【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 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。 操作系統(tǒng)教程課件 第 42頁(yè) 機(jī)械工業(yè)出版社 I/O控制方式 ②控制器接收通道發(fā)來(lái)的命令之后，檢查設(shè)備狀態(tài)，若設(shè)備不忙，則告知通道釋放 CPU，開始 I/O操作。執(zhí)行完畢后，如果還有下一條通道指令，則返回①，否則轉(zhuǎn)③。 ③通道完成 I/O操作后，向 CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求， CPU根據(jù)通道狀態(tài)字了解通道和設(shè)備的工作情況，處理來(lái)自通道的 可見，只是在 I/O操作的起始和結(jié)束時(shí)，通道向 CPU發(fā)出 I/O中斷申請(qǐng)，把產(chǎn)生中斷的通道號(hào)、設(shè)備號(hào)存入中斷寄存器，同時(shí)形成通道狀態(tài)字匯報(bào)情況，等待處理。 CPU用極短的時(shí)間參與控制管理工作，其他時(shí)間則處理與 I/O無(wú)關(guān)的操作。這樣實(shí)現(xiàn)了 CPU與通道、外圍設(shè)備的并行操作，從而提高了整個(gè)系統(tǒng)的利用率。 操作系統(tǒng)教程課件 第 43頁(yè) 機(jī)械工業(yè)出版社 緩沖技術(shù) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中各個(gè)部件速度的差異是顯而易見的。為了緩解 CPU與外圍設(shè)備之間速度不匹配和負(fù)載不均衡的問(wèn)題，為了提高 CPU和外圍設(shè)備的工作效率，增加系統(tǒng)中各部件的并行工作程度，在現(xiàn)代操作系統(tǒng)中普遍采用了緩沖技術(shù)。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。 操作系統(tǒng)教程課件 第 44頁(yè) 機(jī)械工業(yè)出版社 在操作系統(tǒng)中引入緩沖區(qū)的主要原因有： （ 1） 緩和 CPU與 I/O設(shè)備間速度不匹配的矛盾 高速的 CPU與慢速 I/O設(shè)備之間存在著速度差異很大 ，CPU是以微秒甚至微毫秒時(shí)間量級(jí)高速工作 ， 而 I/O設(shè)備則一般以毫秒甚至秒時(shí)間量級(jí)的速率工作 。 在不同階段 ， 系統(tǒng)各部分的負(fù)載往往很不平衡 。 例如 ， 當(dāng)作業(yè)需要打印大批量數(shù)據(jù)時(shí) ， 由于 CPU輸出數(shù)據(jù)的速度大大高于打印機(jī)的速度 ， 因此 CPU只能停下來(lái)等待 ， 反之 ， 在 CPU計(jì)算時(shí) ， 打印機(jī)又因?yàn)闊o(wú)數(shù)據(jù)輸出而處于空閑狀態(tài) 。 設(shè)置緩沖區(qū)后 ， CPU可以把數(shù)據(jù)首先輸出到輸出緩沖區(qū)中 ， 然后繼續(xù)它的執(zhí)行 ， 同時(shí)打印機(jī)從緩沖區(qū)中取出數(shù)據(jù)緩慢打印 ， 這樣提高了 CPU的工作效率 ， 使設(shè)備盡可能均衡地工作 。 操作系統(tǒng)教程課件 第 45頁(yè) 機(jī)械工業(yè)出版社 （ 2） 減少對(duì) CPU中斷頻率 ， 放寬對(duì) CPU中斷響應(yīng)時(shí)間的限制 在數(shù)據(jù)通信中 ， 如果僅有一位數(shù)據(jù)緩沖接收數(shù)據(jù) ， 則必須在每收到一位數(shù)據(jù)時(shí)便中斷一次 CPU， 進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理 ， 否則緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)將被新傳送來(lái)的數(shù)據(jù)沖掉 。 若設(shè)置一個(gè)具有 8位的緩沖器 ， 則可使 CPU被中斷的頻率降低為原來(lái)的 1/8， 如圖 512所示 。 這樣減少了 CPU的中斷次數(shù)和中斷處理時(shí)間 。 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 。 