【正文】 以后，有一個隱含的釋放命令，以實現(xiàn)一次基本的I/O傳輸期間的排他性，保證操作的正常進(jìn)行。o o (3) 虛擬設(shè)備：一臺可虛擬設(shè)備是可共享的設(shè)備。 設(shè)備分配中的安全性 1) 安全分配方式 2) 進(jìn)程發(fā)出 I/O請求后，即阻塞等待 I/O操作完成。缺點：進(jìn)程緩慢， cpu和 I/O設(shè)備串行。5) 可能具備 “請求和保持 ”條件，可能死鎖，不安全。6) 優(yōu)點：推進(jìn)迅速。采用這種方式實現(xiàn) I/O，是基于設(shè)備只有設(shè)置狀態(tài)寄存器中 “忙 ”位的能力： “1”時表示該設(shè)備在工作，暫時不能接受新的 I/O請求； “0”時表示設(shè)備空閑，可接受新的 I/O請求。 I/O的四種實現(xiàn)方式 (device,如圖所示給出了程序循環(huán)控制 I/O的 “讀 ”操作執(zhí)行情形，具體步驟如下： 用戶進(jìn)程程序?qū)δ硞€設(shè)備提出讀請求。(2)CPU執(zhí)行設(shè)備驅(qū)動程序，測試設(shè)備狀態(tài)寄存器中的忙位。 o在程序 I/O方式中，由于 CPU的高速性和I/O設(shè)備的低速性， 造成對 CPU的極大浪費(fèi)。使 I/O設(shè)備無法向 CPU報告它已完成了一個字符的輸入操作。IRL）。檢測到有設(shè)備控制器通過中斷請求線發(fā)出了信號， CPU就去執(zhí)行中斷處理程序，判定中斷原因，進(jìn)行必要的處理，再讓 CPU返回中斷以前的執(zhí)行狀態(tài)。..read… )數(shù)據(jù)區(qū)①命令寄存器 狀態(tài)寄存器 數(shù)據(jù)寄存器設(shè)備控制器⑥③ ②⑤ 硬件接口系統(tǒng)接口設(shè)備狀態(tài)表設(shè)備驅(qū)動程序 ④ 設(shè)備處理程序中斷處理程序⑦⑧⑨⑩在利用中斷的情況下，設(shè)備驅(qū)動程序由進(jìn)行 I/O操作初始化、啟動設(shè)備工作的設(shè)備驅(qū)動程序和 I/O完成后做善后處理的設(shè)備處理程序組成。 .返回目錄 在 I/O設(shè)備輸入每個數(shù)據(jù)的過程中，由于無須 CPU干預(yù)，因而可使 CPU與 I/O設(shè)備并行工作?？梢?，這樣可使CPU和 I/O設(shè)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。 若采用程序 I/O方式， CPU約有 ms的時間處于忙 — 等待中。 可見，中斷驅(qū)動方式可以成百倍地提高 CPU的利用率。 直接內(nèi)存訪問 I/O DMA獨(dú)立于 CPU工作，在它控制下的設(shè)備，可直接和內(nèi)存進(jìn)行信息傳送，其間無需 CPU做任何干預(yù)。具體步驟如下。這樣， CPU就把這次 I/O所要完成的任務(wù)交給了DMA去完成，自己就可脫出身去做其他與該 I/O無關(guān)的事情了。DMA控制器自動調(diào)整地址寄存器，減少字節(jié)計數(shù)寄存器的值。 在字節(jié)計數(shù)寄存器為 0時，整個 I/O完成， DMA向 CPU發(fā)出中斷信號，請求進(jìn)行 I/O的結(jié)束處理。2. DMA控制器的工作模式 (1)(2)每次一個字模式： DMA控制器每次都是請求傳輸一個字，且得到這個字。這表示數(shù)據(jù)從設(shè)備緩沖區(qū)傳輸?shù)絻?nèi)存期間，設(shè)備控制器偷偷地挪用了一個 CPU的總線周期，讓 CPU遭受到輕微地延遲。 稱為 “突發(fā)模式 ”。長時間的突發(fā)傳輸，有可能使 CPU和其他設(shè)備阻塞很長的時間。