【正文】 析中斷原因、轉(zhuǎn)入相應(yīng)的設(shè)備中斷處理程序 4．進(jìn)行中斷處理 5．恢復(fù)被中斷進(jìn)程的現(xiàn)場 中斷處理程序的工作是對傳輸?shù)慕Y(jié)果進(jìn)行必要的處理。 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。1/28/202390n 中斷處理過程： ① 當(dāng)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。每個中斷都對應(yīng)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。1/28/202389n 中斷處理 中斷處理主要由軟件實(shí)施。若無，繼續(xù)執(zhí)行下一條指令；若有，則停止現(xiàn)行進(jìn)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(yīng) ”。 中斷響應(yīng)是 CPU對中斷源中斷請求的響應(yīng)，包括保護(hù)斷點(diǎn)和將程序轉(zhuǎn)向中斷服務(wù)程序的入口地址。1/28/202387n 中斷響應(yīng) 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(jī)構(gòu)實(shí)施的。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。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。 (4) 中斷返回：中斷服務(wù)程序的最后一條指令應(yīng)是中斷返回指令。 (2) 中斷響應(yīng)： CPU在收到中斷請求并具備響應(yīng)條件的情況下，進(jìn)行中斷響應(yīng)，以實(shí)現(xiàn)向中斷服務(wù)程序的過渡。當(dāng)中斷發(fā)生時，中斷處理程序執(zhí)行相應(yīng)的操作，以解除相應(yīng)進(jìn)程的阻塞狀態(tài)。 中斷處理程序位于 I/O系統(tǒng)的最低層。對出現(xiàn)的事件進(jìn)行處理的程序稱為中斷處理程序。它們直接和相應(yīng)的設(shè)備打交道，負(fù)責(zé)設(shè)備的具體驅(qū)動和控制。 在應(yīng)用上，進(jìn)程間的通信多使用緩沖技術(shù)，而設(shè)備的 I/O往 往使用緩沖兼緩存技術(shù)。 而緩存區(qū)的管理則需要利用更復(fù)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。如文件系統(tǒng)中的 i節(jié)點(diǎn)緩存、目錄項(xiàng)緩存等在整個系統(tǒng)運(yùn)行期間都存在于內(nèi)存中，由文件系統(tǒng)管理和使用。1/28/202379 一般來說，緩沖區(qū)的生命期較短，當(dāng)進(jìn)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。 但兩者之間確實(shí)存在細(xì)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(shè)備的實(shí)際訪問次數(shù)。 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。緩沖區(qū)既可以用于輸入，又可以用于輸出（即共享）。 （ 4） 當(dāng)輸出設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出時，從輸出隊(duì)列取下一個緩沖區(qū)作為提取輸出工作緩沖區(qū)，當(dāng)其數(shù)據(jù)全送到輸出設(shè)備后，再將它掛到空緩沖隊(duì)列尾。 （ 2） 當(dāng)某個計(jì)算進(jìn)程需要輸入數(shù)據(jù)時，從輸入隊(duì)列中取出一個緩沖區(qū)作為輸入工作緩沖區(qū)，進(jìn)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(duì)列的隊(duì)尾。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(duì)列的隊(duì)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(duì)列上。 （ 3） 收容輸出工作緩沖區(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)。系統(tǒng)根據(jù)需要從這三種隊(duì)列中取出緩沖區(qū)，對緩沖區(qū)進(jìn)行存數(shù)據(jù)、取數(shù)據(jù)操作。 （ 3） 輸出隊(duì)列。 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(duì)列，緩沖池中共有三種隊(duì)列： （ 1） 空緩沖隊(duì)列。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(jìn)行管理。當(dāng)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。 （ 2）可能會出現(xiàn)某個設(shè)備的緩沖不夠用，而其他設(shè)備有多個空閑緩沖區(qū)的情況，導(dǎo)致循環(huán)緩沖的利用率不高。當(dāng)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。讀和寫可以并行處理，適用于某種特定的輸入輸出進(jìn)程和計(jì)算進(jìn)程，如輸入 /輸出、生產(chǎn)者/消費(fèi)者速度不相匹配的情況。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。 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)。每次申請一個空緩沖區(qū)時，需要判斷 EMPTY是否與 FULL相等。用于存放可供使用的數(shù)據(jù)。準(zhǔn)備接收輸入的數(shù)據(jù)。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)。 當(dāng)傳輸數(shù)據(jù)量較大，或者兩者的速度相差較遠(yuǎn)時，雙緩沖區(qū)效率較低，還是不能解決兩者并行工作問題。一個緩沖區(qū)用于輸入，另一個用于輸出。兩個緩沖區(qū)可以交替使用，提高了處理器和輸入設(shè)備的并行操作能力。 于是，發(fā)送者和接收者交替使用兩個緩沖區(qū)，達(dá)到了并行工作的目的。 優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)簡單，容易實(shí)現(xiàn) 缺點(diǎn)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(shè)兩個緩沖區(qū)緩沖區(qū) 1和緩沖區(qū) 2。設(shè)備和處理器對緩沖區(qū)的操作是串行的，傳輸速度慢。1/28/202366n 特點(diǎn) 在主存中只有一個緩沖區(qū)。在內(nèi)存中專門開辟若干單元作為緩沖區(qū)為各種設(shè)備服務(wù)。硬件緩沖采用專用硬件緩沖器，一般由外設(shè)自帶的專用寄存器構(gòu)成。若為寫操作，則不斷把數(shù)據(jù)填到緩沖區(qū)，直到它被填滿為止。1/28/202363n 緩沖技術(shù)的實(shí)現(xiàn)思想 建立一個緩沖區(qū)，當(dāng)進(jìn)程要執(zhí)行讀寫操作時，首先向申請一塊內(nèi)存區(qū)域作為緩沖區(qū)，然后，將要傳送的數(shù)據(jù)高速送到緩沖區(qū)。1/28/202362 緩沖管理n 緩沖的引入 引入的原因 （ 1）緩和 CPU與輸入輸出設(shè)備間速度不匹配的矛盾 （ 2）減少對 CPU的中斷頻率，放寬對中斷響應(yīng)時間的限制。 n 設(shè)備控制器是 ？ 和 ？ 之間的接口，它接受來自 ？ 的 I/O命令，并用于控制 ？ 的工作。n 常用的 I/O控制方式有程序 I/O方式、 ？ 、？ 、？ .n DMA是指允許 ？ 和 ？ 之間直接交換數(shù)據(jù)的設(shè)備。n 引起中斷發(fā)生的事件稱為 ？ 。從下述敘述中選出一條正確的敘述。1/28/202359思考題四n n 綜上所述的 4種 I/O控制方式，分別適合用于何種場合？1/28/202360課堂練習(xí)題n 從下面關(guān)于設(shè)備屬性的論述中，選擇一條正確的描述。1/28/202358n 大、中型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)普遍用通道方式去控制設(shè)備完成 I/O操作，以提高 CPU與外設(shè)，外設(shè)與外設(shè)并行的程度。對于高速數(shù)據(jù)傳送可以使用 DMA，但還是需要 CPU設(shè)置設(shè)備控制器，初始化 DMA操作和操作完畢去檢查端口傳送狀態(tài)。1/28/202357n 綜上所述，在前三種 I/O控制方式中， CPU直接對設(shè)備控制器和 I/O接口編程，可以簡化接口的設(shè)計(jì)。 一個通道可以連接多個不同類型的設(shè)備控制器，而一個設(shè)備控制器又可以管理一臺或多臺外圍設(shè)備，這就構(gòu)成了典型的多級層次結(jié)構(gòu)，眾多外設(shè)均可在通道控制下同時工作； （ 2） DMA控制是借助硬件完成數(shù)據(jù)交換的，而通道是執(zhí)行通道程序完成數(shù)據(jù)的； （ 3） DMA控制器需要 CPU對多個外設(shè)進(jìn)行初始化。 通道控制方式適用于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的大量數(shù)據(jù)交換。 （ 6）當(dāng)進(jìn)程調(diào)度程序選中這個已得到數(shù)據(jù)的進(jìn)程后，才能進(jìn)行加工處理。 （ 4）若傳送結(jié)束， I/O控制器通過中斷請求線發(fā)中斷信號請求 CPU做中斷處理。 （ 2）對應(yīng)通道收到 CPU發(fā)來的啟動指令后，讀出內(nèi)存中的通道指令程序、設(shè)置對應(yīng)設(shè)備的控制狀態(tài)寄存器的初值。 CPU只需要發(fā)出啟動指令，指出通道相應(yīng)的操作和輸入輸出設(shè)備，該指令就可以啟動通道并使該通道從主存中調(diào)出相應(yīng)的通道指令執(zhí)行，完成一組數(shù)據(jù)塊的輸入 /輸出。