【正文】 址識別：每個接口中包括多個寄存器，硬件上每個 寄存器有唯一地址，接口必須能識別地址總線上的地址信號是不是自己接口的。? 要保持 CPU與外設同步， CPU不斷地測試設備狀態(tài)信息； CPU向設備輸出數(shù)據(jù)大致過程如下： 程序直接控制方式 控制器得到 “命令就緒 ”置“busy”位 控制器清除 “命令就緒 ”位與“busy”位。? 缺點：n CPU不斷讀狀態(tài)寄存器信息，造成了 “忙等待 ”； n CPU在一段時間內只能和一臺外圍設備交換數(shù)據(jù)信息，從而不能實現(xiàn)設備之間的并行工作。 中斷控制方式n 減少 CPU等待慢速外設，追求系統(tǒng)并發(fā)與事件并行，現(xiàn)廣泛采用中斷驅動方式；基本工作過程：n 進程執(zhí)行設備驅動程序，向控制器發(fā)啟動指令。進程被阻塞，操作系統(tǒng)切換另一個進程執(zhí)行， CPU與外設是并行工作的。 n CPU接中斷信號，保護現(xiàn)場，轉中斷處理程序。 n 中斷處理程序完成后退出中斷，恢復現(xiàn)場，將控制轉回被打斷的執(zhí)行位置。 CPU與外設、外設與外設可以并行工作，提高了計算機系統(tǒng)的效率。 具有實時響應能力，可應用于實時控制場合。中斷請求觸發(fā)器中斷屏蔽觸發(fā)器控制寄存器數(shù)據(jù)寄存器地址譯碼設備控制器完成啟動數(shù)據(jù)外設CPU圖 中斷控制方式的傳送結構中斷驅動方式的弱點：216。216。中斷驅動方式僅 適合于中、慢速設備 。 DMA控制方式? DMA的引入? 為解決中斷驅動數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}，引入了DMA控制方式。 例：一個數(shù)據(jù)塊從磁盤讀入內存 (圖 )：n DMA工作過程 地址 緩沖區(qū)字節(jié)數(shù)控制CPU DMA控制器 磁盤控制器 內存磁盤② ③④⑤①圖 DMA控制器數(shù)據(jù)傳輸?CPU將一個命令塊 (數(shù)據(jù)源地址、目標地址和傳送字節(jié)數(shù) )寫入內存 。下一步啟動磁盤控制器，將其數(shù)據(jù)送入內部緩沖區(qū)準備傳輸， CPU處理其它任務DMA控制器通過總線向磁盤控制器發(fā)送讀（盤）請求磁盤控制器執(zhí)行從內部緩沖區(qū)到指定內存數(shù)據(jù)傳送。 結束DMA 將內存地址增 1，計數(shù)器減 1后值0，則重復，直到計數(shù)值 =0時， DMA向 CPU發(fā)一個中斷信號 , 此次傳輸完成DMA 的特點n 數(shù)據(jù)在內存和設備之間直接傳送， CPU不干預。 n 數(shù)據(jù)的傳輸控制完全由 DMA控制器完成，速度快，適合高速成組數(shù)據(jù)傳輸。 通道控制方式DMA兩個方面的不足：nDMA雖適合高速設備，但一個 DMA控制器只能掛接少量的同類設備。若多個數(shù)據(jù)塊傳輸，就需要多次啟動 DMA，因而也產(chǎn)生了多次中斷處理。? 通道還可以通過指令實現(xiàn)對設備的控制，如磁 帶的反繞操作等。n 內存 ；與主機共享同一個存儲器。另外還應保有若干信息字（寄存器），包括： ① 數(shù)據(jù)字；存放被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。③ 通道地址字（ CAW）；存放下條通道指令地址（相當于程序計數(shù)器）。