【正文】 2023/1/28169驅(qū)動(dòng)程序支持例程 用戶模式 API I/O系 統(tǒng) 服 務(wù) API I/O管理器核心模式設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序 設(shè)備 抽象 層 I/O訪問(wèn) 例程 I/O端口和寄存器 圖 414 典型的 I/O請(qǐng)求流程 2023/1/28170n I/O管理器實(shí)現(xiàn)與設(shè)備無(wú)關(guān)的輸入輸出，并建立執(zhí)行體 I/O的模型，它并不進(jìn)行實(shí)際的 I/O處理。6）通過(guò)添加驅(qū)動(dòng)程序透明地修改其他驅(qū)動(dòng)程序或設(shè)備的行為。2023/1/281573．設(shè)備分配流程n 當(dāng)系統(tǒng)中已經(jīng)具備了設(shè)備分配的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，且確定了一定的分配原則后，若某進(jìn)程提出了 I/O請(qǐng)求，便可按照下述步驟實(shí)施設(shè)備分配。（ 1）設(shè)備分配中的安全性n 設(shè)備分配程序應(yīng)保證不發(fā)生進(jìn)程死鎖。若設(shè)備自身也處于忙的狀態(tài)，則置位 “忙 /閑 ”標(biāo)志位。在 Spooling系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，為了彌補(bǔ)獨(dú)占設(shè)備與共享設(shè)備間數(shù)據(jù)傳輸速度的差異，需要使用緩沖技術(shù)，另外，需要注意同步和互斥的問(wèn)題。：是一個(gè)比較合理、優(yōu)化的算法。 這好比乘電梯，如果電梯已向上運(yùn)動(dòng)到 4層時(shí)，依次有 3位乘客 A， B， C， 他們的要求是： A在 2層等待去 10層； B在 5層等待去底層； C在 8層等待上 15層。相對(duì)于 53最近的磁筒為 65。1）先來(lái)先服務(wù)策略：2023/1/28110例如，如果現(xiàn)在讀寫(xiě)磁頭正在 53號(hào)柱面上執(zhí)行輸入輸出操作，而等待訪問(wèn)者依次要訪問(wèn)的柱面為 98， 183， 37， 122， 14， 124， 65， 67。2023/1/28102 ● 在磁盤(pán)初始化時(shí)把每個(gè)盤(pán)面劃分成相等數(shù)量的扇區(qū)，按磁盤(pán)旋轉(zhuǎn)的反向從 0開(kāi)始給各扇區(qū)編號(hào)，稱為扇區(qū)號(hào)。例如磁盤(pán)、磁鼓等設(shè)備，可由多個(gè)進(jìn)程同時(shí)進(jìn)行訪問(wèn)。n USB 480 Mbps2023/1/28853 SCSI接口技術(shù)n 小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口（ Small Computer System Interface）最早研制于 1979年，原是為小型機(jī)的研制出的一種接口技術(shù)，但隨著電腦技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在它被完全移植到了普通微機(jī)上。n 隨著系統(tǒng)工作頻率的迅速提高，其配用的擴(kuò)展卡也逐漸被淘汰，現(xiàn)在最新的主板已開(kāi)始取消 ISA槽。此時(shí) CPU和打印機(jī)已處于并行工作狀態(tài)， I/O設(shè)備得到充分利用。n 而通道不同于 DMA控制器，它能夠去取和執(zhí)行它自己的指令； 而且這些指令的功能已不僅僅是數(shù)據(jù)傳送，還包括檢索、分支轉(zhuǎn)移，甚至一些簡(jiǎn)單的算術(shù)、邏輯運(yùn)算。n 通道程序存放在內(nèi)存中，由 I/O指令啟動(dòng)執(zhí)行。（ 2）選擇通道選擇通道2023/1/2849n 它適用于連接高速 I/O設(shè)備，如磁帶、磁盤(pán)等。