計算機(jī)軟件基礎(chǔ)

第9單元

存儲器與設(shè)備管理a

計算機(jī)教學(xué)實驗中心

教學(xué)目標(biāo)

了解存儲器與設(shè)備管理的

?概念、任務(wù)及采用的方法和技術(shù)

上一頁

停止放映

下一貢一

第2頁

學(xué)習(xí)要求

通過本單元的學(xué)習(xí)，了解、弄清、掌握：

?存儲器與設(shè)備管理的概念、目的、任務(wù)

功能、存儲分配、地址重定位、虛擬存儲器

?存儲器與設(shè)備管理的常用方法和技術(shù)

單一連續(xù)區(qū)、多連續(xù)區(qū)、頁式、段式等管理方法

?I/O設(shè)備的分類及用途

?I/O設(shè)備與CPU的通信方式

一循環(huán)測試、中斷、DMA、通道方式

上一叫?設(shè)備分配、管理的常用方法和技術(shù)

停止放映—SDT、DCT、COCT、CHCT表在設(shè)備管理機(jī)制

中的作用

下一貢一

第3頁

-、存儲器管理

存儲器(Memory)能接收數(shù)據(jù)、保存

數(shù)據(jù)、而且能根據(jù)命令提供這些數(shù)據(jù)的裝置。

存儲管理存儲管理是針對的。主存是

CPU直接存取指令和數(shù)據(jù)的設(shè)備，所以，它

是系統(tǒng)程序和用戶程序共享的重要系統(tǒng)資源。

物何分配和管理有限的存儲資源，是設(shè)計

人員甚至用戶要研究、考慮的問題。

上一叫

停止放映

下一貢一

第4頁

存儲器管理的目的I

盡量方便用戶

提高主存的利用率

上一叫

停止放映

下一貢一

第5頁

存儲管理的主要功能

?存儲分配主存的分配和回收。為管理主存而設(shè)

置的相應(yīng)的組織機(jī)制，記錄主存的狀態(tài)信息、已分

配、未分配塊、分配策略等。

?存儲容量當(dāng)用戶所需存儲空間大于可用主存容

量時，系統(tǒng)采用存儲器的多級機(jī)制、虛擬存儲、自

動覆蓋等技術(shù)。

?地址變換程序語言的符號地址空間到進(jìn)程的物

上一叫理地址的轉(zhuǎn)換。

停止放映?存儲保護(hù)在多道程序系統(tǒng)中，系統(tǒng)進(jìn)程和用戶

進(jìn)程間、用戶和用戶進(jìn)程間的存儲空間的保護(hù)。

下一貢一

第6頁

存儲空間的分配和釋放I

?在計算機(jī)中，無論是系統(tǒng)程序、還是用戶程序，無論

是數(shù)據(jù)、還是文件，凡要處理必須裝入主存。如何管

理分配存儲空間？

?需要考慮和解決的問題：

在多層次存儲結(jié)構(gòu)中，如何確定存儲位置？

系統(tǒng)程序和用戶程序如何管理？

大于主存的程序能否運行？

多道程序處理系統(tǒng)如何管理各個程序的存儲空間？

上一叫

如何分配存儲器？采用何種分配策略？

停止放映

下一貢一

第7頁

多存儲層次結(jié)構(gòu)示意圖

靠近CPU的存儲器，存取速度快。

由觸發(fā)器組成；存放一個Byte

（Bit、Word）

存放主存中程序的副本，再調(diào)用

該程序時，從高速緩存讀取。

內(nèi)存儲器

上一叫

用于內(nèi)、外存之間交換暫存。

停止放映

卜一頁

外存儲器

磁盤

第8頁

存儲方式I

?直度分配在源程序中直接使用主存的物理地址。對用

戶要求高、使用不方便、易出錯。早期計算

機(jī)系統(tǒng)中使用。

?靜態(tài)分配在作業(yè)裝入前，由程序一次性說明作業(yè)所包

含的地址空間。確定后在整個程序執(zhí)行過程

中不再改變。簡單、利用率低、難于實現(xiàn)多道

程序?qū)Y源的共享。

?動態(tài)分犯在作業(yè)被裝入主存或在執(zhí)行過程中，才確定

上一叫其存儲分配。管理復(fù)雜、但利用率高，容易實

現(xiàn)主存的資源共享。在現(xiàn)代多道程序系統(tǒng)中，

停止放映主要采用動態(tài)分配方式。

下一貢一

第9頁

存儲空間的地址變換

?用戶在程序中使用的是符號名，編譯系統(tǒng)在產(chǎn)生的目標(biāo)程序中使

用的是邏輯地址（相對地址），而可執(zhí)行程序在計算機(jī)中運行時使用

的是物理地址（絕對地址）。由程序的符號名空間到運行時真正使

用的物理地址空間轉(zhuǎn)換叫“地址轉(zhuǎn)換”，

也稱為程序的重定位。

a的邏輯地址a的絕對地址2FF0

floatb;

