【文章內容簡介】 起來統(tǒng)一管理，既可用于輸入又可用于輸出的緩沖結構。 緩沖池的管理 ? 1. 緩沖池的結構 ? 緩沖池由多個緩沖區(qū)組成。每個緩沖區(qū)又由兩部分組成： ? 一部分是用來標識該緩沖區(qū)和管理的緩沖首部； ? 另一部分是用于存放數據的緩沖體。這兩部分有一一對應的映射關系。 ? 對于既可用于輸入又可用于輸出的公用緩沖池，其中至少應包含以下三種類型的緩沖區(qū)： ? (1) 空閑緩沖區(qū)； ? (2) 裝滿輸入數據的緩沖區(qū)； ? (3) 裝滿輸出數據的緩沖區(qū)。 緩沖池的管理 ? 為了方便于管理，系統(tǒng)把相同類型的緩沖區(qū)鏈接成一個隊列，于是可形成以下三種隊列： ? (1) 空閑緩沖隊列 emq。這是由空閑緩沖區(qū)鏈接成的隊列。其隊首指針為 F(emq)，隊尾指針為 L(emq)。 ? (2) 裝滿輸入數據的輸入緩沖隊列 inq。這是由裝滿輸入數據的緩沖區(qū)鏈接成的隊列。其隊首指針為 F(inq)，隊尾指針為L(inq)。 ? (3) 裝滿輸出數據的輸出緩沖隊列 outq。這是由裝滿輸出數據的緩沖區(qū)鏈接成的隊列。其隊首指針為 F(outq)，隊尾指針為 L(outq)。 F ( e m q )緩 沖 區(qū) 1 緩 沖 區(qū) 2 ?L ( e m q )F ( i n q )緩 沖 區(qū) 1 緩 沖 區(qū) 2 ?L ( i n q )F ( o u t q )緩 沖 區(qū) 1 緩 沖 區(qū) 2 ?L ( o u t q ) 緩沖池的管理 ? 在緩沖池中，有以下 4種工作緩沖區(qū)： ? (1) 用于收容設備輸入數據的收容輸入緩沖區(qū) hin。 ? (2) 用于提取設備輸入數據的提取輸入緩沖區(qū) sin。 ? (3) 用于收容 CPU輸出數據的收容輸出緩沖區(qū) hout。 ? (4) 用于提取 CPU輸出數據的提取輸出緩沖區(qū) sout。 h i n s i ns o u t h o u t緩 沖 池收 容 輸 入收 容 輸 出提 取 輸 出提 取 輸 入C P UI / O 設 備 緩沖池的管理 ? 2. 緩沖池管理 ? 對緩沖池的管理由如下幾個操作組成： ? (1) 按一定的規(guī)則從 3種緩沖區(qū)隊列中取出一個緩沖區(qū)的過程 take_buf(type)。 ? (2) 按一定的規(guī)則把緩沖區(qū)插入相應的緩沖區(qū)隊列的過程 add_buf(type, number)。 ? (3) 供進程申請緩沖區(qū)使用的過程 get_buf(type,number)。 ? (4) 供進程將緩沖區(qū)放入相應緩沖區(qū)隊列的過程put_buf(type,work_buf)。 ? 其中，參數 type表示緩沖隊列類型， number為緩沖區(qū)號，而 work_buf則表示工作緩沖區(qū)類型。 緩沖池的管理 ? 緩沖區(qū)可以工作在收容輸入、提取輸入、收容輸出和提取輸出四種工作方式下 。 ? (1) 收容輸入。 ? (2) 提取輸入。 ? (3) 收容輸出。 ? (4) 提取輸出。 h i n s i ns o u t h o u t緩 沖 池收 容 輸 入收 容 輸 出提 取 輸 出提 取 輸 入C P UI / O 設 備 設 備 分 配 ? 在多道程序環(huán)境下，系統(tǒng)中的設備供所有進程共享。為防止諸進程對系統(tǒng)設備資源的無序競爭，操作系統(tǒng)規(guī)定設備不允許用戶自行使用，必須由系統(tǒng)統(tǒng)一分配。 ? 每當進程向系統(tǒng)提出資源申請時，由設備分配程序根據一定的分配策略為進程分配資源。 設備分配中的數據結構 ? 1. 設備控制表 DCT(Device Control Table) ? 系統(tǒng)為每一個設備都配置一張設備控制表，用于記錄本設備的情況。設備控制表 DCT反映了設備的特性、設備和 I/O控制器的連接情況，包括設備標識、使用狀態(tài)和等待使用該設備的進程隊列等。 DCT包括以下內容： ? (1) 設備標識符，設備標識符用于標識設備。 ? (2) 設備類型，反映設備的特性，例如是終端設備、塊設備或是字符設備等。 ? (3) 設備地址或設備號，每個設備都有一個相應的地址或設備號。這個地址既可以是和內存統(tǒng)一編址的，也可以是單獨編址的。 ? (4) 設備狀態(tài)，指設備是在工作狀態(tài)還是空閑狀態(tài)。 ? (5) 等待隊列指針，等待使用該設備的進程組成等待隊列，其隊首和隊尾指針存放在 DCT中。 ? (6) I/O控制器指針，該指針指向設備相連接的 I/O控制器。 設備分配中的數據結構 ? 2. 系統(tǒng)設備表 SDT(System Device Table) ? 系統(tǒng)設備表 SDT在整個系統(tǒng)中只有一張，它記錄已被連接到系統(tǒng)中的所有物理設備的信息，并為每個物理設備設置一表項。 SDT的每個表項包括如下內容： ? (1) DCT指針，該指針指向有關設備的設備控制表。 ? (2) 正在使用設備的進程標識。 ? (3) 設備類型和設備標識符，該項的意義與 DCT中的相同。 ? SDT的主要意義在于反映系統(tǒng)中設備資源的狀態(tài)，即系統(tǒng)中有多少設備，有多少是空閑的，又有多少已經分配給了哪些進程。 設備分配中的數據結構 ? 3. 控制器控制表 COCT(COntroler Control Table) ? 每個控制器都有一張 COCT表，它反映 I/O控制器的使用狀態(tài)以及和通道的連接情況等 (DMA方式中沒有該項 )。 ? 4. 通道控制表 CHCT(CHannel Control Table) ? 該表只在通道控制方式的系統(tǒng)中存在，每個通道都有一張 CHCT表。 CHCT包括通道標識符、通道忙 /閑標識、等待獲得該通道的進程等待隊列的隊首指針與隊尾指針等。 設備分配中的數據結構 ? SDT， DCT， COCT和 CHCT分別如下圖所示。顯然，一個進程只有獲得了通道、控制器和所需設備 3者之后，才具備有進行 I/O操作的物理條件 表 目 1…表 目 i…設 備 類 型設 備 標 識獲 得 設 備 的 進 程D C T 指 針…D C T 1…D C T i…設 備 類 型設 備 標 識設 備 忙 /閑 標 記C O C T 指 針控 制 器 等 待 隊 列 首控 制 器 等 待 隊 列 尾…控 制 器 標 識控 制 器 忙 /閑 標 記C H C T 指 針控 制 器 等 待 隊 列 首控 制 器 等 待 隊 列 尾…S D TD C TC O C T通 道 標 識通 道 忙 /閑 標 記通 道 等 待 隊 列 首通 道 等 待 隊 列 尾…C H C T 設備分配的原則 ? 系統(tǒng)在進行設備分配時，應考慮以下幾個原則：① 設備的共享屬性；② 設備分配算法；③ 設備分配時的安全性。 ? 1. 設備的共享屬性 ? 第一種是獨占性，是指這種設備在一段時間內只允許一個進程獨占，屬于“臨界資源”； ? 第二種是共享性，是指這種設備允許多個進程同時共享； ? 第三種是虛擬性，是指設備本身是獨占設備，但經過虛擬技術，可以把它變?yōu)樘摂M設備。 ? 對上述的獨占、共享、虛擬三種設備，系統(tǒng)采取不同的分配策略。 ? (1) 獨占設備。對于獨占設備，應采用獨享分配策略，即將一個設備分配給某進程后，便由該進程獨占，直至進程完成或釋放該設備。然后，系統(tǒng)才能再將該設備分配給其它進程使用，這種分配策略的缺點是，設備不能得到充分的利用，有可能引起死鎖。 ? (2) 共享設備。對于共享設備，可同時分配給多個進程使用。此時需要對多個進程訪問設備的先后次序進行合理的調度。 ? (3) 虛擬設備。通過對一臺獨占設備采用虛擬技術后，可變成多臺邏輯上的虛擬設備，因此，一臺虛擬設備是可共享的設備，可以將它同時分配給多個進程使用，并對訪問該設備的多個進程進行先后次序控制。 設備分配的原則 ? 2. 設備分配策略 ? (1) 先請求先分配 ? 當有多個進程對同一設備提出 I/O請求時，或者是在同一設備上進行多次 I/O操作時，系統(tǒng)將按提出 I/O請求的先后順序，將進程發(fā)出的 I/O請求命令排成隊列，其隊首指向被請求設備的 DCT。當該設備空閑時，系統(tǒng)從該設備的請求隊列隊首取出一個 I/O請求消息，將設備分配給發(fā)出這個請求的進程。 ? (2) 優(yōu)先級高者先分配 ? 這種策略和進程調度的優(yōu)先算法是一致的，即進程的優(yōu)先級高，它的 I/O請求也將優(yōu)先予以滿足。 設備分配的原則 ? 3. 設備分配的安全性 ? (1) 安全分配方式 ? 在這種分配下，每當進程發(fā)出 I/O請求后，便進入阻塞狀態(tài)，直到其 I/O操作完成時才被喚醒。