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1、2022-8-111操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)2022-8-112內(nèi)容概內(nèi)容概述述5.1 I/O系統(tǒng)系統(tǒng) 5.2 I/O控制方式控制方式 5.3 緩沖管理緩沖管理 5.4 設備分配設備分配 5.5 設備處理設備處理 5.6 磁盤存儲器管理磁盤存儲器管理 I/O系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)的重要組成部分。系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)的重要組成部分。I/O系統(tǒng)包括用系統(tǒng)包括用于實現(xiàn)于實現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入、輸出、存儲數(shù)據(jù)輸入、輸出、存儲功能的設備和相應的控制器功能的設備和相應的控制器,設設備管理的基本任務是備管理的基本任務是完成用戶提出的完成用戶提出的I/O請求請求,提高提高I/O速率以速率以及改善及改善I/O的利用率。的利用率。設備管理的

2、主要功能有設備管理的主要功能有緩沖區(qū)管理、設緩沖區(qū)管理、設備分配、設備處理、虛擬設備及實現(xiàn)設備獨立性。備分配、設備處理、虛擬設備及實現(xiàn)設備獨立性。2022-8-1135.1.1 I/O設備設備5.1.2 設備控制器設備控制器5.1.3 I/O通道通道5.1.4 總線系統(tǒng)總線系統(tǒng)2022-8-1145.1.1 I/O設備設備1.I/O設備的類型設備的類型(1)按按傳輸速率傳輸速率分類分類低速設備低速設備 每秒幾個字節(jié)至數(shù)百字節(jié)每秒幾個字節(jié)至數(shù)百字節(jié)鍵盤、鼠標、語音輸入輸出設備等鍵盤、鼠標、語音輸入輸出設備等中速設備中速設備每秒數(shù)千至數(shù)萬字節(jié)每秒數(shù)千至數(shù)萬字節(jié)行式打印機、激光打印機等行式打印機、激

3、光打印機等高速設備高速設備每秒數(shù)百每秒數(shù)百K至數(shù)十至數(shù)十M字節(jié)字節(jié)磁盤機、磁帶機、光盤機等磁盤機、磁帶機、光盤機等2022-8-115(2)按按信息交換的單位信息交換的單位分類分類塊設備塊設備(Block Device)信息的存取總是以信息的存取總是以數(shù)據(jù)塊數(shù)據(jù)塊為單位為單位基本特征基本特征是其傳輸速率較高是其傳輸速率較高,通常每秒鐘為幾兆位通常每秒鐘為幾兆位可尋址可尋址,即對它可隨機地讀即對它可隨機地讀/寫任一塊寫任一塊屬于有結(jié)構(gòu)設備屬于有結(jié)構(gòu)設備磁盤磁盤的的I/O常采用常采用DMA方式方式,每個盤塊的大小為每個盤塊的大小為512B4KB字符設備字符設備(Character Device)基

4、本單位是基本單位是字符字符基本特征基本特征是其傳輸速率較低是其傳輸速率較低,通常每秒鐘為幾個字通常每秒鐘為幾個字節(jié)到數(shù)千字節(jié)節(jié)到數(shù)千字節(jié)不可尋址不可尋址屬于無結(jié)構(gòu)設備屬于無結(jié)構(gòu)設備通常采用通常采用中斷驅(qū)動方式中斷驅(qū)動方式例例:交互式終端、打印機交互式終端、打印機2022-8-116(3)按按設備的共享屬性設備的共享屬性分類分類獨占設備獨占設備(臨界資源臨界資源)如打印機如打印機共享設備共享設備 可供多個進程同時訪問可供多個進程同時訪問,如磁盤如磁盤共享設備必須是共享設備必須是可尋址可尋址的和的和可隨機訪問可隨機訪問的設備。的設備。虛擬設備虛擬設備通過虛擬技術(shù)將一臺獨占設備變換為若通過虛擬技術(shù)將

5、一臺獨占設備變換為若干個邏輯設備干個邏輯設備,供若干個進程同時使用供若干個進程同時使用2022-8-117(4)按按操作操作(使用使用)特性特性分類分類存儲設備存儲設備:用來存放各種信息的設備稱為存用來存放各種信息的設備稱為存儲設備儲設備例軟盤、例軟盤、磁磁盤、光盤和磁帶等盤、光盤和磁帶等I/O設備設備:用來向計算機輸入和輸出信息的設用來向計算機輸入和輸出信息的設備備如如鍵盤、鼠標、顯示器、打印機鍵盤、鼠標、顯示器、打印機在現(xiàn)代計算機系統(tǒng)中有些設備既可以做存儲在現(xiàn)代計算機系統(tǒng)中有些設備既可以做存儲設備設備,也可以做也可以做I/O設備設備,例如例如,軟盤、硬盤等。軟盤、硬盤等。2022-8-11

6、8圖圖5-1 設備與控制器間的接口設備與控制器間的接口 2.設備與設備控制器之間的接口設備與設備控制器之間的接口數(shù)據(jù)信號線數(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)信號用于在設備和設備控制器之間傳送數(shù)據(jù)信號控制信號線控制信號線作為由設備控制器向作為由設備控制器向I/O設備發(fā)送控制信號時的通路設備發(fā)送控制信號時的通路狀態(tài)信號線狀態(tài)信號線用于傳送指示設備當前狀態(tài)的信號用于傳送指示設備當前狀態(tài)的信號緩沖緩沖轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器控制邏輯控制邏輯信號信號數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)信號線數(shù)據(jù)信號線狀態(tài)信號線狀態(tài)信號線控制信號線控制信號線至設備至設備控制器控制器I/O設備設備2022-8-1195.1.1 I/O設備設備5.1

7、.2 設備控制器設備控制器5.1.3 I/O通道通道5.1.4 總線系統(tǒng)總線系統(tǒng)2022-8-11105.1.2 設備控制器設備控制器設備控制器設備控制器是是CPU與與I/O設備之間的接口設備之間的接口,常做成印刷電常做成印刷電路卡形式路卡形式,也稱接口卡。也稱接口卡。接收接收CPU發(fā)來的命令發(fā)來的命令,控制一個或多個控制一個或多個I/O設備設備,以實現(xiàn)以實現(xiàn)I/O設備和計算機之間的數(shù)據(jù)交換設備和計算機之間的數(shù)據(jù)交換,減輕減輕CPU的負擔的負擔1.設備控制器的基本功能設備控制器的基本功能(1)接收和識別命令接收和識別命令(2)數(shù)據(jù)交換數(shù)據(jù)交換(3)標識和報告設備的狀態(tài)標識和報告設備的狀態(tài)(4)

8、地址識別地址識別(5)數(shù)據(jù)緩沖數(shù)據(jù)緩沖(6)差錯控制差錯控制 2022-8-11112.設備控制器的組成設備控制器的組成設備控制器與處理機的接口設備控制器與處理機的接口 該接口用于實現(xiàn)設備控制器與該接口用于實現(xiàn)設備控制器與CPU之間的通信。在該之間的通信。在該接口中有三類信號線接口中有三類信號線:數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線、地址線地址線、控制線控制線。設備控制器與設備的接口設備控制器與設備的接口 在一個設備控制器上在一個設備控制器上,可以連接一臺或多臺設備。相可以連接一臺或多臺設備。相應地應地,在控制器中就有一個或多個設備接口在控制器中就有一個或多個設備接口,一個接口連一個接口連接一臺設備接一臺設備,在每個

