設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的統(tǒng)一接口

本章要點(diǎn)（1/6）目標(biāo)：操作系統(tǒng)處理用戶I/O請(qǐng)求的基本過(guò)程。I/O控制方式了解I/O控制方式的演變過(guò)程（由低效演變?yōu)楦咝В?，每種I/O控制方式是如何進(jìn)行控制的，又是如何提高CPU的利用率。程序I/O方式中斷驅(qū)動(dòng)I/O控制方式DMAI/O控制方式通道控制方式緩沖管理緩沖的引入目的是什么？如果沒(méi)有緩沖區(qū)，CPU和I/O設(shè)備應(yīng)如何工作；引入緩沖后，可帶來(lái)什么好處？單緩沖是如何提高I/O速度的，它存在著哪些不足，而雙緩沖、循環(huán)緩沖又是如何進(jìn)一步提高CPU和I/O設(shè)備的并行性的。緩沖池是為了解決什么問(wèn)題而引入的，引入緩沖池后系統(tǒng)將如何處理I/O設(shè)備和CPU間的數(shù)據(jù)傳輸。本章要點(diǎn)（2/6）設(shè)備獨(dú)立性什么是設(shè)備獨(dú)立性？為什么設(shè)備獨(dú)立性能提高設(shè)備分配的靈活性，并使I/O重定向的實(shí)現(xiàn)變得更為容易？如何實(shí)現(xiàn)設(shè)備獨(dú)立性？設(shè)備獨(dú)立性軟件具有哪些功能，它是如何實(shí)現(xiàn)邏輯設(shè)備名到實(shí)際使用的物理設(shè)備名之間的轉(zhuǎn)換的？本章要點(diǎn)（3/6）虛擬設(shè)備和SPOOLing技術(shù)什么是虛擬設(shè)備技術(shù)？虛擬設(shè)備技術(shù)的關(guān)鍵是什么？什么是SPOOLing技術(shù)？SPOOLing系統(tǒng)由哪幾部分組成，假脫機(jī)和脫機(jī)I/O技術(shù)的異同。如何共享打印機(jī)？為什么SPOOLing技術(shù)可加快I/O的速度，為什么它可以把一臺(tái)獨(dú)占的設(shè)備換成可供多個(gè)進(jìn)程共享的虛擬設(shè)備？本章要點(diǎn)（4/6）設(shè)備處理設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的作用與任務(wù)是什么？設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序應(yīng)具備哪些功能？I/O中斷處理程序的主要任務(wù)是什么，具體應(yīng)包含哪些工作？CPU是如何響應(yīng)I/O中斷的，一次完整的I/O操作是如何在設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和I/O中斷的配合下完成的？本章要點(diǎn)（5/6）磁盤(pán)調(diào)度磁盤(pán)調(diào)度的概念。磁盤(pán)調(diào)度的目標(biāo)是什么？對(duì)移動(dòng)頭磁盤(pán)，磁盤(pán)訪問(wèn)時(shí)間應(yīng)由哪幾部分組成，各部分又分別是如何進(jìn)行計(jì)算的，為什么磁盤(pán)調(diào)度的主要目標(biāo)是優(yōu)化平均尋道時(shí)間。FCFS、SSTF、SCAN、CSCAN、N-Step-SCAN以及FSCAN等算法分別是如何進(jìn)行磁盤(pán)調(diào)度的，在這些算法的演變過(guò)程中，分別解決了哪些問(wèn)題。本章要點(diǎn)（6/6）第六章輸入輸出系統(tǒng)6.1I/O系統(tǒng)的功能、模型和接口6.2I/O設(shè)備和設(shè)備控制器6.3中斷機(jī)構(gòu)和中斷處理程序6.4設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序6.5與設(shè)備無(wú)關(guān)的I/O軟件6.6用戶層的I/O軟件6.7緩沖區(qū)管理6.8磁盤(pán)存儲(chǔ)器的性能和調(diào)度6.1I/O系統(tǒng)的功能、模型和接口6.1.1I/O系統(tǒng)的基本功能I/O系統(tǒng)是用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入、輸出及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的系統(tǒng)。I/O系統(tǒng)包括：I/O和存儲(chǔ)信息的設(shè)備設(shè)備控制器高速總線I/O通道或I/O處理機(jī)1、I/O系統(tǒng)的組成目標(biāo)1：方便用戶使用I/O設(shè)備。隱藏物理設(shè)備的細(xì)節(jié)為千差萬(wàn)別的設(shè)備配置設(shè)備控制器。實(shí)現(xiàn)方式：抽象的I/O命令。與設(shè)備的無(wú)關(guān)性是在隱藏物理設(shè)備細(xì)節(jié)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。實(shí)現(xiàn)方式：抽象的邏輯設(shè)備名。2、I/O系統(tǒng)的基本功能目標(biāo)2：提高CPU和I/O設(shè)備的利用率。提高CPU和I/O設(shè)備的利用率盡可能地讓處理機(jī)和I/O設(shè)備并行操作。實(shí)現(xiàn)方式：要求處理機(jī)能快速響應(yīng)用戶的I/O請(qǐng)求；盡量減少在每個(gè)I/O設(shè)備運(yùn)行時(shí)處理機(jī)的干預(yù)時(shí)間。對(duì)I/O設(shè)備進(jìn)行控制對(duì)I/O設(shè)備進(jìn)行控制是驅(qū)動(dòng)程序的功能。實(shí)現(xiàn)方式：根據(jù)設(shè)備傳輸速率與傳輸數(shù)據(jù)單位等不同，可以采用四種控制方式之一。2、I/O系統(tǒng)的基本功能目標(biāo)3：提供設(shè)備共享與錯(cuò)誤處理。確保對(duì)設(shè)備的正確共享獨(dú)占設(shè)備：應(yīng)互斥地訪問(wèn)，需要考慮到分配的安全性。共享設(shè)備：一段時(shí)間內(nèi)允許從上進(jìn)程同時(shí)訪問(wèn)，需考慮到提高效率問(wèn)題。錯(cuò)誤處理臨時(shí)性錯(cuò)誤：通過(guò)重試操作予以糾正。持久性錯(cuò)誤：需向上層報(bào)告。錯(cuò)誤的處理應(yīng)盡可能在接近硬件的層面上進(jìn)行。2、I/O系統(tǒng)的基本功能6.1.2I/O系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)和模型1、I/O軟件的層次結(jié)構(gòu)用戶層軟件設(shè)備獨(dú)立性軟件設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中斷處理程序硬件I/O應(yīng)答執(zhí)行I/O系統(tǒng)調(diào)用、格式化I/O、為作Spooling準(zhǔn)備設(shè)備命名、映射、保護(hù)、分塊處理、緩沖、分配設(shè)置設(shè)備寄存器，檢查設(shè)備執(zhí)行狀態(tài)實(shí)現(xiàn)物理I/O操作圖6-1I/O系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)負(fù)責(zé)I／O完成時(shí)，喚醒設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)程，進(jìn)行中斷處理2、I/O系統(tǒng)中各種模塊之間的層次視圖圖6-2I/O系統(tǒng)中各模塊之間的層次視圖I/O系統(tǒng)接口RW/HW接口用戶層軟件設(shè)備獨(dú)立性軟件設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中斷處理程序設(shè)備控制器向上層提供對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作抽象I/O命令，方便高層對(duì)設(shè)備的使用I/O系統(tǒng)保存被中斷進(jìn)程的CPU環(huán)境，轉(zhuǎn)入相應(yīng)設(shè)備的中斷處理程序處理，處理完成后，恢復(fù)被中斷進(jìn)程的CPU環(huán)境，返回?cái)帱c(diǎn)繼續(xù)執(zhí)行是進(jìn)程與設(shè)備控制器之間的通信程序，將上層發(fā)來(lái)的抽象I/O請(qǐng)求轉(zhuǎn)換為對(duì)I/O設(shè)備的具體命令和參數(shù)，并裝入至設(shè)備控制器中I/O軟件獨(dú)立于具體使用的物理設(shè)備，方便系統(tǒng)的更新與擴(kuò)展6.1.3I/O系統(tǒng)接口1、塊設(shè)備接口該接口反映了大部磁盤(pán)存儲(chǔ)器和光盤(pán)存儲(chǔ)器的本質(zhì)特征，用于控制該類(lèi)設(shè)備的輸入或輸出：塊設(shè)備：數(shù)據(jù)的存取和傳輸都是以數(shù)據(jù)塊為單位的設(shè)備典型的塊設(shè)備：磁盤(pán)設(shè)備基本特征：傳輸速率較高；可尋址I/O控制方式：DMA方式隱藏了磁盤(pán)的二維結(jié)構(gòu)每個(gè)扇區(qū)的地址用磁道號(hào)和扇區(qū)號(hào)來(lái)表示將抽象命令映射為低層操作將上層發(fā)來(lái)的對(duì)文件或設(shè)備的操作命令映射為設(shè)備能識(shí)別的較低層具體操作2、流設(shè)備接口又稱為字符設(shè)備接口，用于控制字符設(shè)備的輸入或輸出：字符設(shè)備：數(shù)據(jù)的存取和傳輸都是以字符為單位的設(shè)備典型的塊設(shè)備：鍵盤(pán)、打印機(jī)設(shè)備基本特征：傳輸速率較低；不可尋址I/O控制方式：中斷驅(qū)動(dòng)方式get和put操作對(duì)字符設(shè)備只能采取順序存取的方式，配置有字符緩沖區(qū)io-control指令為流設(shè)備中的通用指令，該指令中包含了許多參數(shù)，每個(gè)參數(shù)表示一個(gè)和具體設(shè)備相關(guān)的特定功能大多數(shù)流設(shè)備都屬于獨(dú)占設(shè)備，必須互斥地訪問(wèn)3、網(wǎng)絡(luò)通信接口6.2I/O設(shè)備和設(shè)備控制器6.2.1I/O設(shè)備按設(shè)備的使用特性分類(lèi)存儲(chǔ)設(shè)備：也稱外存或后備存儲(chǔ)器、輔助存儲(chǔ)器，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)用以存儲(chǔ)信息的主要設(shè)備。該類(lèi)設(shè)備存取速度較內(nèi)存慢，但容量比內(nèi)存大得多，相對(duì)價(jià)格也便宜。輸入/輸出設(shè)備：輸入設(shè)備輸出設(shè)備交互式設(shè)備1、I/O設(shè)備的類(lèi)型按傳輸速率分類(lèi)低速設(shè)備：傳輸率每秒幾個(gè)~數(shù)百字節(jié)，鍵盤(pán)、鼠標(biāo)中速設(shè)備：傳輸率每秒數(shù)千個(gè)~數(shù)萬(wàn)字節(jié)，打印機(jī)高速設(shè)備：傳輸率每秒數(shù)十萬(wàn)~數(shù)兆字節(jié)，磁盤(pán)機(jī)、光盤(pán)機(jī)按信息交換的單位分類(lèi)塊設(shè)備：用于存儲(chǔ)信息，基本單位是塊。典型塊設(shè)備是磁盤(pán)。其傳輸速率高，可尋址，I/O系統(tǒng)采用DMA方式。字符設(shè)備：用于數(shù)據(jù)的輸入和輸出?；締挝皇亲址?。傳輸速率低，不可尋址，I/O采用中斷驅(qū)動(dòng)方式。1、I/O設(shè)備的類(lèi)型CPU——控制器——設(shè)備三種信號(hào)線：數(shù)據(jù)信號(hào)線：雙向，有緩存控制信號(hào)線：控制器發(fā)給設(shè)備，要求其完成相關(guān)操作狀態(tài)信號(hào)線：設(shè)備發(fā)給控制器，后者“顯示”2、設(shè)備與控制器之間的接口圖6-3設(shè)備與控制器間的接口6.2.2設(shè)備控制器設(shè)備控制器是CPU與I/O設(shè)備之間的接口。功能：控制I/O設(shè)備，實(shí)現(xiàn)I/O設(shè)備與計(jì)算機(jī)間的數(shù)據(jù)交換在小型和微型機(jī)中，它常采用印刷電路卡插入計(jì)算機(jī)主板上的總線插槽通過(guò)若干接口寄存器或接口緩沖區(qū)與CPU通信設(shè)備控制器是一個(gè)可編址的設(shè)備設(shè)備控制器可分為兩大類(lèi)：控制字符設(shè)備的控制器；控制塊設(shè)備的控制器。接收和識(shí)別命令控制寄存器：來(lái)存放接收的命令和參數(shù)命令譯碼器：對(duì)接收的命令進(jìn)行譯碼操作系統(tǒng)將命令寫(xiě)入控制器的控制寄存器（或接口緩沖區(qū)）中，以實(shí)現(xiàn)輸入／輸出，并從控制寄存器讀取狀態(tài)信息或結(jié)果信息數(shù)據(jù)交換CPU————控制器（數(shù)據(jù)寄存器）—————設(shè)備標(biāo)識(shí)和報(bào)告設(shè)備的狀態(tài)設(shè)備控制器中設(shè)置了“狀態(tài)寄存器”

