【正文】 型、設(shè)備標(biāo)識(shí)符、設(shè)備狀態(tài)、控制器表指針、重復(fù)執(zhí)行次數(shù)和時(shí)間、設(shè)備隊(duì)列的隊(duì)首指針和設(shè)備隊(duì)列的隊(duì)尾指針等七項(xiàng)。n 其中，設(shè)備類型和設(shè)備標(biāo)識(shí)符來(lái)指明設(shè)備的類型和名字。2023/1/28144n 設(shè)備狀態(tài)：有四種狀態(tài)： 等待、不等待、忙、閑，等待和不等待用一個(gè) “等待 /不等待 ”標(biāo)志位表示，忙和閑用一個(gè) “忙 /閑 ”標(biāo)志位表示。當(dāng)某進(jìn)程提出 I/O請(qǐng)求時(shí)，系統(tǒng)除了為該進(jìn)程分配設(shè)備外，還須同時(shí)分配相應(yīng)的通道和控制器。若此時(shí)與設(shè)備相連的所有控制器和通道都忙，則把該進(jìn)程插入該控制器或通道隊(duì)列，并置位 “等待 /不等待 ”標(biāo)志位。若設(shè)備自身也處于忙的狀態(tài)，則置位 “忙 /閑 ”標(biāo)志位。2023/1/28145n 控制器表指針：若 I/O設(shè)備與內(nèi)存之間僅有一條通道，此時(shí)設(shè)備僅連向一個(gè)控制器，該表目便填上該控制器表的首址。為提高 I/O系統(tǒng)的靈活性和可靠性，不少系統(tǒng)在 I/O設(shè)備和內(nèi)存之間都配置了多條通道，此時(shí)該表目中應(yīng)填上相應(yīng)的多個(gè)控制器表的首址。2023/1/28146n 重復(fù)執(zhí)行的次數(shù)或時(shí)間：在數(shù)據(jù)傳送中，若發(fā)生信息錯(cuò)誤， 系統(tǒng)并不立即認(rèn)為傳送失敗，而是重復(fù)執(zhí)行該傳送操作。只要在規(guī)定的重復(fù)執(zhí)行次數(shù)或時(shí)間內(nèi)恢復(fù)正確的傳送，則仍認(rèn)為此次傳送成功，否則才宣布此次傳送操作失敗，并停止它。n 設(shè)備隊(duì)列的隊(duì)首指針和隊(duì)尾指針：凡因請(qǐng)求本設(shè)備未得到滿足的進(jìn)程，將其按一定的策略排成一個(gè)隊(duì)列，該隊(duì)列稱為設(shè)備請(qǐng)求隊(duì)列或簡(jiǎn)稱設(shè)備隊(duì)列。該隊(duì)列的隊(duì)首和隊(duì)尾指針?lè)謩e指向其隊(duì)首和隊(duì)尾。當(dāng)隊(duì)列不太長(zhǎng)時(shí)，隊(duì)尾指針可以省去。2023/1/28147n 系統(tǒng)中設(shè)置一張用以記錄系統(tǒng)中所有控制器情況的控制器表，該表的具體內(nèi)容如下 410所示。（ 3）控制器表2023/1/28148 表目 i ┊ 控制器標(biāo)識(shí)符 控制器狀態(tài) 與控制器連接的通道表指針 控制器隊(duì)列的隊(duì)首指針 控制器隊(duì)列的隊(duì)尾指針 表目 1 ┊ 控制器表 圖 410 控制器表 n其中控制器表中包括：控制器標(biāo)識(shí)符、控制器狀態(tài)、與控制器連接的通道表指針、控制器隊(duì)列的隊(duì)首指針和隊(duì)尾指針。與設(shè)備控制表的表目類似，不再重復(fù)。2023/1/28149n 系統(tǒng)中設(shè)置一張用以記錄系統(tǒng)中所有通道情況的通道表，該表的具體內(nèi)容如下 411所示。（ 4）通道表2023/1/28150 表目 i ┊ 通道標(biāo)識(shí)符 通道狀態(tài) 與通道連接的控制器表首址 通道隊(duì)列的隊(duì)首指針 通道隊(duì)列的隊(duì)尾指針 表目 1 ┊通道表 圖 411 通道表 其中通道表中包括：通道標(biāo)識(shí)符、通道狀態(tài)、與通道連接的控制器表首址、通道隊(duì)列的隊(duì)首指針和隊(duì)尾指針。與設(shè)備控制表的表目類似，不再重復(fù)。