9、接口中都有數(shù)據(jù)、控制和狀態(tài)三種在每個接口中都有數(shù)據(jù)、控制和狀態(tài)三種類型的信號。類型的信號。I/O邏輯邏輯 控制器對設備的控制通過控制器對設備的控制通過I/O邏輯實現(xiàn)的。包括對收邏輯實現(xiàn)的。包括對收到到命令命令和和地址地址進行進行譯碼譯碼。2022-8-1112圖圖5-2 設備控制器的組成設備控制器的組成 數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)寄存器控制/狀態(tài)控制/狀態(tài)寄存器寄存器數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線I/O邏輯邏輯控制器控制器與設備與設備接口1接口1控制器控制器與設備與設備接口接口i數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)狀態(tài)狀態(tài)控制控制數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)狀態(tài)狀態(tài)控制控制地址線地址線控制線控制線CPU與控制器接口與控制器接口控制器與設備接口控制器與設備接口2022-8

10、-11135.1.1 I/O設備設備5.1.2 設備控制器設備控制器5.1.3 I/O通道通道5.1.4 總線系統(tǒng)總線系統(tǒng)2022-8-11145.1.3 I/O通道通道 1.I/O通道通道(I/O Channel)設備的引入設備的引入是一種是一種特殊處理機特殊處理機,專門負責輸入專門負責輸入/輸出工作輸出工作有自己簡單的指令系統(tǒng)有自己簡單的指令系統(tǒng),只有數(shù)據(jù)傳送指令和設備控制只有數(shù)據(jù)傳送指令和設備控制指令指令主要主要目的目的是為了建立獨立的是為了建立獨立的I/O操作操作,使有關(guān)對使有關(guān)對I/O操作操作的組織、管理及其結(jié)束處理也獨立于的組織、管理及其結(jié)束處理也獨立于CPUCPU向向I/O通道發(fā)

11、送通道發(fā)送I/O命令命令,由通道執(zhí)行程序由通道執(zhí)行程序通道與一般處理機的通道與一般處理機的區(qū)別區(qū)別指令類型單一指令類型單一,局限于與局限于與I/O操作有關(guān)命令。操作有關(guān)命令。沒有獨立的內(nèi)存沒有獨立的內(nèi)存,通道與通道與CPU共享內(nèi)存。共享內(nèi)存。2022-8-1115圖圖5-3 字節(jié)多路通道的工作原理字節(jié)多路通道的工作原理 2.通道類型通道類型(1)字節(jié)多路通道字節(jié)多路通道(Byte Multiplexor Channel)一個主通道連接多個子通道一個主通道連接多個子通道,以以時間片輪轉(zhuǎn)時間片輪轉(zhuǎn)方式共享方式共享主通道主通道每個子通道每次只傳送每個子通道每次只傳送一個字節(jié)一個字節(jié),連接連接中低速中

12、低速設備設備控制器控制器A控制器控制器B控制器控制器C控制器控制器D控制器控制器NA1A2A3子通道子通道AB1B2B3子通道子通道BC1C2C3子通道子通道CN1N2N3子通道子通道NA1B1C1A2B2C2設備2022-8-1116(2)數(shù)組選擇通道數(shù)組選擇通道(Block Selector Channel)由于由于(1)不適合高速設備不適合高速設備以以數(shù)組方式數(shù)組方式工作工作,高速傳輸數(shù)據(jù)高速傳輸數(shù)據(jù)可以連接多臺高速設備可以連接多臺高速設備每次只有一臺設備進行數(shù)據(jù)傳送每次只有一臺設備進行數(shù)據(jù)傳送,形成形成獨占獨占,如果它不傳數(shù)據(jù)如果它不傳數(shù)據(jù),別的設備也傳不了。通道別的設備也傳不了。通道

13、利用率較低。利用率較低。2022-8-1117(3)數(shù)組多路通道數(shù)組多路通道(Block Multiplexor Channel)由于由于(2)有獨占性有獨占性將將數(shù)組選擇通道數(shù)組選擇通道傳輸速率高和傳輸速率高和字節(jié)多路通道字節(jié)多路通道分時并行操作的優(yōu)點相分時并行操作的優(yōu)點相結(jié)合結(jié)合而形成的一種新而形成的一種新通道通道其數(shù)據(jù)傳送是按其數(shù)據(jù)傳送是按數(shù)組方式數(shù)組方式。采用采用分時分時傳送多個非分配型子通道傳送多個非分配型子通道,因而這因而這種通道既具有很高的種通道既具有很高的數(shù)據(jù)傳輸速率數(shù)據(jù)傳輸速率,又能獲又能獲得令人滿意的得令人滿意的通道利用率通道利用率2022-8-11183.“瓶頸瓶頸”問題

14、問題 圖圖5-4 單通路單通路I/O系統(tǒng)系統(tǒng) 2022-8-1119圖圖5-5 多通路多通路I/O系統(tǒng)系統(tǒng) 2022-8-11205.1.1 I/O設備設備5.1.2 設備控制器設備控制器5.1.3 I/O通道通道5.1.4 總線系統(tǒng)總線系統(tǒng)2022-8-11215.1.4 總線系統(tǒng)總線系統(tǒng) 圖圖5-6 總線型總線型I/O系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 在計算機系統(tǒng)中的各部件在計算機系統(tǒng)中的各部件,如如CPU、存儲器以及各種、存儲器以及各種I/O設備之間都是通過總線來聯(lián)系設備之間都是通過總線來聯(lián)系CPU存儲器存儲器磁盤磁盤控制器控制器打印機打印機控制器控制器其它其它控制器控制器磁盤驅(qū)動器磁盤驅(qū)動器打印機打印

15、機系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線2022-8-11221.ISA和和EISA總線總線 1)ISA(Industry Standard Architecture)總線總線 這是為了這是為了1984年推出的年推出的80286型微機而設計的總線結(jié)構(gòu)。型微機而設計的總線結(jié)構(gòu)。其總線的帶寬為其總線的帶寬為8位位,最高傳輸速率為最高傳輸速率為2Mb/s。之后不久又推出。之后不久又推出了了16位的位的(EISA)總線總線,其最高傳輸速率為其最高傳輸速率為8Mb/s,后又升至后又升至16 Mb/s,能連接能連接12臺設備。臺設備。2)EISA(Extended ISA)總線總線 到到80年代末期年代末期,ISA總線已難于滿

16、足帶寬和傳輸速率的要求總線已難于滿足帶寬和傳輸速率的要求,于是人們又開發(fā)出擴展于是人們又開發(fā)出擴展ISA(EISA)總線總線,其帶寬為其帶寬為32位位,總線的傳總線的傳輸速率高達輸速率高達32Mb/s,同樣可以連接同樣可以連接12臺外部設備。臺外部設備。2022-8-11232.局部總線局部總線(Local Bus)局部總線局部總線是指將多媒體卡、高速網(wǎng)卡、高性能圖形板是指將多媒體卡、高速網(wǎng)卡、高性能圖形板等從等從ISA總線上卸下來總線上卸下來,再通過局部總線控制器直接接再通過局部總線控制器直接接到到CPU總線上總線上 VESA(Video Electronic Standard Associ

17、ation)總線總線 PCI(Peripheral Component Interface)總線總線 2022-8-1124內(nèi)容概述內(nèi)容概述5.1 I/O系統(tǒng)系統(tǒng) 5.2 I/O控制方式控制方式 5.3 緩沖管理緩沖管理 5.4 設備分配設備分配 5.5 設備處理設備處理 5.6 磁盤存儲器管理磁盤存儲器管理 2022-8-11255.2.1 程序程序I/O方式方式5.2.2 中斷驅(qū)動中斷驅(qū)動I/O方式方式5.2.3 直接存儲器訪問直接存儲器訪問DMA I/O控制方式控制方式5.2.4 I/O通道控制方式通道控制方式 設備管理的主要任務之一是支持計算機與各種外部設備交換信設備管理的主要任務之一

