計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)ch07

計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)OperatingSystemofComputer第七章設(shè)備管理主要內(nèi)容：I/O系統(tǒng)的組成I/O控制方式緩沖管理設(shè)備分配設(shè)備處理SPOOLING技術(shù)知識(shí)點(diǎn)及要求：了解操作系統(tǒng)處理用戶I/O請(qǐng)求的基本過(guò)程。要求掌握通道、緩沖、設(shè)備獨(dú)立性的概念。掌握I/O控制方式及設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，設(shè)備分配的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及分配程序。掌握設(shè)備分配技術(shù)，設(shè)備管理程序功能，理解緩沖技術(shù)和Spooling系統(tǒng)及磁盤(pán)調(diào)度算法。7.1概述7.1.1設(shè)備的分類(lèi)

1、按傳輸速率分低速設(shè)備：每秒幾個(gè)到數(shù)百字節(jié)。如Modem中速設(shè)備：每秒數(shù)千到數(shù)萬(wàn)字節(jié)。如打印機(jī)高速設(shè)備：每秒數(shù)百K到數(shù)兆。如磁盤(pán)、磁帶2、按信息交換的單位分類(lèi)字符設(shè)備：I/O傳輸?shù)膯挝皇亲止?jié)，如打印機(jī)、modem等。特征：速率較低、中斷驅(qū)動(dòng)。塊設(shè)備

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I/O傳輸?shù)膯挝皇菈K，如磁盤(pán)、磁帶。特征：速率高（幾兆）、可隨機(jī)訪問(wèn)任一塊、DMA方式驅(qū)動(dòng)。3.按資源管理方式分類(lèi)獨(dú)占型設(shè)備：在任一段時(shí)間內(nèi)最多有一個(gè)進(jìn)程占用它，字符設(shè)備及磁帶機(jī)屬獨(dú)占型設(shè)備。即臨界資源。共享型設(shè)備：多個(gè)進(jìn)程對(duì)它的訪問(wèn)可以交叉進(jìn)行，除磁帶機(jī)外的塊設(shè)備屬共享設(shè)備。虛擬設(shè)備：在一類(lèi)設(shè)備上模擬另一類(lèi)設(shè)備，常用共享設(shè)備模擬獨(dú)占設(shè)備，用高速設(shè)備模擬低速設(shè)備，被模擬的設(shè)備稱為虛擬設(shè)備。7.1.2設(shè)備管理的目標(biāo)1.設(shè)備獨(dú)立性 所謂設(shè)備獨(dú)立性：用戶在編制程序時(shí)，使用邏輯設(shè)備名，由系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)從邏輯設(shè)備到物理設(shè)備（實(shí)際設(shè)備）的轉(zhuǎn)換。用戶能獨(dú)立于具體物理設(shè)備而方便的使用設(shè)備。兩種類(lèi)型的設(shè)備獨(dú)立性獨(dú)立于同一類(lèi)設(shè)備中的某臺(tái)具體設(shè)備。如果一個(gè)系統(tǒng)中有若干臺(tái)相同的設(shè)備，用戶編程時(shí)不指定使用哪一個(gè)具體的設(shè)備，而僅說(shuō)明要使用哪一類(lèi)設(shè)備，系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前這一類(lèi)設(shè)備的具體狀況給用戶分配一臺(tái)具體的設(shè)備。用戶不用關(guān)心他所使用的到底是哪一臺(tái)設(shè)備。獨(dú)立于不同類(lèi)型的設(shè)備。例如有一程序要求輸入信息，可以從各種不同類(lèi)型的輸入設(shè)備上給程序輸入數(shù)據(jù)，則稱該程序是獨(dú)立于不同類(lèi)型的輸入設(shè)備的。又如在MS-DOS系統(tǒng)中，程序的I/O操作不必指出在哪臺(tái)設(shè)備上進(jìn)行，一般情況下是從鍵盤(pán)上輸入數(shù)據(jù)，而在顯示器上輸出數(shù)據(jù)。但用戶可以做一次聯(lián)機(jī)操作命令Ctrl+P，則輸出數(shù)據(jù)可以在打印機(jī)上打印出來(lái)。2.提高設(shè)備利用率提高設(shè)備的使用效率是操作系統(tǒng)設(shè)備管理的重要目標(biāo)。為達(dá)到此目標(biāo)除了要合理分配和使用外部設(shè)備外，還應(yīng)努力提高設(shè)備同CPU的并行程度。與此有關(guān)的技術(shù)有：通道技術(shù)和緩沖技術(shù)。3.設(shè)備的統(tǒng)一管理外設(shè)的種類(lèi)繁多，特性各異，主要差別反映在以下幾個(gè)方面：速度：不同的設(shè)備處理和傳遞信息的速度差別甚大，如鍵盤(pán)每秒鐘只能處理幾個(gè)或幾十個(gè)字符，而磁盤(pán)的處理速度可達(dá)幾十MB/S。傳遞單位：有的設(shè)備以字符為單位傳遞信息，如鍵盤(pán)。有的以字符塊為單位傳遞信息，如磁盤(pán)。操作方法和特性：各種設(shè)備都有自己的特性和操作方法，如卡片機(jī)中的卡片不能倒退，磁帶機(jī)可反繞，磁盤(pán)可隨機(jī)存取。出錯(cuò)條件：各種設(shè)備的出錯(cuò)條件不同，有的可能產(chǎn)生奇偶錯(cuò)，打印機(jī)可能產(chǎn)生無(wú)紙錯(cuò)等。設(shè)備管理程序力圖隱蔽上述各種設(shè)備的差別，向用戶提供統(tǒng)一的設(shè)備使用接口，這會(huì)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來(lái)困難，但方便了用戶。如UNIX系統(tǒng)把外設(shè)作為特別文件處理，把設(shè)備看作文件，用操作文件的方法來(lái)操作設(shè)備，這極大地方便了用戶。這種設(shè)備管理方法無(wú)疑是個(gè)重大的突破。7.1.3設(shè)備管理的功能1.監(jiān)視系統(tǒng)中所有設(shè)備的狀態(tài)一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中存在著許多設(shè)備，在系統(tǒng)運(yùn)行期間這些設(shè)備都在處理各自所承擔(dān)的工作，并處于各種不同的狀態(tài)，系統(tǒng)要有效地管理和使用這些設(shè)備就必須監(jiān)視它們的工作狀態(tài)。系統(tǒng)為每個(gè)設(shè)備設(shè)置設(shè)備控制塊DCB結(jié)構(gòu)，在DCB中登記了設(shè)備的狀態(tài)信息，系統(tǒng)是經(jīng)過(guò)對(duì)DCB的查詢來(lái)監(jiān)視設(shè)備的活動(dòng)的。2.設(shè)備的分配在多用戶或多進(jìn)程的環(huán)境中，每個(gè)用戶在完成各自的任務(wù)時(shí)總是要使用外設(shè)，為用戶或進(jìn)程分配設(shè)備是設(shè)備管理的主要功能之一。設(shè)備分配包括：設(shè)備分配策略、分配的方式、分配技術(shù)和選擇用戶的算法。3、I/O控制