1、設(shè)備控制器的基本功能

數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)信號(hào)線地址識(shí)別CPU通過(guò)“地址”與設(shè)備通信，設(shè)備控制器應(yīng)能識(shí)別它所控制的設(shè)備地址以及其各寄存器的地址。配置地址譯碼器I/O指令形式與I/O地址是相互關(guān)聯(lián)的內(nèi)存映像編址（內(nèi)存映像I/O模式）I/O獨(dú)立編址（I/O專用指令）數(shù)據(jù)緩沖用于解決I/O設(shè)備速率低，而CPU和內(nèi)存的速率很高的矛盾差錯(cuò)控制進(jìn)行差錯(cuò)檢測(cè)，并向CPU報(bào)告1、設(shè)備控制器的基本功能

設(shè)備控制器與處理機(jī)的接口設(shè)備控制器與設(shè)備的接口I/O邏輯：在其控制下完成與CPU、設(shè)備的通信。2、設(shè)備控制器的組成

圖6-4設(shè)備控制器的組成6.2.3內(nèi)存映像I/O格式：io-storecpu-reg,dev-no,dev-reg

將CPU寄存器的內(nèi)容復(fù)制到控制器寄存器中缺點(diǎn)：訪問(wèn)內(nèi)存和訪問(wèn)設(shè)備需要用兩種不同指令。格式：storecpu-reg,k//將CPU寄存器中的內(nèi)容傳送到控制器0的第1個(gè)寄存器opcode將內(nèi)存地址與設(shè)備控制器中寄存器的地址統(tǒng)一編址，用k表示0<=k<=n-1，則為內(nèi)存地址k>=n，為設(shè)備控制器的寄存器地址1、利用特定的I/O指令2、內(nèi)存映像I/OPC上的I/O控制器與其對(duì)應(yīng)的I/O地址6.2.3內(nèi)存映像I/O圖6-5設(shè)備尋址形式6.2.4I/O通道通道：一種特殊的執(zhí)行I/O指令的處理機(jī)，與CPU共享內(nèi)存，可以有自己的總線。引入目的：解脫CPU對(duì)I/O的組織、管理，提高CPU與設(shè)備，設(shè)備與設(shè)備之間的并行工作能力。CPU只需發(fā)送I/O命令給通道，通道通過(guò)調(diào)用內(nèi)存中的相應(yīng)通道程序完成任務(wù)。I/O通道是一種特殊的處理機(jī)，與一般的處理機(jī)差別指令類(lèi)型單一通道沒(méi)有自己的內(nèi)存1、I/O通道(I/OChannel)設(shè)備的引入2、通道類(lèi)型