有的 DMA傳送甚至不經(jīng)過(guò) DMAC內(nèi)的數(shù)據(jù)緩沖寄存器的再吞吐，傳輸速率非常高。在多道程序中的環(huán)境下，一個(gè)程序或進(jìn)程啟動(dòng) I/O設(shè)備并允許中斷后，不是自己主動(dòng)去執(zhí)行別的程序或繼續(xù)執(zhí)行主流程，而是應(yīng)當(dāng)把自己掛起，控制權(quán)交還給進(jìn)程調(diào)度程序。 （ 2）實(shí)現(xiàn)物理 I/O操作2023/1/2824n 設(shè)備管理程序應(yīng)具有對(duì)緩沖區(qū)進(jìn)行管理的功能。比如圖列出了 IBM PC機(jī)上某些控制器所配置的 I/O地址和相應(yīng)的中斷向量。 2023/1/289n 例如用磁盤(pán)中的某一部分代替打印機(jī)，程序欲打印輸出的信息先寫(xiě)入磁盤(pán)的這部分存儲(chǔ)空間中，適當(dāng)?shù)臅r(shí)候，例如打印機(jī)空閑時(shí)，再?gòu)谋P(pán)中取出該信息交由打印機(jī)輸出。 2023/1/2834． 1． 1設(shè)備的分類n 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的外圍設(shè)備包括：顯示器、鍵盤(pán)、紙帶閱讀器、紙帶穿孔機(jī)、打印機(jī)、磁帶、磁盤(pán)、光盤(pán)、激光打印機(jī)、繪圖儀、圖形數(shù)字化儀、鼠標(biāo)器、聲音輸入、聲音輸出設(shè)備以及辦公自動(dòng)化設(shè)備等等，種類相當(dāng)繁多，可從不同的角度對(duì)它們進(jìn)行分類?！裨O(shè)備管理是操作系統(tǒng)的重要和基本的組成部分，對(duì)設(shè)備管理的好壞，直接影響系統(tǒng)的效率。3．按設(shè)備的使用特性分類2023/1/287n 獨(dú)占設(shè)備 :這類設(shè)備在用戶作業(yè)的整個(gè)運(yùn)行期間必須為此用戶所占有，才能保證傳送設(shè)備的連貫性。n 設(shè)備控制器上有供插接用的連接器，通過(guò)電纜與設(shè)備內(nèi)部相連。例如對(duì)于用戶的同一個(gè)程序，操作系統(tǒng)應(yīng)該能夠讓用戶程序?qū)Σ煌拇蛴C(jī)進(jìn)行操作，而對(duì)不同的打印機(jī)的具體特性不必理睬，且用戶程序也不必修改。顯然，這是對(duì) CPU的極大浪費(fèi)。DMA控制器組成 :2023/1/2836 DMA方式n 直接存儲(chǔ)器存取控制方式的步驟 :u ① 當(dāng)進(jìn)程要求設(shè)備輸入一批數(shù)據(jù)時(shí)， CPU將設(shè)備存放輸入數(shù)據(jù)的內(nèi)存始址以及要傳送的字節(jié)數(shù)分別送入 DMA控制器中的地址寄存器和傳送字節(jié)計(jì)數(shù)器；另外，還要將中斷位和啟動(dòng)位置為 1，以啟動(dòng)設(shè)備開(kāi)始進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入并允許中斷。因其是專用，故有很強(qiáng)的 I/O處理能力。因此成組多路通道技術(shù)相當(dāng)于通道程序的多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)。通常，通道程序存放在通道自己的存儲(chǔ)部件里。由于經(jīng)濟(jì)上的考慮，除了在最必要的地方采用少量硬件緩沖器外，大都采用軟件技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)緩沖。把系統(tǒng)內(nèi)的緩沖區(qū)統(tǒng)一管理起來(lái)，變專用為通用，這就是緩沖池，它由若干個(gè)大小相同緩沖區(qū)組成。