【正文】 第七章設(shè)備管理 ? 概述 ? I/O軟件的組成 ? I/O硬件特點(diǎn) ? 有關(guān)技術(shù) ? 設(shè)備處理 ? 典型外部設(shè)備 ： ； :； ： 一、概述 I/O的特點(diǎn) （ 1） I/O性能經(jīng)常成為系統(tǒng)性能的瓶頸 ? CPU性能不等于系統(tǒng)性能 響應(yīng)時(shí)間也是一個(gè)重要因素 ? CPU性能越高，與 I/O差距越大 彌補(bǔ)：更多的進(jìn)程 ? 進(jìn)程切換多，系統(tǒng)開銷大 （ 2）操作系統(tǒng)龐大復(fù)雜的原因之一是：資源多、雜，并發(fā)，均來自 I/O 外設(shè)種類繁多，結(jié)構(gòu)各異 輸入輸出數(shù)據(jù)信號(hào)類型不同 速度差異很大 （ 3）理解 I/O的工作過程與結(jié)構(gòu)是理解操作系統(tǒng)的工作過程與結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵 I/O技術(shù)很實(shí)用 （ 4）與其他功能聯(lián)系密切，特別是文件系統(tǒng) I/O的特點(diǎn) （ 1）按使用特性分 存儲(chǔ)型設(shè)備 輸入型設(shè)備（ 外設(shè) ?主機(jī) ） 輸出型設(shè)備（主機(jī) ?外設(shè)） 輸入輸出型設(shè)備（交互型設(shè)備） 設(shè)備的分類 （ 2）按數(shù)據(jù)組織分 塊設(shè)備 以數(shù)據(jù)塊為單位存儲(chǔ)、傳輸信息 字符設(shè)備 以字符為單位存儲(chǔ)、傳輸信息 （ 3）按外部設(shè)備的從屬關(guān)系分 系統(tǒng)設(shè)備 指操作系統(tǒng)生成時(shí)，登記在系統(tǒng)中的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備 （如終端、打印機(jī)、磁盤機(jī)等） 用戶設(shè)備 指在系統(tǒng)生成時(shí)，未登記在系統(tǒng)中的非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。對(duì)于這類設(shè)備的處理程序由用戶提供，并將其納入系統(tǒng)，由系統(tǒng)代替用戶實(shí)施管理。 （如 A/D， D/A轉(zhuǎn)換器， CAD所用專用設(shè)備） （ 4）按資源分配角度分 獨(dú)占設(shè)備 在一段時(shí)間內(nèi)只能有一個(gè)進(jìn)程使用的設(shè)備，一般為低速 I/O設(shè)備（如打印機(jī)，磁帶等） 共享設(shè)備 在一段時(shí)間內(nèi)可有多個(gè)進(jìn)程共同使用的設(shè)備，多個(gè)進(jìn)程以交叉的方式來使用設(shè)備，其資源利用率高（如硬盤） 虛設(shè)備 在一類設(shè)備上模擬另一類設(shè)備，常用共享設(shè)備模擬獨(dú)占設(shè)備，用高速設(shè)備模擬低速設(shè)備，被模擬的設(shè)備稱為虛設(shè)備 目的：將慢速的獨(dú)占設(shè)備改造成多個(gè)用戶可共享的設(shè)備，提高設(shè)備的利用率 （實(shí)例： SPOOLing技術(shù)，利用虛設(shè)備技術(shù) —— 用硬盤模擬輸入輸出設(shè)備） SPOOLing技術(shù) 為解決獨(dú)立設(shè)備數(shù)量少，速度慢，不能滿足眾多進(jìn)程的要求，而且在進(jìn)程獨(dú)占設(shè)備期間，設(shè)備利用率比較低而提出的一種設(shè)備管理技術(shù) （ 5）從程序使用角度分 邏輯設(shè)備、物理設(shè)備 （ 6）按數(shù)據(jù)傳輸率分 高速設(shè)備、低速設(shè)備 （ 7）按接口分 與用戶交流：顯示器，鍵盤，鼠標(biāo)，打印機(jī)等 與電子設(shè)備交流：磁盤、磁帶等 通信：與遠(yuǎn)程設(shè)備通信：調(diào)制解調(diào)器 各類設(shè)備的差別： 數(shù)據(jù)傳輸率 應(yīng)用 控制的復(fù)雜性 傳輸單位 數(shù)據(jù)表示 出錯(cuò)條件 （ 1）按照用戶的請(qǐng)求，控制設(shè)備的各種操作，完成 I/O設(shè)備與內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)交換（包括設(shè)備分配與回收；設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序；設(shè)備中斷處理；緩沖區(qū)管理），最終完成用戶的 I/O請(qǐng)求 ? 