通道指令格式：其中操作碼包括如下幾種（構成通道指令系統(tǒng)）① 空操作；不執(zhí)行任何操作，取下條指令繼續(xù)工作；② 轉移操作；按指令中的主存地址取另一條通道指令；③ 讀操作；從指定設備上讀進一批數(shù)據(jù)；④ 寫操作；向指定設備上輸出一批數(shù)據(jù)；⑤ 控制型操作 ；控制外部設備那些非傳輸性動作，磁帶反繞、磁盤磁臂移動、打印紙換頁等；⑥ 結束操作；表示通道程序結束，在 CSW中記下正常結束標記，并向主機發(fā)出通道中斷；操作碼 傳輸個數(shù) 特征位 內存地址? 例如： Write 250， 0， 0， 1750? Write 500， 1， 1， 2022? 這兩條指令將一個 750個字節(jié)記錄的 250， 500個字節(jié)分別送往內存 1750和 2022單元開始的存儲區(qū)中。n 通道的類型 n 字節(jié)多路通道 ；字節(jié)交換單位，連接的設備為低速字符設備。n 數(shù)組選擇通道； 塊交換單位，掛接的設備為高速塊設備。 n 數(shù)組多路通道； 塊交換單位，可以同時執(zhí)行多個通道程序為多個設備服務，結合前兩種優(yōu)點，既分時，交換又是以塊為單位。n 數(shù)組選擇通道； 也是多個子通道分時共享主通道，當一個子通道傳輸結束，下一個子通道才能使用主通道。三種類型通道與內存和設備之間連接形式如圖 所示。? 因此，如何為用戶提供方便的使用方式就成為了 操作系統(tǒng)管理的一個組成部分 —— 設備管理。設備管理的目標? 設備獨立性： 操作系統(tǒng)希望能夠隱藏眾多I/O設備之間的差距，為用戶提供一個友好、通用、 一致并且規(guī)范的使用接口，作到用戶應用程序與實際物理設備無關 。? 可利用分層的方法實現(xiàn) I/O管理軟件，如圖 所示。邏輯 I/O層接到用戶 I/O請求后，通過 邏輯 I/O層與設備驅動程序接口完成 I/O設備的操作 。該層需要解決以下幾個問題： ? （ 1）設備命名 ；設備和文件按某種規(guī)范統(tǒng)一命名。? （ 3）為設備分配緩沖區(qū) ；提供統(tǒng)一大小的邏輯塊（由于各設備塊大小有差距）及緩沖區(qū)。中斷控制程序及硬件層? 對于用戶的 I/O 請求，系統(tǒng)需以某種控制方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，無論是系統(tǒng)調用引起的中斷，還是 I/O完成產(chǎn)生的中斷，最終都涉及中斷處理技術。n 設備控制表（ DCT）系統(tǒng)中每個設備都有一張 DCT（由 SDT指向）。n 通道控制表（ CHCT）每個通道一張表，可以掛接多個控制器。n 分配算法 ；分配算法比較簡單，對象是進程。 安全分配方式 ；進程發(fā)出 I/O申請便進入阻塞狀態(tài)直至 I/O完成被喚醒（請求與保持不成立）。 不安全分配方式 ；申請 I/O之后可繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)的 “計算 ”，不被阻塞，這樣可以并行操作。設備類 型 數(shù)量 等待 隊 列 … DCT首址磁 帶 機 1 Sn …… … … … …打印機 1 Sm …… … … … …繪圖儀 1 Sk …系統(tǒng)設備表（ SDT）打印機（ DCT）圖 設備管理數(shù)據(jù)結構DCT? 獨占設備申請和釋放利用信號量簡單描述如下：? 申請 —— 分配設備? ① 根據(jù)申請設備類型，查 SDT，得到相應 DCT首址；? ② P(Sm)；? ③ 查相應 DCT表，找一個空閑設備分配給所申請進程 (填寫占用的進程標志 ) ；? 釋放 —— 再分配? ① 根據(jù)釋放的設備類型，查 SDT，得到相應DCT首址；? ② 查 DCT表，找到對應設備，釋放 (刪除占用的進程標志 )? ③ V(Sm)；n 共享設備分配 ；指一個進程未使用完就讓另一個進程使用（如磁盤）。