n （ 2） 中斷方式的數(shù)據(jù)傳送是由 CPU控制完成的； DMA方式則是在 DMA控制器的控制下不經(jīng)過CPU控制完成的。n 缺點(diǎn) ： DMA方式只能完成簡單的數(shù)據(jù)傳送、計(jì)數(shù)、內(nèi)存地址加 1或減 1等操作，不能滿足復(fù)雜的 I/O操作要求。u ⑤ 在以后的某個時刻，進(jìn)程調(diào)度程序選中提出請求輸入的進(jìn)程，該進(jìn)程從指定的內(nèi)存始址取出數(shù)據(jù)做進(jìn)一步處理。u ③ 輸入設(shè)備不斷地挪用 CPU工作周期，將數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)源源不斷地寫入內(nèi)存，直到所要求的字節(jié)全部傳送完畢。 5． 2． 3 直接內(nèi)存存取方式1/28/202348 DMA控制器的組成 : DMA控制器的組成命令控制器與設(shè)備接口 主機(jī) — 控制器接口 內(nèi)存 CPU系統(tǒng)總線I/O控制邏輯CRMARDCDR┇count1/28/202349n DMA工作步驟 :u ① 當(dāng)進(jìn)程要求設(shè)備輸入一批數(shù)據(jù)時， CPU將設(shè)備存放輸入數(shù)據(jù)的內(nèi)存始址以及要傳送的字節(jié)數(shù)分別送入DMA控制器中的地址寄存器和傳送字節(jié)計(jì)數(shù)器；另外，還要將中斷位和啟動位置為 1，以啟動設(shè)備開始進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入并允許中斷。 為了進(jìn)一步減少 CPU對外設(shè)操作干預(yù)而引入直接存儲器訪問方式。1/28/202346n DMA控制方式的引入 引入的原因： 中斷處理方式提高了主機(jī)的利用率，但是每次中斷都要保存現(xiàn)場信息，恢復(fù)現(xiàn)場等，仍占用 CPU時間。每輸入輸出一個數(shù)據(jù)都會發(fā)生中斷，傳輸一組數(shù)據(jù)需要多次中斷，浪費(fèi)了 CPU的處理時間。在中斷處理程序中，完成指定的 I/O操作之后應(yīng)把等待此結(jié)果的進(jìn)程喚醒，而后由進(jìn)程調(diào)度程序在適當(dāng)時機(jī)把此進(jìn)程投入運(yùn)行。1/28/202343n 中斷方式的方法是當(dāng)設(shè)備完成 I/O操作后，主動向 CPU報(bào)告， CPU只用少量時間處理 I/O中斷，并將數(shù)據(jù)取回。 （ 5）在以后的某一時刻，操作系統(tǒng)進(jìn)程調(diào)度程序選中提出的請求并得到獲取數(shù)據(jù)的進(jìn)程，該進(jìn)程從約定的內(nèi)存特定單元中取出數(shù)據(jù)繼續(xù)工作1/28/202341向設(shè)備控制器發(fā)讀命令讀設(shè)備控制器的狀態(tài)檢查狀態(tài)從設(shè)備控制器中讀入字向存儲器中寫字傳送完成完成下條指令CPUI/OCPU內(nèi)存I/O CPU出錯I/O CPU未完成CPU做其他中斷1/28/202342n 例如，打印機(jī)每打一行需要 60ms，在查詢方式中，大約有 ， CPU都處于循環(huán)等待中，而以中斷方式處理的話， CPU僅花費(fèi) 來處理 I/O設(shè)備發(fā)來的中斷，其余的 以用來做別的事情。 CPU在接收到中斷信號之后，轉(zhuǎn)向中斷處理程序。操作系統(tǒng)進(jìn)程調(diào)度程序調(diào)度其他就緒進(jìn)程占用處理機(jī)。 （ 1）強(qiáng)迫性中斷源 硬件故障、程序性錯誤、外部事件、 I/O中斷事件（ 2）自愿性中斷源1/28/202340n 步驟 （ 1）進(jìn)程需要數(shù)據(jù)時，將允許啟動和允許中斷的控制字寫入設(shè)備控制狀態(tài)寄存器中，啟動該設(shè)備進(jìn)行輸入操作。 5． 2． 2 中斷方式1/28/202339n 中斷概念 所謂中斷，是指處理機(jī)在執(zhí)行進(jìn)程的過程中 , 由于某些事件的出現(xiàn) , 中止當(dāng)前進(jìn)程的運(yùn)行 , 轉(zhuǎn)而去處理出現(xiàn)的事件 , 待處理完畢后返回原來被中斷處繼續(xù)執(zhí)行或調(diào)度其他進(jìn)程執(zhí)行。 1/28/202338n 查詢方式是主機(jī)向外設(shè)詢問，而引入中斷后，每當(dāng)設(shè)備完成 I/O操作，它便以中斷請求方式主動向 CPU匯報(bào)。在要求不高的場合下常被采用，而且不能支持多道程序。所以此種方式也 稱 循環(huán)測試 I/O方式5． 2． 1 查詢方式1/28/202336就緒向設(shè)備控制器發(fā)讀命令讀設(shè)備控制器的狀態(tài)檢查狀態(tài)從設(shè)備控制器中讀入字向存儲器中寫字傳送完成CPUI/OCPU內(nèi)存I/O CPU出錯I/O CPU完成下條指令未完成未就緒1/28/202337n 步驟：n (1) 當(dāng)用戶需要輸入數(shù)據(jù)時，由處理器向設(shè)備控制器發(fā)出一條輸入輸出指令，啟動設(shè)備進(jìn)行輸入n (2) 當(dāng)用戶進(jìn)程需要向設(shè)備輸出數(shù)據(jù)時，也必須同樣發(fā)出啟動命令啟動設(shè)備輸出，并等待輸出操作