用率。 如虛擬打印機4按資源分配的角度分類7/21/2022 1、按（ ）分類可將設(shè)備分為塊設(shè)備和字符設(shè)備。 A.從屬關(guān)系 B.操作特性 C.共享屬

5、性 D.信息交換單位 2、大多數(shù)低速設(shè)備都屬于（ ） 設(shè)備。 A獨占 B共享 C虛擬 DSpooling3、從資源分配的角度看，可以把設(shè)備分為獨占設(shè)備、共享設(shè)備和 虛擬設(shè)備 ，打印機屬于_ 設(shè)備,而磁盤屬于_設(shè)備。7/21/2022 5.1.2 設(shè)備控制器1.設(shè)備控制器的概念 設(shè)備控制器是CPU與外圍設(shè)備之間的接口，是一個可編址設(shè)備，每一個地址對應(yīng)一個設(shè)備。 它接收從CPU發(fā)來的命令，并去控制輸入輸出設(shè)備的工作，使CPU從繁雜的設(shè)備控制事務(wù)中解脫出來，提高CPU的使用效率。7/21/20222.作用：接收從CPU發(fā)來的命令，控制I/O設(shè)備工作3.功能：接收和識別命令數(shù)據(jù)交換地址識別標識和報告設(shè)

6、備的狀態(tài)差錯控制7/21/20224.設(shè)備控制器的組成（1）.設(shè)備控制器與處理機的接口（2）.設(shè)備控制器與設(shè)備的接口（3）.I/O邏輯7/21/2022I/O系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)CPU磁盤控制器存儲器打印機控制器其他控制器一、微型機I/O系統(tǒng) ：總線結(jié)構(gòu)磁盤驅(qū)動器打印機7/21/2022二、主機系統(tǒng)輸入輸出結(jié)構(gòu)當主機所配置的輸入輸出設(shè)備較多時，特別是配有較多的高速外設(shè)時，采用總線型輸入輸出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)會加重CPU與總線的負擔。 因此，在這樣的輸入輸出系統(tǒng)中不宜采用單總線結(jié)構(gòu)，而是增加一級輸入輸出通道，用來代替CPU與各設(shè)備控制器進行通信，實現(xiàn)對控制器的控制。7/21/2022 7/21/20225.1.3

7、I/O通道1、通道的引入 為了提高計算機系統(tǒng)的運行效率，就要使CPU擺脫繁忙的I/O事務(wù)，而配置專門處理I/O事務(wù)的機構(gòu)通道。 通道的引入是為了建立獨立的I/O操作。它不僅要求數(shù)據(jù)傳送獨立于CPU，而且要求I/O操作的組織、管理、結(jié)束等也盡量獨立，以保證CPU有更多的時間從事計算。這樣就可以實現(xiàn)CPU計算和I/O操作的并行工作。7/21/2022思考題一 什么是通道？ 通道有哪些類型？7/21/20222、I/O通道概念 通道是一種硬件機構(gòu)，又稱I/O處理機。輸入輸出通道是指專門負責輸入輸出工作的處理器。 它有自己的指令系統(tǒng)（包含數(shù)據(jù)傳送指令和設(shè)備控制指令），獨立執(zhí)行自己的通道程序來實現(xiàn)內(nèi)存與

8、外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳輸，從而使系統(tǒng)獲得CPU與外設(shè)并行處理的能力。7/21/20223、通道的類型 根據(jù)信息交換方式的不同，可把通道分成字節(jié)多路通道、數(shù)組多路通道和選擇通道三種。（1）字節(jié)多路通道 通常都含有許多非分配型子通道，其數(shù)量可以從幾十到數(shù)百個，每一個子通道連接一臺輸入輸出設(shè)備，這些子通道按時間片輪轉(zhuǎn)方式共享主通道。 字節(jié)多路通道連接低速或中速設(shè)備時，不會丟失信息。7/21/2022 選擇通道的數(shù)據(jù)傳送是按成批的方式進行的，故傳送速率很高。（2）數(shù)據(jù)選擇通道選擇通道 它適用于連接高速I/O設(shè)備，如磁帶、磁盤等。選擇通道只有一個分配型子通道，即這個子通道可以連接多臺設(shè)備，但每次只能把子通道分

9、配給一臺設(shè)備使用。一旦分配給某臺設(shè)備，子通道就被它獨占，即使暫時出現(xiàn)空閑，也不允許其他設(shè)備利用該子通道。直到它被釋放，再選擇另一臺設(shè)備為其服務(wù)。因此選擇通道的利用率是很低的。7/21/2022 這種通道綜合了字節(jié)多路通道分時并行工作和選擇通道傳輸速率高的特點。 它具有多個非分配型子通道，每個子通道連接一臺中、高速I/O設(shè)備，如：磁帶、磁鼓、磁盤等，因而通道所連接的幾個設(shè)備可以并行工作。 數(shù)組多路通道技術(shù)相當于通道程序的多道程序設(shè)計技術(shù)。（3）數(shù)組多路通道7/21/2022 CPU字節(jié)多路通道 打印機1 打印機2 I/O控制器 I/O控制器 內(nèi)存 選擇通道 成組多路通道 磁盤 I/O控制器 磁盤

10、 I/O控制器 I/O控 制器 I/O 控制器 磁帶 磁帶 存在這三種通道的計算機系統(tǒng)的各硬件的連接關(guān)系如圖所示：7/21/2022思考題二 設(shè)備管理中，什么是“瓶頸”現(xiàn)象？ 如何解決？7/21/2022 通道命令和通道程序 通道有自己的指令系統(tǒng)，為了與CPU的指令相區(qū)別，通道的指令被稱為“通道命令字”。通道命令字條數(shù)不多，主要涉及控制、轉(zhuǎn)移、讀、寫及查詢等功能。0 7 8 31 32 47 48 63 每條通道命令由四個字段組成： (1) 操作碼(07)： 表示通道要執(zhí)行的命令； (2) 數(shù)據(jù)主存始址： 表示本命令要訪問的主存數(shù)據(jù)區(qū)的起始地址； (3) 特征位(3247， 只使用了 3236

11、 位， 其余未用)： 3739 位必須置 0，否則認為通道命令錯。 7/21/2022 通道程序存放在內(nèi)存中，由I/O指令啟動執(zhí)行。用戶請求I/O時，CPU對通道的通信是向通道發(fā)出查詢、啟動和停止通道程序工作，而通道向CPU的通信則采用中斷方式。其執(zhí)行過程如圖所示。7/21/2022用戶I/O請求 查詢設(shè)備忙閑？ 調(diào)用通道程序 執(zhí)行通道程序 I/O操作完成，發(fā)中斷請求 CPU響應(yīng)中斷，進行結(jié)束處理 以I/O指令啟動通道 結(jié)束通道工作 進入設(shè)備請求隊列，等待 忙 不忙 通道程序的執(zhí)行過程 7/21/20225、通道工作過程 （1） 當進程有I/O請求時，系統(tǒng)首先查詢設(shè)備狀態(tài)。若忙，進程進入設(shè)備請

