操作系統(tǒng)第5章io設(shè)備管理(編輯修改稿)
2025-02-06 06:54 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 一種簡單的共享通道，適用于連接慢速的字符設(shè)備，如打印機(jī)、終端等設(shè)備。字節(jié)多路通道在時(shí)間片分時(shí)的基礎(chǔ)上為多臺(tái)低速和中速設(shè)備服務(wù)，它的主要特點(diǎn)是：各設(shè)備與通道之間的數(shù)據(jù)傳送是以字節(jié)為單位交替進(jìn)行的，各設(shè)備輪流占用一個(gè)很短的時(shí)間片，不同的設(shè)備在各自的時(shí)間片內(nèi)經(jīng)過通道執(zhí)行各自的數(shù)據(jù)傳送操作。 ? ②選擇通道 ? 選擇通道是一種高速通道，適用于連接高速 I/O設(shè)備，如磁盤、磁帶等，信息以數(shù)據(jù)塊為單位高速傳輸。在物理上它可以連接多個(gè)設(shè)備，但是這些設(shè)備不能同時(shí)工作。在某一段時(shí)間內(nèi)，通道只能選擇一個(gè)設(shè)備進(jìn)行工作，即使暫時(shí)出現(xiàn)空閑，也不允許其他設(shè)備使用，直到該設(shè)備傳送完成后才讓出通道。選擇通道的優(yōu)點(diǎn)是以數(shù)據(jù)塊為單位進(jìn)行傳輸，傳輸率高；缺點(diǎn)是通道利用率低。 15 ? ③ 數(shù)組多路通道 ? 數(shù)組多路通道是對(duì)選擇通道的一種改進(jìn)，綜合了字節(jié)多路通道分時(shí)工作和選擇通道傳送速率高的特點(diǎn)。適用于連接高速 I/O設(shè)備，如磁盤、磁帶等。數(shù)組多路通道的工作原理如下：當(dāng)某設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時(shí)，通道只為該設(shè)備服務(wù)；當(dāng)設(shè)備在執(zhí)行尋址等控制性動(dòng)作時(shí)，通道暫時(shí)斷開與這個(gè)設(shè)備的連接，掛起該設(shè)備的通道程序，去為其他設(shè)備服務(wù)，即執(zhí)行其他設(shè)備的通道程序。其優(yōu)點(diǎn)是同選擇通道一樣，以數(shù)據(jù)塊為單位進(jìn)行傳輸，傳輸率高。同時(shí)又具有多路并行操作的能力，通道利用率高。缺點(diǎn)是控制復(fù)雜。 ? 通道是一個(gè)特殊功能的處理機(jī)，它有自己的指令和程序，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)外圍設(shè)備的統(tǒng)一管理和外圍設(shè)備與內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)傳送。通道的工作過程為： ? ①根據(jù) CAW，從內(nèi)存取出通道指令，送入通道控制字寄存器（ CCW），并修改 CAW，使其指向下一條通道指令。 ? ②執(zhí)行 CCW中的通道指令，進(jìn)行實(shí)際的 I/O操作，執(zhí)行完畢后，如果還有下一條指令，則返回前一步，否則轉(zhuǎn)下一步。 ? ③發(fā)出中斷信號(hào)通知 CPU通道程序已執(zhí)行完成。 16 ? 在現(xiàn)代操作系統(tǒng)中，幾乎所有的 I/O設(shè)備在與內(nèi)存交換數(shù)據(jù)時(shí)，都使用緩沖區(qū)。緩沖是用來平滑I/O請(qǐng)求的峰值的一種技術(shù)，引入緩沖的主要原因是： ? ①改善 CPU與 I/O設(shè)備之間速度不匹配和負(fù)荷不均衡的矛盾。 ? ②減少對(duì) CPU的中斷頻率，放寬對(duì)中斷響應(yīng)時(shí)間的限制。 ? ③以空間換取時(shí)間，提高 CPU和 I/O設(shè)備之間的并行性。 ? ④在設(shè)備使用不均衡時(shí)緩沖區(qū)起到平滑作用。 17 ? ? 單緩沖是操作系統(tǒng)提供的最簡單的緩沖區(qū)形式，單緩沖（ single buffering）是 I/O設(shè)備與內(nèi)存之間共用一個(gè)緩沖區(qū)的緩沖技術(shù)。如圖所示，給出了使用單緩沖和不使用緩沖之間的性能比較。假設(shè) T是輸入一塊所需要的時(shí)間， C是輸入請(qǐng)求之間的計(jì)算時(shí)間。如果沒有緩沖，每塊的執(zhí)行時(shí)間為 T+C。如果有一個(gè)緩沖區(qū)執(zhí)行時(shí)間為 max[T,C]+M，其中 M是把數(shù)據(jù)從系統(tǒng)緩沖區(qū)移到用戶存儲(chǔ)空間所需要的時(shí)間。我們可以得出結(jié)論使用單緩沖系統(tǒng)比不使用緩沖系統(tǒng)的效率高。單緩沖（ Single Buffer）是 I/O設(shè)備與內(nèi)存之間共用一個(gè)緩沖區(qū)的緩沖技術(shù)。它適用于數(shù)據(jù)的到達(dá)率與離去率相差很大的情況下。緩沖區(qū)被看作臨界資源，對(duì)緩沖區(qū)的讀 /寫操作要互斥進(jìn)行。 18 ? ? 對(duì)于面向塊的傳送，我們可以粗略地估計(jì)執(zhí)行時(shí)間為 max[T,C]。因此，如果 C≤T，就有可能使面向塊的設(shè)備全速進(jìn)行；另一方面，如果 CT，雙緩沖能確保該進(jìn)程不需要等待 I/O。在任何一種情況下，比單緩沖都有所提高。兩個(gè)緩沖區(qū)交替使用，使 CPU與 I/O設(shè)備并行性進(jìn)一步提高。 ? 雙緩沖（ Double Buffer）是為 I/O設(shè)備與內(nèi)存之間分配兩個(gè)緩沖區(qū)的緩沖技術(shù)。在輸入數(shù)據(jù)時(shí)，輸入設(shè)備先填滿緩沖區(qū) 1，進(jìn)程從緩沖區(qū) 1取走數(shù)據(jù)的同時(shí)，輸入設(shè)備繼續(xù)填充緩沖區(qū) 2。當(dāng)緩沖區(qū) 1空出來時(shí)，進(jìn)程又可以從緩沖區(qū) 2得到數(shù)據(jù)。兩個(gè)緩沖區(qū)交替使用，使 CPU與 I/O設(shè)備并行性進(jìn)一步提高。如果數(shù)據(jù)的到達(dá)率和離去率相差不太大時(shí)，利用雙緩沖技術(shù)效果非常好。 19 ? ? 雙緩沖方案可以平滑 I/O設(shè)備和進(jìn)程之間的數(shù)據(jù)流。如果某個(gè)特定進(jìn)程的性能是關(guān)注的焦點(diǎn)，常常會(huì)希望相關(guān)I/O操作能夠跟得上這個(gè)進(jìn)程。如果進(jìn)程突然快速執(zhí)行大量的 I/O，僅有雙緩沖就不夠了，在這種情況下，如圖 57所示 ,通常使用多個(gè)緩沖區(qū)來解決這個(gè)問題。這組緩沖區(qū)自身被稱作循環(huán)緩沖區(qū)（ circular buffering），其中的每一個(gè)緩沖區(qū)是這個(gè)循環(huán)緩沖區(qū)的一個(gè)單元。 ? 通常系統(tǒng)輸入輸出數(shù)據(jù)的特征為陣發(fā)性和隨機(jī)性。在這種情況下，雙緩沖的效果則不夠理想，但可以增加緩沖區(qū)數(shù)量而使情況有所改善。因此，引入了多緩沖，并將多緩沖組織成循環(huán)緩沖
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