設備管理一第六章

設備管理一第六章第6章設備管理“設備”泛指計算機系統(tǒng)中的外部設備，即除主機以外的其他所有設備。在多道程序設計環(huán)境下，計算機系統(tǒng)允許多個用戶作業(yè)同時在內(nèi)存，它們的運行勢必涉及到I/O設備。于是，對于設備本身，有一個如何有效利用的問題；對于設備和CPU，有一個如何發(fā)揮并行工作能力的問題；對于設備和用戶，有一個如何方便使用的問題。2025/5/27設備管理的任務是完成用戶提出的I/O請求，為用戶分配I/O設備，提高CPU與I/O設備的利用率，提高I/O設備的速度，方便用戶使用I/O設備。2025/5/27系統(tǒng)的基本功能方便用戶使用I/O設備隱藏物理設備的細節(jié)與設備的無關性提高CPU和I/O設備的利用率提高CPU和I/O設備的利用率對I/O設備進行控制為用戶的共享設備時提供方便確保對設備的正確共享錯誤處理2025/5/276.1.2I/O系統(tǒng)的層次和結構模型I/O層次結構用戶層I/O軟件設備獨立性軟件設備驅動程序中斷處理程序2025/5/272025/5/27I/O層次結構

用戶層軟件設備獨立性軟件設備驅動程序中斷處理程序硬件實現(xiàn)與用戶交互的接口，產(chǎn)生I/O請求負責實現(xiàn)與設備驅動器的統(tǒng)一接口、設備命名，設備的保護，設備的分配與釋放，緩沖等。與硬件直接相關，負責具體實現(xiàn)系統(tǒng)對設備發(fā)出的操作指令，驅動I/O設備工作的驅動程序保護環(huán)境，轉入相應處理程序，恢復現(xiàn)場等執(zhí)行I/O操作2025/5/272025/5/27操作系統(tǒng)的I/O子系統(tǒng)通常由四個層次組成，每一層明確定義了與鄰近層次的接口。其合理的層次組織排列順序是(2012)A.用戶級I/O軟件、設備無關軟件、設備驅動程序、中斷處理程序B、用戶級I/O軟件、設備無關軟件、中斷處理程序、設備驅動程序C、用戶級I/O軟件、設備驅動程序、設備無關軟件、中斷處理程序D、用戶級I/O軟件、中斷處理程序、設備無關軟件、設備驅動程序用戶程序發(fā)出磁盤I/O請求后，系統(tǒng)的處理流程是：用戶程序-系統(tǒng)調用處理程序-設備驅動程序-中斷處理程序。其中，計算數(shù)據(jù)所在磁盤的柱面號、磁頭號、扇區(qū)號的程序是（2011,2013）A、用戶程序B、系統(tǒng)調用處理程序C、設備驅動程序D、中斷處理程序2025/5/272025/5/27I/O層次視圖

用戶層軟件設備獨立性軟件設備驅動程序中斷處理程序硬件I/O系統(tǒng)接口RW/HW接口2025/5/276.1.3I/O系統(tǒng)接口塊設備接口塊設備：數(shù)據(jù)的存取和傳輸都是以數(shù)據(jù)塊為單位的設備。特點：傳輸速率高，可尋址，DMA控制方式隱藏了磁盤的二維結構將抽象命令映射為低層操作流設備接口字符設備。特點：傳輸速率低，不可尋址，中斷驅動方式Get操作和put操作In-control指令網(wǎng)絡接口2025/5/276.2I/O設備和設備控制器

I/O設備由執(zhí)行I/O操作的機械部分和執(zhí)行控制I/O的電子部件（設備控制器）組成。2025/5/276.2.1I/O設備1、I/O設備的類型按使用特性分存儲設備：用以存儲信息的主要設備輸入輸出設備：輸入設備,輸出設備,交互式設備2025/5/27I/O設備的分類按傳輸速率分低速設備：每秒幾個到數(shù)百字節(jié)。如鍵盤、鼠標中速設備：每秒數(shù)千到數(shù)萬字節(jié)。如打印機高速設備：每秒數(shù)百K到數(shù)兆。如磁盤、磁帶2025/5/27按信息交換的單位分類塊設備