12、求隊列等待；若閑，CPU發(fā)指令指明I/O操作、設(shè)備號和對應(yīng)通道。 （2） 對應(yīng)通道收到CPU發(fā)來的啟動指令后，讀出內(nèi)存中的通道指令程序、設(shè)置對應(yīng)設(shè)備的控制狀態(tài)寄存器的初值。 （3） 設(shè)備按通道指令的求，把數(shù)據(jù)送往內(nèi)存指定區(qū)域。 （4） 若傳送結(jié)束，I/O控制器通過中斷請求線發(fā)中斷信號請求CPU做中斷處理。 （5） 中斷處理結(jié)束后，CPU返回到被中斷進程處繼續(xù)執(zhí)行。 （6） 當進程調(diào)度程序選中這個已得到數(shù)據(jù)的進程后，才能進行加工處理。7/21/2022思考題三 通道的作用是什么？ 通道是一個獨立于CPU的專管輸入/輸出控制的處理器，它控制內(nèi)存與外部設(shè)備直接進行數(shù)據(jù)交換。 它有自己的通道指令，這些

13、通道指令受CPU啟動，并在操作結(jié)束時向 CPU發(fā)中斷信號。 通道方式進一步減輕了CPU的工作負擔，增加了計算機系統(tǒng)的并行工作程度。 7/21/20225.1.4 總線系統(tǒng)1、總線基本概念 在計算機系統(tǒng)內(nèi)各種子系統(tǒng)，如CPU、內(nèi)存、I/O設(shè)備等之間，構(gòu)建公用的信號或數(shù)據(jù)傳輸通道 這種可共享的傳輸通道稱為總線。7/21/20222、總線的分類7/21/2022 當用戶進程通過系統(tǒng)調(diào)用提出I/O請求時，從系統(tǒng)響應(yīng)此請求開始，至系統(tǒng)完成用戶要求的I/O操作，并喚醒相應(yīng)的等待I/O完成的進程為止，這整個過程稱為I/O控制過程。52 I/O控制方式7/21/2022I/O控制過程包括以下步驟： （1）響應(yīng)

14、I/O請求，為在具體物理設(shè)備上進行I/O操作做準備。包括將邏輯設(shè)備名轉(zhuǎn)換為物理設(shè)備名（設(shè)備分配）、I/O請求的合法性等。 （2）設(shè)備驅(qū)動，控制設(shè)備完成I/O操作，對每類設(shè)備分別設(shè)置不同的設(shè)備驅(qū)動程序。 （3）中斷處理，I/O操作完成之后，設(shè)備控制器向CPU發(fā)送中斷信號，CPU響應(yīng)后轉(zhuǎn)向相應(yīng)的中斷處理程序進行善后處理。7/21/2022I/O操作的控制方式一般有四種：查詢方式中斷方式直接內(nèi)存存取方式通道方式 它們的主要差別在于處理器和外設(shè)并行工作的方式和程度的不同。7/21/2022查詢方式是最簡單的I/O控制方式。在設(shè)備控制器中有兩個寄存器，一個是狀態(tài)寄存器，由其中的一個狀態(tài)位的值反映設(shè)備的忙

15、或閑；另一個是數(shù)據(jù)緩沖寄存器。當設(shè)備啟動時，狀態(tài)寄存器的啟動位為1，此時外設(shè)把數(shù)據(jù)送往數(shù)據(jù)緩沖寄存器，并將狀態(tài)寄存器的狀態(tài)位置1。CPU執(zhí)行完一條指令后就測試狀態(tài)位，如果為1，就把數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)取到內(nèi)存；若狀態(tài)位為0，則再測試，直到狀態(tài)寄存器的狀態(tài)位為1，然后再讀取數(shù)據(jù)。所以此種方式也稱循環(huán)測試I/O方式521 查詢方式7/21/2022就緒向設(shè)備控制器發(fā)讀命令讀設(shè)備控制器的狀態(tài)檢查狀態(tài)從設(shè)備控制器中讀入字向存儲器中寫字傳送完成CPU-I/OCPU-內(nèi)存I/O - CPU出錯I/O - CPU完成下條指令未完成未就緒7/21/2022步驟： (1) 當用戶需要輸入數(shù)據(jù)時，由處理器向設(shè)備控制

16、器發(fā)出一條輸入輸出指令，啟動設(shè)備進行輸入 (2) 當用戶進程需要向設(shè)備輸出數(shù)據(jù)時，也必須同樣發(fā)出啟動命令啟動設(shè)備輸出，并等待輸出操作完成。特點： 工作過程簡單，CPU的利用率低。在要求不高的場合下常被采用，而且不能支持多道程序。程序直接控制方式適用于早期的無中斷的計算機系統(tǒng)。7/21/2022 查詢方式是主機向外設(shè)詢問，而引入中斷后，每當設(shè)備完成I/O操作，它便以中斷請求方式主動向CPU匯報。 因此，CPU一旦啟動I/O設(shè)備后便可轉(zhuǎn)去處理其他程序，僅在接到I/O中斷信息請求時才花費極少時間去處理。 522 中斷方式7/21/20221、中斷概念 所謂中斷，是指處理機在執(zhí)行進程的過程中, 由于某

17、些事件的出現(xiàn), 中止當前進程的運行, 轉(zhuǎn)而去處理出現(xiàn)的事件, 待處理完畢后返回原來被中斷處繼續(xù)執(zhí)行或調(diào)度其他進程執(zhí)行。2、中斷源 引起中斷的事件稱為中斷源。 （1）強迫性中斷源 硬件故障、程序性錯誤、外部事件、I/O中斷事件（2）自愿性中斷源7/21/20223、步驟 （1）進程需要數(shù)據(jù)時，將允許啟動和允許中斷的控制字寫入設(shè)備控制狀態(tài)寄存器中，啟動該設(shè)備進行輸入操作。 （2）該進程放棄處理機，等待輸入的完成。操作系統(tǒng)進程調(diào)度程序調(diào)度其他就緒進程占用處理機。 （3）當輸入完成時，輸入設(shè)備通過中斷請求線向CPU發(fā)出中斷請求信號。CPU在接收到中斷信號之后，轉(zhuǎn)向中斷處理程序。 （4）中斷處理程序首先

18、保護現(xiàn)場，然后把輸入緩沖寄存器中的數(shù)據(jù)傳送到某一特定單元中去，同時將等待輸入完成的那個進程喚醒，進入就緒狀態(tài)，最后恢復現(xiàn)場，并返回到被中斷的進程繼續(xù)執(zhí)行。 （5）在以后的某一時刻，操作系統(tǒng)進程調(diào)度程序選中提出的請求并得到獲取數(shù)據(jù)的進程，該進程從約定的內(nèi)存特定單元中取出數(shù)據(jù)繼續(xù)工作7/21/2022向設(shè)備控制器發(fā)讀命令讀設(shè)備控制器的狀態(tài)檢查狀態(tài)從設(shè)備控制器中讀入字向存儲器中寫字傳送完成完成下條指令CPU-I/OCPU-內(nèi)存I/O - CPU出錯I/O - CPU未完成CPU做其他中斷7/21/2022例如，打印機每打一行需要60ms，在查詢方式中，大約有59.99ms，CPU都處于循環(huán)等待中，而

19、以中斷方式處理的話，CPU僅花費0.1ms時間來處理I/O設(shè)備發(fā)來的中斷，其余的59.99ms都可以用來做別的事情。所以中斷方式比查詢方式節(jié)省CPU的時間。7/21/2022 中斷方式的方法是當設(shè)備完成I/O操作后，主動向CPU報告，CPU只用少量時間處理I/O中斷，并將數(shù)據(jù)取回。 在多道程序中的環(huán)境下，一個程序或進程啟動I/O設(shè)備并允許中斷后，不是自己主動去執(zhí)行別的程序或繼續(xù)執(zhí)行主流程，而是應(yīng)當把自己掛起，控制權(quán)交還給進程調(diào)度程序。在中斷處理程序中，完成指定的I/O操作之后應(yīng)把等待此結(jié)果的進程喚醒，而后由進程調(diào)度程序在適當時機把此進程投入運行。7/21/2022 某進程 其他進程輸入中斷處理

