【正文】 操作系統(tǒng)教程課件 第 62頁 機械工業(yè)出版社 獨占設備的分配 設備分配方式有兩種 ， 即靜態(tài)分配和動態(tài)分配 。 操作系統(tǒng)教程課件 第 61頁 機械工業(yè)出版社 設備的獨立性 （ 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。 為了實現(xiàn)設備的獨立性 ， 往往需要在設備驅(qū)動程序之上設置一層軟件 ， 稱為設備獨立性軟件 ， 其主要功能包括： （ 1） 執(zhí)行所有設備的公有操作 這些公有操作包括：對獨立設備的分配與回收；將邏輯設備名映射為物理設備名；對設備進行保護 ， 禁止用戶直接訪問設備；緩沖管理；差錯控制 。 （ 2）設備分配適應性強，易于實現(xiàn) I/O重定向。 于是 ， 用戶在編制程序時使用的設備與實際使用哪臺設備無關 ， 這種特性稱為 “ 設備的獨立性 ” 。 操作系統(tǒng)教程課件 第 59頁 機械工業(yè)出版社 設備的獨立性 設備的獨立性也稱設備的無關性 ， 指應用程序獨立于具體使用的物理設備 ， 能有效地提高操作系統(tǒng)的可適應性和可擴展性 。 邏輯設備名是用戶命名的，可以更改，而物理設備名（地址）是系統(tǒng)規(guī)定的，是不可更改的。由用戶在程序中定義的設備編號稱為設備的邏輯號。至于實際使用哪一臺設備，由系統(tǒng)根據(jù)該類設備的分配情況來決定。 操作系統(tǒng)教程課件 第 57頁 機械工業(yè)出版社 設備的邏輯號和絕對號 ? 計算機系統(tǒng)中配置了各種不同類型的外圍設備，每一類型外圍設備可以有若干臺。 操作系統(tǒng)教程課件 第 56頁 機械工業(yè)出版社 獨占設備的分配 在多道程序設計系統(tǒng)中，不允許用戶直接啟動外圍設備，而必須由系統(tǒng)進行統(tǒng)一分配。用于收容 CPU輸出數(shù)據(jù)的工作緩沖區(qū) hout； 用于收容設備輸入數(shù)據(jù)的工作緩沖區(qū) hin； (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。 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。 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 。 UNIX的塊設備共設置了15個 512字節(jié)的緩沖區(qū)；字符設備共設置了 100個 6字節(jié)的緩沖區(qū)。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。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。在現(xiàn)代計算機系統(tǒng)中一般使用多緩沖或緩沖池結構。這樣，兩個緩沖區(qū)交替使用，使 CPU和 I/O設備的并行性進一步提高，但在輸入 /輸出設備和處理進程速度不匹配時仍不能適應。在設備輸入數(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。 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。 操作系統(tǒng)教程課件 第 47頁 機械工業(yè)出版社 單緩沖 單緩沖是在設備和處理器之間設置一個緩沖器 ， 由輸入和輸出設備共用 。 對于不同的系統(tǒng) ， 可以采用不同類型的緩沖區(qū)機制 。 操作系統(tǒng)教程課件 第 46頁 機械工業(yè)出版社 (3) 提高 CPU和 I/O設備之間的并行性 緩沖的引入可顯著提高 CPU與 I/O設備之間的并行操作程度 ， 提高系統(tǒng)的吞吐量和設備的利用率 。 若設置一個具有 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 。 設置緩沖區(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 ， 使設備盡可能均衡地工作 。 