【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 斷把數(shù)據(jù)填到緩沖區(qū)，直到它被填滿為止。1/28/202364n 實(shí)現(xiàn)緩沖的方法 （ 1） 硬件緩沖。硬件緩沖采用專(zhuān)用硬件緩沖器，一般由外設(shè)自帶的專(zhuān)用寄存器構(gòu)成。 （ 2）軟件緩沖。在內(nèi)存中專(zhuān)門(mén)開(kāi)辟若干單元作為緩沖區(qū)為各種設(shè)備服務(wù)。1/28/202365 單緩沖和雙緩沖一、單緩沖 單緩沖即是在發(fā)送者和接收者之間只有一個(gè)緩沖區(qū) 過(guò)程： 當(dāng)一個(gè)用戶(hù)進(jìn)程要求輸入數(shù)據(jù)時(shí)，操作系統(tǒng)控制輸入設(shè)備將數(shù)據(jù)送往緩沖區(qū)存放，再送往用戶(hù)進(jìn)程的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)。1/28/202366n 特點(diǎn) 在主存中只有一個(gè)緩沖區(qū)。對(duì)于塊設(shè)備，該緩沖區(qū)可以存放一塊數(shù)據(jù)，對(duì)于字符設(shè)備，該緩沖區(qū)可以存放一行數(shù)據(jù)。設(shè)備和處理器對(duì)緩沖區(qū)的操作是串行的，傳輸速度慢。在任一時(shí)刻，只能進(jìn)行單向的數(shù)據(jù)傳輸，并且傳輸數(shù)據(jù)量較少。 優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn) 缺點(diǎn)是發(fā)送者和接收者不能并行工作1/28/202367n 二、雙緩沖 雙緩沖可在發(fā)送者與接收者之間設(shè)兩個(gè)緩沖區(qū)緩沖區(qū) 1和緩沖區(qū) 2。 過(guò)程： 發(fā)送者將數(shù)據(jù)送滿緩沖區(qū) 1，接收者從緩沖區(qū) 1取數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)送者則可將數(shù)據(jù)送入緩沖區(qū) 2，當(dāng)接收者將緩沖區(qū) 1取空后，又可到緩沖區(qū) 2中取數(shù)據(jù)，這時(shí)發(fā)送者再將數(shù)據(jù)送入緩沖區(qū) 1。 于是，發(fā)送者和接收者交替使用兩個(gè)緩沖區(qū)，達(dá)到了并行工作的目的。1/28/202368n 特點(diǎn) 在主存中設(shè)置兩個(gè)緩沖區(qū)，完成數(shù)據(jù)的傳輸。兩個(gè)緩沖區(qū)可以交替使用，提高了處理器和輸入設(shè)備的并行操作能力。 在任一時(shí)刻，可以進(jìn)行雙向的數(shù)據(jù)傳輸。一個(gè)緩沖區(qū)用于輸入，另一個(gè)用于輸出。 適用于輸入 /輸出、生產(chǎn)者 /消費(fèi)者速度基本相匹配的情況。 當(dāng)傳輸數(shù)據(jù)量較大，或者兩者的速度相差較遠(yuǎn)時(shí)，雙緩沖區(qū)效率較低，還是不能解決兩者并行工作問(wèn)題。1/28/202369n 三、循環(huán)緩沖 由于雙緩沖并不能真正解決實(shí)際系統(tǒng)中的并行操作，為了能夠進(jìn)一步提高系統(tǒng)操作的并行程度，可以通過(guò)增加緩沖區(qū)的個(gè)數(shù)，即實(shí)現(xiàn)多緩沖區(qū)方式。為了更好地控制和使用這些緩沖區(qū)，將多個(gè)緩沖區(qū)組成環(huán)形，稱(chēng)為循環(huán)緩沖技術(shù)。 