1)字節(jié)多路通道(ByteMultiplexorChannel)

圖5-3字節(jié)多路通道的工作原理各子通道以時(shí)間片輪轉(zhuǎn)方式共享通道，適用于低、中速設(shè)備，如打印機(jī)。主通道字節(jié)數(shù)據(jù)流輪詢無(wú)子通道，僅一主通道，某時(shí)間由某設(shè)備獨(dú)占，適于高速設(shè)備，如磁盤(pán)，磁帶等。選擇通道在一段時(shí)間內(nèi)只能執(zhí)行一個(gè)通道程序，只允許一臺(tái)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸當(dāng)這臺(tái)設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸完成后，再選擇與通道連接的另一臺(tái)設(shè)備，執(zhí)行相應(yīng)的通道程序通道未共享，利用率低。2、通道類(lèi)型

2)數(shù)組選擇通道(BlockSelectorChannel)2、通道類(lèi)型

3)數(shù)組多路通道(BlockMultiplexorChannel)

子通道不是以時(shí)間片方式，而是“按需分配”，綜合了前面2種通道類(lèi)型的優(yōu)點(diǎn)。結(jié)合了選擇通道傳送速度高和字節(jié)多路通道能進(jìn)行分時(shí)并行操作的優(yōu)點(diǎn)。它先為一臺(tái)設(shè)備執(zhí)行一條通道指令，然后自動(dòng)轉(zhuǎn)接，為另一臺(tái)設(shè)備執(zhí)行一條通道指令主要連接高速設(shè)備對(duì)于連接多臺(tái)磁盤(pán)機(jī)的數(shù)組多路通道，它可以啟動(dòng)它們同時(shí)執(zhí)行移臂定位操作，然后，按序交叉地傳輸一批批數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)多路通道實(shí)際上是對(duì)通道程序采用多道程序設(shè)計(jì)的硬件實(shí)現(xiàn)3、“瓶頸”問(wèn)題

圖6-7單通路I/O系統(tǒng)3、“瓶頸”問(wèn)題

通道“瓶頸”問(wèn)題解決措施：1）提高I/O設(shè)備的獨(dú)立性；2）增加設(shè)備到主機(jī)之間的通路，而不是增加通道。圖6-8多通路I/O系統(tǒng)4、通道工作原理通道相當(dāng)于一個(gè)功能簡(jiǎn)單的處理機(jī)，包含通道指令（空操作，讀操作，寫(xiě)操作，控制，轉(zhuǎn)移操作），并可執(zhí)行用這些指令編寫(xiě)的通道程序，向控制器發(fā)出命令，并具有向CPU發(fā)中斷信號(hào)的功能。一旦CPU發(fā)出指令，啟動(dòng)通道，則通道獨(dú)立于CPU工作。通道運(yùn)算控制部件通道地址字CAW：記錄通道程序在內(nèi)存中的地址通道命令字CCW：保存正在執(zhí)行的通道指令通道狀態(tài)字CSW：存放通道執(zhí)行后的返回結(jié)果通道數(shù)據(jù)字CDW：存放傳輸數(shù)據(jù)通道和CPU共用內(nèi)存，通過(guò)周期竊取方式取得4、通道工作原理CPU：執(zhí)行用戶程序，當(dāng)遇到I/O請(qǐng)求時(shí)，可根據(jù)該請(qǐng)求生成通道程序放入內(nèi)存（也可事先編好放入內(nèi)存），并將該通道程序的首地址放入CAW中；之后執(zhí)行“啟動(dòng)I/O”指令，啟動(dòng)通道工作通道：接收到“啟動(dòng)I/O”指令后，從CAW中取出通道程序的首地址，并根據(jù)首地址取出第一條指令放入CCW中，同時(shí)向CPU發(fā)回答信號(hào)，使CPU可繼續(xù)執(zhí)行其他程序，而通道則開(kāi)始執(zhí)行通道程序，完成傳輸工作通道程序完成實(shí)際I/O，啟動(dòng)I/O設(shè)備，執(zhí)行完畢后,如果還有下一條指令，則繼續(xù)執(zhí)行,否則表示傳輸完成當(dāng)通道傳輸完成最后一條指令時(shí)，向CPU發(fā)I/O中斷，并且通道停止工作。CPU接收中斷信號(hào)，從CSW中取得有關(guān)信息，決定下一步做什么6.3中斷機(jī)構(gòu)和中斷處理程序6.3.1中斷簡(jiǎn)介

1、中斷和陷入中斷(interrupt)中斷是指CPU對(duì)I/O設(shè)備發(fā)來(lái)的中斷信號(hào)的一種響應(yīng)中斷的處理流程：CPU暫停正在執(zhí)行的程序，保留CPU環(huán)境后，自動(dòng)地轉(zhuǎn)去執(zhí)行該I/O設(shè)備的中斷處理程序。執(zhí)行完后，再回到斷點(diǎn)，繼續(xù)執(zhí)行原來(lái)的程序。陷入(trap)陷入：由CPU內(nèi)部事件所引起的中斷陷入的處理流程與中斷類(lèi)似中斷和陷入的主要區(qū)別：中斷信號(hào)源來(lái)自于CPU外部陷入信號(hào)源來(lái)自CPU內(nèi)部2、中斷向量表和中斷優(yōu)先級(jí)中斷向量表中斷向量：是指中斷服務(wù)程序入口地址的偏移量與段基值，一個(gè)中斷向量占據(jù)4字節(jié)空間。每個(gè)中斷向量對(duì)應(yīng)于一個(gè)中斷處理程序。中斷向量表：把所有的中斷向量集中起來(lái)，按中斷類(lèi)型號(hào)從小到大的順序存放到存儲(chǔ)器的某一區(qū)域內(nèi)，這個(gè)存放中斷向量的存儲(chǔ)區(qū)叫做中斷向量表，即中斷服務(wù)程序入口地址表。中斷優(yōu)先級(jí)中斷優(yōu)先級(jí)：為使系統(tǒng)能及時(shí)響應(yīng)并處理發(fā)生的所有中斷，系統(tǒng)根據(jù)引起中斷事件的重要性和緊迫程度，硬件將中斷源分為若干個(gè)級(jí)別，稱作中斷優(yōu)先級(jí)。3、多中斷源的處理方式當(dāng)處理機(jī)正在處理一個(gè)中斷，又來(lái)了一個(gè)新的中斷請(qǐng)求時(shí)：屏蔽（禁止）中斷：當(dāng)處理機(jī)正在處理一個(gè)中斷時(shí)，對(duì)任何新到的中斷請(qǐng)求都暫時(shí)不予理睬，直到處理機(jī)已經(jīng)完成本次中斷的處理后，處理機(jī)再去檢查是否有中斷發(fā)生。所有中斷都將按順序依次處理。嵌套中斷：當(dāng)同時(shí)有多個(gè)不同優(yōu)先級(jí)的中斷請(qǐng)求時(shí)，CPU按照由高到低的順序響應(yīng)。高優(yōu)先級(jí)的中斷請(qǐng)求可以搶占正在運(yùn)行的低優(yōu)先級(jí)中斷的處理機(jī)。當(dāng)同級(jí)中斷同時(shí)到時(shí)，則按位響應(yīng)。6.3.2中斷處理程序