設(shè)備分配與回收 記錄設(shè)備的狀態(tài) 根據(jù)用戶的請(qǐng)求和設(shè)備的類型，采用一定的分配算法，選擇一條數(shù)據(jù)通路 ? 建立統(tǒng)一的獨(dú)立于設(shè)備的接口 ? 完成設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，實(shí)現(xiàn)真正的 I/O操作 ? 處理外部設(shè)備的中斷處理 ? 管理 I/O緩沖區(qū) 功能 （ 2）向用戶提供使用外部設(shè)備的方便接口，使用戶擺脫繁瑣的編程負(fù)擔(dān) ? 方便性 ? 友好界面 ? 透明性 邏輯設(shè)備與物理設(shè)備、屏蔽硬件細(xì)節(jié)（設(shè)備的物理細(xì)節(jié)，錯(cuò)誤處理，不同 I/O的差異性） （ 3）充分利用各種技術(shù)（通道，中斷，緩沖等）提高 CPU與設(shè)備、設(shè)備與設(shè)備之間的并行工作能力，充分利用資源，提高資源利用率 ? 并行性 ? 均衡性（使設(shè)備充分忙碌） （ 4）保證在多道程序環(huán)境下，當(dāng)多個(gè)進(jìn)程競爭使用設(shè)備時(shí)，按一定策略分配和管理各種設(shè)備，使系統(tǒng)能有條不紊的工作 （ 5）保護(hù) 設(shè)備傳送或管理的數(shù)據(jù)應(yīng)該是安全的、不被破壞的、保密的 （ 6）與設(shè)備無關(guān)性（設(shè)備獨(dú)立性） 用戶在編制程序時(shí)，使用邏輯設(shè)備名，由系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)從邏輯設(shè)備到物理設(shè)備（實(shí)際設(shè)備）的轉(zhuǎn)換 用戶能獨(dú)立于具體物理設(shè)備而方便的使用設(shè)備 用戶申請(qǐng)使用設(shè)備時(shí)，只需要指定設(shè)備類型，而無須指定具體物理設(shè)備，系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前的請(qǐng)求，及設(shè)備分配的情況，在相同類別設(shè)備中，選擇一個(gè)空閑設(shè)備，并將其分配給一個(gè)申請(qǐng)進(jìn)程 統(tǒng)一性： 對(duì)不同的設(shè)備采取統(tǒng)一的操作方式，在用戶程序中使用的是邏輯設(shè)備 優(yōu)點(diǎn)： ? 設(shè)備忙碌或設(shè)備故障時(shí)，用戶不必修改程序 ? 改善了系統(tǒng)的可適應(yīng)性和可擴(kuò)展性 I／ O軟件的基本思想是按分層的思想構(gòu)成，較低層軟件要使較高層軟件獨(dú)立于硬件的特性，較高層軟件則要向用戶提供一個(gè)友好的、清晰的、簡單的、功能更強(qiáng)的接口 二、 I/O軟件的組成 在設(shè)計(jì) I／ O軟件時(shí)的一個(gè)關(guān)鍵概念是設(shè)備獨(dú)立性。用戶在編寫使用軟盤或硬盤上文件的程序時(shí)，無需為不同的設(shè)備類型而修改程序就可以使用 與設(shè)備獨(dú)立性密切相關(guān)的是統(tǒng)一命名這一目標(biāo)。一個(gè)文件或一個(gè)設(shè)備的名字只應(yīng)是一個(gè)簡單的字符串或一個(gè)整數(shù)，不應(yīng)依賴于設(shè)備 1. I／ O軟件的目標(biāo) 出錯(cuò)處理是 I／ O軟件的另一個(gè)目標(biāo)。一般來說，數(shù)據(jù)傳輸中的錯(cuò)誤應(yīng)盡可能地在接近硬件層上處理 最后一個(gè)問題是可共享設(shè)備和獨(dú)占設(shè)備的處理問題 每個(gè)進(jìn)程在啟動(dòng)一個(gè) I／ O操作后阻塞 直到 I／ O操作完成并產(chǎn)生一個(gè)中斷 由操作系統(tǒng)接管 CPU后喚醒該進(jìn)程為止 與設(shè)備密切相關(guān)的代碼放在設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中，每個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序處理一種設(shè)備類型 每一個(gè)控制器都設(shè)有一個(gè)或多個(gè)設(shè)備寄存器，用來存放向設(shè)備發(fā)送的命令和參數(shù)。