18、是支持計算機與各種外部設備交換信息。它通過內(nèi)存與外部設備間的數(shù)據(jù)傳輸實現(xiàn)。內(nèi)存與外設的控息。它通過內(nèi)存與外部設備間的數(shù)據(jù)傳輸實現(xiàn)。內(nèi)存與外設的控制方式主要有四種制方式主要有四種:程序程序I/O方式、中斷驅(qū)動方式、中斷驅(qū)動I/O方式、直接存儲訪方式、直接存儲訪問問DMA I/O控制方式和控制方式和I/O通道控制方式通道控制方式。2022-8-11265.2.1 程序程序I/O方式方式 程序程序I/O控制方式也稱為控制方式也稱為“忙忙等待等待”方式方式,即在一個設備即在一個設備的操作沒有完成時的操作沒有完成時,控制程序一直檢測設備的狀態(tài)控制程序一直檢測設備的狀態(tài),直到該直到該操作完成操作完成,才能

19、進行下一個操作。才能進行下一個操作。CPU通過通過I/O測試指令測試設備接口中的狀態(tài)位測試指令測試設備接口中的狀態(tài)位,當為當為“忙忙”時則一直測試時則一直測試,當為當為“閑閑”時時,可進行數(shù)據(jù)傳送可進行數(shù)據(jù)傳送,每次傳送每次傳送一一個字符個字符 CPU的絕大部分時間都處于等待的絕大部分時間都處于等待I/O設備完成數(shù)據(jù)設備完成數(shù)據(jù)I/O的循的循環(huán)測試中環(huán)測試中 外設不能合理使用外設不能合理使用,也無法支持多道程序也無法支持多道程序2022-8-1127程序直接控制方式的程序直接控制方式的步驟步驟 當用戶需要輸入數(shù)據(jù)時當用戶需要輸入數(shù)據(jù)時,由處理機向設備控制器發(fā)出一條由處理機向設備控制器發(fā)出一條I

20、/O指令指令,啟動設備進行輸入。在設備輸入數(shù)據(jù)期間啟動設備進行輸入。在設備輸入數(shù)據(jù)期間,處理處理機通過循環(huán)執(zhí)行測試指令不間斷地檢測設備狀態(tài)寄存器機通過循環(huán)執(zhí)行測試指令不間斷地檢測設備狀態(tài)寄存器的值的值,當狀態(tài)寄存器的值顯示設備輸入完成時當狀態(tài)寄存器的值顯示設備輸入完成時,處理機將數(shù)處理機將數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)取出據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)取出,送入內(nèi)存指定的存儲單元送入內(nèi)存指定的存儲單元,然后再然后再啟動設備去讀取下一個數(shù)據(jù)。啟動設備去讀取下一個數(shù)據(jù)。當用戶進程需要向設備輸出數(shù)據(jù)時當用戶進程需要向設備輸出數(shù)據(jù)時,也必須同樣發(fā)出啟動也必須同樣發(fā)出啟動命令啟動設備輸出命令啟動設備輸出,并等待輸出操作完成。并等

21、待輸出操作完成。2022-8-1128圖圖5-7 程序程序I/O方式的流程方式的流程 2022-8-1129程序直接控制方式的程序直接控制方式的特點特點 由于由于CPU的速度遠遠高于的速度遠遠高于I/O設備的速度設備的速度,工作過程簡工作過程簡單單,CPU等待時間過多等待時間過多,利用率太低利用率太低,有有“忙忙等待等待”現(xiàn)象?，F(xiàn)象。2022-8-11305.2.1 程序程序I/O方式方式5.2.2 中斷驅(qū)動中斷驅(qū)動I/O方式方式5.2.3 直接存儲器訪問直接存儲器訪問DMA I/O控制方式控制方式5.2.4 I/O通道控制方式通道控制方式2022-8-11315.2.2 中斷驅(qū)動中斷驅(qū)動I/

22、O控制方式控制方式 中斷中斷是指計算機在執(zhí)行期間是指計算機在執(zhí)行期間,系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生任何非尋常的或系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生任何非尋常的或非預期的急需處理事件非預期的急需處理事件,使得使得CPU暫時中斷當前正在執(zhí)行的暫時中斷當前正在執(zhí)行的程序而轉(zhuǎn)去執(zhí)行相應的事件處理程序程序而轉(zhuǎn)去執(zhí)行相應的事件處理程序,待處理完畢后又返待處理完畢后又返回原來被中斷處繼續(xù)執(zhí)行或調(diào)度新的進程執(zhí)行的過程?；卦瓉肀恢袛嗵幚^續(xù)執(zhí)行或調(diào)度新的進程執(zhí)行的過程。中斷驅(qū)動中斷驅(qū)動(Interrupt Driven)方式方式,即當某進程要啟動某個即當某進程要啟動某個I/O設備工作時設備工作時,便由便由CPU向相應的設備控制器發(fā)出一條向相應的設備控制器

23、發(fā)出一條I/O命命令令,然后立即返回繼續(xù)執(zhí)行原來的任務然后立即返回繼續(xù)執(zhí)行原來的任務 設備控制器按命令要求去控制指定的設備控制器按命令要求去控制指定的I/O設備設備,完成后完成后,通過通過中斷向中斷向CPU發(fā)送一中斷信號發(fā)送一中斷信號 在在I/O設備輸入數(shù)據(jù)的過程中設備輸入數(shù)據(jù)的過程中,無須無須CPU干預干預,每次傳送每次傳送一個字符一個字符2022-8-1132在在I/O中斷方式下中斷方式下,數(shù)據(jù)的輸入數(shù)據(jù)的輸入(或輸出或輸出)步驟步驟如下如下:1、要求輸入數(shù)據(jù)的進程把一個啟動命令和允許中斷位、要求輸入數(shù)據(jù)的進程把一個啟動命令和允許中斷位“1”寫寫入相應設備的控制狀態(tài)寄存器中入相應設備的控制

24、狀態(tài)寄存器中,從而啟動了該設備從而啟動了該設備;2、該進程因等待輸入的完成進入睡眠狀態(tài)。、該進程因等待輸入的完成進入睡眠狀態(tài)。3、當輸入完成后、當輸入完成后,輸入設備向輸入設備向CPU發(fā)出完成中斷請求信號發(fā)出完成中斷請求信號;4、處理機響應中斷、處理機響應中斷,處理該中斷處理該中斷,并喚醒等待輸入完成的進程并喚醒等待輸入完成的進程;5、在以后的某個時期、在以后的某個時期,該程序被調(diào)度到后該程序被調(diào)度到后,繼續(xù)運行。繼續(xù)運行。2022-8-1133圖圖5-7 中斷驅(qū)動方式的流程中斷驅(qū)動方式的流程 2022-8-1134中斷控制方式的中斷控制方式的特點特點中斷控制方式比程序直接控制方式提高了中斷控

25、制方式比程序直接控制方式提高了CPU的的利用率。利用率。每輸入輸出一個數(shù)據(jù)都發(fā)生中斷每輸入輸出一個數(shù)據(jù)都發(fā)生中斷,傳輸一次數(shù)據(jù)傳輸一次數(shù)據(jù)需要多次中斷需要多次中斷,浪費了浪費了CPU的處理時間。的處理時間。I/O以字節(jié)為單位以字節(jié)為單位CPU與與I/O設備并行操作。設備并行操作。2022-8-11355.2.1 程序程序I/O方式方式5.2.2 中斷驅(qū)動中斷驅(qū)動I/O方式方式5.2.3 直接存儲器訪問直接存儲器訪問DMA I/O控制方式控制方式5.2.4 I/O通道控制方式通道控制方式2022-8-11365.2.3 直接存儲器訪問直接存儲器訪問DMA I/O控制方式控制方式 1.DMA(Di