I/O控制是設(shè)備管理的另一功能，它包括設(shè)備驅(qū)動(dòng)和設(shè)備中斷處理。7.1.4設(shè)備管理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)備控制塊(DCB)DCB是設(shè)備管理的重要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在這個(gè)結(jié)構(gòu)中較全面地反映了每臺(tái)設(shè)備的特性、連接和使用的狀態(tài)等信息。當(dāng)一臺(tái)設(shè)備進(jìn)入系統(tǒng)時(shí)必須創(chuàng)立相應(yīng)的DCBDCB的內(nèi)容設(shè)備標(biāo)識(shí)符：系統(tǒng)有許多設(shè)備，為區(qū)別起見(jiàn)為每臺(tái)設(shè)備取個(gè)名，這個(gè)名叫設(shè)備標(biāo)識(shí)符。設(shè)備屬性：反映設(shè)備的相應(yīng)特性和類(lèi)型設(shè)備I/O總線地址：設(shè)備和CPU是通過(guò)I/O總線連接起來(lái)的，它在總線上有個(gè)地址。設(shè)備狀態(tài)：指設(shè)備當(dāng)時(shí)所處的狀態(tài)。等待隊(duì)列指針：等待使用該設(shè)備的進(jìn)程組成等待隊(duì)列，這里存放等待隊(duì)列的隊(duì)首指針。圖示7.2I/O控制方式循環(huán)測(cè)試I/O方式I/O中斷方式DMA方式通道方式7.2.1循環(huán)測(cè)試I/O方式

早期，I/O控制器是OS同硬件之間的接口。它有兩個(gè)寄存器：數(shù)據(jù)緩沖寄存器、控制寄存器?？刂萍拇嫫饔袔讉€(gè)重要的信息位：?jiǎn)?dòng)位、完成位、忙位。CPU外部設(shè)備控制邏輯電路控制寄存器I/O控制器數(shù)據(jù)寄存器工作過(guò)程以輸入為例1.把啟動(dòng)位置12.反復(fù)測(cè)試完成位，為0轉(zhuǎn)2，為1轉(zhuǎn)33.把數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中讀走。浪費(fèi)大量CPU時(shí)間7.2.2I/O中斷方式I/O控制器能發(fā)中斷。工作過(guò)程：1.把啟動(dòng)位置1，本進(jìn)程（A）變?yōu)榈却隣顟B(tài)，轉(zhuǎn)進(jìn)程調(diào)度，調(diào)度另一進(jìn)程B。2.輸入完成時(shí)，控制器發(fā)出中斷，中斷B，通過(guò)中斷進(jìn)入中斷處理程序。3.在中斷處理程序中把數(shù)據(jù)緩沖寄存器中的數(shù)取走，放入內(nèi)存特定位置M，喚醒等待進(jìn)程A，中斷返回到B的斷點(diǎn)繼續(xù)執(zhí)行。4.在以后的某個(gè)時(shí)刻O(píng)S調(diào)度要求輸入的進(jìn)程A。A從M取數(shù)處理。