根據(jù) I/O控制方式 ， 緩沖的實(shí)現(xiàn)方法有兩種：一是采用專用硬件緩沖器 ， 例如 I/O控制器中的數(shù)據(jù)緩沖寄存器；另外一種方法是在主存儲(chǔ)器中劃出一個(gè)具有 n個(gè)單元的專用區(qū)域 ， 以便存放輸入 /輸出數(shù)據(jù) ， 主存緩沖區(qū)又稱軟件緩沖 。 對(duì)于不同的系統(tǒng) ， 可以采用不同類型的緩沖區(qū)機(jī)制 。 最常見的緩沖區(qū)機(jī)制有單緩沖機(jī)制 、 能實(shí)現(xiàn)雙向同時(shí)傳送數(shù)據(jù)的雙緩沖機(jī)制 ， 以及能供多個(gè)設(shè)備同時(shí)使用的公共緩沖機(jī)制等 。 操作系統(tǒng)教程課件 第 47頁(yè) 機(jī)械工業(yè)出版社 單緩沖 單緩沖是在設(shè)備和處理器之間設(shè)置一個(gè)緩沖器 ， 由輸入和輸出設(shè)備共用 。 設(shè)備和處理器交換數(shù)據(jù)時(shí) ， 先把被交換數(shù)據(jù)寫入緩沖器 ， 然后需要數(shù)據(jù)的設(shè)備或處理機(jī)從緩沖器中取走數(shù)據(jù) ， 如圖 513所示 ， 由于緩沖器屬于臨界資源 ， 所以輸入設(shè)備和輸出設(shè)備以串行方式工作 ， 這樣盡管單緩沖能匹配設(shè)備和處理機(jī)的處理速度 ， 但是設(shè)備和設(shè)備之間并不能通過(guò)單緩沖達(dá)到并行操作 。 操作系統(tǒng)教程課件 第 48頁(yè) 機(jī)械工業(yè)出版社 單緩沖 操作系統(tǒng)教程課件 第 49頁(yè) 圖 513 單緩沖工作示意圖 機(jī)械工業(yè)出版社 雙緩沖 雙緩沖機(jī)制又稱為緩沖對(duì)換。雙緩沖是為輸入和輸出設(shè)備設(shè)置兩個(gè)緩沖區(qū)的緩沖技術(shù)。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。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)處理完時(shí)，進(jìn)程可以接著從另一個(gè)緩沖區(qū)中獲得數(shù)據(jù)，同時(shí)，輸入數(shù)據(jù)可以繼續(xù)存入第一個(gè)緩沖區(qū)，如圖514所示，僅當(dāng)輸入設(shè)備的速度高于進(jìn)程處理這些數(shù)據(jù)的速度，兩個(gè)緩沖區(qū)都存滿時(shí)，造成輸入進(jìn)程等待。這樣，兩個(gè)緩沖區(qū)交替使用，使 CPU和 I/O設(shè)備的并行性進(jìn)一步提高，但在輸入 /輸出設(shè)備和處理進(jìn)程速度不匹配時(shí)仍不能適應(yīng)。 操作系統(tǒng)教程課件 第 50頁(yè) 機(jī)械工業(yè)出版社 雙緩沖 顯然，雙緩沖只是一種說(shuō)明設(shè)備和設(shè)備、 CPU和設(shè)備之間并行操作的簡(jiǎn)單模型，由于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的外圍設(shè)備較多，而雙緩沖也難以匹配設(shè)備和處理器的處理速度，所以，雙緩沖并不能用于實(shí)際系統(tǒng)中的并行操作。在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中一般使用多緩沖或緩沖池結(jié)構(gòu)。 操作系統(tǒng)教程課件 第 51頁(yè) 機(jī)械工業(yè)出版社 多緩沖 系統(tǒng)從主存中分配一組緩沖區(qū)組成多緩沖。多緩沖中的緩沖區(qū)是系統(tǒng)的公共資源，可供各個(gè)進(jìn)程共享，并由系統(tǒng)統(tǒng)一分配和管理。多個(gè)緩沖區(qū)組織成循環(huán)緩沖形式，對(duì)于用作輸入的循環(huán)緩沖，通常是提供給輸入進(jìn)程或計(jì)算進(jìn)程使用，輸入進(jìn)程不斷向空緩沖區(qū)輸入數(shù)據(jù)，而計(jì)算進(jìn)程則從中提取數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。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。 