26、rect Memory Access)控制方式的引入控制方式的引入 中斷驅(qū)動中斷驅(qū)動I/O是以是以字節(jié)字節(jié)為單位的。每完成一個字節(jié)的為單位的。每完成一個字節(jié)的I/O,控制器便向控制器便向CPU發(fā)一中斷發(fā)一中斷,請求請求CPU中斷處理。例如中斷處理。例如,為了從磁盤中讀出為了從磁盤中讀出1KB的數(shù)據(jù)塊的數(shù)據(jù)塊,需要中斷需要中斷1K次次CPU。直接存儲器存取控制方式的直接存儲器存取控制方式的概念概念 是指對是指對I/O設備的控制由設備的控制由DMA控制器完成控制器完成,在在DMA控制控制器的作用下器的作用下,設備和主存之間可以成批地進行數(shù)據(jù)交換設備和主存之間可以成批地進行數(shù)據(jù)交換,而不用而不用CP

27、U的干涉。的干涉。2022-8-1137圖圖5-8 DMA控制器的組成控制器的組成 2.DMA控制器的組成控制器的組成主機與主機與DMA控制器的接口控制器的接口DMA控制器與塊設備的接口控制器與塊設備的接口I/O控制邏輯控制邏輯2022-8-1138 為了實現(xiàn)在主機與控制器之間成塊數(shù)據(jù)的直接交換為了實現(xiàn)在主機與控制器之間成塊數(shù)據(jù)的直接交換,必須必須在在DMA控制器中設置如下控制器中設置如下四類寄存器四類寄存器:(1)命令命令/狀態(tài)寄存器狀態(tài)寄存器CR。用于接收從。用于接收從CPU發(fā)來的發(fā)來的I/O命令或命令或有關(guān)控制信息有關(guān)控制信息,或設備的狀態(tài)。或設備的狀態(tài)。(2)內(nèi)存地址寄存器內(nèi)存地址寄存

28、器MAR。在輸入時。在輸入時,它存放把數(shù)據(jù)從設備它存放把數(shù)據(jù)從設備傳送到內(nèi)存的起始目標地址傳送到內(nèi)存的起始目標地址;在輸出時在輸出時,它存放由內(nèi)存到設備它存放由內(nèi)存到設備的內(nèi)存源地址。的內(nèi)存源地址。(3)數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)寄存器DR。用于暫存從設備到內(nèi)存。用于暫存從設備到內(nèi)存,或從內(nèi)存到設或從內(nèi)存到設備的數(shù)據(jù)。備的數(shù)據(jù)。(4)數(shù)據(jù)計數(shù)器數(shù)據(jù)計數(shù)器DC。存放本次。存放本次CPU要讀或?qū)懙淖忠x或?qū)懙淖?節(jié)節(jié))數(shù)。數(shù)。2022-8-1139直接存儲器存取控制方式的直接存儲器存取控制方式的步驟步驟當進程要求設備輸入一批數(shù)據(jù)時當進程要求設備輸入一批數(shù)據(jù)時,CPU將設備存放輸將設備存放輸入數(shù)據(jù)的內(nèi)存始址以及

29、要傳送的字節(jié)數(shù)分別送入入數(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)器控制器中的地址寄存器和傳送字節(jié)計數(shù)器;另外另外,還要將中斷位和啟動位置為還要將中斷位和啟動位置為1,以啟動設備開始進行數(shù)以啟動設備開始進行數(shù)據(jù)輸入并允許中斷。據(jù)輸入并允許中斷。發(fā)出數(shù)據(jù)要求的進程進入等待狀態(tài)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)進程調(diào)度程序調(diào)度其他進程占據(jù)度其他進程占據(jù)CPU。輸入設備不斷地挪用輸入設備不斷地挪用CPU工作周期工作周期,將數(shù)據(jù)寄存器中將數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)源源不斷地寫入內(nèi)存的數(shù)據(jù)源源不斷地寫入內(nèi)存,直到所要求的字節(jié)全部直到所要求的字節(jié)全部傳送完畢。傳送

30、完畢。DMA控制器在傳送字節(jié)數(shù)完成時控制器在傳送字節(jié)數(shù)完成時,通過中斷請求線發(fā)通過中斷請求線發(fā)出中斷信號出中斷信號,CPU收到中斷信號后轉(zhuǎn)中斷處理程序收到中斷信號后轉(zhuǎn)中斷處理程序,喚喚醒等待輸入完成的進程醒等待輸入完成的進程,并返回被中斷的程序。并返回被中斷的程序。在以后的某個時刻在以后的某個時刻,進程調(diào)度程序選中提出請求輸入進程調(diào)度程序選中提出請求輸入的進程的進程,該進程從指定的內(nèi)存始址取出數(shù)據(jù)做進一步該進程從指定的內(nèi)存始址取出數(shù)據(jù)做進一步處理。處理。2022-8-1140圖圖5-7 DMA方式的流程方式的流程 2022-8-11413.DMA工作過程工作過程 圖圖5-9 DMA方式的工作流

31、程方式的工作流程 2022-8-1142特點特點(1)數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕締挝皇菙?shù)據(jù)傳輸?shù)幕締挝皇菙?shù)據(jù)塊數(shù)據(jù)塊(連續(xù)連續(xù))(2)大大減少中斷次數(shù)大大減少中斷次數(shù)(3)所傳送的數(shù)據(jù)是從設備直接送入內(nèi)存的所傳送的數(shù)據(jù)是從設備直接送入內(nèi)存的,或者相反或者相反(4)僅在傳送一個或多個數(shù)據(jù)塊的開始和結(jié)束時才需僅在傳送一個或多個數(shù)據(jù)塊的開始和結(jié)束時才需CPU干預干預,整塊數(shù)據(jù)的傳送是在整塊數(shù)據(jù)的傳送是在DMA控制器控制下完成的?？刂破骺刂葡峦瓿傻摹?5)I/O數(shù)據(jù)傳輸速度快數(shù)據(jù)傳輸速度快,CPU負擔少。負擔少。(6)在在DMA方式下方式下,數(shù)據(jù)的傳送方向、存放數(shù)據(jù)的內(nèi)存始址數(shù)據(jù)的傳送方向、存放數(shù)據(jù)的內(nèi)存始址及

32、傳送數(shù)據(jù)的長度等都由及傳送數(shù)據(jù)的長度等都由CPU控制。每臺設備需要配一控制。每臺設備需要配一個個DMA控制器?？刂破?。2022-8-11435.2.1 程序程序I/O方式方式5.2.2 中斷驅(qū)動中斷驅(qū)動I/O方式方式5.2.3 直接存儲器訪問直接存儲器訪問DMA I/O控制方式控制方式5.2.4 I/O通道控制方式通道控制方式2022-8-11445.2.4 I/O通道控制方式通道控制方式 通道控制方式的通道控制方式的概念概念 是一種以內(nèi)存為中心是一種以內(nèi)存為中心,是設備與內(nèi)存直接交換數(shù)據(jù)的是設備與內(nèi)存直接交換數(shù)據(jù)的控制方式?？刂品绞?。CPU只需要發(fā)出啟動指令只需要發(fā)出啟動指令,指出通道相應的

33、操指出通道相應的操作和作和I/O設備設備,該指令就可以啟動通道并使該通道從內(nèi)存該指令就可以啟動通道并使該通道從內(nèi)存中調(diào)出相應的通道指令執(zhí)行。中調(diào)出相應的通道指令執(zhí)行。2022-8-11451.I/O通道控制方式的引入通道控制方式的引入 與與DMA類似類似,是以內(nèi)存為中心的數(shù)據(jù)交換方式是以內(nèi)存為中心的數(shù)據(jù)交換方式它可進一步減少它可進一步減少CPU的干預的干預,即把對即把對一個一個數(shù)據(jù)塊的讀數(shù)據(jù)塊的讀(或或?qū)憣?為單位的干預為單位的干預,減少為對減少為對一組一組數(shù)據(jù)塊的讀數(shù)據(jù)塊的讀(或?qū)懟驅(qū)?及有及有關(guān)的控制和管理為單位的干預關(guān)的控制和管理為單位的干預一個通道控制多臺設備一個通道控制多臺設備CPU

