【正文】 連接的 CHCT。 操作系統(tǒng)教程課件 第 73頁(yè) 機(jī)械工業(yè)出版社 磁盤設(shè)備由一組盤組組成 ， 可包括一張或多張盤片 ， 每張盤片分正反兩面 ， 每面可劃分成若干磁道 ， 各磁道之間留有必要的間隙 ， 每條磁道又分為若干個(gè)扇區(qū) ， 各扇區(qū)之間留有一定的空隙 ， 每個(gè)扇區(qū)的大小相當(dāng)于一個(gè)盤塊大小 。每個(gè)盤面有許多磁道，磁頭位置下各個(gè)盤面上的磁道處于同一個(gè)圓柱面上，稱這些磁道組成了一個(gè)柱面。在上述假設(shè)下，每個(gè)柱面上有： s t個(gè)磁盤塊，為了計(jì)算第 p塊在磁盤上的位置，可以令 d=s t，則有： i柱面號(hào) =[p/d] j磁頭號(hào) =[(p mod d)/s] k扇區(qū)號(hào) =(p mod d mod s) 第 p塊在磁盤上的位置就可以由 i、 j、 k三個(gè)參數(shù)確定。 傳送時(shí)間 （ Transfer Time） 由磁頭進(jìn)行讀 /寫 ， 完成信息傳送的時(shí)間 。 操作系統(tǒng)教程課件 第 83頁(yè) 機(jī)械工業(yè)出版社 驅(qū)動(dòng)調(diào)度 1． 移臂調(diào)度 根據(jù)訪問者指定的柱面位置來決定執(zhí)行次序的調(diào)度稱為“ 移臂調(diào)度 ” ， 移臂調(diào)度的目標(biāo)是盡可能地減少輸入 /輸出操作中的尋找時(shí)間 。圖 526給出了按先來先服務(wù)算法決定訪問者執(zhí)行輸入 /輸出操作的次序，移動(dòng)臂將來回地移動(dòng)，讀寫磁頭總共移動(dòng)了 640個(gè)柱面的距離。 操作系統(tǒng)教程課件 第 90頁(yè) 機(jī)械工業(yè)出版社 驅(qū)動(dòng)調(diào)度 （ 4） 雙向掃描算法 雙向掃描調(diào)度算法從 0號(hào)柱面開始向里掃描，依次選擇所遇到的請(qǐng)求訪問者；移動(dòng)臂到達(dá)最后一個(gè)柱面時(shí)，調(diào)轉(zhuǎn)方向從最后一個(gè)柱面向外掃描，依次選擇所遇到的請(qǐng)求訪問者。所以說，電梯調(diào)度算法是一種簡(jiǎn)單、實(shí)用且高效的調(diào)度算法，能獲得較好的尋道性能，又能防止 “饑餓 ”現(xiàn)象，但是實(shí)現(xiàn)時(shí)需要增加開銷，除了要記住讀寫磁頭的當(dāng)前位置外，還必須記住移動(dòng)臂的移動(dòng)方向，SCAN算法被廣泛應(yīng)用于大、中、小型計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)的磁盤調(diào)度。假定磁盤的轉(zhuǎn)速為 20ms/周，現(xiàn)把這 8個(gè)邏輯記錄依次存放在磁道上，如圖 532（ a）所示。 ? 此外，扇區(qū)的編號(hào)方式也會(huì)影響 I/O操作的時(shí)間。因此這里所說的高速緩存是一組在邏輯上屬于磁盤，而物理上是駐留在主存中的盤塊。 操作系統(tǒng)教程課件 第 107頁(yè) 機(jī)械工業(yè)出版社 設(shè) 備 處 理 為了實(shí)現(xiàn) I/O進(jìn)程與設(shè)備控制器之間的通信，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序應(yīng)具有以下功能。 在啟動(dòng)設(shè)備之前 ， 必須完成必要的準(zhǔn)備工作 。 ④傳送必要的參數(shù)。對(duì)于不同的中斷事件，操作系統(tǒng)采用不同的處理方法。中斷處理流程如圖 534所示。 (1) 系統(tǒng)在初始或啟動(dòng)設(shè)備傳輸時(shí)，預(yù)置設(shè)備的初始狀態(tài) ①將上層軟件對(duì)設(shè)備的抽象要求轉(zhuǎn)換為具體要求。 ④及時(shí)響應(yīng)由控制器或通道發(fā)來的中斷請(qǐng)求，并根據(jù)其 ⑤對(duì)于設(shè)置有通道的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)程序還應(yīng)能夠根據(jù)用戶的 I/O請(qǐng)求自動(dòng)地構(gòu)成通道程序。 操作系統(tǒng)教程課件 第 106頁(yè) 機(jī)械工業(yè)出版社 設(shè) 備 處 理 設(shè)備處理程序是輸入 /輸出進(jìn)程與設(shè)備控制器之間的通信和轉(zhuǎn)換程序，它驅(qū)動(dòng)物理設(shè)備和 DMA控制器或 I/O控制器等直接進(jìn)行輸入 /輸出操作。為提高磁盤 I/O的速度通常為磁盤設(shè)置高速緩存，它能顯著減少等待磁盤 I/O的時(shí)間。于是，按圖 532（ b）的安排，處理這 8個(gè)記錄所要花費(fèi)的時(shí)間為： 10+8 (+5)=70(ms) 操作系統(tǒng)教程課件 第 101頁(yè) 機(jī)械工業(yè)出版社 驅(qū)動(dòng)調(diào)度 ? 可見，記錄的優(yōu)化分布有利于減少延遲時(shí)間，從而縮短了輸入 /輸出操作的時(shí)間。例如，某系統(tǒng)，在對(duì)磁盤初始化時(shí)，把每個(gè)盤面分成 8個(gè)扇區(qū)，有 8個(gè)邏輯記錄被存放在同一個(gè)磁道上供處理程序使用。 操作系統(tǒng)教程課件 第 95頁(yè) 機(jī)械工業(yè)出版社 驅(qū)動(dòng)調(diào)度 “電梯調(diào)度 ”與 “最短尋找時(shí)間優(yōu)先 ”都是以盡量減少移動(dòng)臂移動(dòng)時(shí)所花的時(shí)間為目標(biāo)，所不同的是： “最短尋找時(shí)間優(yōu)先 ”不考慮移動(dòng)臂的當(dāng)前移動(dòng)方向，總是選擇距離當(dāng)前讀 /寫磁頭最近的那個(gè)柱面的訪問者，這樣可能會(huì)導(dǎo)致某個(gè)進(jìn)程發(fā)生 “饑餓 ”現(xiàn)象，移動(dòng)臂來回改變移動(dòng)方向；而 “電梯調(diào)度 ”算法總沿著移動(dòng)臂的移動(dòng)方向選擇距離當(dāng)前讀 /寫磁頭最近的那個(gè)柱面的訪問者，僅當(dāng)沿著移動(dòng)臂的移動(dòng)方向無等待訪問者時(shí)，才改變移動(dòng)臂的方向。 該算法雖然考慮了移動(dòng)臂的移動(dòng)距離問題，但由于存在一趟空掃描，系統(tǒng)的效率并未得到大的提高。故先來先服務(wù)算法僅適合于磁盤 I/O請(qǐng)求數(shù)目較少的場(chǎng)合。 操作系統(tǒng)教程課件 第 82頁(yè) 機(jī)械工業(yè)出版社 驅(qū)動(dòng)調(diào)度 系統(tǒng)采用一定的調(diào)度策略來決定各個(gè)請(qǐng)求訪問磁盤者的執(zhí)行次序，這項(xiàng)工作稱為磁盤的 “ 驅(qū)動(dòng)調(diào)度 ” ，采用的調(diào)度策略稱為 “ 驅(qū)動(dòng)調(diào)度算法 ” 。 尋找時(shí)間 （ Seek Time） 磁頭在移動(dòng)臂帶動(dòng)下移動(dòng)到指定柱面所花的時(shí)間 。而磁盤空間的盤塊按柱面（從 0號(hào)柱面開始）、磁頭、扇區(qū)順序編號(hào)。