【正文】 通道程序是通道指令的有序序列 ， 它由系統(tǒng)中的輸入 /輸出進(jìn)程根據(jù)用戶進(jìn)程的 I/O要求來確定 ， 可以是事先編制好的程序段 ，也可以動態(tài)產(chǎn)生 。 通道程序以及需要與設(shè)備交換的數(shù)據(jù)均放置在內(nèi)存中 。 35 I/O控制方式 — I/O通道方式 ? 一條通道指令可以傳送一組數(shù)據(jù) ， 一個通道程序可以傳送多組數(shù)據(jù) 。 多組數(shù)據(jù)全部傳送完畢后 (即一個通道程序執(zhí)行完畢 )， 才向處理機發(fā)出一次中斷 。 ? 通道不僅可以傳送數(shù)據(jù) ， 更重要的是它還完成對設(shè)備的控制 。 在通道的協(xié)助下 ， 主機只需發(fā)出一個啟動通道 、 執(zhí)行通道程序的指令即可 。 主機僅與通道直接通信 ， 不必考慮設(shè)備的具體控制以及如何完成數(shù)據(jù)傳送等問題 ， 從而大大減輕了主機的負(fù)擔(dān) 。 36 設(shè)備分類 37 設(shè)備類型 ? 根據(jù)外部設(shè)備的用途不同 ， 可以將其分為 輸入 /輸出型設(shè)備 與 存儲型設(shè)備 ； ? 根據(jù)外設(shè)傳輸?shù)幕緮?shù)據(jù)單位不同 ， 可以將設(shè)備分為 塊型設(shè)備 與 字符型設(shè)備 ； ? 按照資源管理的方式不同 ， 可以將設(shè)備分為獨占型設(shè)備 和 共享型設(shè)備 。 38 輸入 /輸出型 VS 存儲型設(shè)備 ? 輸入 /輸出型設(shè)備：鍵盤 、 鼠標(biāo) 、 顯示器 、讀卡機 、 掃描儀 、 打印機 、 繪圖儀 、 數(shù)碼相機等 。 ? 存儲型設(shè)備：磁帶機、磁鼓機、磁盤機等?？捎米鬏斎?，也可以用作輸出。主要用于長期保存信息，但需要管理其上的存儲空間。 ? 可以在存儲設(shè)備上可以建立文件系統(tǒng)，有組織、有結(jié)構(gòu)地長期存儲信息。 39 塊型設(shè)備 VS 字符型設(shè)備 ? 塊型設(shè)備通常就是存儲型設(shè)備 。 這類設(shè)備由若干長度相同的塊構(gòu)成 。 ? 一塊的長度通常為 2n個字節(jié) ， 如 256B、 512B、1024B等 。 對這類設(shè)備來說 ， 塊是存儲分配的基本單位 ， 也是 I/O傳輸?shù)幕締挝?。 ? 字符型設(shè)備通常就是輸入 /輸出型設(shè)備 。 這類設(shè)備 I/O傳輸?shù)幕締挝皇亲止?jié) 。 40 獨占型 VS 共享型設(shè)備 ? 獨占型設(shè)備包括所有的字符型設(shè)備及磁帶機 。 — 任意時間段內(nèi)最多只能被一個進(jìn)程占用 。 — 使用時 ， 進(jìn)程首先向系統(tǒng)申請 ， 可能進(jìn)入阻塞狀態(tài) 。 當(dāng)設(shè)備可用時 ， 喚醒一個等待進(jìn)程 。 使用完畢以后 ， 進(jìn)程必須釋放設(shè)備 。 ? 共享型設(shè)備包括除磁帶機以外的所有塊型設(shè)備。 — I/O傳輸單位：塊 — 宏觀上，一個共享型設(shè)備可以被多個進(jìn)程同時占用；微觀上，多個進(jìn)程交替使用同一設(shè)備。 — 進(jìn)程使用這類設(shè)備時，無須申請或釋放設(shè)備，也不存在某個進(jìn)程占用設(shè)備的問題。 41 設(shè)備分配 42 ? 分配：設(shè)備、控制器和通道 ? 需要記錄與他們相關(guān)的信息。包括：資源標(biāo)識、物理連接情況、占有進(jìn)程、等待進(jìn)程等。 ? 具體實現(xiàn)時，可以將其分為設(shè)備控制塊、控制器控制塊和通道控制塊。 ? 這些控制塊中包含的信息在不同的系統(tǒng)中會有所不同 43 設(shè)備控制塊 UCB (Unit Control Block) 設(shè)備標(biāo)識 設(shè)備狀態(tài) 相連的控制器 重試次數(shù) (I/O出錯時的重試次數(shù) ) 占有設(shè)備的進(jìn)程 設(shè)備等待隊列 (指向等待本設(shè)備的等待隊列 ) 通路待隊列 (使用設(shè)備時需要申請相應(yīng)的通路 ) 44 控制器控制塊 CUCB 控制器標(biāo)識 控制器狀態(tài) 相連的通道 相連的設(shè)備 占有控制器的進(jìn)程 45 通道控制塊 CCB 通道標(biāo)識 通道狀態(tài) 相連的控制器 占有通道的進(jìn)程 46 設(shè)備無關(guān)性 ? 為了實現(xiàn)設(shè)備的無關(guān)性，操作系統(tǒng)要求進(jìn)程申請設(shè)備時，應(yīng)當(dāng)指明所需設(shè)備的類別 (或者邏輯設(shè)備名 )，不能指定某一設(shè)備的具體編號。 ? 系統(tǒng)根據(jù)進(jìn)程的請求以及資源分配情況在相應(yīng)類別的設(shè)備中選擇一個空閑的物理設(shè)備，并將其分配給申請者。 47 優(yōu)點 ? 提高設(shè)備的利用率 。 從根本上講 ， 申請者只關(guān)心使用設(shè)備的結(jié)果 ， 不在乎到底使用哪一個設(shè)備 。 假設(shè)申請者指定具體設(shè)備 ， 被指定的設(shè)備可能正在被使用 ， 因而申請無法滿足 。 而此時 ， 其他同類設(shè)備可能空閑 。 這將造成資源的浪費和進(jìn)程的不必要等待； ? 程序與設(shè)備無關(guān) 。 假設(shè)申請者指定具體設(shè)備 ， 而被指定的設(shè)備已損壞或未聯(lián)機 ， 則要么程序無法正常工作 ， 要么修改程序 。 48 系統(tǒng)設(shè)備表 SDT ? 根據(jù)上述實現(xiàn)要求，系統(tǒng)通常將相同類型設(shè)備的 UCB記錄在一張表中，稱作 UCB表。 ? 將邏輯設(shè)備名、設(shè)備數(shù)、設(shè)備等待隊列以及UCB表的起始地址登記在另一個表中，該表通常稱作系統(tǒng)設(shè)備表 (SDT) ，如表 。 49 設(shè)備類別 設(shè)備總數(shù) 可用設(shè)備數(shù) 設(shè)備等待隊列 UCB首址 打印機 5 4 ?? ?? 讀卡機 3 3 ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? 50 設(shè)備分配算法 ? 先來先服務(wù) — 根據(jù)進(jìn)程對某設(shè)備提出請求的先后次序 ， 將這些進(jìn)程排成一個設(shè)備請求隊列 。 設(shè)備分配程序總是把設(shè)備分配給隊首的進(jìn)程 。 ? 優(yōu)先級高者優(yōu)先服務(wù) — 根據(jù)進(jìn)程優(yōu)先級的高低，將優(yōu)先級高的進(jìn)程排在設(shè)備等待隊列的前面。對于優(yōu)先級相同的進(jìn)程，則按先來先服務(wù)的原則進(jìn)行排隊，設(shè)備分配程序總是把設(shè)備分配給排在隊首的進(jìn)程。 51 獨占型設(shè)備的分配 ? 進(jìn)程使用獨占設(shè)備的過程：申請 、 使用 、 釋放 。 1 進(jìn)程申請設(shè)備 2 系統(tǒng)分配設(shè)備 3 進(jìn)程發(fā)送使用命令 4 系統(tǒng)將轉(zhuǎn)到設(shè)備驅(qū)動模塊完成一次 I/O傳輸 5 進(jìn)程釋放設(shè)備 6 系統(tǒng)回收設(shè)備 ? 