34、僅在僅在I/O操作的開始和結(jié)束時花費少量時間處理與操作的開始和結(jié)束時花費少量時間處理與I/O有關(guān)的工作有關(guān)的工作可實現(xiàn)可實現(xiàn)CPU、通道和、通道和I/O設備三者的并行操作設備三者的并行操作,從而更有從而更有效地提高整個系統(tǒng)的資源利用率效地提高整個系統(tǒng)的資源利用率2022-8-1146通道控制方式的通道控制方式的步驟步驟 當進程要求輸入數(shù)據(jù)時當進程要求輸入數(shù)據(jù)時,CPU發(fā)啟動指令指明發(fā)啟動指令指明I/O操作、操作、設備號和對應通道。設備號和對應通道。對應通道接收到對應通道接收到CPU發(fā)來的啟動指令后發(fā)來的啟動指令后,把存放在內(nèi)存把存放在內(nèi)存中的通道指令程序讀出中的通道指令程序讀出,并執(zhí)行通道程序

35、并執(zhí)行通道程序,控制設備將控制設備將數(shù)據(jù)傳送到內(nèi)存中指定的區(qū)域。數(shù)據(jù)傳送到內(nèi)存中指定的區(qū)域。若數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束若數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束,則向則向CPU發(fā)出中斷請求。發(fā)出中斷請求。CPU收到中收到中斷信號后轉(zhuǎn)中斷處理程序斷信號后轉(zhuǎn)中斷處理程序,喚醒等待輸入完成的進程喚醒等待輸入完成的進程,并返回被中斷的程序。并返回被中斷的程序。在以后的某個時刻在以后的某個時刻,進程調(diào)度程序選中提出請求輸入進程調(diào)度程序選中提出請求輸入的進程的進程,該進程從指定的內(nèi)存始址取出數(shù)據(jù)做進一步該進程從指定的內(nèi)存始址取出數(shù)據(jù)做進一步處理。處理。2022-8-1147圖圖 通道的工作流程通道的工作流程 2022-8-1148數(shù)組選擇通道數(shù)

36、組選擇通道2022-8-1149通道控制方式通道控制方式特點特點:I/O通道是一種特殊的通道是一種特殊的處理器處理器,它具有執(zhí)行它具有執(zhí)行I/O操作指令的能力。操作指令的能力。I/O通道通過執(zhí)行通道通道通過執(zhí)行通道(I/O)程序來控制程序來控制I/O操作操作,完成完成I/O任務。任務。通道程序是放在通道程序是放在內(nèi)存內(nèi)存中的中的,即通道與即通道與CPU共享內(nèi)存。共享內(nèi)存。CPU、通道、通道、I/O設備三者設備三者并行并行工作。工作。能傳送能傳送多個多個數(shù)據(jù)塊。數(shù)據(jù)塊。2022-8-11502.通道程序通道程序(1)操作碼操作碼規(guī)定指令所執(zhí)行的操作規(guī)定指令所執(zhí)行的操作,如讀、寫、控制等如讀、寫、

37、控制等(2)內(nèi)存地址內(nèi)存地址標明字符送入內(nèi)存或從內(nèi)存取出的內(nèi)存首址標明字符送入內(nèi)存或從內(nèi)存取出的內(nèi)存首址(3)計數(shù)計數(shù)本條指令所要讀本條指令所要讀/寫的字節(jié)數(shù)寫的字節(jié)數(shù)(4)通道程序結(jié)束位通道程序結(jié)束位表示通道程序是否結(jié)束表示通道程序是否結(jié)束,P=1表示結(jié)束表示結(jié)束(5)記錄結(jié)束標志記錄結(jié)束標志R=0,表示本指令與下一指令處理同一個記錄表示本指令與下一指令處理同一個記錄;R=1表表示處理某記錄的最后一條指令示處理某記錄的最后一條指令2022-8-1151操作操作 P PR R計數(shù)計數(shù)內(nèi)存地址內(nèi)存地址WRITE WRITE 0 00 08080813813WRITEWRITE0 00 01401

38、4010341034WRITEWRITE0 01 1606058305830WRITEWRITE0 01 130030020002000WRITEWRITE0 00 025025018501850WRITEWRITE1 11 1250250720720寫成一寫成一條紀錄條紀錄寫成一寫成一條紀錄條紀錄寫成一寫成一條紀錄條紀錄通道程序是否通道程序是否結(jié)束結(jié)束,P=1表示表示結(jié)束結(jié)束與下一指令處理與下一指令處理是否同一個記錄是否同一個記錄2022-8-1152內(nèi)容概述內(nèi)容概述5.1 I/O系統(tǒng)系統(tǒng) 5.2 I/O控制方式控制方式 5.3 緩沖管理緩沖管理 5.4 設備分配設備分配 5.5 設備處理設

39、備處理 5.6 磁盤存儲器管理磁盤存儲器管理 2022-8-11535.3.1 緩沖的引入緩沖的引入5.3.2 單緩沖和雙緩沖單緩沖和雙緩沖5.3.3 循環(huán)緩沖循環(huán)緩沖5.3.4 緩沖池緩沖池(Buffer Pool)2022-8-11545.3.1 緩沖的引入緩沖的引入(1)緩和緩和CPU與與I/O設備間速度不匹配的矛盾。設備間速度不匹配的矛盾。(2)減少對減少對CPU的中斷頻率的中斷頻率,放寬對放寬對CPU中斷響應時間中斷響應時間的限制。的限制。(3)提高提高CPU和和I/O設備之間的并行性。設備之間的并行性。(4）解決數(shù)據(jù)粒度不匹配的問題。）解決數(shù)據(jù)粒度不匹配的問題。2022-8-115

40、5圖圖5-10 利用緩沖寄存器實現(xiàn)緩沖利用緩沖寄存器實現(xiàn)緩沖 2022-8-1156對緩沖區(qū)的理解對緩沖區(qū)的理解 緩沖是提高緩沖是提高CPU與外設并行程度的一種技術(shù)。與外設并行程度的一種技術(shù)。凡是數(shù)據(jù)來到速度和離去速度不同的地方都可以使凡是數(shù)據(jù)來到速度和離去速度不同的地方都可以使用緩沖區(qū)。如用緩沖區(qū)。如CPU與內(nèi)存之間有高速緩存與內(nèi)存之間有高速緩存(Cache Memory),主存與顯示器之間有顯示緩存主存與顯示器之間有顯示緩存,主存與打主存與打印機之間有打印緩存等等。印機之間有打印緩存等等。緩沖的實現(xiàn)方式有緩沖的實現(xiàn)方式有兩種兩種:一是一是,采用硬件緩沖器實現(xiàn)采用硬件緩沖器實現(xiàn);二是二是,在

41、內(nèi)存劃出一塊區(qū)域在內(nèi)存劃出一塊區(qū)域,專門用來存放臨時輸入專門用來存放臨時輸入輸出的數(shù)據(jù)輸出的數(shù)據(jù),這個區(qū)域稱為緩沖區(qū)。這個區(qū)域稱為緩沖區(qū)。根據(jù)系統(tǒng)設置緩沖區(qū)的個數(shù)根據(jù)系統(tǒng)設置緩沖區(qū)的個數(shù),將緩沖技術(shù)分為將緩沖技術(shù)分為:單緩單緩沖、雙緩沖、循環(huán)緩沖、緩沖池沖、雙緩沖、循環(huán)緩沖、緩沖池。2022-8-11575.3.1 緩沖的引入緩沖的引入5.3.2 單緩沖和雙緩沖單緩沖和雙緩沖5.3.3 循環(huán)緩沖循環(huán)緩沖5.3.4 緩沖池緩沖池(Buffer Pool)2022-8-11585.3.2 單緩沖和雙緩沖單緩沖和雙緩沖 1.單緩沖單緩沖(Single Buffer)圖圖5-11 單緩沖工作示意圖單緩