分析同前相比，CPU利用率大大提高。缺點(diǎn)：每臺(tái)設(shè)備每輸入輸出一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)都有一次中斷。如果設(shè)備較多時(shí)，中斷次數(shù)會(huì)很多，使CPU的計(jì)算時(shí)間大大減少。為減少中斷對(duì)CPU造成的負(fù)擔(dān)，可采用DMA方式和通道方式?？刂破鞴δ芨鼜?qiáng)，除有中斷功能外，還有一個(gè)DMA控制機(jī)構(gòu)。在DMA控制器的控制下，設(shè)備同主存之間可成批交換數(shù)據(jù)，不用CPU干預(yù)。7.2.3DMA方式工作過(guò)程1.當(dāng)進(jìn)程要求輸入時(shí)，把要求傳送的內(nèi)存始址（M）和要傳的字節(jié)數(shù)送入DMA的內(nèi)存地址寄存器和傳送字?jǐn)?shù)寄存器2.把啟動(dòng)位置1。設(shè)備開(kāi)始工作。進(jìn)程（A）掛起。調(diào)度另一進(jìn)程（B）3.一批數(shù)據(jù)輸入完成后，DMA中斷B，轉(zhuǎn)向中斷處理程序。4.中斷處理程序喚醒A，返回B的斷點(diǎn)繼續(xù)執(zhí)行。5.以后OS調(diào)度A運(yùn)行時(shí)，A從M處取數(shù)據(jù)處理。DMA方式與中斷的主要區(qū)別中斷方式是在數(shù)據(jù)緩沖寄存區(qū)滿后，發(fā)中斷請(qǐng)求，CPU進(jìn)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(shí)要求CPU進(jìn)行中斷處理，大大減少了CPU進(jìn)行中斷處理的次數(shù)。中斷方式的數(shù)據(jù)傳送是由CPU控制完成的而DMA方式則是在DMA控制器的控制下不經(jīng)過(guò)CPU控制完成的。CPU向控制器發(fā)出啟動(dòng)DMA通知和有關(guān)參數(shù)控制器向內(nèi)存發(fā)出詢問(wèn)請(qǐng)求訪問(wèn)內(nèi)存（讀、寫(xiě)）計(jì)數(shù)器減1結(jié)束否發(fā)中斷NYDMA的實(shí)現(xiàn)流程7.2.4通道方式1.I/O系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 在大型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中較為典型的I/O系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是主機(jī)、通道、控制器和外部設(shè)備。CPU外部設(shè)備通常由機(jī)械的和電子的兩部分組成，電子部分構(gòu)成控制器，也叫適配器。一個(gè)控制器可交替地控制幾臺(tái)同類(lèi)設(shè)備，例如一個(gè)磁盤(pán)控制器可以控制兩臺(tái)磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器。在沒(méi)有通道的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，中央處理機(jī)是通過(guò)控制器控制I/O操作的。在采用了中斷技術(shù)以后，中央處理機(jī)和外部設(shè)備已能在一定程度上并行工作，但每傳一個(gè)信息單位（一個(gè)字節(jié)或一個(gè)字符塊），就要插入一次中斷處理，每次中斷處理CPU少則要執(zhí)行幾十條指令，多則要執(zhí)行上千條指令，當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)配置的設(shè)備較多時(shí)，I/O操作較為頻繁的情況下，CPU可能完全陷入I/O處理，這樣會(huì)大大地降低計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的效率，解決的方法就是用到通道技術(shù)。

2.通道概念為使中央處理機(jī)從繁忙的I/O處理中擺脫出來(lái)，現(xiàn)代大、中型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中設(shè)置了專(zhuān)門(mén)的處理I/O操作的處理機(jī)，并把這種處理機(jī)稱為通道。通道在CPU的控制下獨(dú)立地執(zhí)行通道程序，對(duì)外部設(shè)備的I/O操作進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)內(nèi)存與外設(shè)之間成批的數(shù)據(jù)交換。 通道=I/O處理機(jī)當(dāng)完成CPU交給的任務(wù)后，向CPU發(fā)出中斷信號(hào)，請(qǐng)求CPU的處理。這樣就使得CPU基本上擺脫了I/O操作的處理工作，提高了CPU與設(shè)備之間的并行程序，從而提高了整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的效率。通道程序是由通道指令組成，一個(gè)通道可以分時(shí)的方式執(zhí)行幾道程序。每道程序控制一臺(tái)外部設(shè)備，因此每道通道程序稱為子通道。字節(jié)多路通道：字節(jié)多路通道是以字節(jié)為基本傳輸單位，當(dāng)一子通道控制的某臺(tái)外設(shè)交換了一個(gè)字節(jié)后，就轉(zhuǎn)向下一個(gè)子通道，以控制下一臺(tái)設(shè)備傳送一個(gè)字節(jié)。這就實(shí)現(xiàn)了子通道的循環(huán)輪轉(zhuǎn)，以達(dá)到多路控制的目的，字節(jié)多路通道主要用來(lái)控制低速、并且以字節(jié)為基本傳送單位的設(shè)備。如打印機(jī)。3.通道的種類(lèi)數(shù)據(jù)選擇通道：這種通道一次執(zhí)行一個(gè)通道程序，控制一臺(tái)設(shè)備連續(xù)地傳送一批數(shù)據(jù)，當(dāng)一個(gè)程序執(zhí)行完后，才轉(zhuǎn)向下一個(gè)程序，它的優(yōu)點(diǎn)是傳輸速度高，缺點(diǎn)是一次只能控制一臺(tái)設(shè)備進(jìn)行I/O操作。它主要用來(lái)控制高速外設(shè)。如磁盤(pán)。選擇通道數(shù)據(jù)多路通道：

這種通道是上述兩種通道的折中，可以分時(shí)的方式執(zhí)行多道程序，每道程序可傳送一組數(shù)據(jù)。它主要用于中速設(shè)備的控制。如磁帶機(jī)。在一大型系統(tǒng)中可以同時(shí)存在這三種類(lèi)型的通道以便控制各種不同類(lèi)型的設(shè)備。4.通道指令和通道程序通道有它自己的指令系統(tǒng)，用這些指令編寫(xiě)的程序叫通道程序，通道只能執(zhí)行通道程序，不可能執(zhí)行用戶進(jìn)程。