：

I/O傳輸?shù)膯挝皇菈K，如磁盤、磁帶。特征：速率高（幾兆）、可尋址（可隨機訪問任一塊）、DMA方式驅動。

字符設備：I/O傳輸?shù)膯挝皇亲止?jié)，如打印機、modem等。特征：速率較低、不可尋址、中斷驅動。2025/5/27

按設備共享屬性分類獨占型設備：在任一段時間內(nèi)最多有一個進程占用它，字符設備及磁帶機屬獨占型設備。即臨界資源。共享型設備：多個進程對它的訪問可以交叉進行，除磁帶機外的塊設備屬共享設備虛擬設備：在一類設備上模擬另一類設備，常用共享設備模擬獨占設備，用高速設備模擬低速設備，被模擬的設備稱為虛擬設備2025/5/272、設備與控制器之間的接口通常，設備不是直接與CPU進行通信，而是與設備控制器通信，因此在I/O設備中應含有與設備控制器間的接口，在該接口中有三種類型的信號，各對應一條信號線2025/5/272、設備與控制器之間的接口數(shù)據(jù)信號線用于在設備和設備控制器之間傳送數(shù)據(jù)信號?？刂菩盘柧€作為由設備控制器向I/O設備發(fā)送控制信號時的通路。狀態(tài)信號線用于傳送指示設備當前狀態(tài)的信號。2025/5/27設備控制器設備控制器主要負責控制一個或多個I/O設備，以實現(xiàn)I/O設備和計算機之間的數(shù)據(jù)交換。它是CPU與I/O設備之間的接口，接收從CPU發(fā)來的命令，并控制I/O設備工作，以使CPU從繁雜的設備控制事務中解脫出來。是一個可編址設備，每一個地址對應一個設備。設備控制器可分為兩類，一類用于控制字符設備的控制器，另一類是用于控制塊設備的控制器。在微型機中的控制器，常做成印刷電路卡，因而也常稱為接口卡2025/5/27設備控制器的基本功能接收和識別命令數(shù)據(jù)交換標識和報告設備的狀態(tài)地址識別數(shù)據(jù)緩沖差錯控制2025/5/27設備控制器的組成由于設備控制器位于CPU與設備之間，它既要與CPU通信，又要與設備通信，還應具有按照CPU所發(fā)來的命令去控制設備的工作的功能，因此現(xiàn)有的大多數(shù)控制器都是由三部分組成設備控制器與處理機的接口設備控制器與設備的接口I/O邏輯2025/5/27設備控制器的組成2025/5/27內(nèi)存映像I/O2025/5/27內(nèi)存映像I/O2025/5/27I/O通道 雖然在CPU與I/O設備之間增加了設備控制器后，已能大大減少CPU對I/O的干預，但當一個系統(tǒng)配置的設備較多時，I/O操作較為頻繁的情況下，CPU可能完全陷入I/O處理，這樣會大大地降低計算機系統(tǒng)的效率，解決的方法就是用到通道技術。

2025/5/27 通道方式的目的使一些原來由CPU處理的I/O任務轉由通道來承擔，從而使CPU徹底從I/O中解放出來。當用戶發(fā)出I/O請求后，CPU就把該請求全部交由通道去完成。通道在整個I/O任務結束后，才發(fā)出中斷信號，請求CPU進行善后處理。不僅數(shù)據(jù)傳輸獨立于CPU,而且I/O操作的組織管理也獨立于CPU。I/O通道的引入：2025/5/27 為使中央處理機從繁忙的I/O處理中擺脫出來，現(xiàn)代大、中型計算機系統(tǒng)中設置了專門的處理I/O操作的處理機，并把這種處理機稱為通道。通道在CPU的控制下獨立地執(zhí)行通道程序，對外部設備的I/O操作進行控制，以實現(xiàn)內(nèi)存與外設之間成批的數(shù)據(jù)交換。 通道=I/O處理機