中斷處理程序的處理過(guò)程：測(cè)定是否有未響應(yīng)的中斷信號(hào)；保護(hù)被中斷進(jìn)程的CPU環(huán)境；轉(zhuǎn)入相應(yīng)的設(shè)備處理程序；中斷處理；恢復(fù)CPU環(huán)境并退出中斷。圖6-10中斷現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)示意圖圖6-11中斷處理流程6.4設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序6.4設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序

設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序：又稱設(shè)備處理程序，它是I/O進(jìn)程與設(shè)備控制器之間的通信程序。主要任務(wù)：接收上層軟件發(fā)來(lái)的抽象I/O要求，轉(zhuǎn)換為具體要求后，發(fā)送給設(shè)備控制器，啟動(dòng)設(shè)備去執(zhí)行；將由設(shè)備控制發(fā)來(lái)的信號(hào)傳送給上層軟件。接收與設(shè)備無(wú)關(guān)的軟件發(fā)來(lái)的I/O命令和參數(shù)，將命令中的抽象要求轉(zhuǎn)換為與設(shè)備相關(guān)的低層操作系統(tǒng)序列；檢查用戶I/O請(qǐng)求的合法性，檢查設(shè)備狀態(tài)，傳遞有關(guān)參數(shù)，設(shè)置設(shè)備工作方式；發(fā)出I/O命令。如果設(shè)備空閑，則啟動(dòng)I/O設(shè)備，完成指定I/O操作；如果設(shè)備忙碌，則將請(qǐng)求者的請(qǐng)求掛在設(shè)備隊(duì)列上等待；及時(shí)響應(yīng)設(shè)備中斷請(qǐng)求，轉(zhuǎn)入相應(yīng)的中斷處理程序進(jìn)行處理；對(duì)設(shè)置了通道的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，則自動(dòng)構(gòu)成通道程序。1、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的功能6.4.1設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序概述

驅(qū)動(dòng)程序主要是實(shí)現(xiàn)設(shè)備無(wú)關(guān)的軟件和設(shè)備控制器之間通信和轉(zhuǎn)換的程序。驅(qū)動(dòng)程序與設(shè)備控制器、I/O設(shè)備的硬件特性緊密相關(guān)，不同類(lèi)型的設(shè)備應(yīng)配置不同的驅(qū)動(dòng)程序。驅(qū)動(dòng)程序與所使用的操作系統(tǒng)也是相關(guān)的。驅(qū)動(dòng)程序與I/O控制方式緊密相關(guān)，常用的設(shè)備控制方式是中斷驅(qū)動(dòng)和DMA方式。驅(qū)動(dòng)程序與配件緊密相關(guān)，因而其中的一部分必須用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)。有很多驅(qū)動(dòng)程序的基本部分固化在ROM中。驅(qū)動(dòng)程序應(yīng)允許重入。一個(gè)正在運(yùn)行的驅(qū)動(dòng)程序會(huì)在上一次調(diào)用完成前被再次調(diào)用。2、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的特點(diǎn)

設(shè)備處理方式可分為三類(lèi)：為每一類(lèi)設(shè)備設(shè)置一個(gè)進(jìn)程，專門(mén)用于執(zhí)行這類(lèi)設(shè)備的I/O操作。在整個(gè)系統(tǒng)中設(shè)置一個(gè)I/O進(jìn)程，專門(mén)用于執(zhí)行系統(tǒng)中所有各類(lèi)設(shè)備的I/O操作。不設(shè)置專門(mén)的設(shè)備處理進(jìn)程，而只為各類(lèi)設(shè)備設(shè)置相應(yīng)的設(shè)備處理程序(模塊)，供用戶進(jìn)程或系統(tǒng)進(jìn)程調(diào)用。3、設(shè)備處理方式設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的主要任務(wù)：完成必要的準(zhǔn)備工作、啟動(dòng)指定設(shè)備，并完成止層指定的I/O工作。處理過(guò)程：將抽象要求轉(zhuǎn)換為具體要求；檢查I/O請(qǐng)求的合法性；讀出和檢查設(shè)備的狀態(tài)；傳送必要的參數(shù)；工作方式的設(shè)置；啟動(dòng)I/O設(shè)備。6.4.2設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的處理過(guò)程

6.4.3對(duì)I/O設(shè)備的控制方式

四個(gè)階段：輪詢的可編程I/O方式——中斷的可編程I/O方式——DMA控制方式——通道控制方式。趨勢(shì)：提高CPU與I/O設(shè)備的并行度。輪詢方式：CPU需花代價(jià)不斷測(cè)試I/O設(shè)備狀態(tài)，CPU資源浪費(fèi)極大。例：99.9ms+0.1ms=100ms99.9ms在忙等向I/O控制器發(fā)讀命令讀I/O控制器的狀態(tài)檢查狀態(tài)？從I/O控制器中讀入字向內(nèi)存中寫(xiě)入字傳送完畢？出錯(cuò)處理CPU→I/OI/O→CPU未就緒未完完成執(zhí)行下一條I/O指令I(lǐng)/O→CPUCPU→RAM就緒1、輪詢的可編程I/O方式向I/O發(fā)命令——返回——執(zhí)行其它任務(wù)。I/O中斷產(chǎn)生——CPU轉(zhuǎn)相應(yīng)中斷處理程序。如：讀數(shù)據(jù)，讀完后以中斷方式通知CPU，CPU完成數(shù)據(jù)從I/O——內(nèi)存向I/O控制器發(fā)讀命令讀I/O控制器的狀態(tài)檢查狀態(tài)？從I/O控制器中讀入字向內(nèi)存中寫(xiě)入字傳送完畢？CPU→I/OCPU做其它事中斷I/O→CPU出錯(cuò)就緒I/O→CPUCPU→RAM

未完完成執(zhí)行下一條I/O指令2、中斷的可編程I/O方式DMA方式的引入中斷I/O，CPU“字節(jié)”干預(yù)一次，即每“字節(jié)”傳送產(chǎn)生一次中斷。DMA：由DMA控制器直接控制總線傳遞數(shù)據(jù)塊。DMA控制器完成從I/O——內(nèi)存。DMA方式的特點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕締挝皇菙?shù)據(jù)塊，即在CPU與I/O設(shè)備之間，每次傳送至少一個(gè)數(shù)據(jù)塊；所傳送的數(shù)據(jù)是從設(shè)備直接送入內(nèi)存的，或者相反；僅在傳送一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)塊的開(kāi)始和結(jié)束時(shí)，才需CPU干預(yù)，整塊數(shù)據(jù)的傳送是在控制器的控制下完成的。3、直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)控制方式DMA控制器的組成主機(jī)與DMA控制器的接口、I/O控制邏輯、DMA控制器與塊設(shè)備的接口圖6-14DMA控制器的組成3、直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)控制方式DMA工作過(guò)程圖6-12DMA方式的工作流程3、直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)控制方式DMA方式與中斷方式的主要區(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3、直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)控制方式I/O通道控制方式的引入DMA方式：對(duì)多離散塊的讀取仍需要多次中斷通道方式：CPU只需給出通道程序首址。要訪問(wèn)I/O設(shè)備后，通道程序就可完成一組塊操作