20、 中斷 調(diào)度 調(diào)度喚醒啟動I/O并允許中斷 阻塞等待 處理輸入的數(shù)據(jù) 保護現(xiàn)場 輸入處理 喚醒等待進程 恢復現(xiàn)場 多道程序下的中斷處理方式7/21/20224、特點 中斷控制方式比程序直接控制方式提高了CPU的利用率。每輸入輸出一個數(shù)據(jù)都會發(fā)生中斷，傳輸一組數(shù)據(jù)需要多次中斷，浪費了CPU的處理時間。中斷控制方式應(yīng)用于現(xiàn)代計算機系統(tǒng)中。7/21/20221、DMA控制方式的引入 引入的原因：中斷處理方式提高了主機的利用率，但是每次中斷都要保存現(xiàn)場信息，恢復現(xiàn)場等，仍占用CPU時間。在傳送數(shù)據(jù)量大、速度高的情況下，中斷方式就不適應(yīng)了。 為了進一步減少CPU對外設(shè)操作干預而引入直接存儲器訪問方式。

21、523 直接內(nèi)存存取方式7/21/20222、DMA控制方式 是指對I/O設(shè)備的控制由DMA控制器完成，在DMA控制器的作用下，設(shè)備和主存之間可以成批地進行數(shù)據(jù)交換，而不用CPU的干涉。 523 直接內(nèi)存存取方式7/21/20223、DMA控制器的組成: DMA控制器的組成命令控制器與設(shè)備接口主機控制器接口內(nèi)存CPU系統(tǒng)總線I/O控制邏輯CRMARDCDRcount7/21/20224、DMA工作步驟: 當進程要求設(shè)備輸入一批數(shù)據(jù)時，CPU將設(shè)備存放輸入數(shù)據(jù)的內(nèi)存始址以及要傳送的字節(jié)數(shù)分別送入DMA控制器中的地址寄存器和傳送字節(jié)計數(shù)器；另外，還要將中斷位和啟動位置為1，以啟動設(shè)備開始進行數(shù)據(jù)輸

22、入并允許中斷。 發(fā)出數(shù)據(jù)要求的進程進入等待狀態(tài)，進程調(diào)度程序調(diào)度其他進程占據(jù)CPU。 輸入設(shè)備不斷地挪用CPU工作周期，將數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)源源不斷地寫入內(nèi)存，直到所要求的字節(jié)全部傳送完畢。 DMA控制器在傳送字節(jié)數(shù)完成時，通過中斷請求線發(fā)出中斷信號，CPU收到中斷信號后轉(zhuǎn)中斷處理程序，喚醒等待輸入完成的進程，并返回被中斷的程序。 在以后的某個時刻，進程調(diào)度程序選中提出請求輸入的進程，該進程從指定的內(nèi)存始址取出數(shù)據(jù)做進一步處理。7/21/2022CPU向控制器發(fā)出啟動DMA通知和有關(guān)參數(shù)控制器向內(nèi)存發(fā)出詢問請求訪問內(nèi)存（讀、寫）計數(shù)器減1結(jié)束否發(fā)中斷NYDMA的實現(xiàn)流程7/21/20225、D

23、MA方式特點： （1） 數(shù)據(jù)傳送的基本單位是數(shù)據(jù)塊； （2） 所傳送的數(shù)據(jù)是從設(shè)備直接送入內(nèi)存，或者相反； （3） 僅在傳送一個或多個數(shù)據(jù)塊的開始和結(jié)束時，才需中斷CPU，請求干預，整塊數(shù)據(jù)的傳送是在DMA控制器控制下完成的。 缺點： DMA方式只能完成簡單的數(shù)據(jù)傳送、計數(shù)、內(nèi)存地址加1或減1等操作，不能滿足復雜的I/O操作要求。 7/21/20226、DMA方式與中斷的主要區(qū)別 （1） 中斷方式是在數(shù)據(jù)緩沖寄存區(qū)滿后，發(fā)中斷請求，CPU進行中斷處理； DMA方式則是在所要求傳送的數(shù)據(jù)塊全部傳送結(jié)束時要求CPU進行中斷處理，大大減少了CPU進行中斷處理的次數(shù)。 （2） 中斷方式的數(shù)據(jù)傳送是由C

24、PU控制完成的； DMA方式則是在DMA控制器的控制下不經(jīng)過CPU控制完成的。7/21/20225.2.4 I/O通道控制方式1、概念 通道控制方式是一種以主存為中心，是設(shè)備與主存直接交換數(shù)據(jù)的控制方式。 CPU只需要發(fā)出啟動指令，指出通道相應(yīng)的操作和輸入輸出設(shè)備，該指令就可以啟動通道并使該通道從主存中調(diào)出相應(yīng)的通道指令執(zhí)行，完成一組數(shù)據(jù)塊的輸入/輸出。 7/21/20222、通道控制方式步驟 （1）當進程要求設(shè)備輸入時，CPU發(fā)指令指明I/O操作、設(shè)備號和對應(yīng)通道。 （2）對應(yīng)通道收到CPU發(fā)來的啟動指令后，讀出內(nèi)存中的通道指令程序、設(shè)置對應(yīng)設(shè)備的控制狀態(tài)寄存器的初值。 （3）設(shè)備按通道指令

25、的要求，把數(shù)據(jù)送往內(nèi)存指定區(qū)域。 （4）若傳送結(jié)束，I/O控制器通過中斷請求線發(fā)中斷信號請求CPU做中斷處理。 （5）中斷處理結(jié)束后，CPU返回到被中斷進程處繼續(xù)執(zhí)行。 （6）當進程調(diào)度程序選中這個已得到數(shù)據(jù)的進程后，才能進行加工處理。7/21/20223、特點 通道所需要的CPU干預更少，并可以實現(xiàn)CPU、通道和輸入輸出設(shè)備三者之間的并行操作，從而更有效地提高整個系統(tǒng)資源的利用率。 通道控制方式適用于現(xiàn)代計算機系統(tǒng)中的大量數(shù)據(jù)交換。7/21/2022通道和DMA控制器的區(qū)別 （1）一個DMA控制器只能連接同類外設(shè)，且如果是多臺同類外設(shè)，則它們只能是以串行方式工作。 一個通道可以連接多個不同類

26、型的設(shè)備控制器，而一個設(shè)備控制器又可以管理一臺或多臺外圍設(shè)備，這就構(gòu)成了典型的多級層次結(jié)構(gòu)，眾多外設(shè)均可在通道控制下同時工作； （2）DMA控制是借助硬件完成數(shù)據(jù)交換的，而通道是執(zhí)行通道程序完成數(shù)據(jù)的； （3）DMA控制器需要CPU對多個外設(shè)進行初始化。CPU只需發(fā)一個I/O指令啟動通道，由通道自己完成外設(shè)的初始化。7/21/2022 綜上所述，在前三種I/O控制方式中，CPU直接對設(shè)備控制器和I/O接口編程，可以簡化接口的設(shè)計。 對于非DMA傳送，需要CPU實際去完成數(shù)據(jù)傳送。對于高速數(shù)據(jù)傳送可以使用DMA，但還是需要CPU設(shè)置設(shè)備控制器，初始化DMA操作和操作完畢去檢查端口傳送狀態(tài)。 而通