2023/1/2877IEEE1394的特點(diǎn)n 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)傳輸率分三種： 100Mbps、200Mbps和 400Mbps, IEEE1394商業(yè)聯(lián)盟計(jì)劃將它提高到 800Mbps、 1Gbps和；n 支持同步模式傳輸 ,可實(shí)現(xiàn) “準(zhǔn)實(shí)時(shí) ”的多媒體數(shù)據(jù)傳輸；n 連接方便，易于擴(kuò)展，不必設(shè)定標(biāo)識(shí)號(hào)和連接終端負(fù)載，可采用菊花鏈或樹(shù)形方式連接，所有連接的設(shè)備是平等關(guān)系，不用個(gè)人計(jì)算機(jī)介入也可形成系統(tǒng)，支持熱插拔；2023/1/2878n 單根線纜最長(zhǎng)為 ，最大可進(jìn)行 15級(jí)級(jí)聯(lián)，連接最大距離為 72米；n 采用 6股銅芯線纜，兩股用于供電，另外四股分為兩對(duì)雙絞線，接頭小巧耐用。n 為了提高系統(tǒng)的適應(yīng)性和均衡性，應(yīng)考慮設(shè)備的獨(dú)立性，即不能因物理設(shè)備的更換而影響用戶程序的正常進(jìn)行。2．共享設(shè)備的分配和磁盤(pán)調(diào)度策略2023/1/28100n 由于磁盤(pán)、磁鼓等共享設(shè)備，可讓多個(gè)作業(yè)同時(shí)使用，所以一般不必進(jìn)行分配。是訪問(wèn)磁盤(pán)的操作時(shí)間示意。2023/1/28114 ●我們還是用同一個(gè)例子來(lái)討論，現(xiàn)在當(dāng) 53號(hào)柱面的操作結(jié)束后，應(yīng)該先處理 65號(hào)柱面的請(qǐng)求，然后到達(dá) 67號(hào)柱面執(zhí)行操作。 N步掃描策略基本上與掃描策略相同，只是當(dāng)它在磁臂向內(nèi)或向外移動(dòng)過(guò)程中，只服務(wù)于在磁臂改變方向前到達(dá)的訪問(wèn)請(qǐng)求，而不理會(huì)在磁臂單向移動(dòng)過(guò)程中到達(dá)的那些新的訪問(wèn)請(qǐng)求?！裨谡{(diào)度過(guò)程中可能有新的請(qǐng)求訪問(wèn)者加入，這些新的請(qǐng)求訪問(wèn)者加入時(shí)，如果讀寫(xiě)磁頭已經(jīng)超過(guò)了它們所要訪問(wèn)的柱面位置，則只能在以后的調(diào)度中被選擇執(zhí)行。假脫機(jī)系統(tǒng)輸入輸出的工作原理如圖 47所示。n 設(shè)備接口模塊標(biāo)識(shí)符：指出負(fù)責(zé)該設(shè)備進(jìn)行實(shí)際操作的軟件的標(biāo)識(shí)符。（ 3）控制器表2023/1/28148 表目 i ┊ 控制器標(biāo)識(shí)符 控制器狀態(tài) 與控制器連接的通道表指針 控制器隊(duì)列的隊(duì)首指針 控制器隊(duì)列的隊(duì)尾指針 表目 1 ┊ 控制器表 圖 410 控制器表 n其中控制器表中包括：控制器標(biāo)識(shí)符、控制器狀態(tài)、與控制器連接的通道表指針、控制器隊(duì)列的隊(duì)首指針和隊(duì)尾指針。n 為此使用邏輯設(shè)備名和物理設(shè)備名，實(shí)現(xiàn)用戶程序與物理設(shè)備的無(wú)關(guān)性。它接受 I/O請(qǐng)求，并且以不同的形式把它們傳送到 I/O設(shè)備。n PnP管理器：通過(guò)與 I/O管理器和總線驅(qū)動(dòng)程序的協(xié)同工作來(lái)檢測(cè)硬件資源的分配，并且檢測(cè)相應(yīng)硬件設(shè)備的添加和刪除。例如， I/O管理器提供一個(gè)允許某個(gè)驅(qū)動(dòng)程序調(diào)用其它驅(qū)動(dòng)程序的函數(shù)。n I/O管理器：它負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng) I/O請(qǐng)求的處理。