3. DMA控制器的特點 (3)(4) 采用 DMA控制設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)時，啟動和結(jié)束 I/O的工作，要由 CPU完成。例 72磁盤有 4個盤面，扇區(qū)尺寸 512B，每個磁道 80個扇區(qū)。采用中斷驅(qū)動 I/O從磁盤讀取一個扇區(qū)時，每個字節(jié)產(chǎn)生一個中斷。解 ： 查找一個扇區(qū)平均需要花費(fèi)旋轉(zhuǎn) 1/2周的時間，即 1/12s。對于中斷驅(qū)動 I/O、每讀一個字節(jié)產(chǎn)生一次中斷時， CPU花費(fèi)在處理 I/O上的時間占總時間的百分比是：（ 512） /（（ 1/12+1/480） +（ 512）） ≈對于 DMA方式，由于是讀一個扇區(qū)才產(chǎn)生一次中斷，處理中斷的時間不變，因此CPU花費(fèi)在處理 I/O上的時間占總時間的百分比是：（（ 1/12+1/480） +） ≈進(jìn)程提出 I/O請求后， CPU發(fā)出啟動命令，指明 I/O操作、設(shè)備號和對應(yīng)的通道。 1. 通道的含義 ..通道有自己的指令系統(tǒng)，通道的指令被稱為 “通道命令字 ”。如圖所示，給出了 IBM通道命令字的格式。在 CPU啟動通道后，由通道執(zhí)行通道程序，完成 CPU所交給的 I/O任務(wù)。.通道程序存放在通道自己的存儲部件里。這時，為了使通道能取到通道程序去執(zhí)行，必須把存放通道程序的內(nèi)存起址告訴通道。 當(dāng)采用通道來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時，計算機(jī)系統(tǒng)的 I/O結(jié)構(gòu)應(yīng)該是通道與主機(jī)相連，設(shè)備控制器與通道相連，設(shè)備與設(shè)備控制器相連。 發(fā)出 I/O請求的進(jìn)程被阻塞，進(jìn)程調(diào)度程序把 CPU分配給另一個進(jìn)程。(3)(4)通道接收 CPU的啟動命令，執(zhí)行通道程序，設(shè)備與 CPU并行工作。(5) 字節(jié)多路通道 選擇通道成組多路通道內(nèi)存CPU打印機(jī) 1打印機(jī) 2顯示器 1顯示器 2 磁帶 磁盤 磁盤 1 磁盤 2 磁盤 3字節(jié)多路通道：適用于連接慢速字符設(shè)備。通道上連接的每個設(shè)備，都有自己的通道程序。..選擇通道：連接高速 I/O設(shè)備，每個設(shè)備有自己的通道程序，在某時間內(nèi)，通道只能選擇一個 I/O設(shè)備工作。 成組多路通道：適用于連接高速 I/O設(shè)備，“成組 ”表示傳輸是以塊為單位； “多路 ”表示可按分時的手法為多個設(shè)備服務(wù)。返回目錄 緩沖、虛擬設(shè)備與 SPOOLing技術(shù) 1. 緩沖技術(shù)的意義 在需要信息之前，輸入緩沖區(qū)里就存放著從設(shè)備讀入的輸入信息；在輸出設(shè)備可用時，輸出緩沖區(qū)里就存放著等候輸出的信息。如圖所示，是若干設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸率，單位是 bit/s。 .比如，在網(wǎng)絡(luò)通信中，可利用緩沖技術(shù)解決發(fā)送方與接收方之間速度不匹配的問題。.這是最簡單類型的緩沖區(qū)。操作系統(tǒng) 用戶進(jìn)程用戶數(shù)據(jù)區(qū)操作系統(tǒng)進(jìn)入 進(jìn)入單緩沖用戶進(jìn)程用戶數(shù)據(jù)區(qū)移到(a)沒有緩沖的 I/O (b)設(shè)置單緩沖的 I/O (1) 雙緩沖操作系統(tǒng)用戶進(jìn)程用戶數(shù)據(jù)區(qū)進(jìn)入雙緩沖移到12在雙緩沖的情形下，磁盤控制器先讀進(jìn)一塊數(shù)據(jù)到緩沖 0。 