2023/1/28151為使系統(tǒng)正常的工作，系統(tǒng)必須具有合理的設(shè)備分配原則，一般與下述的四個(gè)因素有關(guān)：●I/O設(shè)備的固有屬性，即該設(shè)備是適于某進(jìn)程獨(dú)占還是可供多個(gè)進(jìn)程共享；●系統(tǒng)采用的分配算法，是采用先請(qǐng)求先分配方式，還是按優(yōu)先級(jí)最高者優(yōu)先的方式；●設(shè)備分配中的安全性，不合理的設(shè)備分配有可能導(dǎo)致死鎖的發(fā)生；●與設(shè)備的無(wú)關(guān)性，用戶程序與實(shí)際使用的物理設(shè)備無(wú)關(guān)。2．設(shè)備分配原則2023/1/28152n 我們主要來(lái)研究以下設(shè)備分配的安全性以及與設(shè)備的無(wú)關(guān)性。（ 1）設(shè)備分配中的安全性n 設(shè)備分配程序應(yīng)保證不發(fā)生進(jìn)程死鎖。n 在 CPU和 I/O設(shè)備之間串行工作時(shí)，不會(huì)發(fā)生死鎖現(xiàn)象，因?yàn)槊慨?dāng)進(jìn)程以命令形式發(fā)出 I/O請(qǐng)求后，便立即進(jìn)入阻塞狀態(tài)，直到所提出的 I/O請(qǐng)求完成才被喚醒。這種方法具有程序的編址較為方便和設(shè)備分配比較安全的優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)是進(jìn)程進(jìn)展比較緩慢。n 為了加速進(jìn)程的推進(jìn)，使 CPU和 I/O設(shè)備并行工作的情況下，進(jìn)程可以同時(shí)操作多個(gè)設(shè)備，即某進(jìn)程可以以命令形式發(fā)出I/O請(qǐng)求后仍可繼續(xù)運(yùn)行，需要時(shí)又可發(fā)出第二個(gè) I/O請(qǐng)求，第三個(gè) I/O請(qǐng)求，僅當(dāng)進(jìn)程所請(qǐng)求的設(shè)備以被另一進(jìn)程占用時(shí)才進(jìn)入阻塞狀態(tài)。2023/1/28153n 這種分配方式可以加速進(jìn)程的推進(jìn)速度，但這種多請(qǐng)求的方式的缺點(diǎn)是設(shè)備分配不安全。n 例如，進(jìn)程 A和進(jìn)程 B都需要使用卡片輸入機(jī)和打印機(jī)，進(jìn)程 A先提出使用卡片輸入機(jī)并已獲得，進(jìn)程 B要求打印機(jī)且已分到，因此進(jìn)程 A、 B都將繼續(xù)運(yùn)行，當(dāng)進(jìn)程 A又需要打印機(jī)時(shí)，由于進(jìn)程 B已占用打印機(jī)，進(jìn)程 A因此阻塞。同樣，當(dāng)進(jìn)程 B提出使用讀卡機(jī)請(qǐng)求時(shí)，又因?yàn)樽x卡機(jī)已被進(jìn)程 A占用，進(jìn)程 B也被阻塞， 此時(shí)，進(jìn)程 A和 B都指望對(duì)方釋放出自己需要的資源，但兩者都不能釋放自己的占有資源而使兩者都不能繼續(xù)運(yùn)行，于是發(fā)生了死鎖現(xiàn)象。 因此，在多請(qǐng)求方式中，設(shè)備的分配程序應(yīng)保證不發(fā)生進(jìn)程死鎖。 2023/1/28154n 為提高系統(tǒng)的可適應(yīng)性和可擴(kuò)展性，希望所編制的程序與實(shí)際使用的物理設(shè)備無(wú)關(guān)，即與設(shè)備的無(wú)關(guān)性。n 為此使用邏輯設(shè)備名和物理設(shè)備名，實(shí)現(xiàn)用戶程序與物理設(shè)備的無(wú)關(guān)性。n 邏輯設(shè)備是實(shí)際物理設(shè)備屬性的抽象，它并不局限于某個(gè)具體設(shè)備。 （ 2）與設(shè)備無(wú)關(guān)性2023/1/28155n 例如一臺(tái)名為 LST的具有打印機(jī)屬性的邏輯設(shè)備，它可能是 0號(hào)打印機(jī)或 1號(hào)打印機(jī)，在某些情況下，也可能是顯示終端，甚至是一臺(tái)磁盤的某部分空間（虛擬打印機(jī)）。邏輯設(shè)備究竟和哪一個(gè)具體的物理設(shè)備相對(duì)應(yīng)，這要由系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)時(shí)的設(shè)備忙、閑情況來(lái)決定或由用戶指定。