42、沖工作示意圖 工作區(qū)工作區(qū)處理處理(C)緩沖區(qū)緩沖區(qū)傳送傳送(M)輸入輸入(T)I/O設備設備(a)T1M1C1T2M2C2T3M3C3T4t(b)用戶進程用戶進程串行串行2022-8-11592.雙緩沖雙緩沖(Double Buffer)圖圖5-12 雙緩沖工作示意圖雙緩沖工作示意圖 工作區(qū)工作區(qū)用戶進程用戶進程緩沖區(qū)緩沖區(qū)1緩沖區(qū)緩沖區(qū)2I/O 設備設備T1(緩沖1)M1C1M2C2M3C3T2(緩沖2)T3(緩沖3)M4C4T4(緩沖4)(a)(b)并行并行2022-8-1160圖圖5-13 雙機通信時緩沖區(qū)的設置雙機通信時緩沖區(qū)的設置 實現(xiàn)了雙向?qū)崿F(xiàn)了雙向數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)傳輸緩沖區(qū)緩沖區(qū)緩

43、沖區(qū)緩沖區(qū)A機機B機機(a)單緩沖單緩沖發(fā)送發(fā)送緩沖區(qū)緩沖區(qū)接收接收緩沖區(qū)緩沖區(qū)接收接收緩沖區(qū)緩沖區(qū)發(fā)送發(fā)送緩沖區(qū)緩沖區(qū)A機機B機機(b)雙緩沖雙緩沖只能實現(xiàn)單向只能實現(xiàn)單向的數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)傳輸為了實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸，必須在兩臺機器中都設置兩個緩沖區(qū)，一個用作發(fā)送緩沖區(qū)，另一個用作接收緩沖區(qū)。2022-8-11615.3.1 緩沖的引入緩沖的引入5.3.2 單緩沖和雙緩沖單緩沖和雙緩沖5.3.3 循環(huán)緩沖循環(huán)緩沖5.3.4 緩沖池緩沖池(Buffer Pool)2022-8-1162循環(huán)緩沖的循環(huán)緩沖的引入引入當輸入與輸出速度基本匹配時當輸入與輸出速度基本匹配時,雙緩沖能獲得較好效果雙緩沖能獲得

44、較好效果;當速度當速度相差較大相差較大時時,可引入多個緩沖可引入多個緩沖,組織成循環(huán)緩沖的組織成循環(huán)緩沖的形式形式1.循環(huán)緩沖的組成循環(huán)緩沖的組成多個緩沖區(qū)多個緩沖區(qū)用于裝輸入數(shù)據(jù)的空緩沖區(qū)用于裝輸入數(shù)據(jù)的空緩沖區(qū)R已裝滿數(shù)據(jù)的滿緩沖區(qū)已裝滿數(shù)據(jù)的滿緩沖區(qū)G計算進程正在使用的現(xiàn)行工作緩沖區(qū)計算進程正在使用的現(xiàn)行工作緩沖區(qū)C多個指針多個指針指示計算進程下一可用緩沖區(qū)指示計算進程下一可用緩沖區(qū)Nextg指示輸入進程下一可用空緩沖區(qū)指示輸入進程下一可用空緩沖區(qū)Nexti指示計算進程正在使用的緩沖區(qū)指示計算進程正在使用的緩沖區(qū)Current2022-8-1163圖圖5-14 循環(huán)緩沖循環(huán)緩沖 RGGG

45、RG165423NextiNextgRGGGRC165423NextiNextgcurrent工作工作緩沖緩沖區(qū)區(qū)滿滿緩緩沖沖區(qū)區(qū)空空緩緩沖沖區(qū)區(qū)2022-8-11642.循環(huán)緩沖區(qū)的使用循環(huán)緩沖區(qū)的使用(1)Getbuf過程過程為計算進程和輸入進程提供緩沖區(qū)為計算進程和輸入進程提供緩沖區(qū),并移動指針并移動指針(2)Releasebuf過程過程當計算進程或輸入使用完緩沖區(qū)后當計算進程或輸入使用完緩沖區(qū)后,調(diào)用過程將緩沖調(diào)用過程將緩沖區(qū)釋放區(qū)釋放3.進程同步進程同步(1)Nexti指針追趕上指針追趕上Nextg指針指針輸入進程速度大于計算進程輸入進程速度大于計算進程,全部空緩沖區(qū)全部空緩沖區(qū)已滿

46、已滿,無可無可用緩沖區(qū)用緩沖區(qū),輸入進程阻塞輸入進程阻塞(2)Nextg指針追趕上指針追趕上Nexti指針指針計算進程速度大于輸入進程計算進程速度大于輸入進程,全部緩沖區(qū)全部緩沖區(qū)空空,無可用數(shù)無可用數(shù)據(jù)據(jù),計算進程阻塞計算進程阻塞2022-8-11655.3.1 緩沖的引入緩沖的引入5.3.2 單緩沖和雙緩沖單緩沖和雙緩沖5.3.3 循環(huán)緩沖循環(huán)緩沖5.3.4 緩沖池緩沖池(Buffer Pool)2022-8-11665.3.4 緩沖池緩沖池(Buffer Pool)1.緩沖池的組成緩沖池的組成專用緩沖專用緩沖的利用率不高的利用率不高,因此設置公用緩沖池因此設置公用緩沖池,其中至少應其中至

47、少應含有以下含有以下三種三種類型的緩沖區(qū)類型的緩沖區(qū):空空(閑閑)緩沖區(qū)緩沖區(qū);裝滿輸入數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)裝滿輸入數(shù)據(jù)的緩沖區(qū);裝滿輸出數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)。裝滿輸出數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)。為了管理上的方便為了管理上的方便,可將相同類型的緩沖區(qū)鏈成一個隊列可將相同類型的緩沖區(qū)鏈成一個隊列,于是可形成以下于是可形成以下三個三個隊列隊列:(1)空緩沖隊列空緩沖隊列emq。由。由空緩沖區(qū)空緩沖區(qū)所鏈成的隊列所鏈成的隊列;(2)輸入隊列輸入隊列inq。由。由裝滿輸入數(shù)據(jù)裝滿輸入數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)所鏈成的隊列的緩沖區(qū)所鏈成的隊列;(3)輸出隊列輸出隊列outq。由。由裝滿輸出數(shù)據(jù)裝滿輸出數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)所鏈成的隊列。的緩沖區(qū)所鏈成的隊列

48、。2022-8-11672.Getbuf過程和過程和Putbuf過程過程 Procedure Getbuf(type)/用于從用于從type所指定的隊列的隊首所指定的隊列的隊首 begin /,摘下一個緩沖區(qū)摘下一個緩沖區(qū) P(RS(type);P(MS(type);B(number):=Takebuf(type);/從隊首摘下一個緩沖區(qū)從隊首摘下一個緩沖區(qū) V(MS(type);end Procedure Putbuf(type,number)/用于將用參數(shù)用于將用參數(shù)number所指示的緩沖區(qū)所指示的緩沖區(qū) begin /,掛在掛在type隊列上隊列上 P(MS(type);Addbuf(

49、type,number);/將指定緩沖區(qū)掛在將指定緩沖區(qū)掛在type指定隊列上指定隊列上 V(MS(type);V(RS(type);end 資源信號資源信號量量互斥信號互斥信號量量2022-8-1168收容輸入收容輸入提取輸入提取輸入收容輸出收容輸出提取輸出提取輸出2022-8-11693.緩沖區(qū)的工作方式緩沖區(qū)的工作方式 圖圖5-15 緩沖區(qū)的工作方式緩沖區(qū)的工作方式 hinsoutsinhout收容輸入收容輸入提取輸出用用戶戶進進程程提取輸入收容輸出收容輸出緩沖 池Getbuf(emq)Getbuf(emq)Putbuf(inq,hin)Putbuf(inq,hin)Getbuf(inq