charc；b的邏輯地址

上一叫c的邏輯地址b的絕對地址3EC0

停止放映

c的絕對地址4DAA

下一貢一

X

源程序符號空間目標(biāo)程序地址空間內(nèi)存的存儲空間

第10頁

地址重定位

?將一個作業(yè)從它的邏輯地址變換成它要裝入

的、或要重定位的主存地址的過程。在多道

程序系統(tǒng)中，為了方便用戶的使用，對于每

個作業(yè)的主存空間可以看成是由地址0開始

的連續(xù)的地址空間，稱之為邏輯地址空間。

但作業(yè)運行是在主存，因此，要進(jìn)行地址的

轉(zhuǎn)換；稱之為“地址重定位”（地址映射）。

上一頁重定位兩種方式：靜態(tài)重定位鄭動態(tài)重定位。

停止放映

下一頁

第11頁

靜態(tài)地址重定位I

?是指在作業(yè)執(zhí)行之前進(jìn)行的重定位。地址

轉(zhuǎn)換工作主要靠重定色裝入國探完成。

這種方式簡單、容易實現(xiàn)，無需硬件的支

持，是早期計算機(jī)采用的一種方式。

?缺點是

?程序一經(jīng)定位后就不能再在主存中移動；

?要求作業(yè)分配連續(xù)的主存空間，主存資

上一叫源利用率低；

停止放映?難于實現(xiàn)主存的資源共享。

下一貢一

第12頁

靜態(tài)重定位示意圖

主存空間

作業(yè)A的地址空間

10100

200INPUT1,400

30

4001357

50

600-------------------

上一叫

停止放映

作業(yè)的邏輯地址100處是一個輸入語句，從邏輯地址300處，讀1個

下一貢一記錄。重定位到主存空間后，因為作業(yè)從物理地址100處被裝入,

輸入語句的地址按序被定位在200處，被讀記錄在400處。

第13頁

動態(tài)地址重定位

動態(tài)班名童定管是在程序執(zhí)行過程中進(jìn)行的重定

位，更確切地說是在每次訪問內(nèi)存單元前才進(jìn)行地

址變換。它是通過硬件的地址變換機(jī)構(gòu)實現(xiàn)的。

設(shè)置一個重定位寄存器(RR),用來存放裝入主

存空間時的起始地址。

作業(yè)訪問主存空間的地址是由有效地址區(qū)重定位

寄存器的地址荒瞌定。

上一叫

停止放映

主存實際地址=有效地址+重定位寄存器內(nèi)容

下一貢一

第14頁

動態(tài)地址重定位示意圖

0

100

300

600

1600

主存空間

第15頁

動態(tài)地址重定位的特點

?目標(biāo)模塊裝入主存時無需任何修改，因

而裝入之后再移動也不會影響其正確運

行，這對存儲管理時解決碎塊問題極為

有利；

?若一個模塊由若干個相對獨立的目標(biāo)模

塊組成，每個分別裝入互不相鄰的內(nèi)存

區(qū)域，只要各模塊有自己對應(yīng)的重定位

寄存器。這樣便于內(nèi)存的充分利用和資

上一叫源的共享。

?但是親要附加硬件的支持，增加了系統(tǒng)

停止放映

下一貢一的開銷。

第16頁

存儲空間的分區(qū)保護(hù)

?在多道程序系統(tǒng)主存空間的分區(qū)

的主存中，為了保護(hù)示意圖

保護(hù)系統(tǒng)程序的

安全，系統(tǒng)程序I系統(tǒng)

和用戶程序?qū)嶋HJ區(qū)域

使用的區(qū)域是隔

開的。

上一叫?這種分割是靠硬用戶

件實現(xiàn)的。用戶區(qū)域

停止放映程序只能使用用

下一貢一戶區(qū)域的存儲空

間。

第17頁

主存空間的擴(kuò)充

在計算機(jī)中，主存總是常數(shù)，要想

處理大、多的作業(yè)，就要想辦法擴(kuò)充主

存的空間。主導(dǎo)思想是：如何在有限的

主存空間中，處理大于主存的作業(yè)。

“自動覆蓋”技術(shù)和“虛擬存儲”

技術(shù)是擴(kuò)充主存常用的、有效的方法。

上一叫

停止放映

下一貢一

第18頁

自動覆蓋技術(shù)

