【正文】 數(shù)據(jù)的工作緩沖區(qū) hin 用于提取輸入數(shù)據(jù)的工作緩沖區(qū) sin 用于收容輸出數(shù)據(jù)的工作緩沖區(qū) hout 用于提取輸出數(shù)據(jù)的工作緩沖區(qū) sout 工作緩沖區(qū)的結(jié)構(gòu)如圖： 2022/8/21 Device managent 49 第六節(jié) 緩沖管理 三個(gè)隊(duì)列的操作基本相似，主要是兩個(gè)操作： AddBuf(Type,number):將一個(gè)由 number指向的緩沖區(qū)掛在某個(gè)隊(duì)列Type上； TakeBuf(TYpe):從 Type指向的某個(gè)隊(duì)列上摘下一個(gè)緩沖區(qū)。相應(yīng)的，指針 NextI 和 NextG將不斷沿順時(shí)針方向移動(dòng)。 循環(huán)緩沖中，由多個(gè)緩沖區(qū)鏈接成一個(gè)循環(huán)，每個(gè)緩沖有三種情況： 空閑緩沖區(qū) 已裝滿數(shù)據(jù)的緩沖區(qū) 當(dāng)前正在處理的緩沖區(qū) 實(shí)現(xiàn)時(shí)，系統(tǒng)要設(shè)置三個(gè)指針： NextG:指向一個(gè)裝滿數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)，供用戶使用； NextI:指向一個(gè)空閑緩沖區(qū)，供生產(chǎn)進(jìn)程使用； Current:指向當(dāng)前正在使用的緩沖區(qū)。如果 c=T，可使塊設(shè)備全速進(jìn)行。 讀卡機(jī) 打印機(jī) 300張 300行 2022/8/21 Device managent 43 第六節(jié) 緩沖管理 （續(xù) 1） 采用單緩沖技術(shù)，必須保證設(shè)備的速度與 CPU的速度匹配。 設(shè)：從外設(shè)輸入一個(gè)塊到緩沖區(qū)的時(shí)間是 T， 將塊移到用戶區(qū)的時(shí)間是 M， 進(jìn)行計(jì)算的時(shí)間是 C。 2022/8/21 Device managent 42 第六節(jié) 緩沖管理 OS提供的最簡單類型是單緩沖區(qū)，當(dāng)用戶進(jìn)程發(fā)出 I/O請求時(shí)，OS在內(nèi)存系統(tǒng)區(qū)中分配一個(gè)緩存。 除關(guān)鍵位置設(shè)置少量硬件緩沖外，大都采用軟緩沖方式。 減少 CPU中斷頻率，放寬對中斷響應(yīng)時(shí)間的限制 若遠(yuǎn)地發(fā)來數(shù)據(jù)僅用一位緩沖接收，則收到一位數(shù)據(jù)便中斷 CPU一次，并且要在下一位數(shù)據(jù)到來前取走數(shù)據(jù)，否則丟失。緩沖管理的目的是組織、有效的使用緩沖區(qū)，提供獲得和釋放緩沖區(qū)的手段。其中前 3條指令將 813~892單元的 80個(gè)字符、1034~1173單元的 140個(gè)字符、 5830~5889單元的 60個(gè)字符寫成一條記錄。 R為 0表示本通道指令與下一條通道指令處理同一條記錄。 內(nèi)存地址：進(jìn)行讀、寫操作時(shí)的內(nèi)存起始地址。 微機(jī)中，通道程序放在 CPU與外設(shè)的通信區(qū)中 通道指令與一般指令不同，它的每條指令包含： 操作碼 內(nèi)存地址 計(jì)數(shù) 通道程序結(jié)束位 記錄結(jié)束標(biāo)志 2022/8/21 Device managent 38 第五節(jié) I/O控制方式 通道指令和通道程序 每個(gè)通道都有一組它能執(zhí)行的指令。 通道程序由一系列通道指令構(gòu)成。每條通道指令可傳送一組數(shù)據(jù)。 數(shù)據(jù)選擇通道： 以數(shù)據(jù)塊為單位傳送，傳送速度高。進(jìn)一步提高整個(gè)系統(tǒng)資源利用率 “通道”是一個(gè)專用 CPU，有獨(dú)立的指令系統(tǒng)，沒有獨(dú)立內(nèi)存，通過“挪用周期”獲取總線使用權(quán)來訪問內(nèi)存。它們間的數(shù)據(jù)交換是脫離系統(tǒng)總線完成的。 2022/8/21 Device managent 32 第五節(jié) I/O控制方式 （續(xù) 2） 啟動(dòng) DMA控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，CPU 繼續(xù)執(zhí)行其它任務(wù) 讀取數(shù)據(jù)的操作由 DMA控制器完成 DMA控制器從產(chǎn)品讀取字符，送數(shù)據(jù)寄存器 DR，再挪用一個(gè)存儲(chǔ)周期，將該字送 內(nèi)存地址寄存器 MAR指示的內(nèi)存單元，執(zhí)行MAR加 DC減 1操作； 再判 DC是否為 0，不為 0則繼續(xù)讀下一字節(jié) …… 若 DC=0，由 DMA控制器向 CPU發(fā)中斷請求。