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)釋放這些命令，并監(jiān)督它們正確執(zhí)行 一般，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的任務(wù)是接收來自與設(shè)備無關(guān)的上層軟件的抽象請(qǐng)求，并執(zhí)行這個(gè)請(qǐng)求 在設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的進(jìn)程釋放一條或多條命令后，系統(tǒng)有兩種處理方式，多數(shù)情況下，執(zhí)行設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的進(jìn)程必須等待命令完成，這樣，在命令開始執(zhí)行后，它阻塞自已，直到中斷處理時(shí)將它解除阻塞為止。而在其它情況下，命令執(zhí)行不必延遲就很快完成 雖然 I／ O軟件中一部分是設(shè)備專用的，但大部分軟件是與設(shè)備無關(guān)的。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序與設(shè)備獨(dú)立軟件之間的確切界限是依賴于具體系統(tǒng)的 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 系統(tǒng)中的一個(gè)主要課題。獨(dú)立于設(shè)備的軟件負(fù)責(zé)把設(shè)備的符號(hào)名映射到正確的設(shè)備驅(qū)動(dòng)上 系統(tǒng)如何防止無權(quán)存取設(shè)備的用戶存取設(shè)備呢？ 。向較高層軟件掩蓋這一事實(shí)并提供大小統(tǒng)一的塊尺寸，這正是設(shè)備獨(dú)立軟件的一個(gè)任務(wù)。它可將若干扇區(qū)合成一個(gè)邏輯塊。這樣，較高層的軟件只與抽象設(shè)備打交道，獨(dú)立于物理扇區(qū)的尺寸而使用等長的邏輯塊 I／ O軟件 盡管大部分 I／ O軟件都包含在操作系統(tǒng)中，但仍有一小部分是由與用戶程序連接在一起的庫過程，甚至完全由運(yùn)行于核外的程序構(gòu)成。系統(tǒng)調(diào)用，包括 I／ O系統(tǒng)調(diào)用，通常由庫過程實(shí)現(xiàn) 這些過程所做的工作只是將系統(tǒng)調(diào)用時(shí)所用的參數(shù)放在合適的位置，由其它的 I／ O過程實(shí)際實(shí)現(xiàn)真正的操作 （ 1）用戶進(jìn)程層執(zhí)行輸入輸出系統(tǒng)調(diào)用，對(duì) I／ O數(shù)據(jù)進(jìn)行格式化，為假脫機(jī)輸入／輸出作準(zhǔn)備 （ 2）獨(dú)立于設(shè)備的軟件實(shí)現(xiàn)設(shè)備的命名、設(shè)備的保護(hù)、成塊處理、緩沖技術(shù)和設(shè)備分配 （ 3）設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)置設(shè)備寄存器、檢查設(shè)備的執(zhí)行狀態(tài) （ 4）中斷處理程序負(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 （ 5）硬件層實(shí)現(xiàn)物理 I／ O的操作 I／ O設(shè)備一般由機(jī)械和電子兩部分組成 把這兩部分分開處理，以提供更加模塊化，更加通用的設(shè)計(jì) 三、 I/O硬件特點(diǎn) （ 1）物理設(shè)備 機(jī)械部分是設(shè)備本身（物理裝置） （ 2）設(shè)備控制器 電子部分叫做設(shè)備控制器或適配器。 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)中（接口） 完成設(shè)備與主機(jī)間的連接和通訊 控制器卡上通常有一個(gè)插座，通過電纜與設(shè)備相連 控制器和設(shè)備之間的接口是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口，它符合 ANSI、 IEEE或 ISO這樣的國際