?這種方法的主要作法是將大的程序劃分

為主存中可以容納的獨立的邏輯處理段。

每次只調(diào)入其中的一段進(jìn)行處理。早期

程序設(shè)計中，經(jīng)常采用類似的方法處理

大的問題。例如，求解大型線性方程組,

就是采用“分次”算法將大的系數(shù)矩陣

分為小塊矩陣求解的。

上一叫

停止放映

下一貢一

第19頁

虛擬存儲器（VirtualStorage）

?它的基本思想是把作業(yè)的地址空間和物理地址空

間視為兩個不同的概念，采用內(nèi)、外存結(jié)合的辦

法，把部分外存作為主存使用，以此為用戶提供

了足夠大的地址空間——虛存空間。用戶可以在

這個地址空間內(nèi)編程，而完全不考慮主存的大小。

虛戒存儲然瞬是在硬件和軟件的共同支持下實

現(xiàn)的。腐件負(fù)責(zé)虛實地址的轉(zhuǎn)換；效件負(fù)責(zé)實存

（主存）和虛存（外存）之間的信息調(diào)度管理。

上一頁

停止放映

下一頁

第20頁

存儲管理方法

常用的存儲管理方法有：

?單一連續(xù)區(qū)分配法

?多連續(xù)區(qū)分配法

?分頁管理法

?分段管理法

上一叫

停止放映

下一貢一

第21頁

單一連續(xù)區(qū)分配法

方法要點、:

把主存分為兩個固定的存儲區(qū)域；一個固定

地分配給OS,另一個分配給用戶程序。

硬件支持:

引入“籬笆(Fence)寄存器”，將OS和用

戶的使用區(qū)域分開。

用戶程序定位(地址轉(zhuǎn)換)方法:

上一叫采用“靜態(tài)”法和“動態(tài)”法；前者是在程

停止放映序裝入前，一次性定位,之后不再改變。后

下一貢一者是采用硬件的定位寄存器，在程序執(zhí)行過

程中實現(xiàn)動態(tài)定位。

第22頁

單一連續(xù)區(qū)分配法示意圖I

OS

特點:區(qū)域

定位容易，使用簡單

已分配空間

?但在多道程序處理用戶

區(qū)域

情況下，主存資源

上一叫

利用率低，浪費大。自由空間

停止放映

下一貢一

第23頁

單一連續(xù)區(qū)分配法示意圖

■

定位寄存器主存空間

2000

2000操作系統(tǒng)

1500（邏輯地址）

3500

CPU用

+（絕對地址S

A

戶

區(qū)

上一頁

域

停止放映

說明：I自由空間

下一頁絕對地址=基地址+邏輯地址

基地址不同產(chǎn)生的絕對地址就不同O

第24頁

多連續(xù)區(qū)分配法

/I

?方法要點、:

把主存空間劃分為若干個連續(xù)的區(qū)域，建立空

間分區(qū)表進(jìn)行管理。

?硬件支持:

增加新的保護(hù)裝置——邊界寄存器LOW、UP,

限制分塊的上、下邊界。

?方法分類?.

上一叫采用“固定分區(qū)”那“變長分區(qū)”法。

停止放映

下一貢一

第25頁

定分區(qū)（多連續(xù)分區(qū)）

?在作業(yè)前，把主存劃分為幾個固定大小

的連續(xù)區(qū)域；

?建立一個分配表，記錄每個分區(qū)的大小、

區(qū)號、起始地址、及占用標(biāo)志等信息。

?在作業(yè)調(diào)度時，根據(jù)作業(yè)表來確定程序

的重定位地址。

上一叫

停止放映

下一貢一

第26頁

固定分區(qū)示意圖

20K

分區(qū)表第1分區(qū)

區(qū)號長度起址狀態(tài)30K

第2分區(qū)

18K20K已分

50k

214K30K已分第3分區(qū)

328K50K已分

上一頁476K80K未分

未分區(qū)

停止放映

主存“垃圾”

下一頁

第27頁

固定分區(qū)法特點

?優(yōu)點:

管理調(diào)度簡單、分區(qū)策略適合于工作

負(fù)荷比較確定的系統(tǒng)。

?缺點:

主存"零頭“太多，浪費嚴(yán)重；由

此而產(chǎn)生"垃圾”回收問題。

上一叫

停止放映

下一貢一

第28頁

變長分區(qū)（多連續(xù)分區(qū)）I

?方法要點:

根據(jù)要裝入作業(yè)的實際大小劃分區(qū)域，且分區(qū)

個數(shù)也可以調(diào)整；建立兩張表：已分配分區(qū)表P

和未分配分區(qū)表F,來管理主存空間。

?特點:

作為優(yōu)點來說，主存“零頭”較?。ǖ€有）；

作為缺點來說：

上一叫★選擇剩下的空白區(qū)較小，無法使用；

來尋找一個較大的空白區(qū)費時（從頭找起）；

停止放映

*歸并主存“零頭”，回收時費時。

下一貢一

第29頁

多連續(xù)區(qū)分配法示意圖

已

區(qū)號長度起始地址狀態(tài)