為進(jìn)一步減少對 CPU的干擾，引入直接存儲(chǔ)訪問（ Direct Memory Access）方式，其特點(diǎn)是： sf 2022/8/21 Device managent 30 第五節(jié) I/O控制方式 （續(xù) 1） 數(shù)據(jù)傳送單位是“塊” 直接由內(nèi)存與外設(shè)進(jìn)行交換 僅在數(shù)據(jù)塊傳送結(jié)束時(shí)，才請求 CPU干預(yù)，塊的傳送過程是在DMA控制器控制下完成的。 2022/8/21 Device managent 29 第五節(jié) I/O控制方式 中斷控制方式的特點(diǎn) 中斷控制方式比程序直接控制方式提高了 CPU的利用率。CPU在接收到中斷信號(hào)后 ， 轉(zhuǎn)向設(shè)備中斷處理程序 。該指令同時(shí)還將狀態(tài)寄存器中的中斷允許位打開 。設(shè)備控制器按命令控制 I/O設(shè)備，這時(shí)， CPU與 I/O設(shè)備并行工作。 這種工作方式，程序中包含 I/O控制的程序段，其實(shí)質(zhì)是CPU直接控制 I/O操作的全過程。 2022/8/21 Device managent 23 第四節(jié) OS與時(shí)鐘系統(tǒng)（續(xù) 2） 設(shè)有四個(gè)作業(yè)， A要求 50ms 后運(yùn)行， B要求 60MS后運(yùn)行， C 和 D要求 65ms后運(yùn)行。 OS將這兩種時(shí)鐘都看作一種特殊設(shè)備，其作用是 提供記錄時(shí)間間隔 ，仍通過標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?qū)ζ溥M(jìn)行控制。 如果有，則直接調(diào)用新進(jìn)程，設(shè)置其現(xiàn)場數(shù)據(jù)，而不必恢復(fù)原中斷程序現(xiàn)場； 如果沒有，恢復(fù)原中斷程序現(xiàn)場，返回執(zhí)行。如圖： Open close read write ioctl open close read write mount umount Open close read write ioctl 驅(qū)動(dòng)程序 字符設(shè)備開關(guān)表 塊設(shè)備開關(guān)表 Open close strategy 驅(qū)動(dòng)程序 緩沖區(qū)管理 系統(tǒng)調(diào)用 文件系統(tǒng) 驅(qū)動(dòng)程序接口 2022/8/21 Device managent 20 第三節(jié) OS與中斷處理 （續(xù) 4） 五、中斷的返回與恢復(fù) 當(dāng)中斷請求操作完成后，系統(tǒng)返回被中斷的程序。用戶用統(tǒng)一的界面和操作來使用這些設(shè)備。目前最常用的結(jié)構(gòu)是中斷矢量（ interrupt vector)結(jié)構(gòu)，它是一類地址指針的集合。 在程序執(zhí)行過程中，只有訪管中斷是自愿的，稱為 “ 自動(dòng)進(jìn)管 ” 。每一次中斷意味著一段固定時(shí)間已到。 用戶線程在中斷級(jí) 0； 核心態(tài)線程運(yùn)行在中斷優(yōu)先級(jí) 1。 上述的中斷或陷入都可看作 硬件中斷 ，因?yàn)樗鼈兌家ㄟ^硬件產(chǎn)生的中斷請求； 程序中斷等稱 軟中斷 ，它是通信進(jìn)程之間用來模擬硬中斷的一種信號(hào)通信方式。 有的中斷可屏蔽，但：電源掉電、硬件故障是不能屏蔽的。 有時(shí)，盡管中斷源發(fā)出了中斷請求，但 CPU的 PSW的中斷允許位被清除，從而不允許 CPU響應(yīng)中斷，稱 中斷禁止 (關(guān)中斷 )。 一、中斷的基本概念 正在運(yùn)行的過程被另一過程打斷停止運(yùn)行轉(zhuǎn)而執(zhí)行另一過程的活動(dòng)稱為 中斷 。 I/O邏輯對收到的命令譯碼。有數(shù)據(jù)、地址、控制三種信號(hào)。 當(dāng) CPU需要與設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)，數(shù)據(jù)寄存器暫存數(shù)據(jù)。 