當(dāng)進(jìn)程的一次設(shè)備申請成功，直到發(fā)出釋放命令期間，一直獨占設(shè)備。 52 共享型設(shè)備的分配 ? 進(jìn)程使用共享型設(shè)備不需要申請 ， 當(dāng)然也就不存在占用或釋放設(shè)備的問題 。 ? 但是 ， I/O期間只能有一個進(jìn)程使用設(shè)備 。 因此 ，進(jìn)程使用共享型設(shè)備之前 ， 有一個隱含的申請命令；使用完畢以后 ， 有一個隱含的釋放命令 ， 以實現(xiàn)一次基本 I/O傳輸期間的排它性 ， 保證操作的正常進(jìn)行 。 ? 使用共享型設(shè)備的過程中 ， 進(jìn)程完全有可能進(jìn)入阻塞等待狀態(tài) 。 53 I/O緩沖技術(shù) 54 緩沖技術(shù)的引入 ? 緩解處理機與設(shè)備間速度不匹配的矛盾 ? 實現(xiàn)設(shè)備與處理機一定程度的并行操作 ? 減少設(shè)備的中斷頻率，放寬對中斷響應(yīng)時間的限制 55 提前讀 ? 指用戶進(jìn)程從 I/O緩沖區(qū)中取走前一個數(shù)據(jù)以后 ，立即發(fā)出對下一個數(shù)據(jù)的輸入請求 。 ? 操作系統(tǒng)將在適當(dāng)?shù)臅r候響應(yīng)該請求以便把用戶進(jìn)程需要的下一個數(shù)據(jù)從用戶進(jìn)程指定的輸入設(shè)備讀入到 I/O 緩沖區(qū)中 。 ? 顯然 ， 用戶進(jìn)程加工前一個數(shù)據(jù)的工作與操作系統(tǒng)輸入下一個數(shù)據(jù)的工作可以同時進(jìn)行 。 56 延后寫 ? 是指 ， 當(dāng)用戶進(jìn)程請求輸出數(shù)據(jù)時 ， 操作系統(tǒng)將很快把用戶進(jìn)程請求輸出的數(shù)據(jù)從用戶進(jìn)程的工作區(qū)中取走并將其暫時存放在 I/O緩沖區(qū)中 。 ? 直到用戶進(jìn)程指定的輸出設(shè)備空閑時 ， 操作系統(tǒng)才把暫時存放在 I/O緩沖區(qū)中的用戶進(jìn)程的輸出數(shù)據(jù)寫入用戶進(jìn)程指定的輸出設(shè)備上 。 ? 顯然 ， 用戶進(jìn)程生成下一個輸出數(shù)據(jù)的工作與操作系統(tǒng)輸出前一個輸出數(shù)據(jù)的工作可以同時進(jìn)行 。 57 硬件緩沖和軟件緩沖 ? 硬件緩沖區(qū) 配置在設(shè)備中 ， 具有專門的用途 。對處理機透明 ， 不需要處理機的直接管理 ，不會影響系統(tǒng)性能 。 ? 軟件實現(xiàn)的緩沖區(qū) 是內(nèi)存空間的一部分 。 其目的是為了彌補硬件緩沖區(qū)的不足 。 因為并非所有外設(shè)都擁有 ， 或者足夠擁有硬件緩沖區(qū) 。 ? 操作系統(tǒng)中介紹的緩沖區(qū)都是指 軟件緩沖區(qū) 。 58 緩沖區(qū)的組織形式 單緩沖 雙緩沖 循環(huán)緩沖 緩沖池 59 單緩沖 ? 簡單，僅在內(nèi)存中為進(jìn)程對某個設(shè)備的 I/O訪問分配一個緩沖區(qū)，如圖 操作系統(tǒng) 外部設(shè)備 用戶進(jìn)程 緩沖區(qū) 60 ? 假定，一塊數(shù)據(jù)從外部設(shè)備輸入到內(nèi)存所花費的時間為 T，在內(nèi)存中移動所花費的時間為 M，被用戶進(jìn)程加工處理所花費的時間為 C，那么 ? 在沒有使用 I/O緩沖區(qū)的情況下，平均每塊數(shù)據(jù)的處理時間近似為： T+C ? 在使用單 I/O緩沖區(qū)的情況下，平均每塊數(shù)據(jù)的處理時間近似為： max(T,C)+M 61 ? 