通道概念2025/5/27

I/O通道與一般的處理機不同，主要表現(xiàn)在以下兩個方面：指令類型單一，這是由于通道硬件比較簡單，其所能執(zhí)行的命令，主要局限于與I/O操作有關的指令；通道沒有自己的內(nèi)存，通道所執(zhí)行的通道程序是放在主機的內(nèi)存中的，換言之，是通道與CPU共享內(nèi)存。2025/5/27I/O通道I/O通道的分類字節(jié)多路通道數(shù)據(jù)選擇通道數(shù)組多路通道2025/5/27通道的種類字節(jié)多路通道：字節(jié)多路通道是以字節(jié)為基本傳輸單位，通常含有許多非分配型子通道，其數(shù)量從幾十到數(shù)百個，每一個子通道連接一臺I/O設備，并控制該設備的I/O操作。這些子通道按時間片輪轉主式共享主通道。當一個子通道控制的某臺外設交換了一個字節(jié)后，就轉向下一個子通道，以控制下一臺設備傳送一個字節(jié)。這就實現(xiàn)了子通道的循環(huán)輪轉，以達到多路控制的目的，字節(jié)多路通道主要用來控制低速、并且以字節(jié)為基本傳送單位的設備。如打印機。2025/5/272025/5/27數(shù)組選擇通道：字節(jié)多路通道不適于連接高速設備，這推動了按數(shù)組方式進行數(shù)據(jù)傳送的數(shù)組選擇通道的形成。這種通道雖然可以連接多臺高速設備，但由于它只含有一個分配型子通道，在一段時間內(nèi)只能執(zhí)行一道通道程序，控制一臺設備進行數(shù)據(jù)傳送，致使當某臺設備占用了該通道后，便一直由它獨占，即使是它無數(shù)據(jù)傳送，通道被閑置，也不允許其它設備使用該通道，直至該設備傳送完畢釋放該通道。它的優(yōu)點是傳輸速度高，缺點是一次只能控制一臺設備進行I/O操作，利用率低。它主要用來控制高速外設。如磁盤選擇通道2025/5/27

數(shù)組多路通道：

這種通道是上述兩種通道的折中，可以分時的方式執(zhí)行多道程序，每道程序可傳送一組數(shù)據(jù)。因而這種通道既具有很高的數(shù)據(jù)傳輸速率，又能獲得令人滿意的通道利用率。也正因此，才使該通道能被廣泛地用于連接多臺高、中速的外圍設備，其數(shù)據(jù)傳送是按數(shù)組方式進行的。

在一大型系統(tǒng)中可以同時存在這三種類型的通道以便控制各種不同類型的設備。2025/5/27通道

I/O系統(tǒng)結構 在大型計算機系統(tǒng)中較為典型的I/O系統(tǒng)結構是主機、通道、控制器和外部設備。2025/5/27“瓶頸”問題

圖5-4單通路I/O系統(tǒng)2025/5/27圖5-5多通路I/O系統(tǒng)解決“瓶頸”問題的最有效方法就是增加設備到主機間的通路而不增加通道

2025/5/27練習通道是I/O處理機，它用于實現(xiàn)______之間的信息傳輸；____用作連接大量的低速或中速設備；A、數(shù)據(jù)選擇通道B、字節(jié)多路通道C、數(shù)據(jù)多路通道按_____分類可將設備分為塊設備和字符設備。A、從屬關系B、操作特性C、共享屬性D、信息交換單位2025/5/27練習硬盤屬于(

)

A、字符型設備

B、獨占型設備

C、塊設備

D、虛擬設備

所有的塊型設備都是共享設備。(

)打印機是一類典型的塊設備。（）選擇通道主要用于連接低速設備.

（）2025/5/276.3中斷機構和中斷處理程序中斷的簡介中斷是由于某些事件的出現(xiàn)，中止現(xiàn)行進程的執(zhí)行，而轉去處理出現(xiàn)的事件，中斷事件處理完后，再繼續(xù)運行被中止進程的過程。在這里引起中斷的事件稱為中斷源。中斷事件通常由硬件發(fā)現(xiàn)中斷的處理對出現(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2025/5/27中斷的簡介2025/5/27中斷的簡介