分

配18K20K已分

分216K28K已分

區(qū)3■—空表目

表

P4124K108K已分

5

未區(qū)號長度起始地址狀態(tài)

分

配164K44K可用

作業(yè)3

上一叫分224K232K可用

區(qū)232K

3空表目

停止放映表—一可用分區(qū)2

F4……

下一貢一

第30頁

分頁管理法基本概念|

?頁(Page)將作業(yè)的地址空間劃分為等長的單位，

稱為頁。

?女將主存的存儲空間劃分為等長的單位，稱為塊。

?頁表每個頁在頁表中有一個表項，記錄著頁號與

該頁在主存中的塊號的對應(yīng)關(guān)系；頁表實際上是地

址重定位表。

作業(yè)表作業(yè)與頁號管理對照表，每個作業(yè)有一個表

項；表項由作業(yè)號、頁表長度、頁表起始地址、狀

態(tài)等信息組成。

?動態(tài)幽觸至我控制為了實現(xiàn)從作業(yè)的地址空間到主

上一叫存物理空間的映射而設(shè)置的一種硬件部件；地址結(jié)

停止放映構(gòu)如下：

下一貢一PW

P為頁號W為頁內(nèi)偏移量

第31頁

分頁管理法

?方法要點:

將主存空間按定長劃分為頁、與存儲空

間的存儲塊一一對應(yīng)。通過對頁表和作

業(yè)表的管理，實現(xiàn)對作業(yè)管理的目的。

?硬件支持:

自動將地址空間劃分為兩部分：

上一叫頁號十頁內(nèi)偏移

停止放映

下一貢一

第32頁

分頁管理法算法描述

/I

?分頁管理法是將作業(yè)在邏輯地址空間中劃分為

頁，通過頁表與主存空間的塊一一對應(yīng)起來。

作業(yè)中的邏輯地址通過動態(tài)必況轉(zhuǎn)窿物制

轉(zhuǎn)換為：白/

自動

頁號，頁內(nèi)地址塊號，塊內(nèi)地址

對應(yīng)

從而實現(xiàn)存儲空間的管理。

上一叫?分頁管理可以處理不連續(xù)的地址空間和物理空

停止放映間。

下一貢一

第33頁

分頁管理法示意圖

作業(yè)表JT作業(yè)A作業(yè)B

頁號塊號

04

15

26

作業(yè)C

頁號塊號

07

下一頁

110

第34頁

動態(tài)地址變換示意圖

控制寄存器有效地址

頁表長度頁表始址2452

1___________________

100LOADL2500

1K___________________

2K___________________

2500___________________

3K1234作業(yè)頁表物理地址=8644

作業(yè)地址空間2500=2x1024+452

第35頁

分頁管理法特點

優(yōu)點:

?有效地解決了存儲空間的“零頭垃圾”問題;

?易于實現(xiàn)代碼段的共享；

?用戶可以連續(xù)編址。

缺點:

?采用硬件的動態(tài)變址機(jī)構(gòu)，

?成本大、降低了CPU速度；

上一頁?各種管理表格占用了部分存儲空間；

停止放映?塊內(nèi)還有“零頭”；

?要求運行的作業(yè)必須全部裝入主存。

下一頁

第36頁

分段管理的基本概念

?段

將程序劃分為相互獨立、具有一定邏輯功能的模

塊、且分別按名單獨存放，稱這些模塊為段。

■段表

為便于作業(yè)管理，系統(tǒng)建立的表格；每個作業(yè)一

個表項。表項由段號、段長度、段起始地址組成。

?二維地址空間

上一叫用兩個參數(shù)才能唯一確定地址的空間。

?地址映射

停止放映

兩個不同空間地址的對應(yīng)的轉(zhuǎn)換。

下一貢一

第37頁

分段管理

?方法要點:

將作業(yè)分段后，段內(nèi)的邏輯地址是二維

空間的地址（段，段內(nèi)偏移量）。通過

分段表以及地址映射機(jī)構(gòu)將二維地址空

間的邏輯地址轉(zhuǎn)換為一維主存空間中的

物理地址。

?硬件支持:

上一叫地址映射機(jī)構(gòu)：自動將作業(yè)中的邏輯地

址劃分為段和段內(nèi)偏移量。

停止放映

下一貢一

第38頁

分段管理舉例

有一個程序劃分為4段，如下圖所示:

00

CALL[SUB]|<￥>00

C:

LOAD1,[DATA]|6

STORE1,200工作區(qū)

[WORK]|<C>500300

數(shù)據(jù)塊

子程序SUBWORK

DATE

理序

上一頁

停止放映

CALL[SUB]|<Y>轉(zhuǎn)到子程序SUB中的入口處“Y”；

下一頁LOAD1,[DATA]|6將數(shù)據(jù)區(qū)DATA的第6單元的值讀入寄存楚1;