通道程序保存在內(nèi)存中5.通道的工作過(guò)程某進(jìn)程在運(yùn)行過(guò)程中，若提出了I/O請(qǐng)求，則通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用進(jìn)入操作系統(tǒng)，系統(tǒng)首先為I/O操作分配通道和外設(shè)，然后按I/O請(qǐng)求生成通道程序并存入內(nèi)存，把起始地址送入通道的首地址寄存器（CAW），接著CPU發(fā)出啟動(dòng)通道的指令。中央處理機(jī)啟動(dòng)通道后，通道的工作過(guò)程為：根據(jù)CAW，從內(nèi)存取出通道指令，送入通道控制字寄存器（CCW），并修改CAW，使其指向下一條通道指令。執(zhí)行CCW中的通道指令，進(jìn)行實(shí)際的I/O操作，執(zhí)行完畢后，如果還有下一條指令，則返回前一步，否則轉(zhuǎn)下一步。發(fā)出中斷信號(hào)通知CPU通道程序已執(zhí)行完成。通道的發(fā)展新的通道思想綜合了許多新的技術(shù)在個(gè)人計(jì)算機(jī)中，芯片組中有專(zhuān)門(mén)的I/O處理芯片，稱為IOP（IOProcessor），發(fā)揮通道的作用IBM390中，沿用了輸入輸出通道概念

IBM于1998年推出光纖通道技術(shù)（稱為FICON），可通過(guò)FICON連接多達(dá)127個(gè)大容量I/O設(shè)備。傳輸速度是333MHz／s，未來(lái)將達(dá)到1GHz／s。

光纖通道技術(shù)具有數(shù)據(jù)傳輸速率高、傳輸距離遠(yuǎn)，可簡(jiǎn)化大型存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)。在大容量高速存儲(chǔ)，如大型數(shù)據(jù)庫(kù)、多媒體、數(shù)字影像等應(yīng)用領(lǐng)域，有廣泛前景。7.3緩沖技術(shù)常用的緩沖技術(shù)單緩沖雙緩沖環(huán)形緩沖緩沖池7.3.1引言緩沖技術(shù)的目的是為了提高中央處理機(jī)與外設(shè)的并行程度。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的各種設(shè)備(包括中央處理機(jī))的運(yùn)行速度差異甚大，CPU的運(yùn)行速度是以微秒甚至以納秒計(jì)，而設(shè)備的運(yùn)行速度則是以毫秒甚至以秒計(jì)。（速度的差異）另一方面系統(tǒng)的負(fù)荷也不均勻，有時(shí)處理機(jī)進(jìn)行大量的計(jì)算工作，沒(méi)有I/O操作，有時(shí)又會(huì)進(jìn)行大量的I/O操作，這兩個(gè)極端都會(huì)造成系統(tǒng)中的一些設(shè)備過(guò)于繁忙，一部分設(shè)備過(guò)于空閑，嚴(yán)重地影響CPU與外設(shè)的并行工作。為此人們提出用緩沖技術(shù)來(lái)匹配CPU與設(shè)備的速度的差異和負(fù)荷的不均勻，從而提高處理機(jī)與外設(shè)的并行程度。凡是數(shù)據(jù)到達(dá)和離去速度不匹配的地方均可采用緩沖技術(shù)。緩沖技術(shù)可以用硬件緩沖器來(lái)實(shí)現(xiàn)，在設(shè)備控制器中有硬件緩沖器，通常容量較小，一般為1個(gè)字節(jié)。軟件緩沖技術(shù)是應(yīng)用廣泛的一種緩沖技術(shù)，它由緩沖區(qū)和對(duì)緩沖區(qū)的管理兩部分組成。7.3.2常用的緩沖技術(shù)單緩沖雙緩沖環(huán)形緩沖緩沖池1.單緩沖最簡(jiǎn)單的一種緩沖形式。當(dāng)進(jìn)程發(fā)出一I/O請(qǐng)求時(shí)，OS為之分配一緩沖區(qū)。對(duì)于輸入：設(shè)備先將數(shù)據(jù)送入緩沖區(qū)，OS再將數(shù)據(jù)傳給進(jìn)程。對(duì)于輸出：進(jìn)程先將數(shù)據(jù)傳入緩沖區(qū)，OS再將數(shù)據(jù)送出到設(shè)備。2.雙緩沖技術(shù)為了加快輸入輸出速度，引入雙緩沖技術(shù)。原理：設(shè)置兩個(gè)緩沖區(qū)buf1和buf2。讀入數(shù)據(jù)時(shí)，首先輸入設(shè)備向buf1填入數(shù)據(jù)，然后進(jìn)程從buf1提取數(shù)據(jù)，在進(jìn)程從buf1提取數(shù)據(jù)的同時(shí)。輸入設(shè)備向buf2中填數(shù)據(jù)。當(dāng)buf取空時(shí)，進(jìn)程又從buf2中提取數(shù)據(jù)，與此同時(shí)輸入設(shè)備向buf1填數(shù)。如此交替使用兩個(gè)緩沖區(qū)，使CPU和設(shè)備的并行操作的程度進(jìn)一步提高。