每個(gè)盤面配有一個(gè)讀 /寫磁頭，所有的讀 /寫磁頭被固定在移動(dòng)臂上同時(shí)移動(dòng)，如圖 524所示?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)均配置了磁盤存儲(chǔ)器，并以它為主存放大量的文件和數(shù)據(jù)。 操作系統(tǒng)教程課件 第 70頁(yè) 機(jī)械工業(yè)出版社 獨(dú)占設(shè)備的分配 ? 當(dāng)系統(tǒng)將設(shè)備分配給請(qǐng)求進(jìn)程后，再到 DCT中找到與該設(shè)備連接的 COCT，從 COCT的狀態(tài)字段中判斷出是否可以將該控制器分配。 操作系統(tǒng)教程課件 第 67頁(yè) 機(jī)械工業(yè)出版社 獨(dú)占設(shè)備的分配 系統(tǒng)設(shè)備表 (SDT)又稱為設(shè)備類表。當(dāng)進(jìn)程需要設(shè)備時(shí)，通過系統(tǒng)調(diào)用指令向系統(tǒng)提出設(shè)備請(qǐng)求，由系統(tǒng)按照事先規(guī)定的策略給進(jìn)程分配所需要的設(shè)備、控制器和通道，一旦使用完畢，便立即釋放。 操作系統(tǒng)教程課件 第 61頁(yè) 機(jī)械工業(yè)出版社 設(shè)備的獨(dú)立性 （ 2） 向用戶層 （ 或文件層 ） 軟件提供統(tǒng)一的接口 雖然各種設(shè)備內(nèi)部的具體操作各不相同，但它們向用戶提供的接口卻是相同的。 操作系統(tǒng)教程課件 第 59頁(yè) 機(jī)械工業(yè)出版社 設(shè)備的獨(dú)立性 設(shè)備的獨(dú)立性也稱設(shè)備的無關(guān)性 ， 指應(yīng)用程序獨(dú)立于具體使用的物理設(shè)備 ， 能有效地提高操作系統(tǒng)的可適應(yīng)性和可擴(kuò)展性 。 操作系統(tǒng)教程課件 第 57頁(yè) 機(jī)械工業(yè)出版社 設(shè)備的邏輯號(hào)和絕對(duì)號(hào) ? 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中配置了各種不同類型的外圍設(shè)備，每一類型外圍設(shè)備可以有若干臺(tái)。 (3) 由裝滿輸出數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)所鏈成的輸出隊(duì)列 outq 操作系統(tǒng)教程課件 第 55頁(yè) 機(jī)械工業(yè)出版社 緩沖池 在緩沖池中，有四種工作緩沖區(qū)，分別工作在收容輸入、提取輸入、收容輸出和提取輸出四種工作方式下， 如圖 516所示。循環(huán)緩沖如圖 515所示，其中每個(gè)緩沖區(qū)的大小相同，包括用于裝輸入數(shù)據(jù)的空緩沖區(qū) R，已裝滿數(shù)據(jù)的緩沖區(qū) G以及計(jì)算進(jìn)程正在使用的現(xiàn)行工作緩沖區(qū) C，指針 Nextg用于指示計(jì)算進(jìn)程下一個(gè)可用緩沖區(qū) G，指針Nexti用于指示輸入進(jìn)程下次可用的空緩沖區(qū) R，指針Current用于指示計(jì)算進(jìn)程正在使用的緩沖區(qū) C。在設(shè)備輸入數(shù)據(jù)時(shí)，可以把數(shù)據(jù)放入其中一個(gè)緩沖區(qū)中，在進(jìn)程從緩沖區(qū)中取數(shù)據(jù)使用的同時(shí)，將輸入數(shù)據(jù)繼續(xù)放入另一個(gè)緩沖區(qū)中。 