27、道不同于DMA控制器，它能夠去取和執(zhí)行它自己的指令； 而且這些指令的功能已不僅僅是數(shù)據(jù)傳送，還包括檢索、分支轉(zhuǎn)移，甚至一些簡單的算術(shù)、邏輯運算。7/21/2022 大、中型計算機系統(tǒng)普遍用通道方式去控制設(shè)備完成I/O操作，以提高CPU與外設(shè)，外設(shè)與外設(shè)并行的程度。一些小型機和絕大多數(shù)微型機都是以CPU直接控制設(shè)備接口和設(shè)備控制器以查詢、中斷或DMA方式完成I/O操作，以降低系統(tǒng)造價。7/21/2022思考題四 綜上所述的4種I/O控制方式，分別適合用于何種場合？7/21/2022課堂練習題1、從下面關(guān)于設(shè)備屬性的論述中，選擇一條正確的描述。（ ）A字符設(shè)備的一個基本特征是可尋址的，即能指定輸入

28、時的源地址和輸出時的目標地址B共享設(shè)備必須是可尋址的和隨機訪問的設(shè)備C共享設(shè)備是指在同一時刻，允許多個進程同時訪問的設(shè)備D在分配共享設(shè)備和獨占設(shè)備時，都可能引起進程死鎖2、（ ）在一般大型計算機系統(tǒng)中，主機對外圍設(shè)備的控制可通過通道、控制器和設(shè)備三個層次來實現(xiàn)。從下述敘述中選出一條正確的敘述。A 控制器可控制通道，設(shè)備在通道控制下工作B 通道控制控制器，設(shè)備在控制器控制下工作C 通道和控制器分別控制設(shè)備D 控制器控制通道和設(shè)備的工作7/21/20221、通過硬件和軟件的擴充,把原來獨立的設(shè)備改造成能為若干用戶共享的設(shè)備,這種設(shè)備稱為 ？ 。 2、引起中斷發(fā)生的事件稱為 ？ 。 3、如果I/O設(shè)

29、備與存儲設(shè)備進行數(shù)據(jù)交換不經(jīng)過CPU來完成，這種數(shù)據(jù)交換方式是 ？ 。4、常用的I/O控制方式有程序I/O方式、 ？ 、？ 、？.5、DMA是指允許 ？ 和 ？ 之間直接交換數(shù)據(jù)的設(shè)備。在DMA中必須設(shè)置地址寄存器，用于存放 ？ ，還必須設(shè)置 ？ 寄存器，用來暫存交換的數(shù)據(jù)。 6、設(shè)備控制器是 ？ 和 ？ 之間的接口，它接受來自 ？ 的I/O命令，并用于控制 ？ 的工作。 7、按從屬關(guān)系對I/O設(shè)備分類，可分為系統(tǒng)設(shè)備和 ？ 兩類。7/21/20225.3 緩沖管理5.3.1 緩沖的引入 1、引入的原因 （1）緩和CPU與輸入輸出設(shè)備間速度不匹配的矛盾 （2）減少對CPU的中斷頻率，放寬對中斷

30、響應(yīng)時間的限制。 （3）提高CPU與輸入輸出設(shè)備間的并行性。7/21/20222、緩沖技術(shù)的實現(xiàn)思想 建立一個緩沖區(qū)，當進程要執(zhí)行讀寫操作時，首先向申請一塊內(nèi)存區(qū)域作為緩沖區(qū)，然后，將要傳送的數(shù)據(jù)高速送到緩沖區(qū)。 如果是讀操作，則根據(jù)進程要求，把當前需要的邏輯記錄從緩沖區(qū)中選出并傳送給進程。若為寫操作，則不斷把數(shù)據(jù)填到緩沖區(qū)，直到它被填滿為止。7/21/20223、實現(xiàn)緩沖的方法 （1） 硬件緩沖。硬件緩沖采用專用硬件緩沖器，一般由外設(shè)自帶的專用寄存器構(gòu)成。 （2）軟件緩沖。在內(nèi)存中專門開辟若干單元作為緩沖區(qū)為各種設(shè)備服務(wù)。7/21/20225.3.2 單緩沖和雙緩沖一、單緩沖 單緩沖即是在發(fā)

31、送者和接收者之間只有一個緩沖區(qū) 過程：當一個用戶進程要求輸入數(shù)據(jù)時，操作系統(tǒng)控制輸入設(shè)備將數(shù)據(jù)送往緩沖區(qū)存放，再送往用戶進程的數(shù)據(jù)存儲區(qū)。7/21/2022特點 在主存中只有一個緩沖區(qū)。對于塊設(shè)備，該緩沖區(qū)可以存放一塊數(shù)據(jù)，對于字符設(shè)備，該緩沖區(qū)可以存放一行數(shù)據(jù)。設(shè)備和處理器對緩沖區(qū)的操作是串行的，傳輸速度慢。在任一時刻，只能進行單向的數(shù)據(jù)傳輸，并且傳輸數(shù)據(jù)量較少。 優(yōu)點是設(shè)計簡單，容易實現(xiàn) 缺點是發(fā)送者和接收者不能并行工作7/21/2022二、雙緩沖 雙緩沖可在發(fā)送者與接收者之間設(shè)兩個緩沖區(qū)緩沖區(qū)1和緩沖區(qū)2。 過程：發(fā)送者將數(shù)據(jù)送滿緩沖區(qū)1，接收者從緩沖區(qū)1取數(shù)據(jù)時，發(fā)送者則可將數(shù)據(jù)送入緩

32、沖區(qū)2，當接收者將緩沖區(qū)1取空后，又可到緩沖區(qū)2中取數(shù)據(jù)，這時發(fā)送者再將數(shù)據(jù)送入緩沖區(qū)1。 于是，發(fā)送者和接收者交替使用兩個緩沖區(qū)，達到了并行工作的目的。7/21/2022特點 在主存中設(shè)置兩個緩沖區(qū)，完成數(shù)據(jù)的傳輸。兩個緩沖區(qū)可以交替使用，提高了處理器和輸入設(shè)備的并行操作能力。 在任一時刻，可以進行雙向的數(shù)據(jù)傳輸。一個緩沖區(qū)用于輸入，另一個用于輸出。 適用于輸入/輸出、生產(chǎn)者/消費者速度基本相匹配的情況。 當傳輸數(shù)據(jù)量較大，或者兩者的速度相差較遠時，雙緩沖區(qū)效率較低，還是不能解決兩者并行工作問題。7/21/2022三、循環(huán)緩沖 由于雙緩沖并不能真正解決實際系統(tǒng)中的并行操作，為了能夠進一步提高