操作系統(tǒng)教程課件 第 52頁(yè) 機(jī)械工業(yè)出版社 多緩沖 在 UNIX系統(tǒng)中，不論是塊設(shè)備管理，還是字符設(shè)備管理，都是采用多緩沖技術(shù)。 UNIX的塊設(shè)備共設(shè)置了15個(gè) 512字節(jié)的緩沖區(qū)；字符設(shè)備共設(shè)置了 100個(gè) 6字節(jié)的緩沖區(qū)。 操作系統(tǒng)教程課件 第 53頁(yè) 機(jī)械工業(yè)出版社 緩沖池 一組多緩沖僅適用于某個(gè)特定的 I/O進(jìn)程和計(jì)算進(jìn)程 ， 當(dāng)系統(tǒng)較大時(shí) ， 需要設(shè)置若干組多緩沖 ， 這不僅消耗大量的貯存空間 ， 而且其利用率不高 。 為了提高緩沖區(qū)的利用率 ， 公用緩沖池被廣泛使用 ， 它由多個(gè)可共享的緩沖區(qū)組成 。 對(duì)于既可用于輸入又可用于輸出的公用緩沖池 ， 按其使用狀況可以分成三種類型的緩沖區(qū)： ① 空 (閑 )緩沖區(qū)； ② 裝滿輸入數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)； ③ 裝滿輸出數(shù)據(jù)的緩沖區(qū) 。 操作系統(tǒng)教程課件 第 54頁(yè) 機(jī)械工業(yè)出版社 緩沖池 為了便于管理 ， 可將相同類型的緩沖區(qū)鏈成一個(gè)隊(duì)列 ，于是可形成以下三個(gè)隊(duì)列： (1)由空緩沖區(qū)所鏈成的空緩沖隊(duì)列 emq。 (2) 由裝滿輸入數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)所鏈成的輸入隊(duì)列 inq。 (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。 四個(gè)工作緩沖區(qū)為： 用于收容設(shè)備輸入數(shù)據(jù)的工作緩沖區(qū) hin； 用于提取設(shè)備輸入數(shù)據(jù)的工作緩沖區(qū) sin； 用于收容 CPU輸出數(shù)據(jù)的工作緩沖區(qū) hout； 用于提取 CPU輸出數(shù)據(jù)的工作緩沖區(qū) sout。 操作系統(tǒng)教程課件 第 56頁(yè) 機(jī)械工業(yè)出版社 獨(dú)占設(shè)備的分配 在多道程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，不允許用戶直接啟動(dòng)外圍設(shè)備，而必須由系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一分配。當(dāng)進(jìn)程向系統(tǒng)提出 I/O請(qǐng)求時(shí)，只要是可能和安全的，設(shè)備分配程序按照一定的策略，將設(shè)備分配給請(qǐng)求用戶（進(jìn)程），在有的系統(tǒng)中，還應(yīng)分配相應(yīng)的控制器和通道。 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)。為了對(duì)設(shè)備進(jìn)行管理，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為每一臺(tái)設(shè)備確定一個(gè)編號(hào)，以便區(qū)分和識(shí)別，這個(gè)編號(hào) ? 在多道程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，由于用戶無(wú)法知道當(dāng)前計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中設(shè)備的使用狀態(tài)，因此，一般用戶不直接使用設(shè)備的絕對(duì)號(hào)，用戶可以向系統(tǒng)說(shuō)明所要使用的設(shè)備類型。至于實(shí)際使用哪一臺(tái)設(shè)備，由系統(tǒng)根據(jù)該類設(shè)備的分配情況來(lái)決定。為了避免使用時(shí)產(chǎn)生混亂，用戶可以在程序中對(duì)自己要求使用的若干臺(tái)同類型設(shè)備給出編號(hào)。由用戶在程序中定義的設(shè)備編號(hào)稱為設(shè)備的邏輯號(hào)。 操作系統(tǒng)教程課件 第 58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) 這樣，用戶總是用 “設(shè)備類、邏輯號(hào) ”向系統(tǒng)提出使用設(shè)備的要求，而系統(tǒng)為用戶分配一個(gè)絕對(duì)號(hào)設(shè)備供用戶使用。 