1、設(shè)備管理的目標(biāo)提高設(shè)備的利用率為此，應(yīng)盡量提高CPU與I/O設(shè)備之間的并行操作程度，主要利用的技術(shù)有：中斷技術(shù)、DMA技術(shù)、通道技術(shù)、緩沖技術(shù)。為用戶提供方便、統(tǒng)一的界面所謂方便，是指用戶能獨(dú)立于具體設(shè)備的復(fù)雜物理特性之外而方便地使用設(shè)備。所謂統(tǒng)一，是指對(duì)不同的設(shè)備盡量使用統(tǒng)一的操作方式，例如各種字符設(shè)備用一種I/O操作方式。這就要求用戶操作的是簡(jiǎn)便的邏輯設(shè)備，而具體的I/O物理設(shè)備由操作系統(tǒng)去實(shí)現(xiàn)，這種性能常常被稱為設(shè)備的獨(dú)立性。第五章 設(shè)備管理設(shè)備管理功能設(shè)備分配指設(shè)備管理程序按照一定的算法把某一個(gè)I/O設(shè)備、及其相應(yīng)的設(shè)備控制器和通道分配給某一用戶（進(jìn)程），對(duì)于未分配到的進(jìn)程，則插入等待

2、隊(duì)列中。緩沖區(qū)管理為了解決CPU與I/O之間速度不匹配的矛盾，在它們之間配置了緩沖區(qū)。這樣設(shè)備管理程序又要負(fù)責(zé)管理緩沖區(qū)的建立、分配和釋放。第五章 設(shè)備管理實(shí)現(xiàn)物理I/O設(shè)備的操作對(duì)于具有通道的系統(tǒng)，設(shè)備管理程序根據(jù)用戶提出的I/O請(qǐng)求，生成相應(yīng)的通道程序并提交給通道，然后用專門的通道指令啟動(dòng)通道，對(duì)指定的設(shè)備進(jìn)行I/O操作，并能響應(yīng)通道的中斷請(qǐng)求。對(duì)于未設(shè)置通道的系統(tǒng)，設(shè)備管理程序直接驅(qū)動(dòng)設(shè)備進(jìn)行I/O操作。第五章 設(shè)備管理重點(diǎn)設(shè)備控制器的功能和組成、I/O通道的類型；I/O控制方式；設(shè)備獨(dú)立性的概念；SPOOLing系統(tǒng)的組成和特點(diǎn)；中斷處理程序的處理過程。難點(diǎn)I/O通道控制方式；設(shè)備獨(dú)立

3、性的實(shí)現(xiàn)。第五章 設(shè)備管理5.1 I/O系統(tǒng)5.1.1 I/O設(shè)備 I/O系統(tǒng)是用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入、輸出及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的系統(tǒng)。鍵盤、顯示器、音響、麥克、磁盤一、I/O設(shè)備的類型I/O設(shè)備的種類繁多，從OS觀點(diǎn)來看，其重要的性能指標(biāo)有：數(shù)據(jù)傳輸速率、數(shù)據(jù)的傳輸單位、設(shè)備的共享屬性等。 按傳輸速率分類低速設(shè)備 指?jìng)鬏斔俾蕿槊棵霂讉€(gè)字節(jié)到數(shù)百個(gè)字節(jié)的設(shè)備。典型的設(shè)備有鍵盤、鼠標(biāo)、語音的輸入等；中速設(shè)備 指?jìng)鬏斔俾试诿棵腌姅?shù)千個(gè)字節(jié)至數(shù)十千個(gè)字節(jié)的設(shè)備。典型的設(shè)備有行式打印機(jī)、激光打印機(jī)等；高速設(shè)備 指?jìng)鬏斔俾试跀?shù)百千個(gè)字節(jié)至數(shù)兆字節(jié)的設(shè)備。典型的設(shè)備有磁帶機(jī)、磁盤機(jī)、光盤機(jī)等。5.1.1 I/O設(shè)備 按信

4、息交換的單位分類塊設(shè)備（Block Device） 指以數(shù)據(jù)塊為單位來組織和傳送數(shù)據(jù)信息的設(shè)備。這類設(shè)備用于存儲(chǔ)信息，有磁盤和磁帶等。它屬于有結(jié)構(gòu)設(shè)備。典型的塊設(shè)備是磁盤，每個(gè)盤塊的大小為512B4KB。字符設(shè)備（Character Device） 指以單個(gè)字符為單位來傳送數(shù)據(jù)信息的設(shè)備。這類設(shè)備一般用于數(shù)據(jù)的輸入和輸出，有交互式終端、打印機(jī)等。它屬于無結(jié)構(gòu)設(shè)備。5.1.1 I/O設(shè)備按資源分配的角度分類 獨(dú)占設(shè)備 指在一段時(shí)間內(nèi)只允許一個(gè)用戶（進(jìn)程）訪問的設(shè)備，大多數(shù)低速的I/O設(shè)備，如用戶終端、打印機(jī)等。 共享設(shè)備 指在一段時(shí)間內(nèi)允許多個(gè)進(jìn)程同時(shí)訪問的設(shè)備。典型的共享設(shè)備是磁盤。共享設(shè)備不