33、系統(tǒng)操作的并行程度，可以通過增加緩沖區(qū)的個數(shù)，即實現(xiàn)多緩沖區(qū)方式。為了更好地控制和使用這些緩沖區(qū)，將多個緩沖區(qū)組成環(huán)形，稱為循環(huán)緩沖技術(shù)。 循環(huán)緩沖技術(shù)是在內(nèi)存中分配大小相等的存儲區(qū)作為緩沖區(qū)，并將這些緩沖區(qū)連接起來，每個緩沖區(qū)中有一個指向下一個緩沖區(qū)的指針，最后一個緩沖區(qū)的指針指向第一個緩沖區(qū)7/21/2022 為了充分利用這些緩沖資源，使進程的處理和I/O設(shè)備的工作具有較好的連續(xù)性，提高設(shè)備的利用率，將緩沖區(qū)分為以下兩種類型： （1） 空緩沖區(qū)。準備接收輸入的數(shù)據(jù)。 （2） 滿緩沖區(qū)。用于存放可供使用的數(shù)據(jù)。過程： 當循環(huán)緩沖接收數(shù)據(jù)時，將待傳送的數(shù)據(jù)送入EMPTY指向的空緩沖區(qū)，填滿后，

34、讓EMPTY指向下一個空緩沖區(qū)。每次申請一個空緩沖區(qū)時，需要判斷EMPTY是否與FULL相等。若相等，表示系統(tǒng)中已沒有空緩沖區(qū)，輸入進程需要等待；否則，可以繼續(xù)輸入。 若要從緩沖區(qū)取數(shù)據(jù)時，直接到FULL所指向的緩沖區(qū)中取，然后讓FULL指向下一個滿緩沖區(qū)。同樣，每次FULL指針移動時，需要判斷FULL是否與EMPTY相等。若相等，表示緩沖區(qū)已無數(shù)據(jù)可取，等待緩沖區(qū)滿后繼續(xù)操作。7/21/2022特點： 在主存中設(shè)置多個緩沖區(qū)。讀和寫可以并行處理，適用于某種特定的輸入輸出進程和計算進程，如輸入/輸出、生產(chǎn)者/消費者速度不相匹配的情況。 循環(huán)緩沖區(qū)屬于專用緩沖區(qū)。當系統(tǒng)較大時，使用多個這樣的緩沖

35、區(qū)要消耗大量的主存空間，降低緩沖區(qū)的使用效率。 兩個缺點： （1）當系統(tǒng)的資源較多時，就要占用大量的緩沖區(qū)，增加內(nèi)存開銷。 （2）可能會出現(xiàn)某個設(shè)備的緩沖不夠用，而其他設(shè)備有多個空閑緩沖區(qū)的情況，導致循環(huán)緩沖的利用率不高。7/21/2022四、緩沖池 上述的循環(huán)緩沖區(qū)僅適用于某特定的I/O進程和計算進程，是專用緩沖結(jié)構(gòu)，而不是針對整個系統(tǒng)的公用緩沖結(jié)構(gòu)。當系統(tǒng)較大時，會有很多這樣的緩沖結(jié)構(gòu)，這不僅要消耗大量的內(nèi)存空間，而且其利用率不高。 為了提高緩沖區(qū)的利用率，目前普遍采用公用緩沖池結(jié)構(gòu)，在緩沖池中設(shè)置了可供多個并發(fā)進程共享的緩沖區(qū)。7/21/2022 如圖所示，緩沖池是由多個大小相同的緩沖區(qū)

36、組成，同管理程序統(tǒng)一對緩沖池進行管理。當某個進程需要使用緩沖區(qū)時，由管理程序?qū)⒕彌_池中合適的緩沖區(qū)分配給它，使用完畢，再將緩沖區(qū)釋放回緩沖池。 7/21/2022 為便于管理，系統(tǒng)將相同類型的緩沖區(qū)鏈成一個隊列，緩沖池中共有三種隊列： （1） 空緩沖隊列。 （2） 輸入隊列。 （3） 輸出隊列。 這三種隊列各有指向其首緩沖區(qū)的隊首指針和指向尾緩沖區(qū)的隊尾指針。系統(tǒng)根據(jù)需要從這三種隊列中取出緩沖區(qū)，對緩沖區(qū)進行存數(shù)據(jù)、取數(shù)據(jù)操作。這些緩沖區(qū)稱為工作緩沖區(qū)。緩沖池中有四種工作緩沖區(qū)： （1） 收容輸入工作緩沖區(qū)。 （2） 提取輸入工作緩沖區(qū)。 （3） 收容輸出工作緩沖區(qū)。 （4） 提取輸出工作緩沖

37、區(qū)。7/21/2022對緩沖池管理提供兩個基本操作(過程)： (1) getbuf(type)：用于從type所指定的隊列的隊首， 摘下一個緩沖區(qū)； (2) putbuf(type，number)：用于將用參數(shù)number所指示的緩沖區(qū)， 掛在type隊列上。7/21/2022 下面是緩沖池在具體的工作過程中，對緩沖池中的緩沖區(qū)實施管理和使用的情況： （1） 當輸入設(shè)備要進行數(shù)據(jù)輸入時，先從空緩沖區(qū)隊列的隊首摘取一個空緩沖區(qū)，將它作為收容輸入工作緩沖區(qū)，在其裝滿輸入數(shù)據(jù)后，再將它掛到輸入數(shù)據(jù)隊列的隊尾。 （2） 當某個計算進程需要輸入數(shù)據(jù)時，從輸入隊列中取出一個緩沖區(qū)作為輸入工作緩沖區(qū)，進程從

38、中提取數(shù)據(jù)，取空后，將該緩沖區(qū)掛到空緩沖區(qū)隊列的隊尾。 （3） 當某個計算進程想輸出數(shù)據(jù)時，從空緩沖區(qū)隊首摘下一個空緩沖區(qū)作為收容輸出工作緩沖區(qū)，在其裝滿計算進程的輸出數(shù)據(jù)后，將它掛到輸出隊列的隊尾。 （4） 當輸出設(shè)備進行數(shù)據(jù)輸出時，從輸出隊列取下一個緩沖區(qū)作為提取輸出工作緩沖區(qū)，當其數(shù)據(jù)全送到輸出設(shè)備后，再將它掛到空緩沖隊列尾。7/21/2022特點 緩沖池結(jié)構(gòu)復雜，在主存中設(shè)置公用緩沖池，在池中設(shè)置多個可以供多個進程共享的緩沖區(qū)。緩沖區(qū)既可以用于輸入，又可以用于輸出（即共享）。緩沖池的設(shè)置，減少了主存空間的消耗，提高了主存的利用率，適應(yīng)于現(xiàn)代操作系統(tǒng)。 無論是多緩沖，還是緩沖池，由于緩沖

39、器是臨界資源，因此在使用緩沖區(qū)時都有一個申請、釋放和互斥的問題。 7/21/2022緩沖和緩存的差異 緩沖與緩存的基本原理和作用是相似的，如果不加區(qū)分的話，都可以稱之為緩沖。 但兩者之間確實存在細微的差異： 緩沖的作用在于協(xié)調(diào)速度不匹配的I/O傳輸過程； 而緩存的作用在于減少對設(shè)備的實際訪問次數(shù)。這個差異導致了兩者的管理方法有所不同。7/21/2022 一般來說，緩沖區(qū)的生命期較短，當進程開始數(shù)據(jù)傳輸時建立，一旦數(shù)據(jù)傳輸完畢，將立即釋放緩沖區(qū)，它只起暫存數(shù)據(jù)的作用。 而緩存區(qū)的生命期較長，緩存的數(shù)據(jù)可以長時間地保存在緩存區(qū)中，服務(wù)于各種應(yīng)用目的。如文件系統(tǒng)中的i節(jié)點緩存、目錄項緩存等在整個系統(tǒng)