3.環(huán)形緩沖技術(shù)當(dāng)生產(chǎn)和消費(fèi)數(shù)據(jù)的速度基本匹配時(shí)，雙緩沖能獲得較好效果。但若兩者速度相差甚遠(yuǎn)時(shí)，效果不太理想。但隨著緩沖區(qū)的數(shù)量增加，使情況有所改善。因此引入環(huán)形緩沖技術(shù)。環(huán)形緩沖技術(shù)是在主存中分配一組大小相等的存儲(chǔ)區(qū)作為緩沖區(qū)，并將這些緩沖區(qū)鏈接起來(lái)。系統(tǒng)中有個(gè)緩沖區(qū)鏈?zhǔn)字羔?，指向第一個(gè)緩沖區(qū)，每個(gè)緩沖區(qū)中有一個(gè)指向下一個(gè)緩沖區(qū)的指針，最后一個(gè)緩沖區(qū)中的指針指向第一個(gè)緩沖區(qū)，從而形成環(huán)形緩沖區(qū)鏈。如圖所示。系統(tǒng)可循環(huán)使用這些緩沖區(qū)。環(huán)形緩沖區(qū)用于輸入(輸出)時(shí)，還要有兩個(gè)指針I(yè)N和OUT。示意圖IN指向可接收數(shù)據(jù)的空閑緩沖區(qū)的首址，OUT指針指向裝好數(shù)據(jù)且未取走的緩沖區(qū)首址。系統(tǒng)初啟時(shí)，指針被初始化為IN和OUT與首指針START相等，即START=IN=OUT。對(duì)于輸入信息而言，設(shè)備接收信息時(shí)，信息輸入到IN指向的緩沖區(qū)，當(dāng)一個(gè)緩沖區(qū)裝滿后，IN指針指向下一個(gè)空閑緩沖區(qū)。當(dāng)從緩沖區(qū)中提取信息時(shí)，提取由OUT指向的緩沖區(qū)中的信息，提取完畢，將OUT指針指向下一個(gè)裝滿信息的緩沖區(qū)。系統(tǒng)必須考慮到這種方案的約束條件，即IN<>OUT(初始狀態(tài)除外)。從設(shè)備輸入信息的操作和提取信息的操作共用環(huán)形緩沖時(shí)有一定的同步關(guān)系:OUT<IN。當(dāng)OUT到達(dá)IN時(shí)，處理數(shù)據(jù)的進(jìn)程必等待。由于該方案是個(gè)環(huán)形鏈;故當(dāng)IN指針達(dá)到最后一個(gè)緩沖區(qū)時(shí)，它將指向START指當(dāng)IN到達(dá)OUT時(shí)，從設(shè)備輸入信息的操作也必須等待。

4.緩沖池環(huán)形緩沖區(qū)一般用于特定的進(jìn)程，屬于專(zhuān)用緩沖區(qū)，當(dāng)系統(tǒng)較大時(shí)，將會(huì)有許多這樣的環(huán)形緩沖區(qū)，這不僅要消耗大量的內(nèi)存空間，利用率也不高。為了提高緩沖區(qū)的利用率，目前廣泛流行公用緩沖池，池中的緩沖區(qū)可供多個(gè)進(jìn)程共享。緩沖池由內(nèi)存中一組大小相等的緩沖區(qū)組成，池中各緩沖區(qū)的大小與用于I/O的設(shè)備的基本信息單位相似，緩沖池屬于系統(tǒng)資源，由系統(tǒng)進(jìn)行管理。緩沖池中各緩沖區(qū)可用于輸出信息，也可用于輸入信息，并可根據(jù)需要組成各種緩沖區(qū)隊(duì)列。7.4其它技術(shù)總線技術(shù)USB技術(shù)SCSI接口技術(shù)即插即用技術(shù)網(wǎng)絡(luò)I/O設(shè)備7.4.1總線技術(shù)新一代計(jì)算機(jī)出現(xiàn)，帶來(lái)了總線技術(shù)的更新1.總線的基本概念：

在計(jì)算機(jī)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(hào)或數(shù)據(jù)傳輸通道。這種可共享的傳輸通道稱為總線。2.總線的分類(lèi)總線的分類(lèi)CPU-內(nèi)存總線I/O總線數(shù)據(jù)總線地址總線控制總線（非本課程范圍）微型計(jì)算機(jī)總線的種類(lèi)和發(fā)展SCSI總線1394總線PC／XT總線ISA總線MCA總線EISA總線VESA總線

PCI總線USB總線…...(過(guò)時(shí))ISA（工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)）