5、僅可以獲得良好的設(shè)備利用率，而且是實(shí)現(xiàn)文件系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)。 虛擬設(shè)備 指通過虛擬技術(shù)將一臺(tái)獨(dú)占設(shè)備變換為若干臺(tái)供多個(gè)用戶（進(jìn)程）共享的邏輯設(shè)備。一般可以利用假脫機(jī)技術(shù)（SPOOLing技術(shù)）實(shí)現(xiàn)虛擬設(shè)備。5.1.1 I/O設(shè)備傳統(tǒng)的設(shè)備=機(jī)械部分+電子部分5.1.2 設(shè)備控制器 將電子部分從設(shè)備中分離出來作為一個(gè)獨(dú)立部件，就是控制器。5.1.2 設(shè)備控制器設(shè)備控制器的功能接收和識(shí)別命令數(shù)據(jù)交換設(shè)備狀態(tài)的了解和報(bào)告地址識(shí)別數(shù)據(jù)緩沖差錯(cuò)控制5.1.2 設(shè)備控制器二、設(shè)備控制器的組成5.1.2 設(shè)備控制器I/O邏輯控制器與設(shè)備的接口控制器與設(shè)備的接口1控制器與設(shè)備的接口iCPU與控制器的

6、接口數(shù)據(jù)寄存器控制/狀態(tài) 寄存器數(shù)據(jù)線地址線控制線數(shù)據(jù)控制狀態(tài)數(shù)據(jù)控制狀態(tài).5.1.2 設(shè)備控制器設(shè)備控制器與處理機(jī)的接口設(shè)備控制器與設(shè)備的接口I/O邏輯一、設(shè)備與控制器之間的接口數(shù)據(jù)信號(hào)輸入：設(shè)備控制器輸出：控制器設(shè)備控制信號(hào)讀、寫或執(zhí)行等操作信號(hào)狀態(tài)信號(hào)指示設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)5.1.2 設(shè)備控制器 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，I/O的控制方式也在不斷地發(fā)展。一般可分為：程序I/O方式、中斷方式、DMA方式和通道方式。I/O的控制方式發(fā)展的目標(biāo)是盡量減少主機(jī)對(duì)I/O控制的干預(yù)。5.2.1 程序I/O方式5.2.2 中斷驅(qū)動(dòng)I/O控制方式5.2.3 直接存儲(chǔ)器訪問DMA控制方式5.2.4 I/O通道控制

7、方式5.2 I/O控制方式while turn=1 do no op trun=1;Critical section; turn=0; Remain Section ; 5.2.1 程序I/O方式 在早期的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，由于沒有中斷機(jī)構(gòu)，處理機(jī)對(duì)I/O設(shè)備直接進(jìn)行控制，采取程序I/O（Programmed I/O）方式或稱為忙-等待方式。即在CPU向設(shè)備控制器發(fā)出一條I/O指令啟動(dòng)I/O設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，要同時(shí)把狀態(tài)寄存器中的忙/閑標(biāo)志busy置為1.然后便不斷地循環(huán)測(cè)試busy。當(dāng)busy=l時(shí)，表示該I/O設(shè)備尚未輸入完一個(gè)字(符)，CPU應(yīng)繼續(xù)對(duì)該標(biāo)志進(jìn)行測(cè)試，直至busy=0，表示該

8、I/O設(shè)備已將輸入數(shù)據(jù)送入到I/O控制器的數(shù)據(jù)寄存器中，于是CPU將從數(shù)據(jù)寄存器中取出數(shù)據(jù)，送入內(nèi)存的指定單元，接著，再啟動(dòng)去讀下一個(gè)數(shù)據(jù)，并置busy=l。在程序I/O方式中，由于CPU的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于I/O設(shè)備，導(dǎo)致CPU的絕大部分時(shí)間都處于等待I/O設(shè)備完成而循環(huán)測(cè)試之中，造成了CPU的極大浪費(fèi)。但是它管理簡(jiǎn)單，在要求不高的場(chǎng)合可以被采用。5.2.1 程序I/O方式CPUI/O CPUI/O CPU做其它事I/OCPU I/OCPU 中斷 未就緒 出錯(cuò) 出錯(cuò) 就緒 就緒I/OCPU I/OCPU CPURAM CPURAM 未完 未完 完成 完成 執(zhí)行下一條I/O指令 執(zhí)行下一條I/O指令

