【正文】 nic Standard Association）總線，帶寬增加到 132Mb/s。 ? 了解在進(jìn)行設(shè)備分配時(shí)應(yīng)考慮的設(shè)備的固有屬性、設(shè)備的分配算法、設(shè)備分配的安全性和設(shè)備的獨(dú)立性等因素；掌握設(shè)備分配中數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)， 熟悉 設(shè)備分配的流程；掌握 SPOOLing技術(shù)概念和 SPOOLing系統(tǒng)的組成。設(shè)備管理包括各種設(shè)備分配、緩沖區(qū)管理和實(shí)際物理 I／ O設(shè)備操作，通過管理達(dá)到提高設(shè)備利用率和方便用戶。 教學(xué)要求： ? 了解設(shè)備的分類， 熟悉 設(shè)備管理的目標(biāo)和功能。 ? 熟悉 設(shè)備處理程序的功能和處理方式， 熟悉 設(shè)備處理程序的處理過程。 ? 1992年，隨著 Pentium系列 CPU的出現(xiàn)，單總線結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能滿足系統(tǒng)性能要求，推出了的具有全局總線和局部總線的 PCI總線，如圖 。 典型的設(shè)備有行式打印機(jī) 、 激光打印機(jī)等； ? 高速設(shè)備： 指傳輸速率在數(shù)百千個(gè)字節(jié)至數(shù)兆字節(jié)的設(shè)備 。它屬于有結(jié)構(gòu)設(shè)備。它屬于無結(jié)構(gòu)設(shè)備。 ? 共享設(shè)備： 指在一段時(shí)間內(nèi)允許多個(gè)進(jìn)程同時(shí)訪問的設(shè)備 。 ? 虛擬設(shè)備： 指通過虛擬技術(shù)將一臺(tái)獨(dú)占設(shè)備變換為若干臺(tái)供多個(gè)用戶 （ 進(jìn)程 ） 共享的邏輯設(shè)備 。 ? 為用戶提供方便 、 統(tǒng)一的界面 。 設(shè)備管理的目標(biāo)和功能 1 2. 設(shè)備管理功能 ? 設(shè)備分配。這樣 設(shè)備管理程序又要負(fù)責(zé)管理緩沖區(qū)的建立、分配和釋放。 設(shè)備管理的目標(biāo)和功能 2 ? 虛擬設(shè)備。輸入 /輸出設(shè)備通過設(shè)備控制器進(jìn)入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，操作系統(tǒng)通過設(shè)備控制器管理設(shè)備。 ? 識(shí)別設(shè)備地址 ：系統(tǒng)中的每一個(gè)設(shè)備都有一個(gè)地址 ,設(shè)備控制器能夠識(shí)別所控制設(shè)備的地址。 設(shè)備控制器的組成 1 一個(gè)設(shè)備控制器接口連接一臺(tái)設(shè)備，一臺(tái)設(shè)備控制器有多個(gè)接口，可以連接多個(gè)設(shè)備。 ? 控制器端口和內(nèi)存進(jìn)行統(tǒng)一地編址 。 ? 控制器端口獨(dú)立分配地址空間。 Intel 8086/8088，分配給輸入 /輸出端口的地址空間為 64K，即：0000H～ 0FFFFH，只能用 IN和 OUT指令對(duì)其進(jìn)行讀寫操作。 程序輪詢方式 在早期的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中 ， 由于沒有中斷機(jī)構(gòu) ， 處理機(jī)對(duì)I/O設(shè)備直接進(jìn)行控制 ， 采取程序輪詢 I/O（ Programmed I/O）方式或稱為忙 等待方式 ， 即在 CPU向設(shè)備控制器發(fā)出一條I/O指令啟動(dòng) I/O設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí) ， 要同時(shí)把狀態(tài)寄存器中的忙 /閑標(biāo)志 busy置為 1， 然后便不斷地循環(huán)測(cè)試 busy。 中斷控制 (Interruptdriven I/O)方式 在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，對(duì) I/O設(shè)備的控制，廣泛地采用中斷驅(qū)動(dòng)方式，即當(dāng)某進(jìn)程要啟動(dòng)某個(gè) I/O設(shè)備時(shí)，便由 CPU向相應(yīng)的設(shè)備控制器發(fā)出一條 I/O命令，然后立即返回繼續(xù)執(zhí)行原來的任務(wù)。