40、運行期間都存在于內(nèi)存中，由文件系統(tǒng)管理和使用。 7/21/2022 另外，緩沖區(qū)的管理相對簡單，系統(tǒng)只需提供簡單的分配算法以及同步機制即可。 而緩存區(qū)的管理則需要利用更復雜的算法，以提高訪問的命中率，最大限度地發(fā)揮緩存的作用。例如，磁盤的緩存算法要確定哪些數(shù)據(jù)應(yīng)存放在緩存中，哪些數(shù)據(jù)應(yīng)從緩存中撤出等。 在應(yīng)用上，進程間的通信多使用緩沖技術(shù)，而設(shè)備的I/O往 往使用緩沖兼緩存技術(shù)。7/21/20225.4I/O軟件 分層結(jié)構(gòu)的底層是設(shè)備相關(guān)部分，稱為設(shè)備驅(qū)動程序。它們直接和相應(yīng)的設(shè)備打交道，負責設(shè)備的具體驅(qū)動和控制。上層通常是和設(shè)備無關(guān)的，這個部分接受來自用戶層的訪問請求，并把這些訪問請求傳給具

41、體的設(shè)備驅(qū)動程序，再將驅(qū)動程序的執(zhí)行結(jié)果進行轉(zhuǎn)換，傳給用戶7/21/20225.4I/O軟件的設(shè)計目標和原則設(shè)備無關(guān)性錯誤處理同步/異步傳輸必須能處理獨占設(shè)備和共享設(shè)備的I/O操作7/21/2022 為實現(xiàn)以上四個目標， I/O系統(tǒng)應(yīng)組織成以下四個層次： (1) 中斷處理程序 (2) 設(shè)備驅(qū)動程序 (3) 與設(shè)備無關(guān)的I/O軟件 (4) 用戶空間的I/O軟件7/21/20225.4.2中斷處理程序 中斷事件通常由硬件發(fā)現(xiàn)。對出現(xiàn)的事件進行處理的程序稱為中斷處理程序。 中斷處理程序是由操作系統(tǒng)處理的，屬于操作系統(tǒng)的組成部分。 中斷處理程序位于I/O系統(tǒng)的最低層。當進程需要進行I/O操作時，操作系

42、統(tǒng)應(yīng)將該進程掛起，即進入阻塞，直至I/O操作結(jié)束并發(fā)生中斷。當中斷發(fā)生時，中斷處理程序執(zhí)行相應(yīng)的操作，以解除相應(yīng)進程的阻塞狀態(tài)。7/21/2022一個完整的中斷處理過程包括以下四步: (1) 中斷請求：由中斷源向CPU提出中斷請求(軟中斷除外)。 (2) 中斷響應(yīng)：CPU在收到中斷請求并具備響應(yīng)條件的情況下，進行中斷響應(yīng)，以實現(xiàn)向中斷服務(wù)程序的過渡。 (3) 中斷服務(wù)：CPU在執(zhí)行中斷服務(wù)程序期間，要進行具體的中斷服務(wù)。 (4) 中斷返回：中斷服務(wù)程序的最后一條指令應(yīng)是中斷返回指令。當執(zhí)行到該指令時，便返回到被終止的程序，從斷點處繼續(xù)執(zhí)行。7/21/2022中斷請求： 中斷源需要通過中斷線送到

43、中斷控制器的輸入端，這稱為中斷請求。 中斷控制器是一個硬件裝置，它負責捕獲中斷請求，并以一定的方式向CPU提交中斷。由于同時可能會有多個中斷信號產(chǎn)生，它們需要共用有限的中斷線。 因此，當設(shè)備要使用中斷線時就要先進行中斷請求(IRQ)，以獲得中斷線的使用權(quán)。7/21/2022中斷響應(yīng) 對中斷請求的整個處理過程是由硬件和軟件相結(jié)合的一整套中斷機構(gòu)實施的。中斷響應(yīng)由硬件實施，中斷處理主要由軟件實施。 中斷響應(yīng)是CPU對中斷源中斷請求的響應(yīng)，包括保護斷點和將程序轉(zhuǎn)向中斷服務(wù)程序的入口地址。 在處理器執(zhí)行完一條指令后，硬件的中斷裝置就立即檢查有無中斷事件發(fā)生。若無，繼續(xù)執(zhí)行下一條指令；若有，則停止現(xiàn)行進

44、程，由操作系統(tǒng)中的中斷處理程序占用處理器，這一過程稱為“中斷響應(yīng)”。7/21/2022一般說來，中斷響應(yīng)過程順序執(zhí)行下述動作： (1) 中止當前進程的執(zhí)行； (2) 對被響應(yīng)的中斷進行應(yīng)答； (3) 保存當前進程的斷點信息(主要是程序狀態(tài)字PSW和程序計數(shù)器PC)； (4) 轉(zhuǎn)到中斷處理程序入口。7/21/2022中斷處理 中斷處理主要由軟件實施。響應(yīng)中斷后，CPU轉(zhuǎn)去執(zhí)行相應(yīng)的中斷處理程序。每個中斷都對應(yīng)一個特定的中斷處理程序，因而系統(tǒng)中會有許多中斷處理程序，如時鐘中斷處理程序、鍵盤中斷處理程序等。在設(shè)備的驅(qū)動程序中包含了對該設(shè)備所有中斷的處理程序。7/21/2022中斷處理過程： 當中斷裝

45、置發(fā)現(xiàn)中斷事件后，先把中斷事件存放到程序狀態(tài)字寄存器中的中斷碼位置。 把程序狀態(tài)字寄存器中的“當前PSW”作為“舊 PSW”保存到預先約定的主存的固定單元中。 根據(jù)中斷碼，把該類事件處理程序的“新PSW”送入程序狀態(tài)字寄存器。 處理器按新PSW控制處理該事件的中斷處理程序執(zhí)行。 當中斷程序處理完后，再恢復現(xiàn)場，繼續(xù)執(zhí)行原先被中斷的進程7/21/2022中斷處理程序的處理過程如下： 1喚醒被阻塞的驅(qū)動程序進程 2保護被中斷進程的現(xiàn)場 3分析中斷原因、轉(zhuǎn)入相應(yīng)的設(shè)備中斷處理程序 4進行中斷處理 5恢復被中斷進程的現(xiàn)場 中斷處理程序的工作是對傳輸?shù)慕Y(jié)果進行必要的處理。7/21/2022多中斷的處理

46、對于中斷處理過程中又發(fā)生中斷，引起多中斷處理的問題，通常有兩種處理方法。 (1) 處理一個中斷時禁止中斷對任何新中斷置之不理，在此期間發(fā)生的中斷將保持掛起狀態(tài)，當再次允許中斷時，新中斷信號被處理器檢測到再予以處理 (2) 中斷按照優(yōu)先權(quán)分級允許優(yōu)先級高的中斷打斷優(yōu)先級低的中斷處理過程7/21/20225.4.3 設(shè)備驅(qū)動程序 設(shè)備驅(qū)動程序是驅(qū)動物理設(shè)備直接進行各種操作的軟件，它可看作I/O系統(tǒng)和物理設(shè)備的接口。 設(shè)備驅(qū)動程序包括了所有與設(shè)備有關(guān)的代碼。每一個設(shè)備驅(qū)動程序只處理一種設(shè)備或者一類密切相關(guān)的設(shè)備。 7/21/2022設(shè)備驅(qū)動程序的功能： （1）實現(xiàn)邏輯設(shè)備到物理設(shè)備的轉(zhuǎn)換。 （2）發(fā)