ISA基于PC／AT總線，是由IEEE（美國(guó)電氣電子工程師協(xié)會(huì)）1987年正式確立的標(biāo)準(zhǔn)。ISA槽是一個(gè)黑色的62＋36線插槽。ISA工作頻率定在8.33MHz，數(shù)據(jù)傳輸率為8.33MB／s。隨著系統(tǒng)工作頻率的迅速提高，其配用的擴(kuò)展卡也逐漸被淘汰，現(xiàn)在最新的主板已開(kāi)始取消ISA槽。PCI（外圍部件互連）1993年Intel發(fā)表PCI2.0版，PCI開(kāi)始走進(jìn)主板。PCI有32位和64位兩種，32位PCI槽124線，64位槽188線，目前常用的是32位插槽。PCI槽的時(shí)鐘頻率為33.3MHz，32位PCI的數(shù)據(jù)傳輸率為133MB／s，大大高于ISA。所以PCI問(wèn)世后迅速成了擴(kuò)展總線的主流，流行的擴(kuò)展卡也都轉(zhuǎn)移到PCI上，如顯示卡、聲卡、網(wǎng)卡、MODEM卡等等。AGP（加速圖形端口）1996年Intel公司在PCI的基礎(chǔ)上專(zhuān)為顯示卡接口提出AGP標(biāo)準(zhǔn)。AGP使用32位數(shù)據(jù)總線，工作頻率為66.6MHzAGP1x的數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)266MB/s，AGP2x在一個(gè)時(shí)鐘周期的上升沿和下降沿各傳輸一次資料，其數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)到533MB／s，而AGP4x的理論傳輸率為1.066GB／s。IEEE1394IEEE1394是1995年由IEEE將APPLE公司高速串行總線“FIREWIRE”標(biāo)準(zhǔn)化而成，目前還在發(fā)展中。IEEE1394適用于聲音、圖像和視頻多媒體產(chǎn)品、高速打印機(jī)和掃描儀產(chǎn)品、硬盤(pán)等存儲(chǔ)設(shè)備、數(shù)碼攝影機(jī)、顯示器和影音錄放設(shè)備等。IEEE1394的特點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)傳輸率分三種：100Mbps、200Mbps和400Mbps,IEEE1394商業(yè)聯(lián)盟計(jì)劃將它提高到800Mbps、1Gbps和1.6Gbps；支持同步模式傳輸,可實(shí)現(xiàn)“準(zhǔn)實(shí)時(shí)”的多媒體數(shù)據(jù)傳輸；連接方便，易于擴(kuò)展，不必設(shè)定標(biāo)識(shí)號(hào)和連接終端負(fù)載，可采用菊花鏈或樹(shù)形方式連接，所有連接的設(shè)備是平等關(guān)系，不用個(gè)人計(jì)算機(jī)介入也可形成系統(tǒng)，支持熱插拔。單根線纜最長(zhǎng)為4.5米，最大可進(jìn)行15級(jí)級(jí)聯(lián)，連接最大距離為72米；采用6股銅芯線纜，兩股用于供電，另外四股分為兩對(duì)雙絞線，接頭小巧耐用。7.4.2USB技術(shù)USB（UniversalSerialBus）通用串行總線一種連接I/O串行設(shè)備的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)USB是以Intel為主并有Compaq、MicroSoft、IBM、DEC、NEC、NorthernTelecom7家公司共同制定的串行接口規(guī)格。USB接口適用于低、中速的外圍設(shè)備如鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、打印機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、調(diào)制解調(diào)器、掃描儀等。USB設(shè)備的分類(lèi)USB設(shè)備分為兩類(lèi)：（1）USB集線器：本身可再接其他USB外圍設(shè)備。（2）USB設(shè)備：連接在計(jì)算機(jī)上用來(lái)完成特定功能并符合USB規(guī)范的I/O設(shè)備單元，如鼠標(biāo)、鍵盤(pán)等。USB的傳輸方式4種不同的數(shù)據(jù)傳輸方式：（1）等時(shí)傳輸方式以固定的傳輸速率，連續(xù)不斷傳輸數(shù)據(jù)，發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，USB不處理，而是繼續(xù)傳送新的數(shù)據(jù)。用于需要連續(xù)傳輸，且對(duì)數(shù)據(jù)的正確性要求不高而對(duì)時(shí)間極為敏感的外部設(shè)備，如麥克風(fēng)、音箱以及電話等。（2）中斷傳輸方式該方式傳送的數(shù)據(jù)量很小，但這些數(shù)據(jù)需要及時(shí)處理，以達(dá)到實(shí)時(shí)效果，此方式主要用在鍵盤(pán)、鼠標(biāo)以及游戲手柄等外部設(shè)備上。

（3）控制傳輸方式處理器與USB設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸，包括設(shè)備控制指令、設(shè)備狀態(tài)查詢及確認(rèn)命令。當(dāng)USB設(shè)備收到這些數(shù)據(jù)和命令后將按照先進(jìn)先出的原則按隊(duì)列方式處理到達(dá)的數(shù)據(jù)。（4）批傳輸方式用來(lái)傳輸要求正確無(wú)誤的數(shù)據(jù)。通常打印機(jī)、掃描儀和數(shù)碼相機(jī)以這種方式與主機(jī)連接。除等時(shí)傳輸方式外，其他3種方式在數(shù)據(jù)傳輸發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，都會(huì)試圖重新發(fā)送數(shù)據(jù)以保證其準(zhǔn)確性。USB的特點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸具有1.5Mbps和12Mbps兩種方式；連接方便，易于擴(kuò)展，可使用集線器進(jìn)行樹(shù)形連接，連接的設(shè)備最多可達(dá)6層127個(gè)，支持熱插拔；連接的設(shè)備之間不是平等關(guān)系而是親子關(guān)系，上下游的關(guān)系明確，對(duì)上和對(duì)下的電纜插頭不一樣，而且必須用個(gè)人計(jì)算機(jī)作為主設(shè)備，各個(gè)分設(shè)備只能同主設(shè)備進(jìn)行通信并受主設(shè)備的控制；單根線纜最長(zhǎng)為5米；采用4股銅芯線纜，兩股用于供電，直接由主板提供＋5V電源，另外二股為信號(hào)線；USB2.0規(guī)范將最高速率提高到480Mbps。7.4.3SCSI接口技術(shù)小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口（SmallComputerSystemInterface）最早研制于1979年，原是為小型機(jī)的研制出的一種接口技術(shù)，但隨著電腦技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在它被完全移植到了普通微機(jī)上。在計(jì)算機(jī)外部設(shè)備，尤其是存儲(chǔ)設(shè)備的接口方面SCSI接口和IDE接口一直是飛速發(fā)展的兩大陣營(yíng)。IDE接口價(jià)格低廉，兼容性好，主板的BIOS能夠支持，使用方便，長(zhǎng)期以來(lái)的不斷改進(jìn)，使其性能也有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，傳輸速率現(xiàn)已達(dá)到66MB/S。SCSI接口從技術(shù)和性能上說(shuō)，其始終擁有著頂級(jí)設(shè)備的特征。IDE接口在PC機(jī)上擁有絕大多數(shù)的市場(chǎng)份額。SCSI接口卻以其優(yōu)異的性能成為高端電腦市場(chǎng)的絕佳選擇。二者的區(qū)別主要在于：IDE的工作方式需要CPU的全程參與SCSI接口則完全通過(guò)獨(dú)立的高速的SCSI卡來(lái)控制數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)操作。優(yōu)缺點(diǎn)SCSI接口優(yōu)點(diǎn)：1.適應(yīng)面廣，在一塊SCSI控制卡上就可以同時(shí)掛接15個(gè)設(shè)備2.高性能（具有很多任務(wù)、寬帶寬及少CPU占用率等特點(diǎn)）3.具有外置和內(nèi)置兩種