n 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序與物理設(shè)備有關(guān)，針對(duì)具體的 I/O設(shè)備控制器進(jìn)行編碼和操作。 因此，在多請(qǐng)求方式中，設(shè)備的分配程序應(yīng)保證不發(fā)生進(jìn)程死鎖。當(dāng)隊(duì)列不太長(zhǎng)時(shí)，隊(duì)尾指針可以省去。其具體內(nèi)容如圖 48所示。實(shí)現(xiàn)這一功能的技術(shù)稱為 Spooling技術(shù)。 當(dāng)前正在 53號(hào)柱面 ，在這種情況下為等待訪問(wèn)者服務(wù)的次序是：65， 67， 98， 122， 124， 183， 37， 14。2023/1/28118對(duì)相同的例子采用單向掃描調(diào)度算法的執(zhí)行次序?yàn)椋?5， 67 98， 122， 124， 183 ，此時(shí)移動(dòng)臂繼續(xù)向里移動(dòng)，直到最內(nèi)的柱面（圖中為 199號(hào)柱面）后，再返回到 0號(hào)柱面，重新掃描時(shí)依次為 14， 37柱面的訪問(wèn)者服務(wù)。n 其缺點(diǎn)是對(duì)用戶的服務(wù)請(qǐng)求的響應(yīng)機(jī)會(huì)不是均等的， 對(duì)中間磁道的訪問(wèn)請(qǐng)求得到最好的服務(wù)，對(duì)內(nèi)、外兩側(cè)磁道的服務(wù)隨偏離中心磁道的距離愈遠(yuǎn)而愈差，因而導(dǎo)致響應(yīng)時(shí)間的變化幅度很大，在服務(wù)請(qǐng)求很多的情況下，對(duì)內(nèi)、外邊緣磁道的請(qǐng)求將會(huì)無(wú)限期地被延遲。 傳送時(shí)間 —— 由磁頭進(jìn)行讀寫(xiě)完成信息傳送的時(shí)間。 1．獨(dú)占設(shè)備的分配策略2023/1/2899n 隨著用戶處理的信息量的越來(lái)越大，一般將各種數(shù)據(jù)以文件的形式存放在磁盤(pán)或磁鼓等共享設(shè)備上，以便進(jìn)行訪問(wèn)。 （ 5）在一定程度上具有 “熱插入 ”、 “熱拼接 ”技術(shù)2023/1/28935 網(wǎng)絡(luò) I/O設(shè)備典型網(wǎng)絡(luò) I/O設(shè)備 —— 網(wǎng)絡(luò)打印n 以往的打印模式 打印機(jī)連接到網(wǎng)上 PC上，或連到文件服務(wù)器上，提供網(wǎng)絡(luò)打印服務(wù)n 新的網(wǎng)絡(luò)打印 采用網(wǎng)絡(luò)打印服務(wù)器技術(shù)，打印機(jī)直接上網(wǎng) 任何數(shù)據(jù)直接送到網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)輸出 2023/1/2894n 打印服務(wù)器還能實(shí)現(xiàn)多種網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)切換：不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的用戶都可以直接向同一臺(tái)打印機(jī)發(fā)送打印作業(yè)，打印服務(wù)器會(huì)自動(dòng)識(shí)別n 較強(qiáng)的打印管理功能：可以管理網(wǎng)絡(luò)打印驅(qū)動(dòng)，而且容易安裝和管理；可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程登錄訪問(wèn)，進(jìn)行遠(yuǎn)程打印機(jī)管理n 提高工作效率n 分布式的環(huán)境設(shè)置：可以安裝在網(wǎng)絡(luò)的任何地方，這種打印服務(wù)方式，就顯得更加靈活和滿足需要2023/1/2895n 設(shè)備分配的任務(wù)是按照一定的算法將設(shè)備及有關(guān)資源分配給申請(qǐng)者進(jìn)程。 