邏輯設(shè)備名是用戶命名的，可以更改，而物理設(shè)備名（地址）是系統(tǒng)規(guī)定的，是不可更改的。設(shè)備管理的功能之一就是將邏輯設(shè)備名映射為物理設(shè)備名。 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(wú)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 。 用戶編制程序時(shí) ， 不必指明特定的設(shè)備 ， 而是在程序中使用 “ 設(shè)備類 、 相對(duì)號(hào) ” 定義的邏輯設(shè)備 ， 程序執(zhí)行時(shí)系統(tǒng)根據(jù)用戶指定的邏輯設(shè)備轉(zhuǎn)換成與其對(duì)應(yīng)的具體物理設(shè)備 ， 并啟動(dòng)該物理設(shè)備工作 。 于是 ， 用戶在編制程序時(shí)使用的設(shè)備與實(shí)際使用哪臺(tái)設(shè)備無(wú)關(guān) ， 這種特性稱為 “ 設(shè)備的獨(dú)立性 ” 。 具有設(shè)備獨(dú)立性的計(jì)算機(jī)系統(tǒng) ， 在設(shè)備分配時(shí)具有： （ 1） 設(shè)備分配靈活性強(qiáng) 。 （ 2）設(shè)備分配適應(yīng)性強(qiáng)，易于實(shí)現(xiàn) I/O重定向。 操作系統(tǒng)教程課件 第 60頁(yè) 機(jī)械工業(yè)出版社 設(shè)備的獨(dú)立性 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是一個(gè)與硬件 （ 或設(shè)備 ） 緊密相關(guān)的軟件。 為了實(shí)現(xiàn)設(shè)備的獨(dú)立性 ， 往往需要在設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序之上設(shè)置一層軟件 ， 稱為設(shè)備獨(dú)立性軟件 ， 其主要功能包括： （ 1） 執(zhí)行所有設(shè)備的公有操作 這些公有操作包括：對(duì)獨(dú)立設(shè)備的分配與回收；將邏輯設(shè)備名映射為物理設(shè)備名；對(duì)設(shè)備進(jìn)行保護(hù) ， 禁止用戶直接訪問(wèn)設(shè)備；緩沖管理；差錯(cuò)控制 。 由于在 I/O操作中的絕大多數(shù)錯(cuò)誤都與設(shè)備無(wú)關(guān) ， 所以I/O操作主要由設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序處理 ， 而設(shè)備獨(dú)立性軟件只是處理那些設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序無(wú)法處理的錯(cuò)誤 。 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。例如，對(duì)各種設(shè)備的讀操作，在應(yīng)用程序眾多使用 read，而對(duì)各種設(shè)備的寫操作，都使用write。 操作系統(tǒng)教程課件 第 62頁(yè) 機(jī)械工業(yè)出版社 獨(dú)占設(shè)備的分配 設(shè)備分配方式有兩種 ， 即靜態(tài)分配和動(dòng)態(tài)分配 。 靜態(tài)分配方式是在用戶作業(yè)開始執(zhí)行之前 ， 由系統(tǒng)一次性分配該作業(yè)所要求的全部設(shè)備 、 控制器和通道 。 一旦分配之后 ， 這些設(shè)備 、 控制器和通道就一直為該作業(yè)所占用 ， 直到該作業(yè)被撤銷 。 靜態(tài)分配方式不會(huì)出現(xiàn)死鎖 ， 但是設(shè)備的使用效率低。 獨(dú)占型設(shè)備的分配采用靜態(tài)分配策略 。 動(dòng)態(tài)分配在進(jìn)程執(zhí)行過(guò)程中根據(jù)執(zhí)行的需要進(jìn)行分配。當(dāng)進(jìn)程需要設(shè)備時(shí)，通過(guò)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。動(dòng)態(tài)分配