2023/1/28156n 用戶程序使用邏輯設(shè)備名，而不直接使用物理設(shè)備名有以下優(yōu)點(diǎn)：1）當(dāng)物理設(shè)備發(fā)生意外情況無(wú)法工作或設(shè)備型號(hào)發(fā)生變動(dòng)時(shí)，用戶程序無(wú)須修改也不用重新編譯，只需更換控制卡或用命令重新修改邏輯設(shè)備名和物理設(shè)備名之間的連接即可。2）能適應(yīng)多用戶多進(jìn)程的需要，系統(tǒng)可根據(jù)設(shè)備的忙閑情況合理調(diào)整邏輯設(shè)備名與物理設(shè)備名之間的連接情況。使用邏輯設(shè)備名能保證設(shè)備的獨(dú)立性。2023/1/281573．設(shè)備分配流程n 當(dāng)系統(tǒng)中已經(jīng)具備了設(shè)備分配的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，且確定了一定的分配原則后，若某進(jìn)程提出了 I/O請(qǐng)求，便可按照下述步驟實(shí)施設(shè)備分配。 設(shè)備分配包括分配設(shè)備、分配控制器和分配通道。設(shè)備分配的具體流程如圖 412所示。2023/1/28158n 上面的設(shè)備分配流程只是面向單通路的 I/O系統(tǒng)，即每個(gè) I/O設(shè)備只有一條通路與內(nèi)存連接，實(shí)際上，為了可靠性和靈活性，往往采用多通路的I/O系統(tǒng)，這樣，一個(gè) I/O設(shè)備可連至幾個(gè)控制器，每個(gè)控制器又連接幾個(gè)通道，使得設(shè)備分配更為復(fù)雜化。當(dāng)進(jìn)程已獲得所需的設(shè)備、控制器和通道之后，便可執(zhí)行具體的 I/O操作。對(duì)于設(shè)置有通道的系統(tǒng)， CPU啟動(dòng) I/O就是調(diào)用相應(yīng)的通道程序，由通道專用處理機(jī)執(zhí)行通道程序完成I/O操作。2023/1/28159n 許多微機(jī)并不設(shè)置通道，在這種情況下， CPU啟動(dòng) I/O是調(diào)用相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和 I/O處理程序，由 CPU直接向 I/O設(shè)備發(fā)出指令，控制設(shè)備來(lái)完成實(shí)際的 I/O操作。n 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序與物理設(shè)備有關(guān)，針對(duì)具體的 I/O設(shè)備控制器進(jìn)行編碼和操作。 2023/1/28160從系統(tǒng)設(shè)備表中找到該設(shè)備的設(shè)備控制表 此設(shè)備是否忙？ 檢查設(shè)備的安全性？ 分配此設(shè)備給進(jìn)程 檢查控制器忙否？ 分配此控制器給進(jìn)程 檢查通道忙否？ 分配通道給進(jìn)程 啟 動(dòng) I/O， 進(jìn) 行具體的 I/O操作 從系統(tǒng)設(shè)備表中找到該設(shè)備的設(shè)備控制表 將進(jìn)程放入此設(shè)備的等待隊(duì)列 將進(jìn)程放入此控制器的等待隊(duì)列 進(jìn)程申請(qǐng) I/O設(shè)備 將進(jìn)程放入此通道的等待隊(duì)列 忙 不安全 不忙 安全 不忙 不忙 忙 忙圖 412 設(shè)備分配流程圖 2023/1/28161n Microsoft Windows 2023 I/O系統(tǒng)是 Windows 2023 執(zhí)行體的組件，并且存在于 中。它接受 I/O請(qǐng)求，并且以不同的形式把它們傳送到 I/O設(shè)備。在用戶函數(shù)和實(shí)際的 I/O硬件之間有幾個(gè)分立的系統(tǒng)組件，包括文件系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序、過(guò)濾器驅(qū)動(dòng)程序和低層設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。 