操作系統(tǒng)教程課件 第 46頁(yè) 機(jī)械工業(yè)出版社 (3) 提高 CPU和 I/O設(shè)備之間的并行性 緩沖的引入可顯著提高 CPU與 I/O設(shè)備之間的并行操作程度 ， 提高系統(tǒng)的吞吐量和設(shè)備的利用率 。緩沖管理的主要職責(zé)是組織好緩沖區(qū)，并提供獲得和釋放緩沖區(qū)的手段。 ①?gòu)闹鞔婀潭▎卧〕鐾ǖ赖刂芳拇嫫?(CAW)，根據(jù)該地址從主存中取出通道指令，通道執(zhí)行通道控制字寄存器 (CCW) 中的通道命令，將 I/O地址送入 CCW，發(fā)出讀、寫或控制命令，并修改 CAW 使其指向下一條通道指令地址。通道程序在進(jìn)程要求數(shù)據(jù)傳送時(shí)由系統(tǒng)自動(dòng)生成，通道指令一般包含被交換數(shù)據(jù)在主存中占據(jù)的位置、傳送方向、數(shù)據(jù)塊的長(zhǎng)度以及被控制的 I/O設(shè)備的地址信息、特征信息等。 (2) 內(nèi)存地址寄存器 MAR，在輸入時(shí)，它存放把數(shù)據(jù)從設(shè)備傳送到內(nèi)存的起始目標(biāo)地址；在輸出時(shí)，它存放由內(nèi)存到設(shè)備的內(nèi)存源地址。 操作系統(tǒng)教程課件 第 34頁(yè) 機(jī)械工業(yè)出版社 I/O控制方式 3． 直接存儲(chǔ)器存取方式 （ Direct Memory Access， DMA） 直接存儲(chǔ)器存取方式又稱 DMA方式。 顯然 ， 這樣可使 CPU和 I/O設(shè)備都處于忙碌狀態(tài) ， 從而提高了整個(gè)系統(tǒng)的資源利用率及吞吐量 。 通過輸入 /輸出指令或詢問指令測(cè)試 I/O設(shè)備的忙 /閑標(biāo)志位 ， 決定主存儲(chǔ)器與外圍設(shè)備之間是否交換一個(gè)字符或一個(gè)字 。隨著計(jì)算機(jī)的 CPU和主存速率的提高，字長(zhǎng)的增加，以及新型設(shè)備的推出，不斷地推動(dòng)著總線的發(fā)展，由早期的 ISA總線發(fā)展為 EISA總線、 VESA總線，以及現(xiàn)在廣為流行的 PCI總線。 操作系統(tǒng)教程課件 第 22頁(yè) 機(jī)械工業(yè)出版社 輸入 /輸出系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 由于通道的成本高，在系統(tǒng)中通道數(shù)量有限，這往往成為 I/O的瓶頸，造成整個(gè)系統(tǒng)的吞吐量降低。 它通常含有許多非分配型子通道 ， 其數(shù)量可達(dá)數(shù)百個(gè) ，每一個(gè)子通道連接一臺(tái) I/O設(shè)備 ， 并控制該設(shè)備的輸入 /輸出操作 ， 這些子通道按時(shí)間片輪轉(zhuǎn)方式共享主通道 ， 如圖 44所示 。 操作系統(tǒng)教程課件 第 17頁(yè) 機(jī)械工業(yè)出版社 輸入 /輸出系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 3. 通道 為了獲得 CPU與外圍設(shè)備之間更高的并行工作能力 ， 也為了讓種類繁多 、 物理特性各異的外圍設(shè)備能以標(biāo)準(zhǔn)的接口連接到系統(tǒng)中 ， 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在 CPU與設(shè)備控制器之間增設(shè)了自成獨(dú)立體系的通道結(jié)構(gòu) ， 這不僅使數(shù)據(jù)的傳送獨(dú)立于 CPU， 而且對(duì) I/O操作的組織 、 管理及其處理也盡量獨(dú)立 ， 使 CPU有更多的時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)處理 。 