這種使用兩個緩沖區(qū)來完成緩沖的技術(shù)，稱之為 “雙緩沖 ”。(2) 操作系統(tǒng)進(jìn)入用戶進(jìn)程用戶數(shù)據(jù)區(qū)移到12n如圖所示。(3) 緩沖池 專用緩沖區(qū)的優(yōu)點是管理簡單。 系統(tǒng)開辟一個內(nèi)存空間作為 I/O的共享緩沖區(qū)，當(dāng)進(jìn)程請求 I/O時，根據(jù)需要從緩沖池里申請緩沖區(qū)； I/O處理完畢，系統(tǒng)就收回緩沖區(qū)歸還給緩沖池。 緩沖池中的每個緩沖區(qū)，既可以用于輸入，也可以用于輸出。系統(tǒng)可以根據(jù)它們的狀態(tài)，組成三個緩沖隊列。..但系統(tǒng)卻要為此付出復(fù)雜管理的代價：要管理三種類型的緩沖區(qū)隊列，要提供實施申請和釋放緩沖區(qū)的系統(tǒng)調(diào)用命令等。當(dāng)系統(tǒng)中只有一臺輸入或輸出設(shè)備，卻有好幾個用戶都要使用時，那么一個用戶必須等待其他用戶使用完才能去用，這不利于多道程序并行工作，也影響到系統(tǒng)效率的發(fā)揮。. 虛擬設(shè)備與 SPOOLing技術(shù) .可利用大容量的共享設(shè)備 —— 磁盤作為后援，用軟件技術(shù)模擬獨(dú)享設(shè)備的工作，使每個用戶都認(rèn)為自己獨(dú)占使用了輸入或輸出設(shè)備，它們的傳輸速度與磁盤一樣快。.在提供虛擬設(shè)備的系統(tǒng)中，用戶進(jìn)行 I/O時，不直接面對物理的獨(dú)享設(shè)備，而是面對虛擬的獨(dú)享設(shè)備。2. SPOOLing技術(shù) 為實現(xiàn)虛擬設(shè)備，在磁盤上劃出兩塊專用的存儲空間，一塊預(yù)先存放 I/O設(shè)備的輸入數(shù)據(jù)信息，被稱為 “輸入井 ”；另一塊暫時存放每個運(yùn)行作業(yè)進(jìn)程的輸出數(shù)據(jù)信息，被稱為 “輸出井 ”，如圖所示。作業(yè) 1信息作業(yè) n信息作業(yè) 1結(jié)果作業(yè) n結(jié)果預(yù)輸入程序緩輸出程序井管理讀程序井管理寫程序作業(yè)執(zhí)行作業(yè) 1數(shù)據(jù)作業(yè) n數(shù)據(jù)輸入井作業(yè) 1結(jié)果作業(yè) n結(jié)果輸出井輸入機(jī)打印機(jī)作業(yè)產(chǎn)生輸出時，把輸出信息先存在輸出井中，不直接啟動輸出設(shè)備輸出。 當(dāng)用戶進(jìn)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(jī)分配給該用戶進(jìn)程， 而只為它做兩件事： ① 由輸出進(jìn)程在輸出井中為之申請一個空閑磁盤塊區(qū)， 并將要打印的數(shù)據(jù)送入其中； ② 輸出進(jìn)程再為用戶進(jìn)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。(2) 由對低速 I/O設(shè)備的 I/O操作，演變?yōu)閷Υ疟P輸入井，輸出井的操作。(4) 例：共享打印機(jī) (5) (3) 實現(xiàn)了虛擬設(shè)備功能。 磁盤控制器可根據(jù)這些信息識別一個扇區(qū)的開始，以及是哪一個扇區(qū)。 磁盤的格式化 .剛生產(chǎn)出的磁盤上，沒有任何信息存在。 格式化后，盤面上就有了一系列同心的磁道，每個磁道包含若干數(shù)目的扇區(qū)。 ECC是糾錯碼的意思。