采用這種分配方式時，一旦進程已經獲得某種設備 (資源 )后便阻塞，使該進程不能再請求任何資源，并且在它運行期間也不保持任何資源。這種分配方式摒棄了造成死鎖的四個必要條件之一的“請求和保持”條件，從而使設備分配是安全的。其缺點是進程進展緩慢，即 CPU和 I/O設備是串行工作。 ? (2) 不安全分配方式 ? 在這種分配方式中，進程在發(fā)出 I/O請求后仍繼續(xù)運行，需要時則可以發(fā)出第二個、第三個 I/O請求等。僅當進程所請求的設備已被另一個進程占用時，請求進程才進入阻塞狀態(tài)。這種分配方式的優(yōu)點是，一個進程可同時使用多個設備，使進程推進迅速。其缺點是分配不安全，因為它可能具備“請求和保持”條件，從而可能造成死鎖。因此，在設備分配時，還應對本次的設備分配是否會發(fā)生死鎖進行安全性檢查，僅當分配是安全的情況下才可以進行設備分配。 SPOOLing系統(tǒng) ? 1. 什么是 SPOOLing ? 在聯機情況下實現的同時外圍操作稱為SPOOLing(Simultaneaus Periphernal Operting On_Line)，也稱為假脫機操作。 ? SPOOLing技術可將一臺物理 I/O設備虛擬為多臺邏輯 I/O設備，從而允許多個用戶共享一臺物理 I/O設備。 SPOOLing系統(tǒng) ? 2. SPOOLing系統(tǒng)的組成 ? (1) 輸入和輸出井：這是在磁盤上開辟的兩個大存儲空間。輸入井是模擬脫機輸入時的磁盤設備，用于暫存 I/O設備輸入的數據；輸出井是模擬脫機輸出的磁盤，用于暫存用戶程序的輸出數據。 ? (2) 輸入緩沖區(qū)和輸出緩沖區(qū)：為了緩和 CPU和磁盤之間速度不匹配的矛盾，在內存中開辟兩個緩沖區(qū)：輸入緩沖區(qū)和輸出緩沖區(qū)。輸入緩沖區(qū)用于暫存由輸入設備送來的數據，以后再傳送到輸入井；輸出緩沖區(qū)則用于暫存從輸出井送來的數據，以后再傳送給輸出設備。 ? (3) 輸入進程和輸出進程： SPOOLing利用兩個進程來模擬脫機 I/O時的外圍控制機。其中，輸入進程模擬脫機輸入時的外圍控制機，將用戶要求的數據從輸入機通過輸入緩沖區(qū)再送到輸入井，當 CPU需要輸入數據時，直接從輸入井中讀到內存；輸出進程模擬脫機輸出時的外圍控制機，把用戶要求輸出的數據，先從內存送到輸出井，待輸出設備空閑時，再將輸出井中的數據經過輸出緩沖區(qū)送到輸出設備上。 輸 入 緩 沖 區(qū)磁 盤輸 出 緩 沖 區(qū)輸 入 進 程 輸 出 進 程輸 入 井輸 出 井輸 入 設 備輸 出 設 備 虛擬設備 — 共享打印機 ? 打印機是常用的輸出設備，屬于獨占設備。利用 SPOOLing技術，可將之改造為一臺可供多個用戶共享的虛擬設備，從而提高設備的利用率，方便用戶使用。 ? 當用戶進程請求打印輸出時， SPOOLing系統(tǒng)同意為它打印輸出，但并不真正立即把打印機分配給用戶進程，而只為它做兩件事： ? ① 由輸出進程在輸出井中為之申請一個空閑磁盤區(qū)，并將要打印的數據送入其中； ? ② 輸出進程再為用戶進程申請一張空白的用戶請求打印表，并將用戶的打印要求填入其中，再將該表掛到請求打印隊列上。 ? 如果打印機空閑，輸出進程將從請求打印隊列隊首取出一張請求打印表，根據表中的要求將要打印的數據，從輸出井傳送到內存緩沖區(qū)，再由打印機進行打印。打印完后，輸出進程再查看請求打印隊列中是否還有等待打印的請求表。若有，繼續(xù)取出隊列中的第一張表，并根據表中的要求進行打印，如此下去，直至請求打印隊列為空，輸出進程才將自己阻塞起來，當再有打印請求時，輸出進程才被喚醒。 SPOOLing系統(tǒng)的特點 ? (1) 提高 I/O 速度 ? SPOOLing技術引入輸入井和輸出井，可以使輸入進程、用戶進程和輸出進程同時工作。對數據所進行的 I/O操作，已從對低速 I/O設備進行的 I/O操作，演變?yōu)閷斎刖蜉敵鼍袛祿拇嫒?，從而提?I/O 速度，緩解 CPU與低速 I/O設備之間速度不匹配的矛盾。 ? (2) 將獨占設備改造為共享設備 ? 在 SPOOLing系統(tǒng)中，實際上并沒有為任何進程分配設備，而只是在輸入井或輸出井中為進程分配一個存儲區(qū)和建立一張 I/O請求表。而輸入井和輸出井在磁盤上，為共享設備。這樣 SPOOLing技術就把打印機等獨占設備改造為共享設備。 ? (3) 實現虛擬設備功能 ? 宏觀上，雖然是多個進程在同時使用一臺獨占設備，而對于每一