循環(huán)緩沖技術(shù)是在內(nèi)存中分配大小相等的存儲(chǔ)區(qū)作為緩沖區(qū)，并將這些緩沖區(qū)連接起來(lái)，每個(gè)緩沖區(qū)中有一個(gè)指向下一個(gè)緩沖區(qū)的指針，最后一個(gè)緩沖區(qū)的指針指向第一個(gè)緩沖區(qū)1/28/202370 為了充分利用這些緩沖資源，使進(jìn)程的處理和 I/O設(shè)備的工作具有較好的連續(xù)性，提高設(shè)備的利用率，將緩沖區(qū)分為以下兩種類(lèi)型： （ 1） 空緩沖區(qū)。準(zhǔn)備接收輸入的數(shù)據(jù)。 （ 2） 滿緩沖區(qū)。用于存放可供使用的數(shù)據(jù)。過(guò)程： 當(dāng)循環(huán)緩沖接收數(shù)據(jù)時(shí)，將待傳送的數(shù)據(jù)送入 EMPTY指向的空緩沖區(qū)，填滿后，讓 EMPTY指向下一個(gè)空緩沖區(qū)。每次申請(qǐng)一個(gè)空緩沖區(qū)時(shí)，需要判斷 EMPTY是否與 FULL相等。若相等，表示系統(tǒng)中已沒(méi)有空緩沖區(qū)，輸入進(jìn)程需要等待；否則，可以繼續(xù)輸入。 若要從緩沖區(qū)取數(shù)據(jù)時(shí)，直接到 FULL所指向的緩沖區(qū)中取，然后讓 FULL指向下一個(gè)滿緩沖區(qū)。同樣，每次 FULL指針移動(dòng)時(shí)，需要判斷 FULL是否與 EMPTY相等。若相等，表示緩沖區(qū)已無(wú)數(shù)據(jù)可取，等待緩沖區(qū)滿后繼續(xù)操作。1/28/202371特點(diǎn) ： 在主存中設(shè)置多個(gè)緩沖區(qū)。讀和寫(xiě)可以并行處理，適用于某種特定的輸入輸出進(jìn)程和計(jì)算進(jìn)程，如輸入 /輸出、生產(chǎn)者/消費(fèi)者速度不相匹配的情況。 循環(huán)緩沖區(qū)屬于專(zhuān)用緩沖區(qū)。當(dāng)系統(tǒng)較大時(shí)，使用多個(gè)這樣的緩沖區(qū)要消耗大量的主存空間，降低緩沖區(qū)的使用效率。 兩個(gè)缺點(diǎn)： （ 1）當(dāng)系統(tǒng)的資源較多時(shí)，就要占用大量的緩沖區(qū)，增加內(nèi)存開(kāi)銷(xiāo)。 （ 2）可能會(huì)出現(xiàn)某個(gè)設(shè)備的緩沖不夠用，而其他設(shè)備有多個(gè)空閑緩沖區(qū)的情況，導(dǎo)致循環(huán)緩沖的利用率不高。1/28/202372n 四、緩沖池 上述的循環(huán)緩沖區(qū)僅適用于某特定的 I/O進(jìn)程和計(jì)算進(jìn)程，是專(zhuān)用緩沖結(jié)構(gòu)，而不是針對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的公用緩沖結(jié)構(gòu)。當(dāng)系統(tǒng)較大時(shí)，會(huì)有很多這樣的緩沖結(jié)構(gòu)，這不僅要消耗大量的內(nèi)存空間，而且其利用率不高。 為了提高緩沖區(qū)的利用率，目前普遍采用公用緩沖池結(jié)構(gòu)，在緩沖池中設(shè)置了可供多個(gè)并發(fā)進(jìn)程共享的緩沖區(qū)。1/28/202373 如圖所示，緩沖池是由多個(gè)大小相同的緩沖區(qū)組成，同管理程序統(tǒng)一對(duì)緩沖池進(jìn)行管理。當(dāng)某個(gè)進(jìn)程需要使用緩沖區(qū)時(shí)，由管理程序?qū)⒕彌_池中合適的緩沖區(qū)分配給它，使用完畢，再將緩沖區(qū)釋放回緩沖池。 1/28/202374 為便于管理，系統(tǒng)將相同類(lèi)型的緩沖區(qū)鏈成一個(gè)隊(duì)列，緩沖池中共有三種隊(duì)列： （ 1） 空緩沖隊(duì)列。 （ 2） 輸入隊(duì)列。 （ 3） 輸出隊(duì)列。 這三種隊(duì)列各有指向其首緩沖區(qū)的隊(duì)首指針和指向尾緩沖區(qū)的隊(duì)尾指針。