在不同階段 ， 系統(tǒng)各部分的負載往往很不平衡 。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 43頁 機械工業(yè)出版社 緩沖技術 計算機系統(tǒng)中各個部件速度的差異是顯而易見的。 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無關的操作。執(zhí)行完畢后，如果還有下一條通道指令，則返回①，否則轉③。 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。最后一條命令要求打印從 L單元開始的 16個字符，打印結束后本操作結束。組織好的通道程序在主存 K單元開始的區(qū)域中。該程序的功能是要求在新的一頁第 4行的位置打印輸出一行信息： “Operating System”。通道程序在進程要求數(shù)據(jù)傳送時由系統(tǒng)自動生成，通道指令一般包含被交換數(shù)據(jù)在主存中占據(jù)的位置、傳送方向、數(shù)據(jù)塊的長度以及被控制的 I/O設備的地址信息、特征信息等。例如，當 CPU要完成一組相關的讀 (或?qū)?)操作及有關控制時，只需向 I/O通道發(fā)送一條 I/O指令，指出其所要執(zhí)行的通道程序的首址和要訪問的 I/O設備，通道接收該指令后，通過執(zhí)行通道程序便可完成 CPU指定的 I/O任務。 操作系統(tǒng)教程課件 第 37頁 機械工業(yè)出版社 I/O控制方式 4. 通道控制方式 (1) 通常，大型計算機需要連接大量的高速和低速設備，通 通道控制方式將對一個數(shù)據(jù)塊的讀 (或?qū)?)為單位的干預，減少為對一組數(shù)據(jù)塊的讀 (或?qū)?)及有關的控制和管理為單位的干預，可以進一步減少 CPU的干預程度。 (4) 數(shù)據(jù)計數(shù)器 DC，存放本次 CPU要讀或?qū)懙淖?(節(jié) )數(shù)。 (2) 內(nèi)存地址寄存器 MAR，在輸入時，它存放把數(shù)據(jù)從設備傳送到內(nèi)存的起始目標地址；在輸出時，它存放由內(nèi)存到設備的內(nèi)存源地址。 操作系統(tǒng)教程課件 第 35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 36頁 圖 511 DMA控制方式 機械工業(yè)出版社 I/O控制方式 DMA的操作全部由硬件實現(xiàn)，不影響 CPU寄存器的狀態(tài)。 該方式的特點有：①數(shù)據(jù)傳輸以數(shù)據(jù)塊為基本單位；②所傳送的數(shù)據(jù)從設備直接送入主存，或者從主存直接輸出到設備上； ③僅在傳送一個或多個數(shù)據(jù)塊的開始和結束時，才需CPU的干預，而整塊數(shù)據(jù)的傳送則是在控制器的控制下完成。它不僅設有中斷機構，而且增加了 DMA控制機構。 操作系統(tǒng)教程課件 第 34頁 機械工業(yè)出版社 I/O控制方式 3． 直接存儲器存取方式 （ Direct Memory Access， DMA） 直接存儲器存取方式又稱 DMA方式。 操作系統(tǒng)教程課件 第 32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 33頁 圖 510 中斷驅(qū)動方式流程 機械工業(yè)出版社 I/O控制方式 上述兩種方法的特點都是以 CPU為中心，數(shù)據(jù)傳輸通過一段程序來實現(xiàn)，軟件的傳輸手段限制了數(shù)據(jù)傳送的速度。 可見 ， 中斷驅(qū)動方式可以成百倍地提高 CPU的利用率 。 若采用程序I/O控制方式 ， CPU約有 ms的時間處于等待中 。 顯然 ， 這樣可使 CPU和 I/O設備都處于忙碌狀態(tài) ， 從而提高了整個系統(tǒng)的資源利用率及吞吐量 。 在I/O設備輸入每個數(shù)據(jù)的過程中 ， 由于無須 CPU干預 ， 一定程度上實現(xiàn)了 CPU與 I/O設備的并行工作 。 操作系統(tǒng)教程課件 第 31頁 機械工業(yè)出版社 I/O控制方式 2． 