4、I/O通道控制方式通道是通過(guò)執(zhí)行通道程序，并與設(shè)備控制器來(lái)共同實(shí)現(xiàn)對(duì)I/O設(shè)備的控制。通道程序是由一系列的通道指令（或稱為通道命令）所構(gòu)成。通道指令與一般的機(jī)器指令不同，在每條指令中包含的信息較多，有操作碼、內(nèi)存地址、計(jì)數(shù)（讀或?qū)憯?shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)）、通道程序結(jié)束位P和記錄結(jié)束標(biāo)志R。通道程序操作PR計(jì)數(shù)內(nèi)存地址WRITE0080813WRITE001401034WRITE01605830WRITE013002000WRITE002501850WRITE112507206.5與設(shè)備無(wú)關(guān)的I/O軟件6.5.1與設(shè)備無(wú)關(guān)軟件的基本概念設(shè)備獨(dú)立性：即設(shè)備無(wú)關(guān)性，指應(yīng)用程序獨(dú)立于具體使用的物理設(shè)備早期操作系統(tǒng)采用這種方式，應(yīng)用程序直接使用設(shè)備的物理名稱缺點(diǎn)：不靈活、不方便，不利于提高設(shè)備的利用率為實(shí)現(xiàn)與設(shè)備無(wú)關(guān)性，引入邏輯設(shè)備和物理設(shè)備的概念邏輯設(shè)備名：抽象的設(shè)備名，不指定具體的某臺(tái)物理設(shè)備I/O重定向：指無(wú)須改變應(yīng)用程序，就可以更換用于I/O操作的設(shè)備。1、以物理設(shè)備名使用設(shè)備2、引入邏輯設(shè)備名系統(tǒng)只能識(shí)別物理設(shè)備名，所以系統(tǒng)必須具有將邏輯設(shè)備名稱轉(zhuǎn)換為某物理設(shè)備名稱的功能。邏輯設(shè)備表（LUT）分配流程：進(jìn)程用邏輯設(shè)備名申請(qǐng)?jiān)O(shè)備系統(tǒng)為邏輯設(shè)備分配一臺(tái)具體的物理設(shè)備在LUT上建立一個(gè)表目通過(guò)LUT得到物理設(shè)備及其driver入口。邏輯設(shè)備名物理設(shè)備名Driver入口地址3、邏輯設(shè)備名稱到物理設(shè)備名稱的轉(zhuǎn)換LUT的配置整個(gè)系統(tǒng)一張LUT表：要求：邏輯名不重復(fù)，（一般用于單用戶系統(tǒng)）每個(gè)用戶一張LUT表?？芍孛?可限制用戶對(duì)某些設(shè)備的使用圖6-19邏輯設(shè)備表3、邏輯設(shè)備名稱到物理設(shè)備名稱的轉(zhuǎn)換設(shè)備獨(dú)立性軟件：在驅(qū)動(dòng)程序之上設(shè)置的一層軟件，用于實(shí)現(xiàn)所有設(shè)備都需要的功能，并且向用戶級(jí)軟件提供一個(gè)統(tǒng)一的接口，具體包括：1、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的統(tǒng)一接口每個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序與OS之間都有相同的接口將邏輯設(shè)備名與相應(yīng)的物理設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序入口關(guān)聯(lián)對(duì)設(shè)備進(jìn)行保護(hù)，禁止用戶直接訪問(wèn)設(shè)備2、緩沖管理為了緩解CPU和I/O設(shè)備之間速度不匹配的矛盾，提高CPU的利用率6.5.2與設(shè)備無(wú)關(guān)的軟件3、差錯(cuò)控制暫時(shí)性錯(cuò)誤：因發(fā)生暫時(shí)性事件引起的，可以通過(guò)重試操作來(lái)糾正。一般設(shè)備出現(xiàn)故障，主要由設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序處理，而設(shè)備獨(dú)立性軟件只處理那些設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序無(wú)法處理的錯(cuò)誤。持久性錯(cuò)誤：由持久性故障引起。4、對(duì)獨(dú)占設(shè)備的分配與回收由系統(tǒng)統(tǒng)一分配獨(dú)占設(shè)備。5、獨(dú)立于設(shè)備的邏輯數(shù)據(jù)塊設(shè)備獨(dú)立性軟件能夠隱藏不同設(shè)備的差異性而被邏輯設(shè)備使用，并向高層軟件提供大小統(tǒng)一的邏輯數(shù)據(jù)塊。6.5.3設(shè)備分配

包括：對(duì)設(shè)備、設(shè)備控制器、通道的分配當(dāng)某進(jìn)程向系統(tǒng)提出I/O請(qǐng)求時(shí)，設(shè)備分配程序按一定策略分配設(shè)備、控制器和通道，形成一條數(shù)據(jù)傳輸通路，以供主機(jī)和設(shè)備間信息交換設(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），通道表（CHCT），系統(tǒng)設(shè)備表（SDT）系統(tǒng)為每一個(gè)設(shè)備都配置了一張?jiān)O(shè)備控制表，用于記錄本設(shè)備的情況。圖6-17設(shè)備控制表

1、設(shè)備分配中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)1）設(shè)備控制表DCT2）控制器控制表、通道控制表和系統(tǒng)設(shè)備表圖6-18COCT、CHCT和SDT

表目1……表目i……設(shè)備類(lèi)型設(shè)備標(biāo)識(shí)符進(jìn)程標(biāo)識(shí)符DCT表指針驅(qū)動(dòng)程序入口地址表目1……表目i……設(shè)備類(lèi)型設(shè)備標(biāo)識(shí)符設(shè)備狀態(tài)（等待/不等待，忙/閑）COCT表指針重復(fù)執(zhí)行次數(shù)或時(shí)間設(shè)備隊(duì)列的隊(duì)首指針設(shè)備隊(duì)列的隊(duì)尾指針表目1……表目i……控制器標(biāo)識(shí)符控制器狀態(tài)（忙/閑）CHCT表指針控制器隊(duì)列的隊(duì)首指針控制器隊(duì)列的隊(duì)尾指針表目1……表目i……通道標(biāo)識(shí)符通道狀態(tài)（忙/閑）COCT表指針通道隊(duì)列的隊(duì)首指針通道隊(duì)列的隊(duì)尾指針DCT設(shè)備控制表SDT系統(tǒng)設(shè)備表DCT集合

SDT集合

COCT控制器控制表CHCT通道控制表CHCT集合COCT集合設(shè)備分配的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖2、設(shè)備分配時(shí)應(yīng)考慮的因素分配設(shè)備考慮的因素：I/O設(shè)備的固有屬性獨(dú)享設(shè)備：排它性分配；設(shè)備得不到充分利用，控制不好可能死鎖。共享設(shè)備：注意調(diào)度的合理性虛擬設(shè)備：需要引入SPOOLing技術(shù)；虛擬設(shè)備屬于邏輯設(shè)備。I/O設(shè)備的分配算法FCFS高優(yōu)先級(jí)2、設(shè)備分配時(shí)應(yīng)考慮的因素分配設(shè)備考慮的因素：設(shè)備分配的安全性安全分配方式：