一旦數(shù)據(jù)進(jìn)入數(shù)據(jù)寄存器，控制器便通過控制線向 CPU發(fā)送一中斷信號(hào)，由 CPU檢查輸入過程中是否出錯(cuò)，若無錯(cuò)，便向控制器發(fā)取走數(shù)據(jù)的信號(hào)，然后便通過控制器將數(shù)據(jù)寫入指定內(nèi)存單元。 DMA(Direct Memory Access )控制方式 中斷驅(qū)動(dòng) I/O方式雖然大大提高了主機(jī)的利用率 ， 但是它以字（ 節(jié) ） 為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送 ， 每完成一個(gè)字 （ 節(jié) ） 的傳送 ， 控制器便要向 CPU請(qǐng)求一次中斷 （ 做保存現(xiàn)場信息 ， 恢復(fù)現(xiàn)場等工作 ） ， 仍然占用了 CPU的許多時(shí)間 。 DMA控制方式 1 2． 它需要使用一個(gè)專門的 DMA控制器 （ DMAC） 。 4． 僅在傳送一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)塊的開始和結(jié)束時(shí) ， 才需 CPU干預(yù) ， 整塊數(shù)據(jù)的傳送是在控制器的控制下完成的 。 但是 CPU每發(fā)出一條 I/O指令 ， 也只能去讀 （ 或?qū)?） 一個(gè)連續(xù)的數(shù)據(jù)塊 。 通道技術(shù)可以進(jìn)一步減少 CPU的干預(yù) ， 即把對(duì)一個(gè)數(shù)據(jù)塊為單位的讀 （ 或?qū)?） 的干預(yù) ， 減少到對(duì)一組數(shù)據(jù)塊為單位的讀（ 或?qū)?） 的有關(guān)的控制和管理的干預(yù) 。通道指令與一般的機(jī)器指令不同，在每條指令中包含的信息較多，有操作碼、內(nèi)存地址、計(jì)數(shù)（讀或?qū)憯?shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)）、通道程序結(jié)束位 P和記錄結(jié)束標(biāo)志 R。一個(gè)子通道完成一個(gè)字節(jié)的傳送后，立即讓出字節(jié)多路通道（主通道），給另一個(gè)子通道使用。 可見 ， 它適于連接高速設(shè)備 （ 如磁盤機(jī) 、 磁帶機(jī) ） ， 但是這種通道的利用率較低 。 所以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 。 通道輸入 /輸出的工作過程如下： （ 1）當(dāng)處理器執(zhí)行用戶程序中遇到輸入 /輸出請(qǐng)求時(shí)，根據(jù)請(qǐng)求生成通道程序放入內(nèi)存（也可事先編好放入內(nèi)存），并將該通道程序的首地址放入通道的 CAW中。 I/O通道控制方式 6 （ 3）通道程序完成輸入 /輸出，啟動(dòng)輸入 /輸出設(shè)備，執(zhí)行完成。 4．具有通道的計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，一個(gè)處理器可以連接若干個(gè)通道，一個(gè)通道可以連接若干個(gè)設(shè)備控制器，一個(gè)設(shè)備控制器可以連接若干個(gè)設(shè)備。通道路徑可以分為并行通道路徑和串行通道路徑，右邊部分為串行通道路徑，左邊部分則為并發(fā)通道路徑，分別連接不同速度的輸入 /輸出設(shè)備。 由于打印機(jī)的速度跟不上CPU， 而使得 CPU長時(shí)間的等待 。 事實(shí)上 ， 凡在數(shù)據(jù)的到達(dá)速率與其離去速率不同的地方 ， 都可設(shè)置緩沖 ， 以緩和它們之間速度不匹配的矛盾 。 （ Single Buffer ） 每當(dāng)一個(gè)用戶進(jìn)程發(fā)出一個(gè) I/O請(qǐng)求時(shí)， OS便在主存中為之分配一個(gè)緩沖區(qū)。 此時(shí) OS可以從緩沖區(qū) A中提取數(shù)據(jù)傳送到用戶區(qū) ， 最后由 CPU對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算 。 但是如果兩者的速度相差甚遠(yuǎn)時(shí) ， 雙緩沖的效果就不夠理想了 。 操作系統(tǒng) 用戶進(jìn)程 輸入 傳送 I/O設(shè)備 …… 緩沖區(qū) 1 用戶區(qū) 緩沖區(qū) 2 緩沖區(qū) N （ Circular Buffer ） 2 ? 循環(huán)緩沖的組織 1空 2空 3空 4滿 5滿 6滿 空緩沖隊(duì)列頭指針 E 有數(shù)據(jù)緩沖隊(duì)列頭指針 F （ Circular Buffer ） 3 ? 