2025/5/27中斷的處理中斷處理過程①測定是否有未響應的中斷信號。②保護被中斷進程的CPU環(huán)境。③轉入相應的設備處理程序。④中斷處理。⑤恢復現(xiàn)場，退出中斷。2025/5/27圖6-10中斷現(xiàn)場保護示意圖2025/5/27圖6-11中斷處理流程2025/5/276.4設備驅動程序設備處理程序通常又稱為設備驅動程序，它是I/O進程與設備控制器之間的通信程序，又由于它常以進程的形式存在，所以簡稱之為設備驅動進程主要任務：接收上層軟件發(fā)來的抽象要求，把它轉換為具體要求后，發(fā)送給設備控制器，啟動設備去執(zhí)行。也將由設備控制器發(fā)來的信號傳送給上層軟件。通常，每一類設備配置一種驅動程序。2025/5/27設備驅動程序的功能和特點設備驅動程序的功能一是接收設備獨立性軟件發(fā)來的命令和參數(shù)，把抽象要求轉化為具體要求。二是檢查用戶I/O請求的合法性，了解I/O設備的狀態(tài)，傳遞有關參數(shù)，設置設備的工作方式。三是發(fā)出I/O命令，啟動分配到的I/O設備，完成指定的I/O操作。四是及時響應由控制器或通道發(fā)來的中斷請求，并根據(jù)其中斷類型調用相應的中斷處理程序進行處理。2025/5/27設備驅動程序的功能和特點設備驅動程序的特點一是驅動程序主要是在請求I/O的進程與設備控制器之間的一個通信程序。二是驅動程序與I/O設備的特性密切相關。三是驅動程序與I/O控制方式緊密相關。四是驅動程序與硬件緊密相關，其部分被固化在ROM中。五是驅動程序應允許可重入六是驅動程序不允許系統(tǒng)調用。2025/5/27設備驅動程序的功能和特點設備處理的方式一是為每一類設備設置一個進程，它專門執(zhí)行這類設備的I/O操作。二是在整個系統(tǒng)中設置一個I/O進程，專門負責對系統(tǒng)中所有各類設備的I/O操作。三是不設置專門的設備處理進程，只為各類設備設置相應的設備處理程序，供用戶進程或系統(tǒng)進程調用。2025/5/27設備驅動程序的處理過程主要任務：啟動指定設備將抽象要求轉化為具體要求檢查I/O請求的合法性讀出和檢查設備的狀態(tài)傳送必要的參數(shù)設置工作方式啟動I/O設備2025/5/27練習設備驅動程序與（）密切相關，如果計算機中配置有一個光盤，一個軟盤，一個硬盤，此時應為它們配置（）種外存設備驅動程序。如果系統(tǒng)中連接有四個相同的終端設備，此時應為它們配置（）個終端設備驅動程序2025/5/276.4.3對I/O設備控制方式輪詢的可編程I/O方式I/O中斷方式DMA方式通道方式中斷DMA通道2025/5/271程序I/O方式早期，I/O控制器是OS同硬件之間的接口p(147)。它有兩個寄存器：數(shù)據(jù)緩沖寄存器、控制/狀態(tài)寄存器。狀態(tài)控制寄存器有一個標志忙/閑的標志位busy。CPU外部設備控制邏輯電路控制寄存器I/O控制器數(shù)據(jù)寄存器2025/5/27工作過程以輸入為例1、把busy置12、反復測試busy，為1表示輸入機尚未輸完一個字，處理機應繼續(xù)對該標志進行測試，轉2，為0表示輸入機已將輸入數(shù)據(jù)送入控制器的數(shù)據(jù)寄存器中，轉33、把數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中讀走，并置busy為1。所謂“程序循環(huán)測試”的數(shù)據(jù)傳輸方式，就是指用戶進程使用啟動設備后，不斷地執(zhí)行測試指令，去測試所啟動設備的狀態(tài)寄存器。只有在狀態(tài)寄存器出現(xiàn)了所需要的狀態(tài)后，才停止測試工作，完成輸入/輸出。忙----等待方式2025/5/27

在程序I/O方式中，由于CPU的高速性和I/O設備的低速性，致使CPU的絕大部分時間都處于等待I/O設備完成數(shù)據(jù)I/O的循環(huán)測試中，造成對CPU的極大浪費。在該方式中，CPU之所以要不斷地測試I/O設備的狀態(tài)，就是因為在CPU中無中斷機構，使I/O設備無法向CPU報告它已完成了一個字符的輸入操作。2025/5/272I/O中斷方式I/O控制器能發(fā)中斷。工作過程：1、發(fā)出啟動某設備的命令，本進程（A）變?yōu)榈却隣顟B(tài)，轉進程調度，調度另一進程B。2、輸入完成時，控制器發(fā)出中斷，中斷B，通過中斷進入中斷處理程序。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，喚醒等待進程A，中斷返回到B的斷點繼續(xù)執(zhí)行。4、在以后的某個時刻OS調度要求輸入的進程A。A從M取數(shù)處理。