STORE1,[WORK]|vO將寄存器1的內(nèi)容存入WORK中C單元。

第39頁

分段管理示意圖

第40頁

分段管理特點

優(yōu)點:

?便于模塊化處理

?便于動態(tài)連接

?便于分段共享

缺點:

?硬件成本高，地址轉(zhuǎn)換花費CPU時間;

上一叫?要為表格提供主存空間；

停止放映?分段的最大尺寸受主存大小的限制。

下一貢一

第41頁

分配算法簡介

首次適應(yīng)算法從第1個空白區(qū)開始查尋，

直到找到第1個適應(yīng)要求的空白區(qū)為止。

?凄優(yōu)適應(yīng)算法空白區(qū)按大小遞增順序鏈

接，指針總是指向最小的一個；因此總是從

最小的一個開始。這樣，第1次找到的滿足

上一叫要求的空白區(qū)必然是最合適的。

停止放映

下一貢一

第42頁

段頁式存儲管理I

?為了獲得分段在邏輯上的優(yōu)點和分頁在管理存儲空間

方面的優(yōu)點，兼用分段和分頁兩種方法，即是段頁式

存儲管理。這種技術(shù)的基本思想是：用分段的方法來

分配和管理虛擬存儲器，而用分頁方法來分配和管理

實存儲器（主存）。

這樣一來，新的地址空間結(jié)構(gòu)就變成由三個部分

組成：

上一叫

停止放映

卜一頁段號頁號頁內(nèi)位移量

第43頁

段頁式存儲管理示意圖

控制寄存器

段表長度段表始址頁號狀態(tài)存儲塊號OS

彳

二號狀態(tài)頁表長度頁表始址

0L0

1

10頁號狀態(tài)存儲塊

00

L4

2

3

第44頁

段頁式存儲管理說明

必須指出的是程序的分段，可由程序員

根據(jù)信息的邏輯結(jié)構(gòu)來劃分，而分頁和

程序員無關(guān)，是系統(tǒng)自動進(jìn)行的。也即

程序員使用的編址方式給出的目標(biāo)程序

的地址形式仍然是二維的，即段號加段

內(nèi)相對地址。而只是由地址變換機(jī)構(gòu)把

段內(nèi)相對地址的高位解釋為頁號，低位

上一叫解釋為頁內(nèi)相對地址。

停止放映

下一貢一

第45頁

DOS的主存管理

?采用單一連續(xù)分區(qū)的方法，

但卻綜合運用了多連續(xù)分區(qū)

的管理技術(shù)。

上一頁

停止放映

下一貢一

第46頁

UNIX的主存管理

?采用分段管理方法，存儲分

配采用優(yōu)先適應(yīng)算法。

上一頁

停止放映

下一貢一

第47頁

Windows，98存儲器管理|

?Windows98OS不僅支持常規(guī)內(nèi)存、擴(kuò)展內(nèi)存和擴(kuò)

充內(nèi)存管理，還支持虛擬內(nèi)存管理（VM）。

?VM是Win98內(nèi)存管理的核心，它是通過硬盤來完成

與物理內(nèi)存相關(guān)的功能；

?它能夠?qū)ぶ?GB空間，包括硬盤空間；

?通過兩個內(nèi)存進(jìn)程向應(yīng)用程序提供大的虛擬內(nèi)存空

間；一個是換頁進(jìn)程，負(fù)責(zé)物理內(nèi)存和硬盤之間移

動數(shù)據(jù)；另一個是地址轉(zhuǎn)換進(jìn)程，負(fù)責(zé)將物理內(nèi)存

上一叫地址翻譯成虛擬內(nèi)存地址或映射文件；

?當(dāng)一個進(jìn)程所需要的存儲空間超過了剩下可用的

停止放映

RAM時，虛擬內(nèi)存管理器便開始使用換頁技術(shù)，在

下一貢一物理內(nèi)存和硬盤之間交換數(shù)據(jù)。

第48頁

、設(shè)備管理

?計算機(jī)系統(tǒng)中的設(shè)備通常指I/O（輸入/輸出）

設(shè)備。由于計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，I/O設(shè)

備的種類越來越多，設(shè)備管理和分配也越

來越復(fù)雜。與設(shè)備管理有關(guān)的概念有：

?I/O設(shè)備分類

?I/O設(shè)備與CPU的通信方式

上一叫?設(shè)備管理中使用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

停止放映?I/O設(shè)備分配的策略

下一貢一

第49頁

1、I/O設(shè)備分類

從不同角度、按不同的方式，可對I/O設(shè)備進(jìn)行分類。

(1)按設(shè)備使用方式分

?輸入設(shè)備將信息由外部設(shè)備送入主機(jī)的設(shè)備。

?輸出設(shè)備將信息由主機(jī)送到外部設(shè)備的設(shè)備。

(2)按設(shè)備的從屬關(guān)系分

?系統(tǒng)設(shè)備由OS管理的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備；如顯示器、打印