47、出I/O命令，啟動相應(yīng)的I/O設(shè)備，完成相應(yīng)的I/O操作。7/21/2022設(shè)備驅(qū)動程序與設(shè)備控制器交互的大致過程 驅(qū)動程序?qū)⒖刂泼畎l(fā)到控制器的命令寄存器中，控制器啟動設(shè)備進行I/O操作。 當數(shù)據(jù)準備好后，驅(qū)動程序負責與控制器交互，完成數(shù)據(jù)傳輸工作。 控制器將設(shè)備產(chǎn)生的狀態(tài)信息存入狀態(tài)寄存器中，供驅(qū)動程序查詢。 當有設(shè)備中斷事件發(fā)生時，控制器發(fā)出中斷請求信號，系統(tǒng)進入中斷處理程序進行處理。7/21/2022設(shè)備處理方式有三類： 一是為每一類設(shè)備設(shè)置一個進程，專門執(zhí)行這類設(shè)備的輸入輸出操作。 二是在整個系統(tǒng)中設(shè)置一個輸入輸出進程，專門負責對系統(tǒng)中所有各類設(shè)備的輸入輸出操作。 三是不設(shè)置專門的設(shè)

48、備處理進程，只為各類設(shè)備設(shè)置相應(yīng)的設(shè)備處理程序，供用戶進程或系統(tǒng)進程調(diào)用。7/21/2022設(shè)備驅(qū)動程序的特點 (1) 驅(qū)動程序主要是在請求輸入輸出的進程與設(shè)備控制器之間的一個通信程序。 (2) 驅(qū)動程序與輸入輸出設(shè)備的特性密切相關(guān)。因而對不同類型的設(shè)備應(yīng)配置不同的驅(qū)動程序 (3) 驅(qū)動程序與輸入輸出控制方式緊密相關(guān)。 (4) 驅(qū)動程序與硬件緊密相關(guān)，其部分被固化在ROM 中。7/21/2022設(shè)備驅(qū)動程序的處理過程： 1將抽象要求轉(zhuǎn)化為具體要求 2檢查輸入輸出請求的合法性 3讀出和檢查設(shè)備的狀態(tài) 4傳送必要的參數(shù) 5設(shè)置工作方式 6啟動輸入輸出設(shè)備7/21/20225.4.4 設(shè)備獨立性軟件

49、 為了實現(xiàn)設(shè)備獨立性而引入了邏輯設(shè)備和物理設(shè)備這兩個概念。 在應(yīng)用程序中， 使用邏輯設(shè)備名稱來請求使用某類設(shè)備；而系統(tǒng)在實際執(zhí)行時， 還必須使用物理設(shè)備名稱。 因此，系統(tǒng)須具有將邏輯設(shè)備名稱轉(zhuǎn)換為某物理設(shè)備名稱的功能，這非常類似于存儲器管理中所介紹的邏輯地址和物理地址的概念。 7/21/20221 邏輯設(shè)備與物理設(shè)備的概念 物理設(shè)備是一個具體的設(shè)備。系統(tǒng)為了能識別全部外設(shè)，給每臺外設(shè)分配一個唯一不變的名字，稱為物理設(shè)備名。系統(tǒng)在實際工作時使用物理設(shè)備名。 邏輯設(shè)備是對實際物理設(shè)備屬性的抽象，它并不限于某個具體設(shè)備。用戶在編程時，不用關(guān)心系統(tǒng)具體配置了哪些設(shè)備，也不需要了解各種設(shè)備的物理特性，而

50、只是按照慣例為所用的設(shè)備起個邏輯名字，稱為邏輯設(shè)備名。7/21/20222 設(shè)備獨立性 設(shè)備獨立性也稱設(shè)備無關(guān)性，指用戶編程時所使用的設(shè)備與實際使用的設(shè)備無關(guān)。 為此，要求用戶程序?qū)斎胼敵鲈O(shè)備的請求采用邏輯設(shè)備名； 而在程序?qū)嶋H執(zhí)行時使用物理設(shè)備名，它們之間的關(guān)系類似存儲管理中的邏輯地址和物理地址的關(guān)系。7/21/2022 用戶程序以邏輯設(shè)備名來請求使用某類設(shè)備時，系統(tǒng)將在該類設(shè)備中，根據(jù)設(shè)備的使用情況，將任一臺合適的物理設(shè)備分配給程序。 在實現(xiàn)了設(shè)備獨立性的功能后， 可帶來以下兩方面的好處： 1) 設(shè)備分配時的靈活性 2) 易于實現(xiàn)I/O重定向7/21/20225.4.5 用戶層I/O軟件

51、 盡管大部分I/O軟件屬于操作系統(tǒng)，但是也有一小部分是與用戶程序鏈接在一起的庫例程，甚至是在核心外運行的完整程序。 系統(tǒng)調(diào)用， 包括I/O系統(tǒng)調(diào)用，通常是庫例程調(diào)用。在如下C語句： count=write(fd， buffer， nbyte)； 中， 所調(diào)用的庫函數(shù)write( )將與用戶程序鏈接在一起， 并包含在運行時的二進制代碼中。這一類庫例程顯然也是I/O系統(tǒng)的一部分。標準I/O庫包含相當多涉及I/O的庫例程，它們作為用戶程序的一部分運行。 7/21/2022總結(jié)I/O系統(tǒng)各層的主要功能如下： (1) 用戶進程層執(zhí)行輸入/輸出系統(tǒng)調(diào)用，對I/O數(shù)據(jù)進行格式化，為假脫機輸入/輸出做準備。

52、(2) 獨立于設(shè)備的軟件實現(xiàn)設(shè)備的命名、設(shè)備的保護、成塊處理、緩沖技術(shù)和設(shè)備分配。 (3) 設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)置設(shè)備寄存器、檢查設(shè)備的執(zhí)行狀態(tài)。 (4) 中斷處理程序負責I/O完成時，喚醒設(shè)備驅(qū)動程序進程，進行中斷處理。 (5) 硬件層實現(xiàn)物理I/O的操作。7/21/20225.5 設(shè)備分配 設(shè)備分配是由I/O系統(tǒng)中的設(shè)備分配程序完成的。 每當進程提出I/O請求時，設(shè)備分配程序便按照一定的策略把所需的設(shè)備分配給進程使用。 設(shè)備分配的原則是要盡可能地讓設(shè)備忙碌，充分發(fā)揮設(shè)備的使用效率。7/21/20225.5.1 設(shè)備分配中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)備控制表 DCT控制器控制表 COCT系統(tǒng)設(shè)備表 SDT通道控制

53、表CHCT（有時有）7/21/20221.設(shè)備控制表 系統(tǒng)為每個設(shè)備配置一張設(shè)備控制表，用于記錄設(shè)備的特性及與輸入輸出控制器連接的情況。 該表在系統(tǒng)生成時或在該設(shè)備和系統(tǒng)連接時創(chuàng)建，但表中的內(nèi)容則根據(jù)系統(tǒng)執(zhí)行情況而被動態(tài)地修改。7/21/2022表目1 設(shè)備控制表集合 設(shè)備控制表 設(shè)備控制表 7/21/20222.系統(tǒng)設(shè)備表SDT 系統(tǒng)設(shè)備表也稱為設(shè)備類表，整個系統(tǒng)配置一張。它記錄了已被連接到系統(tǒng)中的所有物理設(shè)備的情況，并為每個物理設(shè)備設(shè)一個表項。7/21/2022表目1 系統(tǒng)設(shè)備表 7/21/20223.控制器控制表COCT 系統(tǒng)為每個控制器配置了一張控制器控制表，以反映控制器的使用狀態(tài)。7