2025/5/272025/5/27在I/O設備輸入每個數(shù)據(jù)的過程中，由于無須CPU干預，因而可使CPU與I/O設備并行工作。僅當輸完一個數(shù)據(jù)時，才需CPU花費極短的時間去做些中斷處理。可見，這樣可使CPU和I/O設備都處于忙碌狀態(tài)，從而提高了整個系統(tǒng)的資源利用率及吞吐量。例如，從終端輸入一個字符的時間約為100ms，而將字符送入終端緩沖區(qū)的時間小于0.1ms。若采用程序I/O方式，CPU約有99.9ms的時間處于忙—等待中。采用中斷驅動方式后，CPU可利用這99.9ms的時間去做其它事情，而僅用0.1ms的時間來處理由控制器發(fā)來的中斷請求?？梢?，中斷驅動方式可以成百倍地提高CPU的利用率。2025/5/27分析同前相比，CPU利用率大大提高。缺點：每臺設備每輸入輸出一個字節(jié)的數(shù)據(jù)都有一次中斷。如果設備較多時，中斷次數(shù)會很多，使CPU的計算時間大大減少。為減少中斷對CPU造成的負擔，可采用DMA方式和通道方式。2025/5/273直接存儲器訪問（DMA）方式直接存儲器存取控制方式的概念是指對I/O設備的控制由DMA控制器完成，在DMA控制器的作用下，設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。2025/5/275.2.3DMA方式直接存儲器存取控制方式的概念該方式的特點是：①數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕締挝皇菙?shù)據(jù)塊，即在CPU與I/O設備之間，每次傳送至少一個數(shù)據(jù)塊；②所傳送的數(shù)據(jù)是從設備直接送入內(nèi)存的，或者相反；③僅在傳送一個或多個數(shù)據(jù)塊的開始和結束時，才需CPU干預，整塊數(shù)據(jù)的傳送是在控制器的控制下完成的?？梢?，DMA方式較之中斷驅動方式，又是成百倍地減少了CPU對I/O的干預，進一步提高了CPU與I/O設備的并行操作程度。

2025/5/27DMA方式 控制器功能更強，除有中斷功能外，還有一個DMA控制機構。在DMA控制器的控制下，設備同主存之間可成批交換數(shù)據(jù)，不用CPU干預。DMA控制器組成：主機與DMA控制器的接口；DMA控制器與塊設備的接口；I/O控制邏輯2025/5/27DMA方式

DMA控制器組成：主機與DMA控制器的接口；DMA控制器與塊設備的接口；I/O控制邏輯為了實現(xiàn)在主機與控制器之間的成塊數(shù)據(jù)的直接交換，須在DMA控制器中設置如下四類寄存器：命令/狀態(tài)寄存器CR；內(nèi)存地址寄存器MAR；數(shù)據(jù)寄存器DR；數(shù)據(jù)計數(shù)器DC。2025/5/27DMA方式工作過程直接存儲器存取控制方式的步驟(P197)①當進程要求設備輸入一批數(shù)據(jù)時，CPU將設備存放輸入數(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MAR和數(shù)據(jù)計數(shù)器DC；另外，還要將磁盤中的源地址直接送至DMA控制器的I/O控制邏輯上。②發(fā)出數(shù)據(jù)要求的進程進入等待狀態(tài)，進程調度程序調度其他進程占據(jù)CPU。③輸入設備不斷從磁盤中讀入一個字的數(shù)據(jù)并送入數(shù)據(jù)寄存器DR中，再挪用一個存儲器周期，將數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)寫入內(nèi)存，MAR+1，DC-1，若DC不為0則繼續(xù)傳下一個字。④DMA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。⑤在以后的某個時刻，進程調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。2025/5/273.DMA工作過程圖5-9DMA方式的工作流程2025/5/27直接存儲器存取控制直接存儲器存取控制方式的特點I/O數(shù)據(jù)傳輸速度快，CPU負擔少。在DMA方式下，數(shù)據(jù)的傳送方向、存放數(shù)據(jù)的內(nèi)存始址及傳送數(shù)據(jù)的長度等都由CPU控制。每臺設備需要配一個DMA控制器。2025/5/27DMA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)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CPU控制完成的2025/5/27實現(xiàn)流程2025/5/274I/O通道控制方式

1.I/O通道控制方式的引入

雖然DMA方式比起中斷方式來，已經(jīng)顯著地減少了CPU的干預，即已由以字(節(jié))為單位的干預減少到以數(shù)據(jù)塊為單位的干預，但CPU每發(fā)出一條I/O指令，也只能去讀一個連續(xù)的數(shù)據(jù)塊，要是一次去讀多個數(shù)據(jù)塊且將它們分別傳送到不同的內(nèi)存區(qū)域，則須由CPU發(fā)出多條I/O指令，進行多次中斷。2025/5/275.2.4I/O通道控制方式

