【正文】 理數(shù)據(jù)的速度較快 、 外部設備處理數(shù)據(jù)的速度較慢 ， 或者用戶進程陣發(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 。 62 雙緩沖 OS 外部設備 用戶進程緩沖區(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 。 ? 操作系統(tǒng)中介紹的緩沖區(qū)都是指 軟件緩沖區(qū) 。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 。 56 延后寫 ? 是指 ， 當用戶進程請求輸出數(shù)據(jù)時 ， 操作系統(tǒng)將很快把用戶進程請求輸出的數(shù)據(jù)從用戶進程的工作區(qū)中取走并將其暫時存放在 I/O緩沖區(qū)中 。 ? 使用共享型設備的過程中 ， 進程完全有可能進入阻塞等待狀態(tài) 。 1 進程申請設備 2 系統(tǒng)分配設備 3 進程發(fā)送使用命令 4 系統(tǒng)將轉到設備驅動模塊完成一次 I/O傳輸 5 進程釋放設備 6 系統(tǒng)回收設備 ? 當進程的一次設備申請成功，直到發(fā)出釋放命令期間，一直獨占設備。 設備分配程序總是把設備分配給隊首的進程 。 假設申請者指定具體設備 ， 而被指定的設備已損壞或未聯(lián)機 ， 則要么程序無法正常工作 ， 要么修改程序 。 從根本上講 ， 申請者只關心使用設備的結果 ， 不在乎到底使用哪一個設備 。 ? 具體實現(xiàn)時，可以將其分為設備控制塊、控制器控制塊和通道控制塊。 — I/O傳輸單位：塊 — 宏觀上，一個共享型設備可以被多個進程同時占用；微觀上，多個進程交替使用同一設備。 — 使用時 ， 進程首先向系統(tǒng)申請 ， 可能進入阻塞狀態(tài) 。 ? 字符型設備通常就是輸入 /輸出型設備 。 39 塊型設備 VS 字符型設備 ? 塊型設備通常就是存儲型設備 。 ? 存儲型設備：磁帶機、磁鼓機、磁盤機等。 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 。 通道程序以及需要與設備交換的數(shù)據(jù)均放置在內存中 。 34 I/O控制方式 — I/O通道方式 ? 通道相當于一個功能單純的 處理機 ， 專門用于處理I/O操作 。因為，頻繁的、大量的中斷所累積的開銷很大。 性能優(yōu)于程序控制I/O方式 。 ? 在程序 I/O方式中 ， 由于處理機的速度非?？?，而設備的速度相對較慢 ， 使得處理機的絕大部分時間都處于等待設備完成數(shù)據(jù) I/O的循環(huán)測試中 ，造成對 CPU的極大浪費 。 ? 從系統(tǒng)分層的觀點來講 ， 設備驅動程序可以是操作系統(tǒng)的一部分 ， 也可以被認為是硬件設備的一部分 。 27 設備的控制 — 即插即用 ? 對已安裝硬件的自動和動態(tài)識別 — 包括系統(tǒng)初始安裝時 、 兩次系統(tǒng)啟動之間以及運行時發(fā)生的硬件事件 （ 如筆記本的對接 /分離以及設備的插入 /拔出 ） 的響應； ? 配合操作系統(tǒng)分配 /再分配硬件資源 ? 加載相應的驅動程序 。即，設備使用的中斷號、 DMA、內存地址、端口地址可能因相同或重疊而導致設備無法正常工作。 ? 為了使 CPU能夠尋址這些設備寄存器，硬件平臺引入了 I/O端口地址的概念。 ? 分離之后的設備僅由機械部分構成 ， 一個控制器可與多個設備相連 ， 交替地或分時地控制與其相連的設備 。 毫無疑問 ， 該層與設備硬件密切相關 。 ? 一般地 ， 根據(jù)設備的用法 ， 該層也可視作虛擬存儲系統(tǒng) 、 文件系統(tǒng)或通信系統(tǒng)的一部分 。 ? I/O緩沖區(qū)管理的任務是：組織 I/O緩沖區(qū)，并為使用者提供獲得和釋放 I/O緩沖區(qū)的手段。 ? 