【文章內(nèi)容簡介】 填滿為止。1/28/202364n 實現(xiàn)緩沖的方法 （ 1） 硬件緩沖。硬件緩沖采用專用硬件緩沖器，一般由外設自帶的專用寄存器構(gòu)成。 （ 2）軟件緩沖。在內(nèi)存中專門開辟若干單元作為緩沖區(qū)為各種設備服務。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緩沖區(qū) 過程： 當一個用戶進程要求輸入數(shù)據(jù)時，操作系統(tǒng)控制輸入設備將數(shù)據(jù)送往緩沖區(qū)存放，再送往用戶進程的數(shù)據(jù)存儲區(qū)。1/28/202366n 特點 在主存中只有一個緩沖區(qū)。對于塊設備，該緩沖區(qū)可以存放一塊數(shù)據(jù)，對于字符設備，該緩沖區(qū)可以存放一行數(shù)據(jù)。設備和處理器對緩沖區(qū)的操作是串行的，傳輸速度慢。在任一時刻，只能進行單向的數(shù)據(jù)傳輸，并且傳輸數(shù)據(jù)量較少。 優(yōu)點是設計簡單，容易實現(xiàn) 缺點是發(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兩個緩沖區(qū)緩沖區(qū) 1和緩沖區(qū) 2。 過程： 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，發(fā)送者則可將數(shù)據(jù)送入緩沖區(qū) 2，當接收者將緩沖區(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緩沖區(qū)，達到了并行工作的目的。1/28/202368n 特點 在主存中設置兩個緩沖區(qū)，完成數(shù)據(jù)的傳輸。兩個緩沖區(qū)可以交替使用，提高了處理器和輸入設備的并行操作能力。 在任一時刻，可以進行雙向的數(shù)據(jù)傳輸。一個緩沖區(qū)用于輸入，另一個用于輸出。 適用于輸入 /輸出、生產(chǎn)者 /消費者速度基本相匹配的情況。 當傳輸數(shù)據(jù)量較大，或者兩者的速度相差較遠時，雙緩沖區(qū)效率較低，還是不能解決兩者并行工作問題。1/28/202369n 三、循環(huán)緩沖 由于雙緩沖并不能真正解決實際系統(tǒng)中的并行操作，為了能夠進一步提高系統(tǒng)操作的并行程度，可以通過增加緩沖區(qū)的個數(shù)，即實現(xiàn)多緩沖區(qū)方式。為了更好地控制和使用這些緩沖區(qū)，將多個緩沖區(qū)組成環(huán)形，稱為循環(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區(qū)作為緩沖區(qū)，并將這些緩沖區(qū)連接起來，每個緩沖區(qū)中有一個指向下一個緩沖區(qū)的指針，最后一個緩沖區(qū)的指針指向第一個緩沖區(qū)1/28/202370 為了充分利用這些緩沖資源，使進程的處理和 I/O設備的工作具有較好的連續(xù)性，提高設備的利用率，將緩沖區(qū)分為以下兩種類型： （ 1） 空緩沖區(qū)。準備接收輸入的數(shù)據(jù)。 （ 2） 滿緩沖區(qū)。用于存放可供使用的數(shù)據(jù)。過程： 當循環(huán)緩沖接收數(shù)據(jù)時，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指向下一個空緩沖區(qū)。每次申請一個空緩沖區(qū)時，需要判斷 EMPTY是否與 FULL相等。若相等，表示系統(tǒng)中已沒有空緩沖區(qū)，輸入進程需要等待；否則，可以繼續(xù)輸入。 若要從緩沖區(qū)取數(shù)據(jù)時，直接到 FULL所指向的緩沖區(qū)中取，然后讓 FULL指向下一個滿緩沖區(qū)。同樣，每次 FULL指針移動時，需要判斷 FULL是否與 EMPTY相等。若相等，表示緩沖區(qū)已無數(shù)據(jù)可取，等待緩沖區(qū)滿后繼續(xù)操作。1/28/202371特點 ： 在主存中設置多個緩沖區(qū)。讀和寫可以并行處理，適用于某種特定的輸入輸出進程和計算進程，如輸入 /輸出、生產(chǎn)者/消費者速度不相匹配的情況。 循環(huán)緩沖區(qū)屬于專用緩沖區(qū)。當系統(tǒng)較大時，使用多個這樣的緩沖區(qū)要消耗大量的主存空間，降低緩沖區(qū)的使用效率。 兩個缺點： （ 1）當系統(tǒng)的資源較多時，就要占用大量的緩沖區(qū)，增加內(nèi)存開銷。 （ 2）可能會出現(xiàn)某個設備的緩沖不夠用，而其他設備有多個空閑緩沖區(qū)的情況，導致循環(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進程和計算進程，是專用緩沖結(jié)構(gòu)，而不是針對整個系統(tǒng)的公用緩沖結(jié)構(gòu)。當系統(tǒng)較大時，會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)，在緩沖池中設置了可供多個并發(fā)進程共享的緩沖區(qū)。1/28/202373 如圖所示，緩沖池是由多個大小相同的緩沖區(qū)組成，同管理程序統(tǒng)一對緩沖池進行管理。當某個進程需要使用緩沖區(qū)時，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)將相同類型的緩沖區(qū)鏈成一個隊列，緩沖池中共有三種隊列： （ 1） 空緩沖隊列。 （ 2） 輸入隊列。 （ 3） 輸出隊列。 這三種隊列各有指向其首緩沖區(qū)的隊首指針和指向尾緩沖區(qū)的隊尾指針。系統(tǒng)根據(jù)需要從這三種隊列中取出緩沖區(qū)，對緩沖區(qū)進行存數(shù)據(jù)、取數(shù)據(jù)操作。 這些緩沖區(qū)稱為工作緩沖區(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對緩沖池管理提供兩個基本操作 (過程 )： ? (1) getbuf(type)：用于從 type所指定的隊列的隊首， 摘下一個緩沖區(qū)； ? (2) putbuf(type， number)：用于將用參數(shù) number所指示的緩沖區(qū)， 掛在 type隊列上。1/28/202376 下面是緩沖池在具體的工作過程中，對緩沖池中的緩沖區(qū)實施管理和使用的情況： （ 1） 當輸入設備要進行數(shù)據(jù)輸入時，先從空緩沖區(qū)隊列的隊首摘取一個空緩沖區(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)隊列的隊尾。 （ 2） 當某個計算進程需要輸入數(shù)據(jù)時，從輸入隊列中取出一個緩沖區(qū)作為輸入工作緩沖區(qū)，進程從中提取數(shù)據(jù)，取空后，將該緩沖區(qū)掛到空緩沖區(qū)隊列的隊尾。 （ 3） 當某個計算進程想輸出數(shù)據(jù)時，從空緩沖區(qū)隊首摘下一個空緩沖區(qū)作為收容輸出工作緩沖區(qū)，在其裝滿計算進程的輸出數(shù)據(jù)后，將它掛到輸出隊列的隊尾。 （ 4） 當輸出設備進行數(shù)據(jù)輸出時，從輸出隊列取下一個緩沖區(qū)作為提取輸出工作緩沖區(qū)，當其數(shù)據(jù)全送到輸出設備后，再將它掛到空緩沖隊列尾。1/28/202377n 特點 緩沖池結(jié)構(gòu)復雜，在主存中設置公用緩沖池，在池中設置多個可以供多個進程共享的緩沖區(qū)。緩沖區(qū)既可以用于輸入，又可以用于輸出（即共享）。緩沖池的設置，減少了主存空間的消耗，提高了主存的利用率，適應于現(xiàn)代操作系統(tǒng)。 無論是多緩沖，還是緩沖池，由于緩沖器是臨界資源，因此在使用緩沖區(qū)時都有一個申請、釋放和互斥的問題。 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，都可以稱之為緩沖。 但兩者之間確實存在細微的差異： 緩沖的作用在于協(xié)調(diào)速度不匹配的 I/O傳輸過程； 而緩存的作用在于減少對設備的實際訪問次數(shù)。這個差異導致了兩者的管理方法有所不同。1/28/202379 一般來說，緩沖區(qū)的生命期較短，當進程開始數(shù)據(jù)傳輸時建立，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，緩存的數(shù)據(jù)可以長時間地保存在緩存區(qū)中，服務于各種應用目的。如文件系統(tǒng)中的 i節(jié)點緩存、目錄項緩存等在整個系統(tǒng)運行期間都存在于內(nèi)存中，由文件系統(tǒng)管理和使用。 1/28/202380 另外，緩沖區(qū)的管理相對簡單，系統(tǒng)只需提供簡單的分配算法以及同步機制即可。 而緩存區(qū)的管理則需要利用更復雜的算法，以提高訪問的命中率，最大限度地發(fā)揮緩存的作用。例如，磁盤的緩存算法要確定哪些數(shù)據(jù)應存放在緩存中，哪些數(shù)據(jù)應從緩存中撤出等。 