SCSI接口缺點(diǎn)：價(jià)格昂貴、安裝復(fù)雜7.4.4即插即用技術(shù)PlugandPlay

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)I/O設(shè)備與部件配置的應(yīng)用技術(shù)。顧名思義：插入就可用，不需要進(jìn)行任何設(shè)置操作。PnP技術(shù)的產(chǎn)生由于一個(gè)系統(tǒng)可以配置多種外部設(shè)備，設(shè)備也經(jīng)常變動(dòng)和更換，它們都要占有一定的系統(tǒng)資源，彼此間在硬件和軟件上可能會(huì)產(chǎn)生沖突。因此在系統(tǒng)中要正確地對(duì)它們進(jìn)行配置和資源匹配；當(dāng)設(shè)備撤除、添置和進(jìn)行系統(tǒng)升級(jí)時(shí)，配置過(guò)程往往是一個(gè)困難的過(guò)程。PnP技術(shù)的特點(diǎn)(1)支持I/O設(shè)備及部件的自動(dòng)配置，使用戶能夠簡(jiǎn)單方便地使用系統(tǒng)擴(kuò)充設(shè)備。(2)減少由制造商裝入的種種用戶支持和限制，簡(jiǎn)化部件的硬件跳接設(shè)置，使I/O附加卡和部件不再具有人工跳接線設(shè)置電路。(3)在主機(jī)板和附加卡上保存系統(tǒng)資源的配置參數(shù)和分配狀態(tài)，有利于系統(tǒng)對(duì)整個(gè)I/O資源的分配和控制。(4)支持和兼容各種操作系統(tǒng)平臺(tái)，具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性和可移植性。(5)在一定程度上具有“熱插入”、“熱拼接”技術(shù)。7.4.5網(wǎng)絡(luò)I/O設(shè)備典型網(wǎng)絡(luò)I/O設(shè)備——網(wǎng)絡(luò)打印以往的打印模式 打印機(jī)連接到網(wǎng)上PC上，或連到文件服務(wù)器上，提供網(wǎng)絡(luò)打印服務(wù)。新的網(wǎng)絡(luò)打印 采用網(wǎng)絡(luò)打印服務(wù)器技術(shù)，打印機(jī)直接上網(wǎng)。任何數(shù)據(jù)直接送到網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)輸出。

打印服務(wù)器還能實(shí)現(xiàn)多種網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)切換：不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的用戶都可以直接向同一臺(tái)打印機(jī)發(fā)送打印作業(yè)，打印服務(wù)器會(huì)自動(dòng)識(shí)別。較強(qiáng)的打印管理功能：可以管理網(wǎng)絡(luò)打印驅(qū)動(dòng)，而且容易安裝和管理；可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程登錄訪問(wèn)，進(jìn)行遠(yuǎn)程打印機(jī)管理。提高工作效率。分布式的環(huán)境設(shè)置：可以安裝在網(wǎng)絡(luò)的任何地方，這種打印服務(wù)方式，就顯得更加靈活和滿足需要。7.5設(shè)備分配1.設(shè)備分配方式2.設(shè)備分配算法3.設(shè)備分配技術(shù)

7.5.1設(shè)備分配方式靜態(tài)分配：

在作業(yè)級(jí)進(jìn)行的，當(dāng)一個(gè)作業(yè)運(yùn)行之前由系統(tǒng)一次分配滿足需要的全部設(shè)備，這些設(shè)備一直為該作業(yè)占用，直到作業(yè)撤消。這種分配不會(huì)出現(xiàn)死鎖，但設(shè)備的利用效率較低。動(dòng)態(tài)分配 在進(jìn)程運(yùn)行的過(guò)程中進(jìn)行的，當(dāng)進(jìn)程需要使用設(shè)備時(shí)，通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用命令向系統(tǒng)提出設(shè)備請(qǐng)求，系統(tǒng)按一定的分配策略給進(jìn)程分配所需設(shè)備，一旦使用完畢立即釋放。顯然這種分配方式有利于提高設(shè)備的使用效率，但會(huì)出現(xiàn)死鎖，這是應(yīng)力求避免的。7.5.2設(shè)備分配算法1、先請(qǐng)求先服務(wù):當(dāng)有多個(gè)進(jìn)程對(duì)同一設(shè)備提出Ｉ/Ｏ請(qǐng)求時(shí)，該算法要求把所有發(fā)出Ｉ/Ｏ請(qǐng)求的進(jìn)程，按其發(fā)出請(qǐng)求的先后次序排成一個(gè)等待該設(shè)備的隊(duì)列。設(shè)備分配程序把Ｉ/Ｏ設(shè)備分配給隊(duì)列中第一個(gè)進(jìn)程。2、優(yōu)先級(jí)高的優(yōu)先服務(wù):對(duì)于先權(quán)相同的ＩＯ請(qǐng)求，則按先請(qǐng)求先分配的原則排隊(duì)。7.5.3設(shè)備分配技術(shù)