1.I/O通道控制方式的引入

I/O通道方式是DMA方式的發(fā)展，它可進一步減少CPU的干預，即把對一個數(shù)據(jù)塊的讀(或寫)為單位的干預，減少為對一組數(shù)據(jù)塊的讀(或寫)及有關的控制和管理為單位的干預。同時，又可實現(xiàn)CPU、通道和I/O設備三者的并行操作，從而更有效地提高整個系統(tǒng)的資源利用率。例如，當CPU要完成一組相關的讀(或寫)操作及有關控制時，只需向I/O通道發(fā)送一條I/O指令，以給出其所要執(zhí)行的通道程序的首址和要訪問的I/O設備，通道接到該指令后，通過執(zhí)行通道程序便可完成CPU指定的I/O任務。2025/5/272通道程序通道有它自己的指令系統(tǒng)，用一系列通道指令構成的程序叫通道程序。通道通過執(zhí)行通道程序，并與設備控制器共同實現(xiàn)對I/O設備的控制。通道只能執(zhí)行通道程序，不可能執(zhí)行用戶進程。

2025/5/27通道有自己的指令系統(tǒng)，它與一般的機器指令不同，在它的每條指令中都包含下列諸信息：操作碼；內(nèi)存地址；計數(shù)；通道程序結束位P；記錄結束標志R2025/5/27操作PR計數(shù)內(nèi)存地址WRITE0080813WRITE001401034WRITE01605830WRITE013002000WRITE002501850WRITE112507202025/5/27若干通道命令字構成一個“通道程序”，它規(guī)定了設備應該執(zhí)行的各種操作和順序。在CPU啟動通道后，由通道執(zhí)行通道程序，完成CPU所交給的I/O任務。通常，通道程序存放在通道自己的存儲部件里。當通道中沒有存儲部件時，就存放在內(nèi)存儲器里。這時，為了使通道能取到通道程序去執(zhí)行，必須把存放通道程序的內(nèi)存起始地址告訴通道。存放這個起始地址的內(nèi)存固定單元，被稱為“通道地址字”。2025/5/27通道的工作過程某進程在運行過程中，若提出了I/O請求，只需向通道I/O通道發(fā)一條I/O指令，以給出其所要執(zhí)行的通道程序的始址和要訪問的I/O設備；用戶進程阻塞以等待I/O完成通道則通過執(zhí)行通道程序控制設備控制器，控制設備完成指定的I/O任務。發(fā)出中斷信號通知CPU通道程序已執(zhí)行完成。CPU響應中斷，進行善后處理并喚醒被阻塞的用戶進程2025/5/27

通道是一種特殊的（），具有（）能力。主機的CPU與通道可以并行工作，并通過（）實現(xiàn)彼此之間的通信和同步。1、I/O設備2、設備控制器3、處理機4、I/O控制器1、執(zhí)行I/O指令集2、執(zhí)行CPU指令集

3、傳輸I/O命令4、運行I/O進程1、I/O指令2、I/O中斷3、I/O指令和I/O中斷4、操作員2025/5/27

在程序I/O方式中，對于輸出設備，準備就緒就是指1、輸出緩沖區(qū)已空2、輸出緩沖區(qū)已有數(shù)據(jù)