54、/21/2022表目1 控制器表 控制器表 其中控制器表中包括：控制器標識符、控制器狀態(tài)、與控制器連接的通道表指針、控制器隊列的隊首指針和隊尾指針。與設(shè)備控制表的表目類似，不再重復。7/21/20224.通道控制表CHCT 系統(tǒng)為每個通道配置一張通道控制表，以反映通道的使用狀態(tài)。 該表只在通道控制方式的系統(tǒng)中存在，每個通道一張。7/21/2022表目1 通道表通道表 其中通道表中包括：通道標識符、通道狀態(tài)、與通道連接的控制器表首址、通道隊列的隊首指針和隊尾指針。與設(shè)備控制表的表目類似，不再重復。7/21/2022這幾張表的關(guān)系： 在系統(tǒng)設(shè)備表中有指向設(shè)備控制表的指針，在設(shè)備控制表中有指向該設(shè)備

55、控制器控制表的指針，在控制器控制表中有指向與該控制器連接的通道控制表的指針。系統(tǒng)就是通過這種關(guān)系進行設(shè)備的分配與回收的。7/21/20225.5.2 設(shè)備分配時應(yīng)考慮的因素1設(shè)備的使用性質(zhì) 按照設(shè)備自身的使用性質(zhì)，可以采用以下三種不同的分配方式：獨享分配、共享分配、虛擬分配。 獨享分配適用于大多數(shù)低速設(shè)備，如打印機。 共享分配適應(yīng)于高速設(shè)備，如磁盤。 虛擬分配適應(yīng)于虛擬設(shè)備。根據(jù)設(shè)備的使用性質(zhì)來決定一臺設(shè)備可以分給幾個進程。7/21/20222.設(shè)備分配的算法 當有多個進程同時請求設(shè)備時，系統(tǒng)應(yīng)采用某種策略決定將設(shè)備分配給哪個進程使用。主要的分配策略有先來先服務(wù)和優(yōu)先級兩種。 （1）先來先服務(wù)

56、算法根據(jù)進程對某設(shè)備提出請求的先后次序，將這些進程排成一個設(shè)備請求隊列，設(shè)備分配程序總是把設(shè)備首先分配給隊首的進程。先來先服務(wù)的算法簡單、公平，但無法滿足某些緊迫進程對I/O響應(yīng)時間的要求。 （2）優(yōu)先級算法的策略是對高優(yōu)先權(quán)進程的I/O請求也賦予高優(yōu)先權(quán)，這有助于這種進程盡快完成。在利用該算法形成設(shè)備隊列時，將優(yōu)先級高的進程排在設(shè)備請求隊列的前面，而對于同優(yōu)先級的I/O請求，則按先來先服務(wù)的原則排隊。7/21/20223. 設(shè)備分配的安全性 設(shè)備分配的安全性是指在設(shè)備分配中應(yīng)防止發(fā)生進程的死鎖。設(shè)備分配的安全性采用的方法有靜態(tài)分配策略和動態(tài)分配策略，它們可以防止進程死鎖。 （1）靜態(tài)分配策略

57、。靜態(tài)分配策略是在作業(yè)級進行的，用戶作業(yè)開始執(zhí)行前，由系統(tǒng)一次分配給該作業(yè)所要求的全部設(shè)備、控制器和通道，直到該作業(yè)撤消為止。靜態(tài)分配不會出現(xiàn)死鎖，但是，設(shè)備利用率低。 （2）動態(tài)分配策略。動態(tài)分配策略是在進程執(zhí)行過程中，根據(jù)執(zhí)行的需要所進行的設(shè)備分配。動態(tài)分配提高了設(shè)備的利用率，但是分配不當，會造成進程的死鎖。7/21/20224. 設(shè)備的獨立性 設(shè)備的獨立性是指用戶在編制程序時所使用的設(shè)備與實際使用的設(shè)備無關(guān)。為此，要求用戶程序?qū)斎胼敵鲈O(shè)備的請求采用邏輯設(shè)備名，而在程序?qū)嶋H執(zhí)行時使用物理設(shè)備名，它們之間的關(guān)系類似存儲管理中的邏輯地址和物理地址的關(guān)系。7/21/20225.5.3 獨占設(shè)備

58、的分配程序 在一個具有I/O通道的系統(tǒng)中，當進程提出I/O請求時，對獨占設(shè)備的分配過程是： 首先為其進行分配合適的設(shè)備，然后分配控制器，最后分配通道。7/21/20221分配設(shè)備 分配設(shè)備的過程如圖示： 當進程提出I/O請求后，首先根據(jù)進程提出的邏輯設(shè)備名，查找到與之對應(yīng)的物理設(shè)備名，檢索系統(tǒng)設(shè)備表SDT，以獲得該設(shè)備的設(shè)備控制表DCT。查看設(shè)備控制表中設(shè)備的狀態(tài)。 若設(shè)備忙，將該進程PCB放入設(shè)備請求隊列中； 否則，系統(tǒng)可根據(jù)一定的算法判定分配此設(shè)備給進程是否安全。 若不安全，將進程的PCB塊也放入設(shè)備請求隊列。 若有設(shè)備空閑，且分配安全，就將該設(shè)備分配給進程。7/21/2022121第七章

59、 設(shè)備管理 2分配控制器 在系統(tǒng)把設(shè)備分配給請求輸入輸出的進程后， 再到設(shè)備控制表中找到與該設(shè)備相連的控制器控制表，從該表的狀態(tài)字段中可知該控制器是否忙碌。 若控制器忙，則將進程插入到等待該控制器的隊列； 否則，將該控制器分配給進程，即修改控制器控制表，把狀態(tài)字段的值由“0”改為進程名。7/21/2022122第七章 設(shè)備管理 3分配通道 在分配完設(shè)備控制器后，從控制器控制表中找到與該控制器相連的通道控制表，從該表的狀態(tài)字段中可知該通道是否忙碌。 若通道處于忙碌狀態(tài)，則將該進程插入到等待該通道的隊列； 否則，將該通道分配給進程，即修改通道控制表，把狀態(tài)字段的值由“0”改為進程名。7/21/20

60、22123第七章 設(shè)備管理 設(shè)備回收 當進程撤消或設(shè)備使用完畢后，要進行設(shè)備的回收，設(shè)備回收的過程如圖所示。設(shè)備回收的步驟：（1）系統(tǒng)根據(jù)進程名在設(shè)備分配表中找到相應(yīng)的記錄，把設(shè)備狀態(tài)修改為“0”表示未分配，若該設(shè)備的等待隊列不空，則喚醒隊首進程，進行設(shè)備分配；（2）到該設(shè)備的控制器控制表中，把其狀態(tài)由進程名改為“0”，若該控制器的等待隊列不空，則喚醒隊首進程，進行控制器分配；（3）到該控制器的通道控制表中，把其狀態(tài)由進程名改為“0”，若該通道的等待隊列不空，則喚醒隊首進程，進行通道分配；（4）在系統(tǒng)設(shè)備表中，把回收設(shè)備臺數(shù)添加到“現(xiàn)存設(shè)備臺數(shù)”中。 7/21/2022124第七章 設(shè)備管理