機(jī)、磁盤等。

?用戶設(shè)備用戶按特殊需要選裝的、非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備；

上一頁如傳真機(jī)、繪圖儀等。

停止放映

卜一頁

第50頁

I/O設(shè)備分類（續(xù)）

/

（3）按設(shè)備資源分配方式分

?獨享設(shè)備為保證信息傳送的連貫性，通常是在該設(shè)備用

完之后才分配給下一個作業(yè)。一般是低速設(shè)備，像打印機(jī)、

磁帶機(jī)等。

?共享設(shè)備多用戶可以同時使用的設(shè)備，如磁盤、

服務(wù)命等。

（4）按數(shù)據(jù)組織和存取方式分

?字符設(shè)備以字符為單位存取數(shù)據(jù)的設(shè)備，如鍵盤、

鼠標(biāo)、打印機(jī)等。

上一叫?塊設(shè)備以數(shù)據(jù)塊為單位存取數(shù)據(jù)的設(shè)備，如磁盤、

光盤等。

停止放映

下一貢一

第51頁

I/O設(shè)備分類(續(xù))

/

(5)按通訊方式分

?串行設(shè)備指每次按一位傳送的設(shè)備，如鍵盤、

串行打印機(jī)等。

?并行設(shè)備指每次按多位傳送的設(shè)備，如并行打印機(jī)。

(6)按處理速度分

?低速設(shè)備指傳輸速率較低的串行設(shè)備，如鍵盤等。

?高速設(shè)備指傳輸速率較高的設(shè)備，如網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等。

上一頁

停止放映

下一頁

第52頁

設(shè)備管理的目的

方便性方便用戶使用和操作。

?并行性要求I/O設(shè)備與CPU之間、設(shè)備與通道之間、

通道于通道之間能并行處理，以提高系統(tǒng)的處理效

率。

?均衡性使I/O設(shè)備的使用保持平衡，這樣才能最大

限度的發(fā)揮設(shè)備的潛力和功效。解決設(shè)備均衡性的

最好方法是利用SPOOLing技術(shù)和緩沖技術(shù)；例如

將共享磁盤作為虛擬設(shè)備。

上一叫?與沒客無關(guān)性用戶使用的設(shè)備與實際使用的設(shè)備

無關(guān)。即用戶在程序中使用的是邏輯設(shè)備名，即使

停止放映在設(shè)備不開機(jī)或設(shè)備故障時，程序也能正常使用。

下一貢一而要使用物理設(shè)備時，再通過命令等方式完成邏輯

設(shè)備到物理設(shè)備的轉(zhuǎn)換。

第53頁

SPOOLing技術(shù)

(SimultaneousPeripheralOperationOnLine)

為解決高速CPU和低速I/O設(shè)備的矛盾，而采用的一種技術(shù)。

（直譯為：聯(lián)機(jī)同步外設(shè)操作）

早期采用脫機(jī)處理技術(shù)如今采用假脫機(jī)處理技術(shù)

通道通道

輸入機(jī)-^CPU

輸

輸

輸

機(jī)

出

入

輸入數(shù)據(jù)來自輸入機(jī)出

流

流

小型機(jī)輸入機(jī)

盤

上一頁磁

停止放映

下一貢一

主機(jī)輸出機(jī)

輸出數(shù)據(jù)送到輸出機(jī)第54頁

設(shè)備管理的任務(wù)

1)外部設(shè)備中斷處理

2)外部設(shè)備接口程序設(shè)計和設(shè)備驅(qū)動

3)外部設(shè)備的分配與釋放

4)虛擬設(shè)備的實現(xiàn)和管理

上一頁

停止放映

下一貢一

第55頁

設(shè)備管理程序的任務(wù)

?設(shè)備管理是由設(shè)備管理理敘現(xiàn)的，其

任務(wù)是：

(1)按照用戶需要控制I/O設(shè)備工作，完成用戶

所希望的I/O操作。

(2)按照分配策略將I/O設(shè)備分配給對該設(shè)備提

出請求的進(jìn)程。

(3)在大、中型計算機(jī)系統(tǒng)中，I/O設(shè)備種類繁

多，其投資可占整個系統(tǒng)的50%~80%。因此,

上一叫充分而有效的使用這些設(shè)備，盡可能提高它們

停止放映的并行操作程度是設(shè)備管理程序復(fù)雜而重要的

任務(wù)。

下一貢一

第56頁

設(shè)備管理的功能I

?記錄系統(tǒng)中設(shè)備、控制器、通道的狀態(tài)信息。

?根據(jù)用戶請求按分配策略分配I/O設(shè)備、控制

器、通道。

?實現(xiàn)I/O操作。在操作、控制過程中，要對通

道發(fā)來的中斷請求作出響應(yīng)和處理。

?其它功能。包括，對緩沖區(qū)進(jìn)行有效的管理，

以提高CPU和I/O設(shè)備之間的并行操作，減少

上一叫中斷；為改善系統(tǒng)的可適應(yīng)性和可擴(kuò)展性，應(yīng)