每進(jìn)程獲得一I/O后，即block，直到其I/O完成，運(yùn)行時(shí)不保持任何資源。優(yōu)點(diǎn)：安全缺點(diǎn)：進(jìn)程進(jìn)展緩慢，CPU和I/O設(shè)備之間是串行的不安全分配方式：進(jìn)程發(fā)出I/O請(qǐng)求后，仍在繼續(xù)運(yùn)行，需要時(shí)又可發(fā)出第二個(gè)I/O請(qǐng)求。僅當(dāng)進(jìn)程請(qǐng)求的設(shè)備已被另一個(gè)進(jìn)程占用時(shí)，才被阻塞。優(yōu)點(diǎn)：一個(gè)進(jìn)程可同時(shí)操作多個(gè)設(shè)備缺點(diǎn)：分配不安全，需安全性計(jì)算3、獨(dú)占設(shè)備的分配程序分配設(shè)備（SDT->DCT）分配控制器（DCT->COCT）分配通道（COCT->CHCT）1）基本的設(shè)備分配程序進(jìn)程P提出所需的I/O設(shè)備根據(jù)物理設(shè)備名，從SDT中找出該設(shè)備的DCT由DCT的設(shè)備狀態(tài)字段，檢查該設(shè)備是否忙？將該進(jìn)程的PCB插入到該設(shè)備的等待隊(duì)列中檢查本次設(shè)備分配是否安全？將此設(shè)備分配給該進(jìn)程從其DCT中找出與該設(shè)備連接的控制器的COCT，檢查該控制器是否忙？將該進(jìn)程的PCB插入到該控制器的的等待隊(duì)列中將該控制器分配給進(jìn)程從COCT中找到與該控制器連接的通道的CHCT，檢查該通道是否忙？將該進(jìn)程的PCB插入到該通道的的等待隊(duì)列中將該通道分配給進(jìn)程至此，設(shè)備、控制器和通道三者都已分配成功啟動(dòng)I/O設(shè)備，進(jìn)行具體的I/O操作不忙不忙不忙忙忙安全不安全忙單通道系統(tǒng)的設(shè)備分配流程2）設(shè)備分配程序的改進(jìn)基本設(shè)備分配程序的缺點(diǎn)：進(jìn)程是以物理設(shè)備名來(lái)提出I/O請(qǐng)求的；采用的是單通路的I/O系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，容易產(chǎn)生“瓶頸”現(xiàn)象。設(shè)備分配程序的改進(jìn)增加設(shè)備的獨(dú)立性考慮多通路情況3、獨(dú)占設(shè)備的分配程序6.6用戶層的I/O軟件6.6用戶層的I/O軟件

大部分I/O軟件都在操作系統(tǒng)內(nèi)部，但仍有一小部分在用戶層，包括：用戶層軟件必須通過(guò)一組系統(tǒng)調(diào)用（庫(kù)函數(shù)的調(diào)用）來(lái)取得操作系統(tǒng)服務(wù)。操作系統(tǒng)中有一部分運(yùn)行在內(nèi)核之外的程序，也是歸屬于I/O系統(tǒng)，如Spooling系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)傳輸文件時(shí)的守護(hù)進(jìn)程。6.6.1系統(tǒng)調(diào)用與庫(kù)函數(shù)系統(tǒng)調(diào)用：一組由操作系統(tǒng)內(nèi)核提供的，為運(yùn)行在用戶態(tài)的應(yīng)用程序提供操作系統(tǒng)服務(wù)的例程。系統(tǒng)調(diào)用是應(yīng)用程序取得OS所有服務(wù)的唯一途徑。1、系統(tǒng)調(diào)用圖6-20系統(tǒng)調(diào)用的執(zhí)行過(guò)程內(nèi)核提供了OS的基本功能，為了函數(shù)擴(kuò)展了OS內(nèi)核，使用用戶能方便地取得OS的服務(wù)。2、庫(kù)函數(shù)6.6.2假脫機(jī)(SPOOLing)系統(tǒng)

脫機(jī)輸入輸出技術(shù)：為緩和CPU與I/O設(shè)備間速度不匹配的矛盾提出來(lái)的利用外圍控制機(jī)，在不需要CPU的控制下完成低速I(mǎi)/O設(shè)備與高速磁盤(pán)之間的數(shù)據(jù)傳輸。假脫機(jī)技術(shù)：是指在多道程序的環(huán)境下，利用多道程序中的一道或兩道來(lái)模擬外圍控制機(jī)，從而在聯(lián)機(jī)的條件下實(shí)現(xiàn)脫機(jī)I/O功能的技術(shù)，也稱為SPOOLing技術(shù)。解決問(wèn)題：在進(jìn)程所需物理設(shè)備不存在或被占用時(shí)使用該設(shè)備

1、假脫機(jī)技術(shù)2、SPOOLing的組成圖6-21(a)SPOOLing系統(tǒng)的組成SPOOLing技術(shù)是對(duì)脫機(jī)輸入/輸出系統(tǒng)的模擬。SPOOLing系統(tǒng)是建立在通道技術(shù)和多道程序技術(shù)的基礎(chǔ)上，以高速隨機(jī)外存為后援存儲(chǔ)器。2、SPOOLing的組成輸入井模擬脫機(jī)輸入時(shí)的磁盤(pán)，用于收容I/O設(shè)備輸入的數(shù)據(jù)；輸出井模擬脫機(jī)輸出時(shí)的磁盤(pán)，用于收容用戶程序的輸出數(shù)據(jù)。井文件：輸入/輸出井中的數(shù)據(jù)以文件的形式組織管理，稱為~，一個(gè)文件僅存放一個(gè)進(jìn)程的輸入/輸出數(shù)據(jù)，所有文件鏈成隊(duì)列圖6-21(b)SPOOLing的工作原理輸入緩沖區(qū)用于暫存由輸入設(shè)備傳送的數(shù)據(jù)，之后再傳送到輸入井；輸出緩沖區(qū)用于暫存由輸出井傳送的數(shù)據(jù)，之后再傳送到輸出設(shè)備。輸入進(jìn)程：用于模擬脫機(jī)輸入時(shí)的外圍控制機(jī)，將用戶要求的數(shù)據(jù)從輸入設(shè)備傳送到輸入緩沖區(qū)，再存放到輸入井。輸出進(jìn)程：用于模擬脫機(jī)輸出時(shí)的外圍控制機(jī)，把用戶要求輸入的數(shù)據(jù)從內(nèi)存?zhèn)魉筒⒋娣诺捷敵鼍＞芾沓绦颍河糜诳刂谱鳂I(yè)與磁盤(pán)井之間信息的交換，從輸入井讀取信息或?qū)⑿畔⑤敵鲋凛敵鼍?、SPOOLing系統(tǒng)的特點(diǎn)

提高了I/O的速度。(2)將獨(dú)占設(shè)備改造為共享設(shè)備。(3)實(shí)現(xiàn)了虛擬設(shè)備功能。4、假脫機(jī)打印機(jī)系統(tǒng)

SPOOLing技術(shù)將獨(dú)占設(shè)備改造成為共享設(shè)備：圖6-21(c)假脫機(jī)打印機(jī)系統(tǒng)的組成磁盤(pán)緩沖區(qū)磁盤(pán)緩沖區(qū)：用于暫存用戶程序的輸出。打印緩沖區(qū)：用于暫存從磁盤(pán)緩沖區(qū)送來(lái)的數(shù)據(jù)，以后再傳送給打印機(jī)設(shè)備打印。假脫機(jī)管理進(jìn)程：為每個(gè)要求打印的用戶數(shù)據(jù)建立一個(gè)假脫機(jī)文件，并把它放入到假脫機(jī)文件隊(duì)列中。假脫機(jī)打印進(jìn)程：依次從假脫機(jī)文件隊(duì)列中取文件進(jìn)行打印。4、假脫機(jī)打印機(jī)系統(tǒng)