有時候，某些硬件無法在某種操作系統(tǒng)中使用，原因很可能就是沒有專門的或通用的設備驅動程序，或者設備驅動程序設計有問題，使得設備無法正常工作。 9 設備管理的主要功能 設備分配 設備映射 設備驅動 I/O緩沖區(qū)的管理 10 設備驅動 ? 又稱設備處理 ， 指對物理設備進行控制 ， 以實現(xiàn)真正的 I/O操作 。 從操作系統(tǒng)設備管理程序的角度看 ， 物理設備則是某種邏輯設備的實例 。 — 設備無關性：應用軟件所引用的 、 用于實現(xiàn) I/O操作的設備與物理 I/O系統(tǒng)中實際安裝的設備沒有固定的聯(lián)系 。第四章 設備管理 1 本章要點 ? 設備管理的主要功能、模型 ? I/O子系統(tǒng)的組成、結構 ? 設備的控制、 I/O控制 ? 設備的類型 ? 設備分配 ? I/O緩沖技術 ? 虛擬設備與 SPOOLing系統(tǒng) ? 磁盤設備的管理 2 設備管理概述 3 設備管理的主要功能 設備分配 設備映射 設備驅動 I/O緩沖區(qū)的管理 4 設備分配 ? 多道程序系統(tǒng)中的設備不允許用戶直接使用 ，而是由操作系統(tǒng)統(tǒng)一調度和控制 。 7 設備映射 ? 邏輯設備和物理設備 — 邏輯設備是指 ， 應用軟件所引用的用于實現(xiàn) I/O操作的設備 。 8 設備映射 ? 如果某系統(tǒng)支持設備無關性 ， 那么該系統(tǒng)中應用軟件所引用的邏輯設備與實際安裝的物理設備沒有固定的聯(lián)系 。 ? 設備驅動的主要任務是：接收上層軟件發(fā)來的抽象服務請求 ， 例如讀 /寫命令 ， 再把它轉換為具體要求 ， 通過一系列的 I/O指令 ， 控制設備完成請求的操作；同時 ， 設備驅動程序還將設備發(fā)來的有關信號傳送給上層軟件 ， 例如設備是否已損壞等 。 12 設備管理的主要功能 設備分配 設備映射 設備驅動 I/O緩沖區(qū)的管理 13 I/O緩沖區(qū)的管理 ? 為了緩和處理機與外部設備間速度不匹配的矛盾 ，提高處理機和外部設備間的并行性 ， 現(xiàn)代操作系統(tǒng)大都在設備管理部分引入了 緩沖技術 。 14 通用設備管理分層模型 ? 將設備管理功能模塊分為設備 硬件無關 以及設備 硬件相關 兩個層次 。 15 通用設備管理分層模型 ? 設備硬件相關層將設備硬件無關層與設備硬件隔離開來 。 16 通用設備管理分層模型 用戶進程 設備硬件無關層 設備硬件相關層 設備硬件 17 支持中斷的設備管理模型 用戶進程 設備硬件 內核中斷管理模塊 I/O請求 IOCS 資源等待隊列I/O等待隊列 設備驅動程序 啟動過程 |繼續(xù)過程 設備中斷 18 計算機 I/O子系統(tǒng)的組成 19 總線型 I/O系統(tǒng)的結構 處理機 I/O設備 I/O設備 I/O設備 I/O設備 I/O設備 系統(tǒng)總線 內存 20 通道型 I/O系統(tǒng)的結構 處理機 I/O設備 I/O設備 I/O通道 I/O通道 系統(tǒng)總線 內存 I/O通道 I/O設備 I/O設備 I/O設備 I/O設備 21 具有控制器的 I/O系統(tǒng)結構 ? 傳統(tǒng)的設備 = 機械部分 + 電子部分 ? 電子部分在系統(tǒng)的控制下驅動機械部分運轉 ， 完成I/O操作 。 例如 ， 磁盤控制器可以控制多個磁盤驅動器 。 24 設備的控制 — 設備的尋址與操作 ? I/O端口地址的編址方式有兩種： （ 1） 將設備寄存器與內存物理單元統(tǒng)一編址； （ 2） 獨立于內存物理地址為設備寄存器編址 。 ? 手工調整這些設備的相關參數(shù)要求用戶具有較多的計算機硬件知識，并對系統(tǒng)配置的硬件有較全面的了解。 — 當系統(tǒng)中加入新設備時 ， 如果操作系統(tǒng)中沒有集成相應設備的驅動程序 ， 則會要求用戶指定驅動程序的位置并完成驅動程序的安裝 。 29 I/O控制方式 — 程序 I/O方式 ? 