3、輸出設備已開始工作4、輸出設備已收到I/O指令不使用中斷機制的I/O控制方式是_____如果I/O設備與存儲設備進行數(shù)據(jù)交換不經(jīng)過CPU來完成，這種數(shù)據(jù)交換方式是_____。A、程序查詢B、中斷方式C、DMA方式在中斷驅動方式中，CPU是以______為單位對I/O進行干預的；DMA方式時，是以______為單位進行干預的；I/O通道方式是以______為單位進行干預的。2025/5/276.5設備無關的I/O軟件設備獨立性概念（設備無關性）應用程序中所使用的設備，不局限于使用某個具體的物理設備。應用程序獨立于具體使用的物理設備。在應用程序中，使用邏輯設備名稱來請求使用某類設備。系統(tǒng)在實際執(zhí)行時，必須使用物理設備名稱2025/5/27設備獨立性設備獨立性好處（設備無關性）設備分配時的靈活性。如果一個系統(tǒng)中有若干臺相同的設備，用戶編程時不指定使用哪一個具體的設備，而僅說明要使用哪一類設備，系統(tǒng)根據(jù)當前這一類設備的具體狀況給用戶分配一臺具體的設備。易于實現(xiàn)I/O重定向。用于I/O操作的設備可以更換（重定向），而不必改變應用程序。例如有一程序要求輸入信息，可以從各種不同類型的輸入設備上給程序輸入數(shù)據(jù)，則稱該程序是獨立于不同類型的輸入設備的。2025/5/27設備獨立性邏輯設備名到物理設備名映射的實現(xiàn)邏輯設備表LUT將應用程序中所使用的邏輯設備名映射為物理設備名。2025/5/27設備獨立性設備獨立性軟件驅動程序是一個與硬件緊密相關的軟件，為了實現(xiàn)設備獨立性，必須在其上設置一層軟件稱為設備獨立性軟件。其功能有執(zhí)行所有設備的公有操作這些公有操作包括：①設備驅動程序的統(tǒng)一接口，無論何種設備，它們向用戶所提供的接口應該是相同的。例如，對各種設備的讀操作，在應用程序中都使用read;而對各種設備的寫操作，也都使用write；并將邏輯設備名映射為物理設備名，進一步可以找到相應物理設備的驅動程序；對設備進行保護，禁止用戶直接訪問設備；②緩沖管理，即對字符設備和塊設備的緩沖區(qū)進行有效的管理，以提高I/O的效率；③差錯控制。設備獨立性軟件只處理那些設備驅動程序無法處理的錯誤。④對獨立設備的分配與回收；⑤提供獨立于設備的邏輯塊。向用戶層(或文件層)軟件提供統(tǒng)一接口

2025/5/27程序員利用系統(tǒng)調用打開I/O設備時，通常使用的設備標識是（2009）A.邏輯設備名B.物理設備名C.主設備號D.從設備號本地用戶通過鍵盤登陸系統(tǒng)是，首先獲得鍵盤輸入信息的程序是()。（2010）A.命令解釋程序B.中斷處理程序 C.系統(tǒng)調用程序 D.用戶登錄程序2025/5/276.5.3設

備

分

配在多道程序環(huán)境下，系統(tǒng)中的設備供所有進程共享，為防止諸進程對系統(tǒng)資源的無序競爭，特規(guī)定系統(tǒng)設備不允許用戶自行使用，必須由系統(tǒng)統(tǒng)一分配。每當進程向系統(tǒng)提出請求時，只要是可能和安全的，按一定策略分配為了實現(xiàn)獨占設備分配，必須在系統(tǒng)中設置相應的數(shù)據(jù)結構2025/5/27設備分配中的數(shù)據(jù)結構從前面所學內(nèi)容中我們知道，創(chuàng)建一個進程時，開辟一個進程控制塊PCB，以便隨時記錄進程的信息；在把一個作業(yè)提交給系統(tǒng)時，系統(tǒng)也是開辟一個作業(yè)控制塊JCB，以便隨時記錄作業(yè)的信息。為了管理系統(tǒng)中的外部設備，操作系統(tǒng)仍然采用這種老辦法：為每一臺設備開辟一個存儲區(qū)，隨時記錄系統(tǒng)中每一個設備的基本信息，這個存儲區(qū)被稱為“設備控制表DCT（DeviceControlTable）”。2025/5/27設備分配中的數(shù)據(jù)結構設備控制表（DCT）系統(tǒng)為每個設備配置一張設備控制表，用于記錄設備的特性及I/O控制器連接的情況。

控制器控制表（COCT）每個控制器配置一張表，它反映控制器的使用情況等。

通道控制表（CHCT）為每個通道配置一張表，它反映通道的使用狀態(tài)。系統(tǒng)設備表（SDT）它記錄已被連接到系統(tǒng)中的所有物理設備的情況，每個物理設備占一個表目。整個系統(tǒng)配置一張。