根據(jù)設(shè)備的特性把設(shè)備分成獨(dú)占設(shè)備、共享設(shè)備和虛擬設(shè)備三種。針對(duì)這三種設(shè)備采用三種分配技術(shù):獨(dú)享分配共享分配虛擬分配獨(dú)享分配獨(dú)占型設(shè)備有行打印機(jī)，鍵盤(pán)，顯示器。磁帶機(jī)可作為獨(dú)占設(shè)備，也可作為共享設(shè)備。若對(duì)這些設(shè)備不采用獨(dú)享分配就會(huì)造成混亂。因此對(duì)獨(dú)占設(shè)備一般采用獨(dú)享分配，即當(dāng)進(jìn)程申請(qǐng)獨(dú)占設(shè)備時(shí)，系統(tǒng)把設(shè)備分配給這個(gè)進(jìn)程，直到進(jìn)程釋放設(shè)備。

共享分配共享設(shè)備包括磁盤(pán)，磁帶和磁鼓。對(duì)這類(lèi)設(shè)備的分配是采用動(dòng)態(tài)分配的方式進(jìn)行的，當(dāng)一個(gè)進(jìn)程要請(qǐng)求某個(gè)設(shè)備時(shí)，系統(tǒng)按照某種算法立即分配相應(yīng)的設(shè)備給請(qǐng)求者，請(qǐng)求者使用完后立即釋放。

虛擬分配系統(tǒng)中獨(dú)占設(shè)備的數(shù)量總是有限的，這些獨(dú)占設(shè)備一旦分配給某個(gè)進(jìn)程往往只有很少時(shí)間在工作，許多時(shí)間一直處于空閑狀態(tài)。而別的進(jìn)程又因得不到相應(yīng)的設(shè)備而不能運(yùn)行，因此嚴(yán)重地影響到整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的效率。從另一個(gè)角度來(lái)說(shuō)，獨(dú)占設(shè)備一般是低速的，若采用聯(lián)機(jī)操作，也會(huì)增加進(jìn)程的運(yùn)行時(shí)間，影響計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的效率。為提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的效率，提出了在高速共享設(shè)備上模擬低速設(shè)備功能的技術(shù)，稱為虛擬設(shè)備技術(shù)。

虛擬分配是針對(duì)虛擬設(shè)備而言的。其實(shí)現(xiàn)的過(guò)程是:

當(dāng)用戶(或進(jìn)程)申請(qǐng)獨(dú)占設(shè)備時(shí)。系統(tǒng)給它分配共享設(shè)備的一部分存儲(chǔ)空間。當(dāng)程序要與設(shè)備交換信息時(shí)，系統(tǒng)就把要交換的信息存放在這部分存儲(chǔ)空間。在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候再將存儲(chǔ)空間的信息傳輸?shù)较鄳?yīng)的設(shè)備上去處理。如系統(tǒng)打印信息時(shí)，就把要打印的信息送到某個(gè)存儲(chǔ)空間中去，然后由系統(tǒng)在適當(dāng)時(shí)機(jī)把存儲(chǔ)空間上的信息送到打印機(jī)上打印出來(lái)。這個(gè)時(shí)機(jī)可能是打印機(jī)空閑或打印機(jī)完成了一用戶的信息輸出之后。通常人們把共享設(shè)備中代替獨(dú)占設(shè)備的那部分存儲(chǔ)空間和相應(yīng)的控制結(jié)構(gòu)稱為虛擬設(shè)備，并把對(duì)這類(lèi)設(shè)備的分配稱作虛擬分配。SPOOLing系統(tǒng)Simultaneaus

PeriphernalOperationsOn-Line(外部設(shè)備同時(shí)聯(lián)機(jī)操作）。在單道批處理時(shí)期，用脫機(jī)I/O可以提高CPU利用率。多道出現(xiàn)后可以利用一道程序來(lái)模擬脫機(jī)I/O中的衛(wèi)星機(jī)，這樣可實(shí)現(xiàn)在主機(jī)控制下的脫機(jī)I/O功能。我們把這種在聯(lián)機(jī)情況下實(shí)現(xiàn)的同時(shí)外圍操作稱為SPOOLing，也稱為假脫機(jī)操作。SPOOLing系統(tǒng)的組成1.輸入井和輸出井2.輸入緩沖區(qū)和輸出緩沖區(qū)3.輸入進(jìn)程和輸出進(jìn)程SPOOLing系統(tǒng)工作原理作業(yè)執(zhí)行前預(yù)先將程序和數(shù)據(jù)輸入到輸入井中作業(yè)運(yùn)行后，使用數(shù)據(jù)時(shí)，從輸入井中取出作業(yè)執(zhí)行不必直接啟動(dòng)外設(shè)輸出數(shù)據(jù)，只需將這些數(shù)據(jù)寫(xiě)入輸出井中作業(yè)全部運(yùn)行完畢，再由外設(shè)輸出全部數(shù)據(jù)和信息好處：實(shí)現(xiàn)了對(duì)作業(yè)輸入、組織調(diào)度和輸出的統(tǒng)一管理使外設(shè)在CPU直接控制下，與CPU并行工作（假脫機(jī)）示意圖輸入裝置輸入裝置通道通道輸出裝置輸出裝置通道

主機(jī)系統(tǒng)輸入管輸