在早期的計算機系統(tǒng)中 ， 由于沒有中斷裝置 ，處理機對于 I/O設備的控制采取程序 I/O方式 ? 也稱忙等待方式或循環(huán)測試方式 。 31 I/O控制方式 — 中斷 I/O方式 ? 對于讀操作 ， 中斷方式的基本工作過程為： ① 處理機向設備 (或設備控制器 )發(fā)出一條 I/O指令 ，啟動設備 ， 輸入數(shù)據(jù)； ② 處理機完成其它工作 ， 設備準備數(shù)據(jù)； ③ 當設備準備好數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)寄存器 ， 向處理機發(fā)中斷信號 ， 告之數(shù)據(jù)已準備好； ④ 處理機響應中斷請求 ， 從數(shù)據(jù)寄存器中將數(shù)據(jù)取出 ， 送入內存的指定單元； ⑤ 若數(shù)據(jù)已讀完 ， 結束 。 32 I/O控制方式 — DMA方式 ? 中斷 I/O比程序 I/O方式高效，但以字 /字節(jié)為傳輸單位。 ? 為了進一步減少處理機對 I/O事務的干預，出現(xiàn)了 DMA（ Direct Memory Access)直接存儲器訪問 方式。 通道有自己的運控部件和指令系統(tǒng) ， 但沒有專門的內存 ， 而是通過 “ 周期竊用 ” 方式與主機共享內存 。 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) 。 主機僅與通道直接通信 ， 不必考慮設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擔 。可用作輸入，也可以用作輸出。 這類設備由若干長度相同的塊構成 。 這類設備 I/O傳輸?shù)幕締挝皇亲止?jié) 。 當設備可用時 ， 喚醒一個等待進程 。 — 進程使用這類設備時，無須申請或釋放設備，也不存在某個進程占用設備的問題。 ? 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 設備控制塊 UCB (Unit Control Block) 設備標識 設備狀態(tài) 相連的控制器 重試次數(shù) (I/O出錯時的重試次數(shù) ) 占有設備的進程 設備等待隊列 (指向等待本設備的等待隊列 ) 通路待隊列 (使用設備時需要申請相應的通路 ) 44 控制器控制塊 CUCB 控制器標識 控制器狀態(tài) 相連的通道 相連的設備 占有控制器的進程 45 通道控制塊 CCB 通道標識 通道狀態(tài) 相連的控制器 占有通道的進程 46 設備無關性 ? 為了實現(xiàn)設備的無關性，操作系統(tǒng)要求進程申請設備時，應當指明所需設備的類別 (或者邏輯設備名 )，不能指定某一設備的具體編號。 假設申請者指定具體設備 ， 被指定的設備可能正在被使用 ， 因而申請無法滿足 。 48 系統(tǒng)設備表 SDT ? 根據(jù)上述實現(xiàn)要求，系統(tǒng)通常將相同類型設備的 UCB記錄在一張表中，稱作 UCB表。 ? 優(yōu)先級高者優(yōu)先服務 — 根據(jù)進程優(yōu)先級的高低，將優(yōu)先級高的進程排在設備等待隊列的前面。 52 共享型設備的分配 ? 進程使用共享型設備不需要申請 ， 當然也就不存在占用或釋放設備的問題 。 53 I/O緩沖技術 54 緩沖技術的引入 ? 緩解處理機與設備間速度不匹配的矛盾 ? 實現(xiàn)設備與處理機一定程度的并行操作 ? 減少設備的中斷頻率，放寬對中斷響應時間的限制 55 提前讀 ? 指用戶進程從 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 。 ? 直到用戶進程指定的輸出設備空閑時 ， 操作系統(tǒng)才把暫時存放在 I/O緩沖區(qū)中的用戶進程的輸出數(shù)據(jù)寫入用戶進程指定的輸出設備上 。 ? 軟件實現(xiàn)的緩沖區(qū) 是內存空間的一部分 。 58