假脫機(jī)管理進(jìn)程完成的工作：由輸出進(jìn)程在輸出井中為之申請(qǐng)一個(gè)空閑磁盤(pán)塊區(qū)，并將要打印的數(shù)據(jù)送入其中；輸出進(jìn)程再為用戶進(jìn)程申請(qǐng)一張空白的用戶請(qǐng)求打印表，并將用戶的打印要求填入其中，再將該表掛到請(qǐng)求打印隊(duì)列上。假脫機(jī)打印進(jìn)程完成的工作：當(dāng)打印機(jī)空閑時(shí)，從假脫機(jī)文件隊(duì)列的隊(duì)首摘取一張請(qǐng)求打印表，然后根據(jù)表中的要求將要打印的數(shù)據(jù)由輸出井傳送到內(nèi)存緩沖區(qū)，再交付打印機(jī)進(jìn)行打印。假脫機(jī)文件隊(duì)列為空時(shí)，假脫機(jī)打印進(jìn)程自我阻塞。5、守護(hù)進(jìn)程假若進(jìn)程打開(kāi)打印機(jī)特殊文件后幾小時(shí)內(nèi)無(wú)所事事，其他進(jìn)程什么都打印不了！解決方案：創(chuàng)建守護(hù)（精靈）進(jìn)程（daemon）、SPOOLing目錄守護(hù)進(jìn)程負(fù)責(zé)為用戶在磁盤(pán)緩沖區(qū)中申請(qǐng)一個(gè)空閑盤(pán)塊，并將要打印的數(shù)據(jù)送入其中，將該盤(pán)塊的首址返回給請(qǐng)求進(jìn)程每個(gè)要求打印的進(jìn)程首先生成要打印的文件，放入假脫機(jī)文件隊(duì)列（SPOOLing目錄）中守護(hù)進(jìn)程：是唯一獲準(zhǔn)使用打印機(jī)的進(jìn)程，它還負(fù)責(zé)打印SPOOLing目錄里的文件通過(guò)禁止對(duì)特殊文件的直接使用→提高使用效率5、守護(hù)進(jìn)程SPOOLing技術(shù)今天仍被廣泛使用網(wǎng)絡(luò)文件傳送先把文件送到網(wǎng)絡(luò)SPOOLing目錄，然后網(wǎng)絡(luò)守護(hù)進(jìn)程把它取出并傳遞到目標(biāo)地址Internet電子郵件系統(tǒng)為了寄郵，調(diào)用電子郵件程序待發(fā)信存在SPOOLing中供以后傳輸注意：SPOOLing只提高設(shè)備利用率，縮短用戶程序執(zhí)行時(shí)間，并不提高CPU利用率6.7緩沖管理6.7.1緩沖的引入凡是數(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)1、緩和CPU和I/O設(shè)備間速度不匹配的矛盾。如：計(jì)算——打印buffer——打印2、減少對(duì)CPU的中斷頻率如：buffer越大，“buffer滿”信號(hào)發(fā)生頻率越低。3、解決數(shù)據(jù)粒度不匹配的問(wèn)題4、提高CPU和I/O并行性

圖5-10利用緩沖寄存器實(shí)現(xiàn)緩沖CPU每100us中斷一次CPU每800us中斷一次緩沖區(qū)設(shè)置硬緩沖：由硬件寄存器實(shí)現(xiàn)（例如：設(shè)備中設(shè)置的緩沖區(qū)）軟緩沖：在內(nèi)存中開(kāi)辟一個(gè)空間，用作緩沖區(qū)緩沖區(qū)管理單緩沖雙緩沖循環(huán)緩沖緩沖池6.7.2單緩沖和雙緩沖最簡(jiǎn)單的一種緩沖形式當(dāng)一個(gè)用戶進(jìn)程發(fā)出I/O請(qǐng)求時(shí)，操作系統(tǒng)便在主存中為之分配一緩沖區(qū)，可以實(shí)現(xiàn)預(yù)讀和滯后寫(xiě)塊設(shè)備輸入時(shí)，系統(tǒng)對(duì)每一整塊數(shù)據(jù)的處理時(shí)間=max(C,T)+M。如果無(wú)緩沖區(qū)，則處理時(shí)間為T(mén)+C1、單緩沖(SingleBuffer)

圖6-23單緩沖工作示意圖

平行2、雙緩沖(DoubleBuffer)圖6-24雙緩沖工作示意圖可以實(shí)現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)區(qū)—緩沖區(qū)之間交換數(shù)據(jù)和緩沖區(qū)—外設(shè)之間交換數(shù)據(jù)的并行，加快I/O速度，提高設(shè)備利用率系統(tǒng)處理一塊數(shù)據(jù)的時(shí)間可表示為：max(C,T)CT圖6-25雙機(jī)通信時(shí)緩沖區(qū)的設(shè)置6.7.3環(huán)形緩沖區(qū)多個(gè)緩沖區(qū)，每個(gè)緩沖區(qū)的大小相同。緩沖區(qū)類(lèi)型有：空緩沖區(qū)R、滿緩沖區(qū)G、正在使用緩沖區(qū)C多個(gè)指針：Nexti、Nextg、Current1、環(huán)形緩沖區(qū)的組成圖6-26環(huán)形緩沖區(qū)2、環(huán)形緩沖區(qū)的使用

nextg：指示下一個(gè)應(yīng)取數(shù)據(jù)的bufnexti：指示下一個(gè)空buf.Getbuf：取nextg對(duì)應(yīng)緩沖區(qū)提供使用，將Nextg置為空，Nextg=（Nextg+1）ModN將Nexti對(duì)應(yīng)緩沖區(qū)提供使用，將Nexti置為滿，Nexti=（Nexti+1）ModNReleasebuf:若C空，則改為R；若C滿，則改為G；3、進(jìn)程之間的同步

Nexti追上Nextg：表示輸入速度>輸出速度，全部buf滿，這時(shí)輸入進(jìn)程阻塞Nextg追上Nexti：輸入速度<輸出速度，全部buf空，這時(shí)輸出進(jìn)程阻塞。6.7.4緩沖池(BufferPool)

問(wèn)題：當(dāng)系統(tǒng)配置較多的設(shè)備時(shí)，使用專用緩沖區(qū)就要消耗大量的內(nèi)存空間，且其利用率不高。解決：為了提高緩沖區(qū)的利用率，目前廣泛使用公用緩沖池，池中的緩沖區(qū)可供多個(gè)進(jìn)程共享。3個(gè)隊(duì)列：空緩沖隊(duì)列emq輸入隊(duì)列inq輸出隊(duì)列outq四個(gè)工作緩沖區(qū)：hin：收容輸入數(shù)據(jù)sin：提取輸入數(shù)據(jù)hout：收容輸出數(shù)據(jù)sout：提取輸出數(shù)據(jù)1、緩沖池的組成2、Getbuf過(guò)程和Putbuf過(guò)程voidGetbuf(unsignedtype){

wait(RS(type));

wait(MS(type));B(number)=Takebuf(type);

signal(MS(type));}voidPutbuf(type,number){

wait(MS(type));Addbuf(type,number);

signal(MS(type));