中斷驅(qū)動控制方式 為了減少程序直接控制方式中 CPU的等待時間以及提高系統(tǒng)的并行程度 ， 系統(tǒng)引入了中斷機制 。 直接程序控制方式雖然簡單 ， 不需要多少硬件的支持 ，但由于高速的 CPU和低速的 I/O設備之間的速度不匹配 ， 因此， CPU與外圍設備只能串行工作 ， 使 CPU的絕大部分時間都處于等待是否完成輸入 /輸出操作的循環(huán)測試中 ， 造成 CPU的極大浪費 ， 外圍設備也不能得到合理的使用 ， 整個系統(tǒng)的效率很低 。 通過輸入 /輸出指令或詢問指令測試 I/O設備的忙 /閑標志位 ， 決定主存儲器與外圍設備之間是否交換一個字符或一個字 。它們之間的主要差別在于CPU與外圍設備并行工作的方式不同，并行工作的程度不同。 操作系統(tǒng)教程課件 第 28頁 機械工業(yè)出版社 I/O控制方式 按照 I/O控制器功能的強弱以及和 CPU之間聯(lián)系方式的不同，可以把 I/O設備的控制方式分為四類：直接程序控制方式、中斷驅(qū)動控制方式、直接存儲器訪問(DMA)控制方式和通道控制方式。 隨著計算機技術的發(fā)展， I/O控制方式也在不斷地發(fā)展。隨著計算機的 CPU和主存速率的提高，字長的增加，以及新型設備的推出，不斷地推動著總線的發(fā)展，由早期的 ISA總線發(fā)展為 EISA總線、 VESA總線，以及現(xiàn)在廣為流行的 PCI總線。 操作系統(tǒng)教程課件 第 26頁 機械工業(yè)出版社 輸入 /輸出系統(tǒng)結構 4. 總線系統(tǒng) 計算機系統(tǒng)中的各個部件，如中央處理器、存儲器以及各種 I/O設備通過總線實現(xiàn)各種信息的傳遞，如 圖 58所示。 操作系統(tǒng)教程課件 第 23頁 機械工業(yè)出版社 輸入 /輸出系統(tǒng)結構 操作系統(tǒng)教程課件 第 24頁 圖 55 單通路 I/O系統(tǒng) 機械工業(yè)出版社 輸入 /輸出系統(tǒng)結構 操作系統(tǒng)教程課件 第 25頁 圖 56 多通路 I/O系統(tǒng) 機械工業(yè)出版社 輸入 /輸出系統(tǒng)結構 在一個計算機系統(tǒng)中，由于外圍設備種類繁多，為了獲得更高的輸入 /輸出效率，可能同時存在多種類型的通道。解決 “瓶頸 ”問題的最有效辦法，便是增加設備到主機之間的通路而不增加通道，如 圖 56所示，即把一個設備連接到多個控制器上，而一個控制器又連接到多個通道上，實現(xiàn)多路交叉連接，即使個別通道或控制器出現(xiàn)故障時，也不會使設備和存儲器之間沒有通路。 操作系統(tǒng)教程課件 第 22頁 機械工業(yè)出版社 輸入 /輸出系統(tǒng)結構 由于通道的成本高，在系統(tǒng)中通道數(shù)量有限，這往往成為 I/O的瓶頸，造成整個系統(tǒng)的吞吐量降低。它含有多個非分配型子通道，以分時方式同時執(zhí)行幾道通道程序，因而數(shù)組多路通道既具有很高的數(shù)據(jù)傳輸速率，又能獲得令人滿意的通道利用率。 可見 ，數(shù)組選擇通道可以連接多臺高速設備 ， 每次傳送一批數(shù)據(jù) ，傳送速度高 ， 但通道的利用率很低 ， 如磁帶機 、 磁盤機等設備 。 操作系統(tǒng)教程課件 第 19頁 機械工業(yè)出版社 輸入 /輸出系統(tǒng)結構 操作系統(tǒng)教程課件 第 20頁 圖 54 字節(jié)多路通道的工作原理 機械工業(yè)出版社 輸入 /輸出系統(tǒng)結構 （ 2） 數(shù)組選擇通道 （ Block Selector Channel） 數(shù)組選擇通道以塊為單位成批傳送數(shù)據(jù) 。 它通常含有許多非分配型子通道 ， 其數(shù)量可達數(shù)百個 ，每一個子通道連接一臺 I/O設備 ， 并控制該設備的輸入 /輸出操作 ， 這些子通道按時間片輪轉方式共享主通道 ， 如圖 44所示 。 操作系統(tǒng)教程課件 第 18頁 機械工業(yè)出版社 輸入 /輸出系統(tǒng)結構 根據(jù)信息交換方式的不同 ， 通道可分為三種類型：字節(jié)多路通道 、 數(shù)組選擇