相對于沒有 I/O緩沖區(qū)的情形， 單 I/O緩沖區(qū)能提高用戶進(jìn)程的運行效率。 ? 如果用戶進(jìn)程在對有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理時不釋放 I/O緩沖區(qū)， 那么用戶進(jìn)程的性能并不能得到改善。 ? 如果 T遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 C，即外部設(shè)備的 I/O速度比用戶進(jìn)程的計算速度慢得多，那么，單 I/O緩沖區(qū) 不會顯著改善 用戶進(jìn)程的性能。 62 雙緩沖 OS 外部設(shè)備 用戶進(jìn)程緩沖區(qū) 緩沖區(qū) ?增加一個緩沖區(qū) ， 兩個緩沖區(qū)可以交替使用 。 ?當(dāng)數(shù)據(jù)從緩沖區(qū)復(fù)制到用戶進(jìn)程空間時 ， 輸入設(shè)備不必等待 ， 可立即開始向另一個緩沖區(qū)輸入數(shù)據(jù) 。 因此 ， 增加了一個緩沖區(qū)后 ， 前述的平均工作時間可近似為： max(T,C)。 另外 ， 若用戶進(jìn)程陣發(fā)性 I/O的數(shù)據(jù)超過一個緩沖區(qū)而不滿兩個緩沖區(qū) ， 雙緩沖使進(jìn)程不會在 I/O數(shù)據(jù)期間被阻塞 。 63 循環(huán)緩沖 ? 當(dāng)用戶進(jìn)程處理數(shù)據(jù)的速度較快 、 外部設(shè)備處理數(shù)據(jù)的速度較慢 ， 或者用戶進(jìn)程陣發(fā)性輸入 /輸出的數(shù)據(jù)較多時 ， 必須考慮增加緩沖區(qū)的數(shù)量以改善系統(tǒng)性能 ， 這就是 多緩沖區(qū) 方式 。 ? 多個 I/O緩沖區(qū)常常被組織成一個環(huán)形隊列 ，故 ， 稱為循環(huán)緩沖 。 ? 實質(zhì)上 ， 雙緩沖可以看作是循環(huán)緩沖的一個特例 。 64 緩沖池 ? 上述三種緩沖區(qū)的組織形式僅適用于某種特定的I/O進(jìn)程和計算進(jìn)程，屬于專用緩沖。 ? 當(dāng)系統(tǒng)中的設(shè)備很多時，將會有許多這樣的循環(huán)緩沖區(qū)，消耗大量的內(nèi)存空間，而且其利用率也不高。 ? 為了提高緩沖區(qū)的利用率，可以采用 公共緩沖池 技術(shù)，其中的緩沖區(qū)可為多個設(shè)備和進(jìn)程服務(wù)。 65 緩沖池 ? 兩種緩沖池：分別用于塊型設(shè)備和字符型設(shè)備。 ? 用于塊型設(shè)備的緩沖池：緩沖區(qū)較大，其長度通常與外部設(shè)備物理塊的長度相同； ? 用于字符型設(shè)備的緩沖池：緩沖區(qū)較小，其長度通常為 8個字節(jié)、 16個字節(jié)等。 ? 若單個緩沖區(qū)的容量太大會造成資源浪費，而太小的緩沖區(qū)則會增加系統(tǒng)管理開銷。 66 緩沖池 ? 緩沖池中的緩沖區(qū)通常組織成 鏈表結(jié)構(gòu) 。 — 需要緩沖區(qū)時 ， 從鏈表中申請一個或多個緩沖區(qū) 。使用完畢時 ， 釋放的緩沖區(qū)將被鏈接到鏈表中 。 ? 緩沖區(qū)和緩沖池都屬于操作系統(tǒng)空間，用戶進(jìn)程不能直接對緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作 — 只能通過系統(tǒng)調(diào)用間接地使用； — 或讓操作系統(tǒng)將緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)復(fù)制到用戶進(jìn)程空間，或者相反。