操作系統(tǒng)教程課件 第 16頁(yè) 機(jī)械工業(yè)出版社 輸入 /輸出系統(tǒng)結(jié)構(gòu) ①設(shè)備控制器與 CPU的接口。為了識(shí)別不同的設(shè)備，系統(tǒng)中的每個(gè)設(shè)備都有一個(gè)惟一的地址，而設(shè)備控制器必須能夠識(shí)別它所控制的每個(gè)設(shè)備的地址。 CPU與控制器之間的數(shù)據(jù)交換是通過數(shù)據(jù)總線，由 CPU并行地把數(shù)據(jù)寫入控制器中，或從控制器中并行地讀出數(shù)據(jù)。 設(shè)備控制器既要與 CPU通信 ， 又要與設(shè)備通信 ， 由它接受從 CPU發(fā)出的命令， 并控制 I/O設(shè)備的工作 ， 是 CPU與 I/O設(shè)備之間的接口 ， 能有效地將 CPU從設(shè)備控制事務(wù)中解脫出來 。第三類是虛擬設(shè)備，通過虛擬技術(shù)用共享型設(shè)備來模擬獨(dú)占型設(shè)備的工作。塊設(shè)備的基本特征是傳輸速率較高，通常每秒鐘為幾兆位；可尋址，即允許對(duì)指定的塊進(jìn)行讀 /寫操作；此外，在 I/O操作時(shí)，常采用直接存儲(chǔ)器訪問 (DMA)方式。 ⑤實(shí)現(xiàn)虛擬設(shè)備。因此，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)外圍設(shè)備的管理，是操作系統(tǒng)中最具有多樣性和復(fù)雜性的部分。 ? 按照外圍設(shè)備的從屬關(guān)系，可以將它們分成系統(tǒng)設(shè)備和用戶設(shè)備。多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)引入后， I/O操作能力成為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)綜合處理能力及性能價(jià)格比的重要因素。字符設(shè)備的基本特征是傳輸速率較低，通常每秒鐘為幾個(gè)字節(jié)到數(shù)千個(gè)字節(jié)；不可尋址，即不能指定輸入時(shí)的源地址以及輸出時(shí)的目標(biāo)地址；在 I/O操作時(shí)，常采用中斷驅(qū)動(dòng)方式。 操作系統(tǒng)教程課件 第 10頁(yè) 機(jī)械工業(yè)出版社 輸入 /輸出系統(tǒng)結(jié)構(gòu) （ 1） 數(shù)據(jù)信號(hào)線 數(shù)據(jù)信號(hào)線用于設(shè)備和設(shè)備控制器之間數(shù)據(jù)信號(hào)的傳送 。 微型計(jì)算機(jī)和小型計(jì)算機(jī)中的控制器 ， 往往做成印制電路卡形式 ， 常被稱為接口卡 ，插入計(jì)算機(jī) ， 可控制一個(gè) 、 兩個(gè) 、 四個(gè)或八個(gè)同類型設(shè)備 。 操作系統(tǒng)教程課件 第 13頁(yè) 機(jī)械工業(yè)出版社 輸入 /輸出系統(tǒng)結(jié)構(gòu) ③表示和報(bào)告設(shè)備的狀態(tài)。為此，在設(shè)備控制器中應(yīng)配置地址譯碼器。一個(gè)設(shè)備控制器可以有一個(gè)或多個(gè)設(shè)備接口，一個(gè)接口連接一臺(tái)設(shè)備，在每個(gè)接口中都存在數(shù)據(jù)、控制和狀態(tài)三種類型的信號(hào)。 采用通道技術(shù)主要解決了輸入 /輸出操作的獨(dú)立性和各部件工作的并行性 ，