Microsoft Windows 2023 I/O系統(tǒng)2023/1/28162n Windows 2023 I/O系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是：1）加快系統(tǒng)的 I/O處理。2）使用標(biāo)準(zhǔn)的 Windows 2023 安全機(jī)制保護(hù)共享的資源。3）滿足各種環(huán)境子系統(tǒng)指定的 I/O服務(wù)的需要。4）提供服務(wù)，使設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)盡可能地簡(jiǎn)單，并且允許用高級(jí)語(yǔ)言編寫驅(qū)動(dòng)程序。2023/1/281635）允許在系統(tǒng)中動(dòng)態(tài)地添加或刪除設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。6）通過(guò)添加驅(qū)動(dòng)程序透明地修改其他驅(qū)動(dòng)程序或設(shè)備的行為。7）為多種可安裝的文件系統(tǒng)提供支持，如 FAT、CDROM文件系統(tǒng)（ CDFS）、 統(tǒng)一磁盤格式（UDF） 文件系統(tǒng)和 Windows 2023 文件系統(tǒng)（NTFS） 。8） 允許整個(gè)系統(tǒng)或單個(gè)硬件設(shè)備進(jìn)入和離開(kāi)低功耗狀態(tài)，這樣可以節(jié)約能源。2023/1/28164n Windows 2023 的 I/O系統(tǒng)是由一些執(zhí)行體組件和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序組成，包括： I/O子系統(tǒng)、 I/O管理器、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、 PnP管理器、電源管理器、 WMI支持例程、注冊(cè)表、硬件抽象層 I/O訪問(wèn)例程等。 I/O系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 413所示。 4． 5． 1. I/O系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)2023/1/28165圖 413 I/O系統(tǒng)結(jié)構(gòu) WDM WMI例程 應(yīng)用程序 WIN32系統(tǒng)服務(wù) WMI服務(wù) 用戶模式的即插即用管理器 安裝組件 .inf文件 .cat文件 .注冊(cè)表 即插即用管理器 電源管理器 I/O管理器 硬件抽象層（ HAL)……驅(qū)動(dòng)程序 核心模式 用戶模式 I/O系統(tǒng) 2023/1/28166在 I/O系統(tǒng)中，各個(gè)組件的作用如下：n I/O子系統(tǒng)：它是內(nèi)部的執(zhí)行體系統(tǒng)服務(wù)，系統(tǒng)調(diào)用它們實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)的文檔化的 I/O函數(shù)。即用戶程序所發(fā)出的 I/O操作函數(shù)，調(diào)用它實(shí)現(xiàn) I/O操作。n I/O管理器：它負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng) I/O請(qǐng)求的處理。n 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序：負(fù)責(zé)把 I/O請(qǐng)求轉(zhuǎn)化為對(duì)硬件設(shè)備的特定的控制請(qǐng)求。n PnP管理器：通過(guò)與 I/O管理器和總線驅(qū)動(dòng)程序的協(xié)同工作來(lái)檢測(cè)硬件資源的分配，并且檢測(cè)相應(yīng)硬件設(shè)備的添加和刪除。