2022/8/21 Device managent 8 第二節(jié) I/O系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) （續(xù) 2） 每個(gè)控制器通常有多個(gè)寄存器與 CPU通信，可分兩類： 數(shù)據(jù)寄存器 狀態(tài) /控制寄存器 數(shù)據(jù)寄存器 控制 /狀態(tài) 寄存器 I/O邏輯 控制器與設(shè)備 的接口 1 控制器與設(shè)備 的接口 的接口 n 數(shù)據(jù)線 地址線 控制線 控制器與設(shè)備接口 CPU與控制器接口 數(shù)據(jù) …… 2022/8/21 Device managent 9 第二節(jié) I/O系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 在 68030等計(jì)算機(jī)中，這些寄存器是常規(guī)存儲(chǔ)內(nèi)存地址空間的一部分， IBM PC機(jī)則使用專用 I/O地址空間，每個(gè)控制器分配其中一部分，并配置一個(gè)中斷向量，與控制器相關(guān)的總線譯碼邏輯把 I/O地址分配給設(shè)備。 虛擬設(shè)備 通過虛擬技術(shù)將一臺(tái)獨(dú)占設(shè)備變換為多臺(tái)邏輯設(shè)備，供若干進(jìn)程同時(shí)使用，這種經(jīng)過虛擬技術(shù)處理后的設(shè)備稱虛擬設(shè)備。 字符設(shè)備 以字符為單位傳輸，屬無結(jié)構(gòu)設(shè)備，如交互式終端、打印機(jī)等。 低速設(shè)備 :幾個(gè) ~幾百字符 /秒速度，如鍵盤、鼠標(biāo)、語音輸入、輸出設(shè)備。 不同的 OS設(shè)計(jì)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口不同，因而設(shè)備生產(chǎn)廠商根據(jù)不同的 OS編寫不同的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。 設(shè)備映射 為了保證用戶程序與設(shè)備的無關(guān)性：即用戶程序引用的、實(shí)現(xiàn) I/O操作的設(shè)備與系統(tǒng)安裝的物理設(shè)備沒有固定的聯(lián)系。當(dāng)物理設(shè)備發(fā)生變化或更動(dòng)時(shí)，用戶程序不必修改即可分配其它設(shè)備。這依耐中斷技術(shù)、通道和 DMA技術(shù)； 獨(dú)立性 用戶程序應(yīng)獨(dú)立于設(shè)備 即用戶程序與設(shè)備無關(guān)。系統(tǒng)迸發(fā)的多進(jìn)程、多線程工作要求對各種資源實(shí)現(xiàn)共享，它們的共享在硬件、軟件上都會(huì)引發(fā)沖突，必須由 OS對 I / O 設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一的管理、正確的分配和回收。設(shè)備驅(qū)動(dòng)的任務(wù)是： 接受上層軟件的啟動(dòng)、初始化 執(zhí)行規(guī)定的讀 /寫操作 反映執(zhí)行過程的設(shè)備狀態(tài) 由于設(shè)備的復(fù)雜性、獨(dú)特性，每一類乃自每一種設(shè)備都有自己的驅(qū)動(dòng)程序，這通常由設(shè)備生產(chǎn)廠商編寫， OS僅提供統(tǒng)一的設(shè)備接口。 二、 I/O設(shè)備 I/O系統(tǒng)的類型 按傳輸速率分類 ： 低、中 、高速設(shè)備。 按信息交換的單位分 塊設(shè)備（ Block Device）：屬于有結(jié)構(gòu)設(shè)備，典型的是磁盤，每個(gè)盤塊尺寸是 512B—8KB,特征： 傳輸速率高，幾 MB/秒， 可尋址，即可隨機(jī)讀寫任一塊， 磁盤設(shè)備的 I / O 采用 DMA 方式。共享設(shè)備必須是可尋址的、可隨機(jī)訪問的，如磁盤。大多數(shù)設(shè)備控制器由三部分組成： 設(shè)備控制器與 CPU的接口：用于設(shè)備與 CPU通信，該接口有三類信號(hào)線：數(shù)據(jù)線、地址線、控制線?？刂破鹘邮芤粭l指令后，獨(dú)立于 CPU完成操作，完成后產(chǎn)生中斷。這是低層接口。它通過一組控制線與 CPU交互。通過軟件與硬件的結(jié)合形成完整的中斷結(jié)構(gòu)而實(shí)施中斷處理。中斷源向 CPU 發(fā)出的請求中斷處理信號(hào)稱 中斷請求 ， CPU收到中斷請求后轉(zhuǎn)去執(zhí)行相應(yīng)的事件處理程序稱 中斷響應(yīng)。 2022/8/21 Device managent 12 第三節(jié) OS與中斷處理 中斷屏蔽： 指中斷請求產(chǎn)生后，系統(tǒng)用軟件方式有選擇地封鎖部分中斷，而其它中斷仍能得到響應(yīng)。 2022/8/21 Device managent 13 第三節(jié) OS與中斷處理 外部中斷 主要來自 (CPU和內(nèi)存以外 ) I / O 設(shè)備的中斷，如： 設(shè)備請求中斷、打印中斷、掉電中斷、數(shù)據(jù)傳輸中斷、 外部信號(hào)中斷 (如用