在應用上，進程間的通信多使用緩沖技術(shù)，而設備的 I/O往 往使用緩沖兼緩存技術(shù)。1/28/202381 分層結(jié)構(gòu)的底層是設備相關(guān)部分，稱為設備驅(qū)動程序。它們直接和相應的設備打交道，負責設備的具體驅(qū)動和控制。上層通常是和設備無關(guān)的，這個部分接受來自用戶層的訪問請求，并把這些訪問請求傳給具體的設備驅(qū)動程序，再將驅(qū)動程序的執(zhí)行結(jié)果進行轉(zhuǎn)換，傳給用戶1/28/202382設備無關(guān)性錯誤處理同步 /異步傳輸必須能處理獨占設備和共享設備的 I/O操作1/28/202383 為實現(xiàn)以上四個目標， I/O系統(tǒng)應組織成以下四個層次： ? (1) 中斷處理程序 ? (2) 設備驅(qū)動程序 ? (3) 與設備無關(guān)的 I/O軟件 ? (4) 用戶空間的 I/O軟件1/28/202384 中斷事件通常由硬件發(fā)現(xiàn)。對出現(xiàn)的事件進行處理的程序稱為中斷處理程序。 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。當進程需要進行 I/O操作時，操作系統(tǒng)應將該進程掛起，即進入阻塞，直至 I/O操作結(jié)束并發(fā)生中斷。當中斷發(fā)生時，中斷處理程序執(zhí)行相應的操作，以解除相應進程的阻塞狀態(tài)。1/28/202385n 一個完整的中斷處理過程包括以下四步 : (1) 中斷請求：由中斷源向 CPU提出中斷請求 (軟中斷除外 )。 (2) 中斷響應： CPU在收到中斷請求并具備響應條件的情況下，進行中斷響應，以實現(xiàn)向中斷服務程序的過渡。 (3) 中斷服務： CPU在執(zhí)行中斷服務程序期間，要進行具體的中斷服務。 (4) 中斷返回：中斷服務程序的最后一條指令應是中斷返回指令。當執(zhí)行到該指令時，便返回到被終止的程序，從斷點處繼續(xù)執(zhí)行。1/28/202386n 中斷請求： 中斷源需要通過中斷線送到中斷控制器的輸入端，這稱為中斷請求。 中斷控制器是一個硬件裝置，它負責捕獲中斷請求，并以一定的方式向 CPU提交中斷。由于同時可能會有多個中斷信號產(chǎn)生，它們需要共用有限的中斷線。 因此，當設備要使用中斷線時就要先進行中斷請求 (IRQ)，以獲得中斷線的使用權(quán)。1/28/202387n 中斷響應 對中斷請求的整個處理過程是由硬件和軟件相結(jié)合的一整套中斷機構(gòu)實施的。中斷響應由硬件實施，中斷處理主要由軟件實施。 中斷響應是 CPU對中斷源中斷請求的響應，包括保護斷點和將程序轉(zhuǎn)向中斷服務程序的入口地址。 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中斷事件發(fā)生。若無，繼續(xù)執(zhí)行下一條指令；若有，則停止現(xiàn)行進程，由操作系統(tǒng)中的中斷處理程序占用處理器，這一過程稱為 “中斷響應 ”。1/28/202388n 一般說來，中斷響應過程順序執(zhí)行下述動作： (1) 中止當前進程的執(zhí)行； (2) 對被響應的中斷進行應答； (3) 保存當前進程的斷點信息 (主要是程序狀態(tài)字PSW和程序計數(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施。響應中斷后， CPU轉(zhuǎn)去執(zhí)行相應的中斷處理程序。每個中斷都對應一個特定的中斷處理程序，因而系統(tǒng)中會有許多中斷處理程序，如時鐘中斷處理程序、鍵盤中斷處理程序等。在設備的驅(qū)動程序中包含了對該設備所有中斷的處理程序。1/28/202390n 中斷處理過程： ① 當中斷裝置發(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 “當前 PSW”作為 “舊 PSW”保存到預先約定的主存的固定單元中。 ③ 根據(jù)中斷碼，把該類事件處理程序的 “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。 當中斷程序處理完后，再恢復現(xiàn)場，繼續(xù)執(zhí)行原先被中斷的進程1/28/202391n 中斷處理程序的處理過程如下： 1．喚醒被阻塞的驅(qū)動程序進程 2．保護被中斷進程的現(xiàn)場 3．分析中斷原因、轉(zhuǎn)入相應的設備中斷處理程序 4．進行中斷處理 5．恢復被中斷進程的現(xiàn)場