系統(tǒng)根據(jù)需要從這三種隊(duì)列中取出緩沖區(qū)，對(duì)緩沖區(qū)進(jìn)行存數(shù)據(jù)、取數(shù)據(jù)操作。 這些緩沖區(qū)稱(chēng)為工作緩沖區(qū)。緩沖池中有四種工作緩沖區(qū)： （ 1） 收容輸入工作緩沖區(qū)。 （ 2） 提取輸入工作緩沖區(qū)。 （ 3） 收容輸出工作緩沖區(qū)。 （ 4） 提取輸出工作緩沖區(qū)。1/28/202375對(duì)緩沖池管理提供兩個(gè)基本操作 (過(guò)程 )： ? (1) getbuf(type)：用于從 type所指定的隊(duì)列的隊(duì)首， 摘下一個(gè)緩沖區(qū)； ? (2) putbuf(type， number)：用于將用參數(shù) number所指示的緩沖區(qū)， 掛在 type隊(duì)列上。1/28/202376 下面是緩沖池在具體的工作過(guò)程中，對(duì)緩沖池中的緩沖區(qū)實(shí)施管理和使用的情況： （ 1） 當(dāng)輸入設(shè)備要進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入時(shí)，先從空緩沖區(qū)隊(duì)列的隊(duì)首摘取一個(gè)空緩沖區(qū)，將它作為收容輸入工作緩沖區(qū)，在其裝滿輸入數(shù)據(jù)后，再將它掛到輸入數(shù)據(jù)隊(duì)列的隊(duì)尾。 （ 2） 當(dāng)某個(gè)計(jì)算進(jìn)程需要輸入數(shù)據(jù)時(shí)，從輸入隊(duì)列中取出一個(gè)緩沖區(qū)作為輸入工作緩沖區(qū)，進(jìn)程從中提取數(shù)據(jù)，取空后，將該緩沖區(qū)掛到空緩沖區(qū)隊(duì)列的隊(duì)尾。 （ 3） 當(dāng)某個(gè)計(jì)算進(jìn)程想輸出數(shù)據(jù)時(shí)，從空緩沖區(qū)隊(duì)首摘下一個(gè)空緩沖區(qū)作為收容輸出工作緩沖區(qū)，在其裝滿計(jì)算進(jìn)程的輸出數(shù)據(jù)后，將它掛到輸出隊(duì)列的隊(duì)尾。 （ 4） 當(dāng)輸出設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出時(shí)，從輸出隊(duì)列取下一個(gè)緩沖區(qū)作為提取輸出工作緩沖區(qū)，當(dāng)其數(shù)據(jù)全送到輸出設(shè)備后，再將它掛到空緩沖隊(duì)列尾。1/28/202377n 特點(diǎn) 緩沖池結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在主存中設(shè)置公用緩沖池，在池中設(shè)置多個(gè)可以供多個(gè)進(jìn)程共享的緩沖區(qū)。緩沖區(qū)既可以用于輸入，又可以用于輸出（即共享）。緩沖池的設(shè)置，減少了主存空間的消耗，提高了主存的利用率，適應(yīng)于現(xiàn)代操作系統(tǒng)。 無(wú)論是多緩沖，還是緩沖池，由于緩沖器是臨界資源，因此在使用緩沖區(qū)時(shí)都有一個(gè)申請(qǐng)、釋放和互斥的問(wèn)題。 1/28/202378緩沖和緩存的差異 緩沖與緩存的基本原理和作用是相似的，如果不加區(qū)分的話，都可以稱(chēng)之為緩沖。 但兩者之間確實(shí)存在細(xì)微的差異： 緩沖的作用在于協(xié)調(diào)速度不匹配的 I/O傳輸過(guò)程； 而緩存的作用在于減少對(duì)設(shè)備的實(shí)際訪問(wèn)次數(shù)。這個(gè)差異導(dǎo)致了兩者的管理方法有所不同。1/28/202379 一般來(lái)說(shuō)，緩沖區(qū)的生命期較短，當(dāng)進(jìn)程開(kāi)始數(shù)據(jù)傳輸時(shí)建立，一旦數(shù)據(jù)傳輸完畢，將立即釋放緩沖區(qū)，它只起暫存數(shù)據(jù)的作用。 