2025/5/27下圖左側的“DCT”，表示系統(tǒng)中所有外部設備的DCT的集合；中間是對其中的第i個設備的DCT放大，給出了DCT中可能有的一些表項。不難理解，隨著系統(tǒng)的不同，DCT中所含的內(nèi)容也不同。DCT2025/5/27DCTDCT1DCTiDCTnDCTi圖：設備控制表及設備請求隊列忙/閑等待/不等待與設備連接的控制器表指針重復執(zhí)行次數(shù)（出錯時重新傳送的次數(shù)）2025/5/27DCT由于設備控制表DCT中存放的是一臺具體設備的有關信息，找到一個設備的DCT，就得到了該設備的特性、各種參數(shù)、使用情況等，所以DCT是設備管理中最重要的一種數(shù)據(jù)結構。2025/5/27控制器控制表和通道控制表2025/5/27為了管理設備，系統(tǒng)除了為每個設備設置DCT外，整個系統(tǒng)還要有一張所謂的“系統(tǒng)設備表（SDT—SystemDeviceTable）”。系統(tǒng)初啟時，每一個標準的以及用戶提供的外部設備，在該表中都有一個表目，表目內(nèi)容可以有該外部設備的標識、所屬的類型以及它的設備控制表DCT的指針（即DCT所在的起始地址），如下圖所示。2025/5/272025/5/27設備分配應考慮的因素設備的固有屬性設備的分配算法設備分配的安全性2025/5/27設備分配應考慮的因素設備的固有屬性獨占性：在使用上具有排它性的設備。當一個作業(yè)進程在使用某種設備時，別的作業(yè)進程就只能等到該進程使用完畢后才能用，那么這種設備就是獨享設備。鍵盤輸入機、磁帶機和打印機等都是典型的獨享設備。獨占設備：采用獨享分配策略，即將一個設備分配給某進程后，便由該進程獨占，直至該進程完成或釋放該設備。缺點：設備得不到充分利用，可能引起死鎖2025/5/27設備分配應考慮的因素設備的固有屬性共享性：允許多個進程共同時共享。軟硬盤、光盤等塊設備都是共享設備共享設備：同時分配給多個進程使用，須注意對這些進程訪問該設備的先后次序進行合理調度。2025/5/27設備分配應考慮的因素設備的固有屬性虛擬性：本身雖是獨占設備，但經(jīng)過某種技術處理，可以把它改造成虛擬設備。將一臺打印機虛擬成多臺打印機虛擬設備：一臺可虛擬設備是可共享的設備，可以將它同時分配給多個進程使用，并對這些訪問該（物理設備）的先后次序進行控制2025/5/27設備分配應考慮的因素設備分配算法先來先服務：當有多個進程對同一個設備提出I/O請求時，該算法根據(jù)諸進程對某設備提出請求的先后次序，將這些進程排成一個設備請求隊列，總是把設備首先分配給隊首進程優(yōu)先級高者優(yōu)先：將優(yōu)先權高的進程排在設備隊列前面，對于優(yōu)先級相同的I/O請求，則按先來先服務原則排隊2025/5/27設備分配應考慮的因素設備分配的安全性安全分配方式：每當進程發(fā)出I/O請求后，便進入阻塞狀態(tài)，直到其I/O操作完成時才被喚醒。一旦獲得某種設備后便阻塞,使該進程不可能再請求任何資源,在它運行時又不保持任何資源。摒棄了“請求和保持”不安全分配方式：進程在發(fā)出I/O請求后仍繼續(xù)運行，需要時又發(fā)出第二個I/O請求、第三個。僅當進程所請求的設備已被另一進程占用時，請求進程才進入阻塞狀態(tài)?？赡茉斐伤梨i。須進行安全性計算.2025/5/27獨占設備的分配程序步驟：分配設備分配控制器分配通道只有在設備、控制器和通道三者都分配成功時，這次的設備分配才算成功。才可啟動該I/O設備進行數(shù)據(jù)傳送。2025/5/27獨占設備的分配程序改進：基本分配程序的缺點：進程是以物理設備名來提出I/O請求的；采用的是單通路的I/O系統(tǒng)結構，容易產(chǎn)生“瓶頸”現(xiàn)象改進方法增加設備獨立性：進程使用邏輯設備名請求I/O考慮多通路情況2025/5/27設備獨立性邏輯設備名到物理設備名映射的實現(xiàn)邏輯設備表LUT

LUT設置可采用兩種方式：整個系統(tǒng)中只設置一張LUT為每個用戶設置一張LUT2025/5/27獨占設備的分配程序改進：2025/5/276.6用戶層的I/O軟件大部分的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，包括與用戶程序鏈接在一起的庫函數(shù)，以及完全運行于內(nèi)核之外