進(jìn)程同步 （ 1）無空緩沖： E+1=F,輸入進(jìn)程阻塞，計(jì)算進(jìn)程在消耗一個(gè)緩沖后喚醒它。 ? 對(duì)于同時(shí)用于輸入 /輸出的公用緩沖池，至少含有三種類型的緩沖區(qū)： 空緩沖區(qū)、裝滿輸入數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)和裝滿輸出數(shù)據(jù)的緩沖區(qū) 。 ? 申請(qǐng)和歸還緩沖區(qū) （ 1） getbuf(type) (2) putbuf(type,bufnum) begin begin P(RS(type))。 takebuf(type)。目前，輸入 /輸出軟件設(shè)計(jì)最常用的方法是分層設(shè)計(jì)，分為四層，如下圖所示。 3. 分析中斷原因，轉(zhuǎn)入相應(yīng)的設(shè)備中斷處理程序。 在 UNIX中將以上對(duì)各類設(shè)備處理相同的部分集中起來，形成中斷總控程序，每當(dāng)要進(jìn)行中斷處理時(shí)，都要首先進(jìn)入中斷總控程序，再按需要轉(zhuǎn)入不同的設(shè)備處理程序。 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的主要功能如下： ? 將上層軟件傳送來的用戶作業(yè)的邏輯輸入 /輸出請(qǐng)求轉(zhuǎn)換為設(shè)備的具體要求。 ? 如果計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)置有通道，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序還應(yīng)能夠根據(jù)用戶作業(yè)的輸入 /輸出請(qǐng)求，自動(dòng)地構(gòu)成通道程序。常用的設(shè)備控制方式是中斷和 DMA方式。 ③ 讀出和檢查設(shè)備的狀態(tài) ， 確保設(shè)備處于就緒態(tài) 。 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序 3 4．設(shè)備出錯(cuò)處理 設(shè)備出錯(cuò)處理由設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序完成。 如果發(fā)生的錯(cuò)誤不能忽略，則設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序會(huì)采取重試的方法或報(bào)警的方法。使用磁盤時(shí)由于位示圖等關(guān)鍵信息出錯(cuò)，則磁盤驅(qū)動(dòng)程序通過系統(tǒng)打印出錯(cuò)誤信息并終止執(zhí)行，驅(qū)動(dòng)程序自身不能處理。 設(shè)備的邏輯名是系統(tǒng)中預(yù)先設(shè)計(jì)的統(tǒng)一名稱，不依賴于設(shè)備，可以是一個(gè)簡單的字符串或一個(gè)整數(shù)，應(yīng)用在與設(shè)備有關(guān)的所有軟件模塊中。 ? 對(duì)于單用戶單進(jìn)程系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)設(shè)置一個(gè)邏輯設(shè)備表。 在邏輯設(shè)備表中包含有邏輯設(shè)備名、物理設(shè)備名和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的入口地址等信息。對(duì)所有的設(shè)備，用戶的操作都是相同的，都通過 read實(shí)現(xiàn)讀操作，從輸入設(shè)備讀取數(shù)據(jù)。 ? 使得設(shè)備分配時(shí)具有靈活性，提高了設(shè)備的利用率 ? 易于實(shí)現(xiàn)輸入 /輸出重定向，提高系統(tǒng)的可適用性 用于輸入 /輸出操作的設(shè)備可以更換，即重定向，而不必改變應(yīng)用程序。 用戶級(jí)輸入 /輸出軟件 1 隨著計(jì)算機(jī)處理速度的提高，特別是多道程序的引入，外圍控制機(jī)的輸入 /輸出控制功能可以用程序來模擬，用程序來替代外圍控制機(jī)。 用戶級(jí)輸入 /輸出軟件 2 （ 2） spooling系統(tǒng)的組成 用戶級(jí)輸入 /輸出軟件 3 spooling系統(tǒng)主要包括如下四個(gè)部分： ? 輸入井和輸出井 ? 輸入緩沖區(qū)和輸出緩沖區(qū) ? 預(yù)輸入進(jìn)程 SPI和緩輸出進(jìn)程 SPO ? 井管理程序 在作業(yè)執(zhí)行過程中，進(jìn)程如果請(qǐng)求啟動(dòng)某臺(tái)輸入 /輸出設(shè)備操作，操作系統(tǒng)得到該請(qǐng)求并調(diào)出井管理程序，控