而緩存區(qū)的生命期較長(zhǎng)，緩存的數(shù)據(jù)可以長(zhǎng)時(shí)間地保存在緩存區(qū)中，服務(wù)于各種應(yīng)用目的。如文件系統(tǒng)中的 i節(jié)點(diǎn)緩存、目錄項(xiàng)緩存等在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行期間都存在于內(nèi)存中，由文件系統(tǒng)管理和使用。 1/28/202380 另外，緩沖區(qū)的管理相對(duì)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)只需提供簡(jiǎn)單的分配算法以及同步機(jī)制即可。 而緩存區(qū)的管理則需要利用更復(fù)雜的算法，以提高訪問(wèn)的命中率，最大限度地發(fā)揮緩存的作用。例如，磁盤(pán)的緩存算法要確定哪些數(shù)據(jù)應(yīng)存放在緩存中，哪些數(shù)據(jù)應(yīng)從緩存中撤出等。 在應(yīng)用上，進(jìn)程間的通信多使用緩沖技術(shù)，而設(shè)備的 I/O往 往使用緩沖兼緩存技術(shù)。1/28/202381 分層結(jié)構(gòu)的底層是設(shè)備相關(guān)部分，稱(chēng)為設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。它們直接和相應(yīng)的設(shè)備打交道，負(fù)責(zé)設(shè)備的具體驅(qū)動(dòng)和控制。上層通常是和設(shè)備無(wú)關(guān)的，這個(gè)部分接受來(lái)自用戶(hù)層的訪問(wèn)請(qǐng)求，并把這些訪問(wèn)請(qǐng)求傳給具體的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，再將驅(qū)動(dòng)程序的執(zhí)行結(jié)果進(jìn)行轉(zhuǎn)換，傳給用戶(hù)1/28/202382設(shè)備無(wú)關(guān)性錯(cuò)誤處理同步 /異步傳輸必須能處理獨(dú)占設(shè)備和共享設(shè)備的 I/O操作1/28/202383 為實(shí)現(xiàn)以上四個(gè)目標(biāo)， I/O系統(tǒng)應(yīng)組織成以下四個(gè)層次： ? (1) 中斷處理程序 ? (2) 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序 ? (3) 與設(shè)備無(wú)關(guān)的 I/O軟件 ? (4) 用戶(hù)空間的 I/O軟件1/28/202384 中斷事件通常由硬件發(fā)現(xiàn)。對(duì)出現(xiàn)的事件進(jìn)行處理的程序稱(chēng)為中斷處理程序。 中斷處理程序是由操作系統(tǒng)處理的，屬于操作系統(tǒng)的組成部分。 中斷處理程序位于 I/O系統(tǒng)的最低層。當(dāng)進(jìn)程需要進(jìn)行 I/O操作時(shí)，操作系統(tǒng)應(yīng)將該進(jìn)程掛起，即進(jìn)入阻塞，直至 I/O操作結(jié)束并發(fā)生中斷。當(dāng)中斷發(fā)生時(shí)，中斷處理程序執(zhí)行相應(yīng)的操作，以解除相應(yīng)進(jìn)程的阻塞狀態(tài)。1/28/202385n 一個(gè)完整的中斷處理過(guò)程包括以下四步 : (1) 中斷請(qǐng)求：由中斷源向 CPU提出中斷請(qǐng)求 (軟中斷除外 )。 (2) 中斷響應(yīng)： CPU在收到中斷請(qǐng)求并具備響應(yīng)條件的情況下，進(jìn)行中斷響應(yīng)，以實(shí)現(xiàn)向中斷服務(wù)程序的過(guò)渡。 (3) 中斷服務(wù)： CPU在執(zhí)行中斷服務(wù)程序期間，要進(jìn)行具體的中斷服務(wù)。 (4) 中斷返回：中斷服務(wù)程序的最后一條指令應(yīng)是中斷返回指令。當(dāng)執(zhí)行到該指令時(shí)，便返回到被終止的程序，從斷點(diǎn)處繼續(xù)執(zhí)行。1/28/202386n 中斷請(qǐng)求： 中斷源需要通過(guò)中斷線送到中斷控制器的輸入端，這稱(chēng)為中斷請(qǐng)求。 中斷控制器是一個(gè)硬件裝置，它負(fù)責(zé)捕獲中斷請(qǐng)求，并以一定的方式向 CPU提交中斷。由于同時(shí)可能會(huì)有多個(gè)中斷信號(hào)產(chǎn)生，它們需要共用有限的中斷線。 因此，當(dāng)設(shè)備要使用中斷線時(shí)就要先進(jìn)行中斷請(qǐng)求 (IRQ)，以獲得中斷線的使用權(quán)。1/28/202387n 中斷響應(yīng) 對(duì)中斷請(qǐng)求的整個(gè)處理過(guò)程是由硬件和軟件相結(jié)合的一整套中斷機(jī)構(gòu)實(shí)施的。中斷響應(yīng)由硬件實(shí)施，中斷處理主要由軟件實(shí)施。 中斷響應(yīng)是 CPU對(duì)中斷源中斷請(qǐng)求的響應(yīng)，包括保護(hù)斷點(diǎn)和將程序轉(zhuǎn)向中斷服務(wù)程序的入口地址。 在處理器執(zhí)行完一條指令后，硬件的中斷裝置就立即檢查有無(wú)中斷事件發(fā)生。若無(wú)，繼續(xù)執(zhí)行下一條指令；若有，則停止現(xiàn)行進(jìn)程，由操作系統(tǒng)中的中斷處理程序占用處理器，這一過(guò)程稱(chēng)為 “中斷響應(yīng) ”。1/28/202388n 一般說(shuō)來(lái)，中斷響應(yīng)過(guò)程順序執(zhí)行下述動(dòng)作： (1) 中止當(dāng)前進(jìn)程的執(zhí)行； (2) 對(duì)被響應(yīng)的中斷進(jìn)行應(yīng)答； (3) 保存當(dāng)前進(jìn)程的斷點(diǎn)信息 (主要是程序狀態(tài)字PSW和程序計(jì)數(shù)器 PC)； (4) 轉(zhuǎn)到中斷處理程序入口。1/28/202389n 中斷處理 中斷處理主要由軟件實(shí)施。響應(yīng)中斷后， CPU轉(zhuǎn)去執(zhí)行相應(yīng)的中斷處理程序。每個(gè)中斷都對(duì)應(yīng)一個(gè)特定的中斷處理程序，因而系統(tǒng)中會(huì)有許多中斷處理程序，如時(shí)鐘中斷處理程序、鍵盤(pán)中斷處理程序等。在設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序中包含了對(duì)該設(shè)備所有中斷的處理程序。1/28/202390n 中斷處理過(guò)程： ① 當(dāng)中斷裝置發(fā)現(xiàn)中斷事件后，先把中斷事件存放到程序狀態(tài)字寄存器中的中斷碼位置。 ② 把程序狀態(tài)字寄存器中的 “當(dāng)前 PSW”作為 “舊 PSW”保存到預(yù)先約定的主存的固定單元中。 ③ 根據(jù)中斷碼，把該類(lèi)事件處理程序的 “新 PSW”送入程序狀態(tài)字寄存器。 ④ 處理器按新 PSW控制處理該事件的中斷處理程序執(zhí)行。 當(dāng)中斷程序處理完后，再恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)，繼續(xù)執(zhí)行原先被中斷的進(jìn)程1/28/202391n 中斷處理程序的處理過(guò)程如下： 1．喚醒被阻塞的驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)程 2．保護(hù)被中斷進(jìn)程的現(xiàn)場(chǎng) 3．分析中斷原因、轉(zhuǎn)入相應(yīng)的設(shè)備中斷處理程序 4．進(jìn)行中斷處理 5．恢復(fù)被中