【文章內(nèi)容簡介】 放在主存 L單元開始的區(qū)域中，連空格在內(nèi)共 16個字符。組織好的通道程序在主存 K單元開始的區(qū)域中。其中，命令碼 07表示 “對折頁線 ”(即走到新的一頁開始 )，命令碼 EF表示 “走紙 3行 ”(即走紙到第 4行的位置 )，命令碼 F9表示 “打印一行信息 ”，標識碼 60表示有后續(xù)命令。最后一條命令要求打印從 L單元開始的 16個字符，打印結(jié)束后本操作結(jié)束。操作系統(tǒng)教程課件 第 40頁機械工業(yè)出版社I/O控制方式操作系統(tǒng)教程課件 第 41頁機械工業(yè)出版社I/O控制方式 (3)I/O通道的啟動與結(jié)束 ?當進程提出 I/O請求后，操作系統(tǒng)首先分配通道和外設(shè)，然后按照 I/O請求編制通道程序并存入主存，將其起始地址送入通道地址寄存器 (CAW)，接著 CPU發(fā)出 “啟動I/O”指令啟動通道工作，啟動成功后，通道逐條執(zhí)行通道程序中的通道指令，控制設(shè)備實現(xiàn) I/O操作。 ? CPU啟動通道后，通道的工作過程如下。① 從主存固定單元取出通道地址寄存器 (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頁機械工業(yè)出版社I/O控制方式② 控制器接收通道發(fā)來的命令之后，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，處理來自通道的中斷。 ?可見，只是在 I/O操作的起始和結(jié)束時，通道向 CPU發(fā)出 I/O中斷申請，把產(chǎn)生中斷的通道號、設(shè)備號存入中斷寄存器，同時形成通道狀態(tài)字匯報情況，等待處理。 CPU用極短的時間參與控制管理工作，其他時間則處理與 I/O無關(guān)的操作。這樣實現(xiàn)了 CPU與通道、外圍設(shè)備的并行操作，從而提高了整個系統(tǒng)的利用率。操作系統(tǒng)教程課件 第 43頁機械工業(yè)出版社 緩 沖技 術(shù) 計 算機系 統(tǒng) 中各個部件速度的差異是 顯 而易 見 的。 為了 緩 解 CPU與外 圍設(shè)備 之 間 速度不匹配和 負載 不均衡的 問題 ， 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 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頁機械工業(yè)出版社 沖的引入 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 時間 量 級 高速工作，而 I/O設(shè)備則一般以毫秒甚至秒 時間 量 級 的速率工作。在不同 階 段，系統(tǒng) 各部分的 負載 往往很不平衡。例如，當作 業(yè) 需要打印大批量數(shù)據(jù) 時 ，由于 CPU輸 出數(shù)據(jù)的速度大大高于打印機的速度，因此 CPU只能停下來等待，反之，在 CPU計 算 時 ，打印機又因 為 無數(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 打印機從 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頁機械工業(yè)出版社 沖的引入 （ 2）減少 對 CPU中斷 頻 率，放 寬對 CPU中斷響 應(yīng)時間 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 便中斷一次 CPU， 進 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 送來的數(shù)據(jù)沖掉。若 設(shè) 置一個具有 8位的 緩 沖器， 則 可使 CPU被中斷的 頻 率降低 為 原來的 1/8，如圖 512所示。 這樣 減少了 CPU的中斷次數(shù)和中斷 處 理 時間 。操作系統(tǒng)教程課件 第 46頁機械工業(yè)出版社 沖的引入 (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 器中劃出一個具有 n個 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 于不同的系 統(tǒng) ，可以采用不同 類 型的 緩 沖區(qū)機制。最常 見 的 緩 沖區(qū)機制有 單緩 沖機制、能 實現(xiàn) 雙向同 時傳 送數(shù)據(jù)的雙 緩 沖機制，以及能供多個 設(shè)備 同 時 使用的公共 緩 沖機制等。