50、)Getbuf(inq)Putbuf(emp,sin)Putbuf(emp,sin)2022-8-1170hinhoutsinsout 收容輸入收容輸入提取輸出提取輸出 提取輸入提取輸入收容輸出收容輸出 P Pu ut tb bu uf f(i in nq q,h hi in n)P Pu ut tb bu uf f(e em mq q,s si in n)輸入輸入(鍵盤鍵盤)G Ge et tb bu uf f(e em mq q)首首.尾尾輸入隊列輸入隊列inqinq首首.尾尾空緩沖隊列空緩沖隊列emqemq 用戶用戶程序程序 首首.尾尾輸出隊列輸出隊列outqoutq G Ge et t

51、b bu uf f(e em mq q)P Pu ut tb bu uf f(o ou ut tq q,h ho ou ut t)輸出輸出(打印機打印機)用戶用戶程序程序G Ge et tb bu uf f(i in nq q)P Pu ut tb bu uf f(e em mq q,s so ou ut t)G Ge et tb bu uf f(o ou ut tq q)收容輸入工收容輸入工作緩沖區(qū)作緩沖區(qū)收容輸出工收容輸出工作緩沖區(qū)作緩沖區(qū)提取輸入工提取輸入工作緩沖區(qū)作緩沖區(qū)提出輸出工提出輸出工作緩沖區(qū)作緩沖區(qū)1231231231232022-8-1171內(nèi)容概述內(nèi)容概述5.1 I/O系統(tǒng)

52、系統(tǒng) 5.2 I/O控制方式控制方式 5.3 緩沖管理緩沖管理 5.4 設備分配設備分配 5.5 設備處理設備處理 5.6 磁盤存儲器管理磁盤存儲器管理 2022-8-11725.4.1 設備分配中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設備分配中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)5.4.2 設備分配時應考慮的因素設備分配時應考慮的因素5.4.3 設備獨立性設備獨立性5.4.4 獨占設備的分配程序獨占設備的分配程序5.4.5 SPOOLing技術(shù)技術(shù)2022-8-1173在多道程序環(huán)境下在多道程序環(huán)境下,系統(tǒng)中的設備所有進程共享系統(tǒng)中的設備所有進程共享,為防止進為防止進程對系統(tǒng)資源的無序競爭程對系統(tǒng)資源的無序競爭,必須由系統(tǒng)統(tǒng)一分配設備必須由系統(tǒng)

53、統(tǒng)一分配設備為確保為確保CPU與設備之間能進行通信與設備之間能進行通信,還應分配相應的還應分配相應的控制器控制器和和通道通道為實現(xiàn)設備分配為實現(xiàn)設備分配,系統(tǒng)中應設置相應的系統(tǒng)中應設置相應的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)2022-8-11741.設備控制表設備控制表DCT2.控制器控制表控制器控制表COCT3.通道控制表通道控制表CHCT4.系統(tǒng)設備表系統(tǒng)設備表SDT 2022-8-11751.設備控制表設備控制表DCT 圖圖5-20 設備控制表設備控制表 設備類型 設備類型 type設備標識符：設備標識符：deviceid設備狀態(tài)：等待/不等待 忙/閑設備狀態(tài)：等待/不等待 忙/閑指向控制器表的指針指向控

54、制器表的指針重復執(zhí)行次數(shù)或時間重復執(zhí)行次數(shù)或時間設備隊列的隊首指針設備隊列的隊首指針DCT 1DCT 2DCT n設設備備控控制制表表集集合合 系統(tǒng)為每個設備配置一張系統(tǒng)為每個設備配置一張設備控制表設備控制表,用于記錄設備的特性及用于記錄設備的特性及I/O控制器連接的情況?？刂破鬟B接的情況。每個設備一張，記錄本設備的情況每個設備一張，記錄本設備的情況2022-8-11762.控制器控制表、通道控制表和系統(tǒng)設備表控制器控制表、通道控制表和系統(tǒng)設備表 圖圖5-21 COCT、CHCT和和SDT表表 每個每個控制器配置控制器配置一張一張表表,它反映控制器的使用狀態(tài)以及和通它反映控制器的使用狀態(tài)以及和

55、通道的連接狀況等。道的連接狀況等。一個控制器一張一個控制器一張2022-8-1177圖圖5-21 COCT、CHCT和和SDT表表 為每個通道配置為每個通道配置一張一張表表,它反映通道的使用狀態(tài)。它反映通道的使用狀態(tài)。一個通道一張一個通道一張2022-8-1178圖圖5-21 COCT、CHCT和和SDT表表 它記錄已被連接到系統(tǒng)中的所有物理設備的情況它記錄已被連接到系統(tǒng)中的所有物理設備的情況,每個物每個物理設備占一個表目。整個理設備占一個表目。整個系統(tǒng)配置一張系統(tǒng)配置一張。整個系統(tǒng)一張，記錄已被連接到系統(tǒng)中的所有物理設備的情況整個系統(tǒng)一張，記錄已被連接到系統(tǒng)中的所有物理設備的情況2022-8

56、-11795.4.1 設備分配中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設備分配中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)5.4.2 設備分配時應考慮的因素設備分配時應考慮的因素5.4.3 設備獨立性設備獨立性5.4.4 獨占設備的分配程序獨占設備的分配程序5.4.5 SPOOLing技術(shù)技術(shù)2022-8-11805.4.2 設備分配時應考慮的因素設備分配時應考慮的因素1.設備的固有屬性設備的固有屬性(1)獨占性獨占性 獨占設備是不能同時共用的設備獨占設備是不能同時共用的設備,即在一段時間內(nèi)即在一段時間內(nèi),該設備只允許一個進程獨占。該設備只允許一個進程獨占。(2)共享性共享性 允許多個進程同時共享允許多個進程同時共享(3)可虛擬性可虛擬性 虛擬設備是利

57、用某種技術(shù)把獨占設備改造成可由虛擬設備是利用某種技術(shù)把獨占設備改造成可由多個進程共用的設備。多個進程共用的設備。2022-8-11812.以上三種設備對應的分配策略以上三種設備對應的分配策略(1)獨占設備獨占設備缺點缺點:設備不能充分利用設備不能充分利用,防止死鎖防止死鎖(2)共享設備共享設備注意各進程的訪問次序進行合理調(diào)度注意各進程的訪問次序進行合理調(diào)度(3)虛擬設備虛擬設備2022-8-11822.設備分配算法設備分配算法(1)先來先服務先來先服務(2)優(yōu)先級高者優(yōu)先優(yōu)先級高者優(yōu)先3.設備分配中的安全性設備分配中的安全性(1)安全分配方式安全分配方式每當進程發(fā)出每當進程發(fā)出I/O請求后請求

58、后,便進入阻塞狀態(tài)便進入阻塞狀態(tài),I/O操作完操作完成后喚醒成后喚醒摒棄了摒棄了“請求和保持請求和保持”條件條件,不會產(chǎn)生死鎖不會產(chǎn)生死鎖缺點缺點:進程進展緩慢進程進展緩慢,即即CPU與與I/O設備串行工作的設備串行工作的(2)不安全分配方式不安全分配方式 進程發(fā)出進程發(fā)出I/O請求后仍繼續(xù)運行請求后仍繼續(xù)運行可操作多個設備可操作多個設備,推進迅速快推進迅速快缺點：可能缺點：可能產(chǎn)生死鎖產(chǎn)生死鎖2022-8-11835.4.1 設備分配中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設備分配中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)5.4.2 設備分配時應考慮的因素設備分配時應考慮的因素5.4.3 設備獨立性設備獨立性5.4.4 獨占設備的分配程序獨占設備的