signal(RS(type));}MS(type)：用于互斥訪問(wèn)緩沖池隊(duì)列的互斥信號(hào)量RS(type)：用于保證進(jìn)程同步使用緩沖區(qū)的資源信號(hào)量Takebuf(type)：用于從type所指示的隊(duì)列的隊(duì)首摘下一個(gè)緩沖區(qū)Addbuf(type,number)：用于將由參數(shù)number所指示的緩沖區(qū)掛在type隊(duì)列上3、緩沖區(qū)的工作方式hin：getbuf(emq);數(shù)據(jù)裝入；putbuf(inq,hin)sin：getbuf(inq);數(shù)據(jù)提??；putbuf(emq,sin)hout：getbuf(emq);數(shù)據(jù)裝入；putbuf(outq,hout)sout：getbuf(outq);數(shù)據(jù)提??；putbuf(emq,sout)6.8磁盤(pán)存儲(chǔ)器的性能和調(diào)度6.8磁盤(pán)存儲(chǔ)器的性能和調(diào)度世界上第一塊硬盤(pán)是IBM的System305，產(chǎn)于1956年，用于RAMAC隨機(jī)計(jì)算及控制存取方式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。整個(gè)硬盤(pán)需要50個(gè)直徑為24英寸表面涂有磁漿的盤(pán)片。這個(gè)硬盤(pán)的容量?jī)H為5MB，重達(dá)1噸。磁盤(pán)的發(fā)展史RAMAC磁盤(pán)的發(fā)展史70年代，IBM3340存儲(chǔ)系統(tǒng)，每平方英寸存儲(chǔ)1.7MB的數(shù)據(jù)，租賃價(jià)值為7.81美元每兆，這個(gè)價(jià)格比當(dāng)時(shí)汽油的價(jià)格還貴38%磁盤(pán)的發(fā)展史1971年，IBM開(kāi)始采用一種名叫Merlin的技術(shù)生產(chǎn)硬盤(pán)，這種技術(shù)據(jù)稱能使硬盤(pán)頭更好地在盤(pán)片上索引。磁盤(pán)的發(fā)展史1979年，IBM發(fā)明了ThinFilm磁頭，使硬盤(pán)的數(shù)據(jù)定位更加準(zhǔn)確，因此使得硬盤(pán)的密度大幅提升。磁盤(pán)的發(fā)展史1982年，日立發(fā)布了全球首款容量超過(guò)1GB的硬盤(pán)，它擁有10片14英寸盤(pán)片，兩個(gè)讀寫(xiě)磁頭。磁盤(pán)的發(fā)展史1991年推出的2.5英寸的Tanba-1硬盤(pán)，它據(jù)有63MB存儲(chǔ)容量。目前這種2.5英寸硬盤(pán)仍然在筆記本電腦中普遍應(yīng)用，只不過(guò)如今的容量已經(jīng)達(dá)到100GB。磁盤(pán)的發(fā)展史這款直徑僅1英寸的硬盤(pán)是由IBM在1999年發(fā)明的，不過(guò)當(dāng)時(shí)并沒(méi)有找到廣泛應(yīng)用的領(lǐng)域，一直到蘋(píng)果MP3播放機(jī)iPobMini推出后它才得以進(jìn)行大眾市場(chǎng)。磁盤(pán)的發(fā)展史日立Microdrive，其直徑已經(jīng)從1英寸縮小至0.85英寸。磁盤(pán)的發(fā)展史法國(guó)科學(xué)家阿爾貝·費(fèi)爾和德國(guó)科學(xué)家彼得·格林貝格爾因發(fā)現(xiàn)巨磁電阻效應(yīng)而榮獲2007年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。據(jù)悉，巨磁電阻效應(yīng)相關(guān)技術(shù)被用于讀取硬盤(pán)中數(shù)據(jù)，這項(xiàng)技術(shù)是最近幾年硬盤(pán)小型化實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的關(guān)鍵。1997年，第一個(gè)基于“巨磁電阻”效應(yīng)的數(shù)據(jù)讀出頭問(wèn)世。磁盤(pán)的發(fā)展史6.8.1磁盤(pán)性能簡(jiǎn)述

數(shù)據(jù)的組織磁盤(pán)設(shè)備可包含一個(gè)或多個(gè)盤(pán)片，每片分兩面，每面可分成若干條磁道（500－2000），每條磁道上可存儲(chǔ)相同數(shù)目的二進(jìn)制位。每條磁道又分成若干扇區(qū)（10－100），每個(gè)扇區(qū)的大小相當(dāng)于一個(gè)盤(pán)塊。每個(gè)扇區(qū)包括兩個(gè)字段：標(biāo)識(shí)符字段數(shù)據(jù)字段1、數(shù)據(jù)的組織和格式

磁道扇區(qū)圖6-28磁盤(pán)的結(jié)構(gòu)和布局(a)磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)(b)磁盤(pán)的數(shù)據(jù)布局Aplatterfroma5.25“harddisk,with20concentrictracksdrawn

overthesurface.Eachtrackisdividedinto16imaginarysectors.圖6-29磁盤(pán)的格式化數(shù)據(jù)的格式Synch：具有特定的位圖像，作為該字段的分界符；Track：磁道號(hào)Head：磁頭號(hào)Sector：扇區(qū)號(hào)CRC：段校驗(yàn)1、數(shù)據(jù)的組織和格式

Capacity=(#bytes/sector)×(avg.#sectors/track)× (#tracks/surface)×(#surfaces/platter)× (#platters/disk)Example:512bytes/sector300sectors/track(onaverage)20,000tracks/surface2surfaces/platter5platters/diskCapacity=512×300×20000×2×5=30,720,000,000=30.72GB

計(jì)算磁盤(pán)容量固定頭磁盤(pán)在每條磁道上都有一個(gè)讀/寫(xiě)磁頭主要用于大容量磁盤(pán)上移動(dòng)頭磁盤(pán)每一個(gè)盤(pán)面僅配有一個(gè)磁頭，且能移動(dòng)以進(jìn)行尋道結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但只能進(jìn)行串行讀/寫(xiě)，I/O速度慢廣泛用于中小型磁盤(pán)設(shè)備中2.磁盤(pán)的類(lèi)型

DiskOperation(Multi-PlatterView)

armread/writeheadsmoveinunisonfromcylindertocylinderspindle磁盤(pán)訪問(wèn)時(shí)間尋道時(shí)間Ts

把磁臂(磁頭)從當(dāng)前位置移動(dòng)到指定磁道上所經(jīng)歷的時(shí)間旋轉(zhuǎn)延遲時(shí)間Tr指定扇區(qū)旋轉(zhuǎn)到磁頭下面所需的時(shí)間傳輸時(shí)間Tt把數(shù)據(jù)從磁盤(pán)讀出，或向磁盤(pán)寫(xiě)入數(shù)據(jù)所經(jīng)歷的時(shí)間3、磁盤(pán)訪問(wèn)時(shí)間

Ts是啟動(dòng)磁盤(pán)的時(shí)間S與磁頭移動(dòng)n條磁道所花費(fèi)時(shí)間之和。

Ts=m×n+S其中：m是一常數(shù)，與磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的速度有關(guān)，一般磁盤(pán)m=0.2，高速磁盤(pán)m≦0.1,磁盤(pán)啟動(dòng)時(shí)間約2ms訪問(wèn)時(shí)間

Ta=Ts+1/2r+b/rNTr=1/2rr為磁盤(pán)每秒鐘的轉(zhuǎn)數(shù)硬盤(pán)：Tr=8.3ms（轉(zhuǎn)速3600r/min）軟盤(pán)：Tr=50-100msTt的大小與每次所讀/寫(xiě)的字節(jié)數(shù)b和旋轉(zhuǎn)速度有關(guān)：

Tt=b/rN其中：r為磁盤(pán)旋轉(zhuǎn)速度N為一條磁道上的字節(jié)數(shù)當(dāng)一次讀寫(xiě)的字節(jié)等于半條磁道的字節(jié)時(shí)，Tt=Tr舉例：一個(gè)硬盤(pán)的扇區(qū)長(zhǎng)度為512