在使用之前，及之后都 分別隱含著申請和釋放命令 。? 獨占設備是任何用戶所必需的（至少需要某種形式結果輸出；紙、圖、顯示），由于其獨占性，不能像使用共享設備那樣方便和較高的利用率。關于假脫機系統(tǒng)將在 。 n 優(yōu)先級高者優(yōu)先各個進程按進程的優(yōu)先級排成一個設備申請隊列，優(yōu)先級相同，則再按照先來先服務的原則。其過程大致為：? 預輸入程序 把作業(yè)信息寫入輸入井保存。n 實現(xiàn)了主機與外部低速設備的并行操作。 n SPOOLING 需要高速、大容量存儲設備支持。 CPU執(zhí)行系統(tǒng) I/O進程模擬外圍處理機。 n 輸入和輸出緩沖區(qū) ；為實現(xiàn)低速設備數(shù)據(jù)先傳送到高速磁盤上，或反之，需在內存開辟兩個數(shù)據(jù)緩沖區(qū)來緩沖速度的差異。外存空間做存儲內存空間做緩沖SPOOLING 系統(tǒng)輸入輸出進程? ① 預輸入程序 ；完成從輸入機到輸入井數(shù)據(jù)傳輸。? ③ 井輸出程序 ；完成從內存結果數(shù)據(jù)到輸出井傳送（用戶進程執(zhí)行輸出就似直接在輸出設備輸出）。 輸出井：井輸入 井輸出 緩輸出作業(yè) 2作業(yè) 4作業(yè) 3內存輸入機 輸出機CPU作業(yè) 3作業(yè) 2作業(yè) 1輸入井 ：作業(yè) 5作業(yè) 3作業(yè) 2作業(yè) 4圖 SPOOLING系統(tǒng)（ 5個作業(yè)情況）磁盤磁盤預輸入當前系統(tǒng)有 3個用戶進程， 4個系統(tǒng)進程?作業(yè) 5正在提交系統(tǒng)下一步下一步2, 3, 4 正在讀取數(shù)據(jù) ,同時 2,3 在輸出下一步進程 1已運行完 ,系統(tǒng)正在輸出其結果結束n SPOOLING 系統(tǒng)的工作過程 緩沖技術 緩沖的引入 單緩沖 雙緩沖 循環(huán)緩沖 緩沖池 緩沖的引入? 雖然中斷、 DMA和通道控制技術讓系統(tǒng)中設備和設備、設備和 CPU并行工作，但是設備和 CPU的處理速度不匹配的問題是客觀存在的。? 例如，當計算進程陣發(fā)性地把大批量數(shù)據(jù)輸出到打印機上打印時，由于 CPU輸出數(shù)據(jù)的速度大大高于打印機的打印速度，因? 此， CPU只好停下來等待。? 另外，從減少中斷的次數(shù)看，也存在著引入緩沖區(qū)的必要性。? 中斷、 DMA和通道均需設置緩沖區(qū)彌補訪問內存與訪問外部設備速度不匹配 （ 即使SPOOLING也需緩沖支持）的問題。對于速率為 kb/s 數(shù)據(jù)通信來說，意味著中斷CPU的頻率也為 /s。? 根據(jù) I/O控制方式，緩沖的實現(xiàn)方法有兩種：216。216。? 在此討論利用內存和軟件實現(xiàn)的緩沖技術。設置緩沖區(qū)長度要考慮設備的類型。? 下面分別討論單緩沖、雙緩沖和多緩沖以及緩沖池各種緩沖技術。? 假定 T 為從塊設備傳輸一塊到內存的時間，對其進行計算（處理）時間為 C。假定，連續(xù)輸入 n 塊數(shù)據(jù)， 且 T=C， 如不考慮最初輸入和最后的計算 ，中間任何一塊處理時間均為： T+M，或 C+M，如圖 。 tT=CM圖 滿 滿 滿?空結束對于 TC， CT ?max ( T， C )+M緩沖區(qū)的性質任何一個緩沖區(qū)是臨界資源 ，進程必須互斥訪問一個緩沖區(qū)，所以不能在寫緩沖區(qū)的同時讓打印機打印緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)。