2023/1/28167n 電源管理器：通過(guò)與 I/O管理器的協(xié)同工作來(lái)檢測(cè)整個(gè)系統(tǒng)和單個(gè)硬件設(shè)備，完成不同電源狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。n WMI支持例程：也稱為 Windows驅(qū)動(dòng)程序模型（ WDM） WMI提供者，允許驅(qū)動(dòng)程序使用這些支持例程作為媒介，與用戶模式下運(yùn)行的 WMI服務(wù)通信。n 注冊(cè)表：作為一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，存儲(chǔ)基本硬件設(shè)備的描述信息以及驅(qū)動(dòng)程序的初始化和配置信息。n 硬件抽象層 I/O訪問(wèn)例程：負(fù)責(zé)把驅(qū)動(dòng)程序與多種多樣的硬件平臺(tái)隔離開(kāi)來(lái)，使它們?cè)诮o定的體系中是可移植的，并保證在 Windows 2023支持的硬件體系結(jié)構(gòu)中的源代碼是可移植的。2023/1/28168n 大部分 I/O操作并不會(huì)涉及所有的組件，一個(gè)典型的 I/O操作從應(yīng)用程序調(diào)用一個(gè)與 I/O操作有關(guān)的函數(shù)開(kāi)始，通常會(huì)涉及 I/O管理、一個(gè)或多個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序以及硬件抽象層。一個(gè)典型的 I/O請(qǐng)求流程的結(jié)構(gòu)如圖 414所示。2023/1/28169驅(qū)動(dòng)程序支持例程 用戶模式 API I/O系 統(tǒng) 服 務(wù) API I/O管理器核心模式設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序 設(shè)備 抽象 層 I/O訪問(wèn) 例程 I/O端口和寄存器 圖 414 典型的 I/O請(qǐng)求流程 2023/1/28170n I/O管理器實(shí)現(xiàn)與設(shè)備無(wú)關(guān)的輸入輸出，并建立執(zhí)行體 I/O的模型，它并不進(jìn)行實(shí)際的 I/O處理。在該模型里， I/O請(qǐng)求被提交給設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。I/O系統(tǒng)是包驅(qū)動(dòng)的，大多數(shù) I/O請(qǐng)求用 “I/O請(qǐng)求包（ IRP） ”來(lái)表示，它從一個(gè) I/O系統(tǒng)組件移動(dòng)到另一個(gè) I/O系統(tǒng)組件。1． I/O管理器2023/1/28171n I/O管理器創(chuàng)建代表每個(gè) I/O操作的 IRP， 傳遞 IRP給正確的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，并且當(dāng)此 I/O操作完成后，處理這個(gè)數(shù)據(jù)包，最后撤消這個(gè) IRP。 相反，驅(qū)動(dòng)程序接受 IRP， 執(zhí)行 IRP指定的操作，并且在完成后把 IRP送回 I/O管理器或?yàn)橄乱徊降奶幚矶阉ㄟ^(guò) I/O管理器送到另一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序。2023/1/28172n 除了創(chuàng)建并處理 IRP外， I/O管理器還為不同的驅(qū)動(dòng)程序提供了公共的代碼，驅(qū)動(dòng)程序調(diào)用這些代碼執(zhí)行它們的 I/O處理。通過(guò)在 I/O管理器中合并公共的任務(wù)，單個(gè)的驅(qū)動(dòng)程序?qū)⒆兊酶雍?jiǎn)潔和緊湊。例如， I/O管理器提供一個(gè)允許某個(gè)驅(qū)動(dòng)程序調(diào)用其它驅(qū)動(dòng)程序的函數(shù)。2023/1/28173n I/O管理器還管理用于 I/O請(qǐng)求的緩沖區(qū)，為驅(qū)動(dòng)程序提供超時(shí)支持，并記錄操作系統(tǒng)中加載了哪