操作系統(tǒng)教程課件 第 47頁機械工業(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 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 ，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 理機的 處 理速度，但是 設(shè)備 和 設(shè)備 之間 并不能通 過單緩 沖達到并行操作。 操作系統(tǒng)教程課件 第 48頁機械工業(yè)出版社 單緩 沖操作系統(tǒng)教程課件 第 49頁圖 513 單緩沖工作示意圖機械工業(yè)出版社 雙 緩 沖雙 緩 沖機制又稱 為緩 沖 對換 。雙 緩 沖是 為輸 入和 輸 出設(shè)備設(shè) 置兩個 緩 沖區(qū)的 緩 沖技 術(shù) 。在 設(shè)備輸 入數(shù)據(jù) 時 ，可以把數(shù)據(jù)放入其中一個 緩 沖區(qū)中，在 進 程從 緩 沖區(qū)中取數(shù)據(jù)使用的同 時 ，將 輸 入數(shù)據(jù) 繼續(xù) 放入另一個 緩 沖區(qū)中。當?shù)谝粋€ 緩 沖區(qū)的數(shù)據(jù) 處 理完 時 ， 進 程可以接著從另一個 緩沖區(qū)中 獲 得數(shù)據(jù)，同 時 ， 輸 入數(shù)據(jù)可以 繼續(xù) 存入第一個 緩沖區(qū)，如 圖 514所示， 僅 當 輸 入 設(shè)備 的速度高于 進 程 處 理這 些數(shù)據(jù)的速度，兩個 緩 沖區(qū)都存 滿時 ，造成 輸 入 進 程等待。 這樣 ，兩個 緩 沖區(qū)交替使用，使 CPU和 I/O設(shè)備 的并行性 進 一步提高，但在 輸 入 /輸 出 設(shè)備 和 處 理 進 程速度不匹配 時 仍不能適 應(yīng) 。操作系統(tǒng)教程課件 第 50頁機械工業(yè)出版社 雙 緩 沖 顯 然，雙 緩 沖只是一種 說 明 設(shè)備 和 設(shè)備 、 CPU和 設(shè)備 之 間 并行操作的 簡單 模型，由于 計 算機系 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 實際 系 統(tǒng) 中的并行操作。在 現(xiàn) 代 計 算機系 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頁機械工業(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，可供各個進程共享，并由系統(tǒng)統(tǒng)一分配和管理。多個緩沖區(qū)組織成循環(huán)緩沖形式，對于用作輸入的循環(huán)緩沖，通常是提供給輸入進程或計算進程使用，輸入進程不斷向空緩沖區(qū)輸入數(shù)據(jù)，而計算進程則從中提取數(shù)據(jù)進行計算。循環(huán)緩沖如圖 515所示，其中每個緩沖區(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以及計算進程正在使用的現(xiàn)行工作緩沖區(qū) C，指針 Nextg用于指示計算進程下一個可用緩沖區(qū) G，指針Nexti用于指示輸入進程下次可用的空緩沖區(qū) R，指針Current用于指示計算進程正在使用的緩沖區(qū) C。操作系統(tǒng)教程課件 第 52頁機械工業(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 512字節(jié)的緩沖區(qū)；字符設(shè)備共設(shè)置了 100個 6字節(jié)的緩沖區(qū)。操作系統(tǒng)教程課件 第 53頁機械工業(yè)出版社 緩沖池 一組多緩沖僅適用于某個特定的 I/O進程和計算進程，當系統(tǒng)較大時，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，它由多個可共享的緩沖區(qū)組成。 對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頁機械工業(yè)出版社 緩沖池 為了便于管理，可將相同類型的緩沖區(qū)鏈成一個隊列，于是可形成以下三個隊列： (1)由空緩沖區(qū)所鏈成的空緩沖隊列 emq。 (2) 由裝滿輸入數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)所鏈成的輸入隊列 inq。 (3) 由裝滿輸出數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)所鏈成的輸出隊列 outq 操作系統(tǒng)教程課件 第 55頁機械工業(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頁機械工業(yè)出版社 獨占設(shè)備的分配 在多道程序設(shè)計系統(tǒng)中，不允許用戶直接啟動外圍設(shè)備，而必須由系統(tǒng)進行統(tǒng)一分配。當進程向系統(tǒng)提出 I/O請求時，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)備分配給請求用戶（進程），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頁機械工業(yè)出版社設(shè)備的邏輯號和絕對號n 計算機系統(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。為了對設(shè)備進行管理，計算機系統(tǒng)為每一臺設(shè)備確定一個編號，以便區(qū)分和識別，這個編號稱為設(shè)備的絕對號。 ?n 在多道程序設(shè)計系統(tǒng)中，由于用戶無法知道當前計算機系統(tǒng)中設(shè)備的使用狀態(tài)，因此，一般用戶不直接使用設(shè)備的絕對號，用戶可以向系統(tǒng)說明所要使用的設(shè)備類型。至于實際使用哪一臺設(shè)備，由系統(tǒng)根據(jù)該類設(shè)備的分配情況來決定。為了避免使用時產(chǎn)生混亂，用戶可以在程序中對自己要求使用的若干臺同類型設(shè)備給出編號。由用戶在程序中定義的設(shè)備編號稱為設(shè)備的邏輯號。操作系統(tǒng)教程課件 第 58頁機械工業(yè)出版社設(shè)備的邏輯號和絕對號 這樣，用戶總是用 “設(shè)備類、邏輯號 ”向系統(tǒng)提出使用設(shè)備的要求，而系統(tǒng)為用戶分配一個絕對號設(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頁機械工業(yè)出版社 設(shè)備的獨立性 設(shè)備的獨立性也稱設(shè)備的無關(guān)性，指應(yīng)用程序獨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)性和可擴展性。用戶編制程序時，不必指明特定的設(shè)備，而是在程序中使用 “ 設(shè)備類、相對號 ” 定義的邏輯設(shè)備，程序執(zhí)行時系統(tǒng)根據(jù)用戶指定的邏輯設(shè)備轉(zhuǎn)換成與其對應(yīng)的具體物理設(shè)備，并啟動該物理設(shè)備工作。于是，用戶在編制程序時使用的設(shè)備與實際使用哪臺設(shè)備無關(guān)，這種特性稱為 “ 設(shè)備的獨立性 ” 。具有設(shè)備獨立性的計算機系統(tǒng)，在設(shè)備分配時具有： （ 1）設(shè)備分配靈活性強。 （ 2）設(shè)備分配適應(yīng)性強，易于實現(xiàn) I/O重定向。操作系統(tǒng)教程課件 第 60頁機械工業(yè)出版社 設(shè)備的獨立性 設(shè)備驅(qū)動程序是一個與硬件（或設(shè)備）緊密相關(guān)的軟件。為了實現(xiàn)設(shè)備的獨立性，往往需要在設(shè)備驅(qū)動程序之上設(shè)置一層軟件，稱為設(shè)備獨立性軟件，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：對獨立設(shè)備的分配與回收；將邏輯設(shè)備名映射為物理設(shè)備名；對設(shè)備進行保護，禁止用戶直接訪問設(shè)備；緩沖管理；差錯控制。 由于在 I/O操作中的絕大多數(shù)錯誤都與設(shè)備無關(guān)，所以I/O操作主要由設(shè)備驅(qū)動程序處理，而設(shè)備獨立性軟件只是處理那些設(shè)備驅(qū)動程序無法處理的錯誤。操作系統(tǒng)教程課件 第 61頁機械工業(yè)出版社 設(shè)備的獨立性 （ 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，對各種設(shè)備的讀操作，在應(yīng)用程序眾多使用 read，而對各種設(shè)備的寫操作，都使用write。 操作系統(tǒng)教程課件 第 62頁機械工業(yè)出版社 獨占設(shè)備的分配 設(shè)備分配方式有兩種，即靜態(tài)分配和動態(tài)分配。靜態(tài)分配方