2023/1/2876IEEE1394n IEEE1394是 1995年由 IEEE將 APPLE公司高速串行總線 “FIRE WIRE”標(biāo)準(zhǔn)化而成，目前還在發(fā)展中。 2023/1/2867n 專用緩沖區(qū)是每個(gè)設(shè)備的專用資源，當(dāng)系統(tǒng)配置的設(shè)備比較多時(shí)，即便每一個(gè)設(shè)備只配置一個(gè)緩沖區(qū)，那么累積起來(lái)其內(nèi)存開(kāi)銷也十分可觀。4. 3. 緩沖技術(shù)2023/1/2861n 緩沖有硬件緩沖和軟件緩沖之分。2023/1/2857n 若干通道命令字構(gòu)成一個(gè) “通道程序 ”，它規(guī)定了設(shè)備應(yīng)該執(zhí)行的各種操作和順序。每臺(tái)設(shè)備的數(shù)據(jù)傳送是按成組方式進(jìn)行的。這樣就可以實(shí)現(xiàn) CPU計(jì)算和 I/O操作的并行工作。 4． 2． 3 直接內(nèi)存存取方式2023/1/2835DMA方式控制器功能更強(qiáng)，除有中斷功能外，還有一個(gè) DMA控制機(jī)構(gòu)。所以此種方式也 稱 循環(huán)測(cè)試 I/O方式。n 方便和統(tǒng)一都要求操作系統(tǒng)去實(shí)現(xiàn)具體設(shè)備的物理 I/O操作，而對(duì)用戶程序屏蔽這些細(xì)節(jié)，呈現(xiàn)給用戶的是一種性能理想化的、操作簡(jiǎn)便的邏輯設(shè)備。(2)功能 ：n 接收和識(shí)別命令n 數(shù)據(jù)交換n 設(shè)備狀態(tài)的了解和報(bào)告n 地址識(shí)別2023/1/2814n I/O設(shè)備一般由機(jī)械與電子線路兩部分組成。n 輸入輸出設(shè)備：鍵盤(pán)、打印機(jī)、顯示器、圖形輸入輸出設(shè)備、圖像輸入輸出設(shè)備 、繪圖儀、聲音輸入輸出設(shè)備、網(wǎng)卡、其它?！裨趯?shí)際使用過(guò)程中，外圍設(shè)備的種類繁多，功能各異，管理復(fù)雜。n 用戶設(shè)備：在系統(tǒng)生成時(shí)并沒(méi)有登入系統(tǒng)的非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，一般由用戶提供設(shè)備及其處理程序，并通過(guò)適當(dāng)?shù)氖侄伟阉鼈兗{入系統(tǒng)中， 由系統(tǒng)實(shí)施管理。由于磁盤(pán)的存取速度遠(yuǎn)高于打印機(jī)的打印速度，而且磁盤(pán)是可共享的，所以，對(duì)用戶來(lái)說(shuō)似乎有了一臺(tái)高速的可共享的打印機(jī)。操作系統(tǒng)把命令以及執(zhí)行命令時(shí)所需要的參數(shù)一起寫(xiě)入控制器的寄存器中，以實(shí)現(xiàn)輸入 /輸出。 （ 3）實(shí)現(xiàn)其它功能2023/1/2825n 輸入輸出操作的控制方式一般有四種：u查詢方式u中斷方式u直接內(nèi)存存取方式u通道方式n 它們的主要差別在于處理器和外設(shè)并行工作的方式和程度的不同。多道程序下的中斷處理方式如圖 43所示。 2023/1/2839n DMA方式只能完成簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)傳送、計(jì)數(shù)、內(nèi)存地址加 1或減 1等操作，不能滿足復(fù)雜的 I/O操作要求。一旦分配給某臺(tái)設(shè)備，子通道就被它獨(dú)占，即使暫時(shí)出現(xiàn)空閑，也不允許其他設(shè)備利用該子通道。其執(zhí)行過(guò)程如圖 46所示。一些小型機(jī)和絕大多數(shù)微型機(jī)都是以 CPU直接控制設(shè)備接口和設(shè)備控制器以查詢、中斷或 DMA方式完成 I/O操作，以降低系統(tǒng)造價(jià)。由于 CPU的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于輸入和輸出的速度