停止放映使用戶程序與實際使用的I/O物理設(shè)備無關(guān)等。

下一貢一

第57頁

2、I/O與CPU的通信方式|

?CPU和I/O設(shè)備之間交換信息的方式不同,

也決定了信息交換的效率不同。選用何

種通信方式是需要考慮綜合因素的。

信息交換方式一般可分為：

查詢方式

中斷處理方式

直接內(nèi)存存取方式

上一叫(DMA)

停止放映通道方式

下一貢一

第58頁

(1)循環(huán)探測I/O方式I

?通過設(shè)置一個測試I/O設(shè)備“忙/閑”狀態(tài)標(biāo)志的觸

發(fā)器。若它置“閑”，則執(zhí)行I/O操作，若它置

“忙”，則CPU不斷對它進(jìn)行監(jiān)測，直至設(shè)備

“閑”下來為止。在早期計算機(jī)系統(tǒng)中主要采用

這種方式。

?由于CPU速度比I/O設(shè)備速度高得多，而循環(huán)測試

I/O方式使得CPU與外部設(shè)備只能串行工作，因此

CPU絕大部分時間都處于等待I/O設(shè)備完成的循環(huán)

上一叫測試中，CPU資源浪費極大。

停止放映優(yōu)點:管理簡單

下一貢一缺點:浪費了CPU資源

第59頁

(2)中斷處理方式

/

?為了克服循環(huán)測試方式的缺點(CPU必須不斷主動

測試I/O設(shè)備是否空閑)，引入中斷處理技術(shù)。該

方式的核心就是使I/O設(shè)備具有主動“匯報”的能

力；每當(dāng)完成I/O操作后，便給CPU發(fā)一個通告信

號。只有當(dāng)CPU接到I/O設(shè)備中斷請求后，才處理

I/O操作。

優(yōu)點:速度快，提高了資源的利用率。

缺點:I/O操作還依賴于CPU,如果I/O處理頻繁，

上一叫CPU也將很忙。特別是對字符設(shè)備，傳送一個字符,

停止放映就要響應(yīng)一次中斷處理；若字符I/O設(shè)備很多、傳

輸量很大時，CPU可能完全陷入I/O處理中而不能

下一貢一

自拔。

第60頁

(3)DMA方式(DirectMemoryAccess)

中斷方式只能提高CPU的利用率，但在傳送數(shù)據(jù)量

大、速度高的情況下，它的處理效率就不理想了。

目前在塊設(shè)備的I/O系統(tǒng)中，采用DMA方式。它是

一種簡單的通道方式，即在硬件的支持下，通過占

用總線控制權(quán)，實現(xiàn)信息交換。這種方法并不中斷

當(dāng)前CPU的工作，而只是在CPU暫停的幾個周期內(nèi)

由DMA控制器實現(xiàn)信息交換。即DMA為具有部分

CPU功能的裝置。

優(yōu)點:I/O操作處理速度快。

上一頁缺點:DMA方式只能完成簡單的數(shù)據(jù)傳輸，不能

滿足更復(fù)雜的I/O操作要求，在大、中型計算機(jī)系統(tǒng)

停止放映中，普遍采用I/O處理機(jī)來管理外部設(shè)備和主存之間

下一頁的信息交換。

第61頁

直接內(nèi)存存取方式示意圖

主存

耳

“V

CPUDMA1DMA2DMAn

AA山

IVy

上一叫

設(shè)備1設(shè)備2設(shè)備n

停止放映

下一貢一

第62頁

(4)通道(Channel)方式

?要想把CPU從繁忙的雜務(wù)中解放出來，必

須使I/O設(shè)備的管理不再依賴于CPU。

“通道”是具有相對獨立的I/O處理能力

的裝置。如大型機(jī)的前端機(jī)，PC機(jī)的

Intel8090（I/O通道）等。在通道方式下,

I/O處理變成了處理機(jī)之間的通訊問題O

?在采用通道方式的I/O系統(tǒng)中，CPU有兩

上一叫個作用：一是將I/O操作任務(wù)下達(dá)給通道，

停止放映由通道代替CPU專門處理I/O工作；二是

下一貢一隨時了解通道、控制器和設(shè)備工作的情況。

第63頁

通道的分類

1、按通道的結(jié)構(gòu)分

(1)結(jié)合型通道早期計算機(jī)采用的一種通道結(jié)構(gòu)，

為了節(jié)省設(shè)備，通道的大部分硬件和CPU結(jié)合在一

起使用，所以其獨立性、并行性都較差。

(2)獨立型通道通道和CPU完全分開，通道和

CPU的并行性、獨立性都較強(qiáng)，但成本較高。

2、按I/O信息傳送方式分

(1)字符多路通道

上一叫(2)選擇通道

數(shù)組多路通道

停止放映(3)