59、分配程序5.4.5 SPOOLing技術(shù)技術(shù)2022-8-11845.4.3 設備獨立性設備獨立性 1.設備獨立性設備獨立性(Device Independence)的概念的概念為了提高為了提高OS的可適應性和可擴展性的可適應性和可擴展性,在現(xiàn)代在現(xiàn)代OS中都毫無中都毫無例外地實現(xiàn)了例外地實現(xiàn)了設備獨立性設備獨立性,也稱為也稱為設備無關(guān)性設備無關(guān)性其基本含義是其基本含義是:應用程序獨立于具體使用的物理設備應用程序獨立于具體使用的物理設備,即即是指用戶在編程序時所使用的設備與實際設備無關(guān)是指用戶在編程序時所使用的設備與實際設備無關(guān)。為了實現(xiàn)設備獨立性而引入了為了實現(xiàn)設備獨立性而引入了邏輯設備邏輯

60、設備和和物理設備物理設備這這兩個概念兩個概念在應用程序中在應用程序中,使用使用邏輯設備邏輯設備名稱來請求使用某類設備名稱來請求使用某類設備;而系統(tǒng)在實際執(zhí)行時而系統(tǒng)在實際執(zhí)行時,還必須使用還必須使用物理設備物理設備名稱名稱系統(tǒng)須具有將邏輯設備名稱轉(zhuǎn)換為某物理設備名稱的系統(tǒng)須具有將邏輯設備名稱轉(zhuǎn)換為某物理設備名稱的功能功能,這非常類似于存儲器管理中所介紹的這非常類似于存儲器管理中所介紹的邏輯地址邏輯地址和和物理地址物理地址的概念的概念2022-8-1185設備獨立性的設備獨立性的優(yōu)點優(yōu)點(1)設備分配時的設備分配時的靈活性靈活性系統(tǒng)可將該邏輯設備類中的任一臺分配給進程使用系統(tǒng)可將該邏輯設備類中的

61、任一臺分配給進程使用所有設備均占用時才阻塞所有設備均占用時才阻塞(2)易于實現(xiàn)易于實現(xiàn)I/O重定向重定向所謂所謂I/O重定向重定向,指用于指用于I/O操作的設備可以更換操作的設備可以更換,而不而不必變應用程序必變應用程序如調(diào)試程序時輸出到屏幕如調(diào)試程序時輸出到屏幕,而實際應用時改為輸出到而實際應用時改為輸出到打印機打印機(邏輯設備表中的顯示終端改為打印機邏輯設備表中的顯示終端改為打印機)2022-8-11862.設備獨立性軟件設備獨立性軟件 為了實現(xiàn)設備獨立性為了實現(xiàn)設備獨立性,必須在設備驅(qū)動程序上設置一層必須在設備驅(qū)動程序上設置一層軟件軟件,稱為設備獨立性軟件稱為設備獨立性軟件設備獨立性軟件

62、設備獨立性軟件主要功能主要功能(1)執(zhí)行所有設備的公有操作執(zhí)行所有設備的公有操作對獨立設備的對獨立設備的分配分配與與回收回收將將邏輯設備邏輯設備名映射為名映射為物理設備名物理設備名,進一步可以找到相進一步可以找到相應物理設備的驅(qū)動程序應物理設備的驅(qū)動程序?qū)υO備進行保護對設備進行保護,禁止用戶直接訪問設備禁止用戶直接訪問設備緩沖管理緩沖管理,即對字符設備和塊設備的緩沖區(qū)進行有效即對字符設備和塊設備的緩沖區(qū)進行有效的管理的管理差錯控制差錯控制(2)向用戶層向用戶層(或文件層或文件層)軟件提供統(tǒng)一接口軟件提供統(tǒng)一接口無論何種設備無論何種設備,它們向用戶所提供的接口應該是相它們向用戶所提供的接口應該是

63、相同的同的對各種設備的讀操作對各種設備的讀操作,在應用程序中都使用在應用程序中都使用read;而而對各種設備的寫操作對各種設備的寫操作,也都使用也都使用write2022-8-1187圖圖5-19 邏輯設備表邏輯設備表 3.邏輯設備名到物理設備名映射的實現(xiàn)邏輯設備名到物理設備名映射的實現(xiàn)(1)邏輯設備表邏輯設備表(Lgical Unit Table)用于實現(xiàn)將應用程序中的邏輯設備名映射為物理設用于實現(xiàn)將應用程序中的邏輯設備名映射為物理設備名備名(2)邏輯設備表的設置邏輯設備表的設置整個系統(tǒng)中設置一張整個系統(tǒng)中設置一張LUT為每個用戶設置一張為每個用戶設置一張LUT缺點：缺點：不允許在不允許在L

64、UT中具有相同的中具有相同的邏輯設備名，這就邏輯設備名，這就是要求所有用戶不是要求所有用戶不使用相同的邏輯設使用相同的邏輯設備名。備名。2022-8-11885.4.1 設備分配中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設備分配中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)5.4.2 設備分配時應考慮的因素設備分配時應考慮的因素5.4.3 設備獨立性設備獨立性5.4.4 獨占設備的分配程序獨占設備的分配程序5.4.5 SPOOLing技術(shù)技術(shù)2022-8-11895.4.4 獨占設備的分配程序獨占設備的分配程序 1.基本的設備分配程序基本的設備分配程序(1)分配設備分配設備(2)分配控制器分配控制器(3)分配通道分配通道2022-8-1190設備設備1設備

65、設備2設備設備3設備設備4設備設備5設備設備6設備設備7控制器控制器1控制器控制器2控制器控制器3控制器控制器4通道通道1通道通道2存儲器存儲器單通路單通路2022-8-1191圖圖 設備分配流程圖設備分配流程圖 不考慮設備獨立性不考慮設備獨立性不考慮多通路不考慮多通路2022-8-11922.設備分配程序的改進設備分配程序的改進基本分配程序的基本分配程序的問題問題(1)進程以物理設備名提出進程以物理設備名提出I/O請求請求,無設備獨立性無設備獨立性(2)采用單通路采用單通路I/O系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),容易產(chǎn)生瓶頸容易產(chǎn)生瓶頸改進方案改進方案(1)增加設備獨立性增加設備獨立性(2)考慮多通路情況考

66、慮多通路情況2022-8-11935.4.1 設備分配中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設備分配中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)5.4.2 設備分配時應考慮的因素設備分配時應考慮的因素5.4.3 設備獨立性設備獨立性5.4.4 獨占設備的分配程序獨占設備的分配程序5.4.5 SPOOLing技術(shù)技術(shù)2022-8-11945.4.5 SPOOLing技術(shù)技術(shù) 脫機輸入脫機輸入/輸出輸出(Off-Line I/O)方式方式進程進程2022-8-11951.什么是什么是SPOOLing技術(shù)技術(shù)在多道程序環(huán)境下在多道程序環(huán)境下,其中的一其中的一進程進程模擬脫機輸入時的外模擬脫機輸入時的外圍控制機功能圍控制機功能,把低速把低速I/O設備上的數(shù)據(jù)傳送到高速磁盤設備上的數(shù)據(jù)傳送到高速磁盤上上;再用另一再用另一進程進程來模擬脫機輸出時外圍控制機的功能來模擬脫機輸出時外圍控制機的功能,把數(shù)據(jù)從磁盤傳送到低速輸出設備上。把數(shù)據(jù)從磁盤傳送到低速輸出設備上。在主機的直接在主機的直接控制下控制下,實現(xiàn)脫機輸入、輸出功能實現(xiàn)脫機輸入、輸出功能,此時的外圍操作與此時的外圍操作與CPU對數(shù)據(jù)的處理同時進行對數(shù)據(jù)的處理同時進行把這種在聯(lián)機情況下實現(xiàn)的同時外圍操