在對磁盤扇區(qū)讀時，會根據(jù)所讀數(shù)據(jù)重新計算 ECC值，并與原存儲的值進(jìn)行比較。 這種對磁盤的分區(qū)和創(chuàng)建文件系統(tǒng)的工作，被稱為 “高級格式化 ”。 所謂 “分區(qū) ”，即是以柱面為單位對磁盤進(jìn)行劃分，每個部分所含的柱面數(shù)目可以不等。 ...確定一個扇區(qū)需三個參數(shù)：柱面（磁道）號、盤面（磁頭）號、扇區(qū)號。 所謂 “創(chuàng)建文件系統(tǒng) ”，即是在分區(qū)里完成文件系統(tǒng)的初始化，比如建立分區(qū)目錄結(jié)構(gòu)、記錄該分區(qū)扇區(qū)使用情況的數(shù)據(jù)（總扇區(qū)數(shù)、已分配扇區(qū)數(shù)、空閑扇區(qū)數(shù)）等。3. 磁盤的編址方式 扇區(qū)的物理地址是三維的，邏輯塊號是一維的，因此有一個在這兩種地址之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換的問題。..所以，磁盤上磁盤塊（即扇區(qū)）的編號是按柱面的順序進(jìn)行（從 0開始），每個柱面按柱面的磁 第 3680記錄就放在第 3680塊中。====根據(jù)公式該塊的位置為：柱面號 3680/D57（柱面）； 磁頭號 32/84（磁道）扇區(qū)號 32%80（扇區(qū)） ==%于是，求第 p塊在磁盤上位置的公式為：柱面號 M。磁頭號 N=%s=++.例 74現(xiàn)有含 6400個記錄的文件，記錄大小與扇區(qū)尺寸同，編號從 0開始。試問：（ 1）該文件第 3680個記錄存放在磁盤哪個位置？（ 2）第 78柱面第 6磁道第 6扇區(qū)中應(yīng)存放該文件的第幾個記錄？解 ：第 78柱面第 6磁道第 6扇區(qū)位置處存放的是：磁盤塊號 68(6788)5046（塊）即存放的是文件中編號為第 5046個的記錄（實際上應(yīng)該是第 5047個記錄，因為記錄號是從 0開始算起的）。對于磁盤，有三種時間需關(guān)注： 把磁頭定位到磁道所需時間，稱 “尋道時間 ”； 磁頭到達(dá)扇區(qū)開始位置的時間，稱 “旋轉(zhuǎn)延遲 ”；一旦磁頭被定位， 磁頭就對旋轉(zhuǎn)通過它下面的扇區(qū)執(zhí)行讀操作或?qū)懖僮?，完成?shù)據(jù)信息的傳輸，傳輸所花費(fèi)的時間稱 “傳送時間 ”。磁盤驅(qū)動器工作時，以恒定的速度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。 ：一個用戶文件有5個記錄： A、 B、 C、 D、 E，被順序存放在一個磁道上。試問：（ 1）順序讀出 5個記錄并進(jìn)行處理，共需多少時間？（ 2）給出一種在磁盤上安排記錄的策略，使整個時間盡可能少。解 ： (2)為使時間減少，應(yīng)減少旋轉(zhuǎn)延遲，即把下一個要讀取的記錄放在處理完前一個記錄后距磁頭最近之處。返回目錄o當(dāng)有多個進(jìn)程都請求訪問磁盤時，他們所訪問的位置（這里主要關(guān)心磁道）是不同的。o磁頭的移動屬于機(jī)械運(yùn)動，需要的時間較長，而且頻繁的磁頭移動會縮短磁頭的壽命，因此，必須采取合適的磁盤調(diào)度算法， 在盡可能公平的前提下，縮短平均尋道時間，并使磁頭移動距離最小。目前移動臂位于磁道 53，接著被請求的磁道按順序是： 9 18 3 12 1 12 6 67。.1. 先來先服務(wù)調(diào)度策略 如圖所示給出移動臂移動的路線，該策略去考慮 I/O請求所涉及的訪問位置在磁盤何處。 .2. 最短尋道優(yōu)先調(diào)度策略 “最短尋道優(yōu)先（ SSTF） ”調(diào)度策略，是把距離磁頭當(dāng)前位置最近的那個