下一貢一

第64頁

通道連接方式

由于通道的引入，使得CPU和通道、通道和通道、以及通

道和設(shè)備之間充分并行，從此I/O系統(tǒng)就形成了一個完整的、

獨立的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。通道的連接方式有兩種：

(1)單通道連接(2)多通道連接

下一頁

第65頁

①字節(jié)多路通道

以字節(jié)為單位、按字節(jié)交叉方式傳送信息

的通道，即每次當(dāng)前子通道控制I/O設(shè)備交

換完一個字節(jié)后，便立即空出字節(jié)多路通

道，讓另一個子通道使用。

因為字節(jié)多路通道速度很高，I/O設(shè)備速度

低（如鍵盤、打印機(jī)），所以一個字節(jié)多

路通道可以連接多個低速的I/O設(shè)備。

上一叫優(yōu)點:通道利用率高

停止放映缺點：數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾实停ㄗ址O(shè)備）

下一貢一

第66頁

②數(shù)據(jù)選擇通道

/

按成組方式傳輸數(shù)據(jù)，每次傳送一批，故傳送速

率很高。

選擇通道只有一個分配型子通道，該子通道可以

連接多臺I/O設(shè)備，但在一段時間內(nèi)，只允許一

臺I/O設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸操作。當(dāng)某一臺設(shè)備的

操作占用了該子通道后，它將以獨占的方式運行,

直到釋放為止。因此這種方式的通道利用率很低。

優(yōu)點:傳輸數(shù)據(jù)的速度快

上一叫

缺點:通道利用率低

停止放映

下一貢一

第67頁

③數(shù)組多路通道

?字符多路通道和選擇通道各有利弊，數(shù)組

多路通道就是結(jié)合前兩者的優(yōu)點而形成的

通道方式。

?數(shù)組多路通道有多個非分配型子通道，它

可以連接多臺高速I/O設(shè)備，數(shù)據(jù)傳輸按成

組方式進(jìn)行，幾個通道程序分時并行工作。

因此，這種方式被廣泛用來連接高、中速

設(shè)備。

上一叫I/O

優(yōu)點：較高傳輸速率和較高的通道利用率。

停止放映

缺點：成本較高

下一貢一

第68頁

3、設(shè)備管理系統(tǒng)

?當(dāng)某進(jìn)程發(fā)出I/O操作申請后，具體I/O

操作的實現(xiàn)是由設(shè)備分配程序來完成

的。這其中包括：根據(jù)分配策略對I/O

設(shè)備進(jìn)行分配、分配相應(yīng)的控制器和

通道、形成數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐?、完成?/p>

存和設(shè)備之間的信息交換等。

?設(shè)備分配程序由I/O交通管制程序和I/O

上一叫調(diào)度程序構(gòu)成。

停止放映

下一貢一

第69頁

(1)設(shè)備管理有關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)I

?為了對系統(tǒng)中的設(shè)備實行有效的管理，

設(shè)置了一整套數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，包括：系統(tǒng)設(shè)

備表(SDT)、設(shè)備控制表(DCT)、

控制器控制表(COCT)以及通道控制

表(CHCT),稱這些表格的數(shù)據(jù)為

“設(shè)備管理數(shù)據(jù)基”。

?也可以說，設(shè)備的管理，實際上是對這

上一叫些相關(guān)數(shù)據(jù)的表格的管理。

停止放映

下一貢一

第70頁

SDT系統(tǒng)設(shè)備表(SystemDeviceTable)

SDT表記錄著系統(tǒng)中全部標(biāo)準(zhǔn)I/O設(shè)備，一種設(shè)備一

個表項。內(nèi)容包括：

SDT設(shè)備i特征信息

設(shè)備類

設(shè)備標(biāo)識符

進(jìn)程標(biāo)識符

上一叫

設(shè)備接口模塊標(biāo)識符

停止放映

下一貢一每一種設(shè)備又建立相應(yīng)的設(shè)備控制塊、控制器控

制塊和通道控制塊。

第71頁

DCT設(shè)備控制表(DeviceControlTable)

?為了實現(xiàn)對設(shè)備的控制，每一種設(shè)備都在DCT表中

有一個表項，內(nèi)容包括：

DCT設(shè)備類型

DCT1設(shè)備標(biāo)識符

設(shè)備狀態(tài)（忙/閑）

DCTi與設(shè)備連接的控制器表指針

上一叫重復(fù)