寫緩沖區(qū)與打印緩沖區(qū)是同步關系，即給緩沖區(qū)寫一個數(shù)據(jù)塊時，打印必須等待，反之亦然。 雙緩沖? 對于圖 （輸入、復制和計算），假定有兩個緩沖區(qū)：? 當一個緩沖區(qū)滿時，輸入設備可向另一個緩沖區(qū)寫數(shù)據(jù)；當 CPU計算一個緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)時，輸入設備可以向另一個空緩沖區(qū)寫數(shù)據(jù)。這表明有處理器等待設備的情況，見圖 （ b）陰影部分；反之，若 C T，則設備要等待 CPU。?結束閑 閑數(shù)據(jù)塊的輸入 ,復制 ,計算的平均處理時間為 Tav=Max(T,C) 雙緩沖 下一步下一步T T T雙緩沖分析 ：雙緩沖只是說明設備之間、 CPU和設備之間并行操作的簡單模型，并不實用，原因是：n 計算機系統(tǒng)中各設備差異很大，雙緩沖區(qū)模型很難實現(xiàn)設備間完全并行操作?，F(xiàn)代系統(tǒng)中一般使用多緩沖的循環(huán)緩沖或緩沖池結構。循環(huán)緩沖是多緩沖的一種組織形式，如圖 （ d）所示。通常各個緩沖區(qū)的大小相同。n 釋放一個緩沖區(qū) ；對于計算進程，復制結束后釋放緩沖區(qū)，此時緩沖區(qū)狀態(tài)由工作緩沖 C變成空緩沖 E。? 這時必須阻塞寫緩沖區(qū)進程，這種情況稱為 系統(tǒng)受計算限制 。這種情況稱為 系統(tǒng)受輸入限制 。 緩沖池多緩沖區(qū)可以有兩種設計方向： n 私有緩沖區(qū) (專用緩沖區(qū) )：每個設備有自己的緩沖區(qū)。問題：216。216。n 公共緩沖區(qū) ： 為所有進程所共享 ，即當進程需要進行 I/O時，要 按需 向系統(tǒng)申請緩沖區(qū)，系統(tǒng)就在公共緩沖池中為進程分配緩沖區(qū)。n 輸入緩沖隊列 inq：隊首指針 F(inq)，隊尾指針 L(inq)。圖 F(outq)輸出 1 輸出 2 輸出 oF(inq)輸入 1 輸入 2 輸入 i…F(emq)空緩沖 1 空緩沖 2 空緩沖 eL(emq)L(inq)L(outq)……n 緩沖池的組織 進程從隊列中申請并取出緩沖區(qū)，進行存數(shù)或取數(shù)操作，此時的緩沖區(qū)被稱為 工作緩沖區(qū) ，有 4種工作緩沖區(qū) ：n 用于輸入設備寫緩沖區(qū)的 收容輸入 緩沖區(qū) hin。 n 用于 CPU寫緩沖區(qū)的 收容輸出 緩沖區(qū) hout。n 以上操作完成后，再將緩沖區(qū)放入相應隊列。收容輸入 提取輸入收容輸出 提取輸出提取輸入，收容輸出和提取輸出工作方式自己給出F(emq) L(emq)圖 ， 緩沖池中緩沖區(qū)變化空緩沖 2空緩沖 e…F(inq)L(inq)輸入緩沖 2輸入緩沖 1輸入緩沖 i…收容輸入輸入機hin注 :各隊列 1,2… 為相對編號?進程請求輸入數(shù)據(jù) number=k 空緩沖 1空緩沖 1結束輸入緩沖 k 緩沖區(qū)工作方式 設備驅動程序? 設備驅動程序有時因以進程的形式存在，也稱設備驅動進程，是 邏輯 I / O 管理 與設備控制器之間的通信程序，是 直接與硬件打交道的程序模塊 。? 根據(jù)設備的物理特性，通常為每一類設備配置一個驅動程序。 n 向 I/O控制器 (接口寄存器 )發(fā)控制命令執(zhí)行 I/O操作。 n 對于具有通道的系統(tǒng)，構造相應的通道程序。例如，為所有的交互式終端設置一個交互式終端進程。 n 不設置專門設備處理進程，只為各類設備設