9、5.2.1 程序I/O方式向I/O控制器發(fā)讀命令讀I/O控制器的狀態(tài)檢查狀態(tài)？從I/O控制器中讀入字向內(nèi)存中寫入字傳送完畢？向I/O控制器發(fā)讀命令讀I/O控制器的狀態(tài)檢查狀態(tài)？從I/O控制器中讀入字向內(nèi)存中寫入字傳送完畢？（a）程序I/O方式的流程 （b）中斷驅(qū)動(dòng)方式的流程 在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，對(duì)I/O設(shè)備的控制，廣泛地采用中斷驅(qū)動(dòng)方式。 即當(dāng)某進(jìn)程要啟動(dòng)某個(gè)I/O設(shè)備時(shí)，便由CPU向相應(yīng)的設(shè)備控制器發(fā)出一條I/O命令，然后立即返回繼續(xù)執(zhí)行原來的任務(wù)。 設(shè)備控制器便按照該命令的要求去控制I/O設(shè)備。此時(shí)，CPU與I/O設(shè)備處于并行工作狀態(tài)。5.2.2 中斷驅(qū)動(dòng)I/O控制方式例如，在輸入時(shí)，當(dāng)設(shè)

10、備控制器收到 CPU發(fā)來的讀命令后，便準(zhǔn)備接收從相應(yīng)輸入設(shè)備送來的數(shù)據(jù)。一旦數(shù)據(jù)進(jìn)入數(shù)據(jù)寄存器，控制器便通過控制線向CPU發(fā)送一中斷信號(hào)，由CPU檢查輸入過程中是否出錯(cuò)，若無錯(cuò)，便向控制器發(fā)取走數(shù)據(jù)的信號(hào)，然后便通過控制器將數(shù)據(jù)寫入指定內(nèi)存單元。所以，中斷驅(qū)動(dòng)方式在I/O設(shè)備輸入數(shù)據(jù)的過程中，無需 CPU干預(yù)，可以使CPU與I/O設(shè)備并行工作。僅當(dāng)輸完一個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，才需 CPU花費(fèi)極短的時(shí)間去進(jìn)行中斷處理。從而大大地提高了整個(gè)系統(tǒng)的資源利用率及吞吐量，特別是CPU的利用率。5.2.2 中斷驅(qū)動(dòng)I/O控制方式DMA控制方式的引入中斷驅(qū)動(dòng)I/O方式雖然大大提高了主機(jī)的利用率，但是它以字（節(jié)）為單位進(jìn)

11、行數(shù)據(jù)傳送，每完成一個(gè)字（節(jié)）的傳送，控制器便要向CPU請(qǐng)求一次中斷（做保存現(xiàn)場(chǎng)信息，恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)等工作），仍然占用了CPU的許多時(shí)間。這種方式對(duì)于高速的塊設(shè)備的I/O控制顯然是不適合。為了進(jìn)一步減少CPU對(duì)I/O的干預(yù)，引入了直接存儲(chǔ)器訪問（Direct Memory Access）控制方式。5.2.3 直接存儲(chǔ)器訪問DMA控制方式DMA控制器的組成DMA控制器與塊設(shè)備的接口I/O控制邏輯主機(jī)與DMA控制器的接口命令/狀態(tài)寄存器CR接收從CPU發(fā)來的I/O命令或有關(guān)的控制信息，或設(shè)備的狀態(tài)內(nèi)存地址寄存器MAR存放數(shù)據(jù)從設(shè)備傳到內(nèi)存的目的地址，或由內(nèi)存到設(shè)備的內(nèi)存源地址數(shù)據(jù)寄存器DR暫存設(shè)備到內(nèi)存

12、或內(nèi)存到設(shè)備的數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)器DC存放本次CPU要讀/寫的字（節(jié)）數(shù)5.2.3 直接存儲(chǔ)器訪問DMA控制方式5.2.3 直接存儲(chǔ)器訪問DMA控制方式CPU RAMI/O控制邏輯DRMARDCCRDMA控制器count主機(jī)與控制器的接口控制器與塊設(shè)備的接口命令系統(tǒng)總線5.2.3 直接存儲(chǔ)器訪問DMA控制方式DMA工作過程當(dāng)CPU要從磁盤讀入一數(shù)據(jù)塊時(shí)：CPU發(fā)出讀命令CR內(nèi)存起始目標(biāo)地址-MAR數(shù)據(jù)的字（節(jié)）數(shù)DC數(shù)據(jù)的磁盤源地址I/O控制邏輯啟動(dòng)DMA控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，CPU去處理其它任務(wù)DMA控制器讀入一個(gè)字（節(jié)）的數(shù)據(jù)-DR挪用存儲(chǔ)器周期，將該字（節(jié)）的數(shù)據(jù)送到MAR指示的內(nèi)存單元MAR:

13、=MAR1；DC:=DC-1IF DC=0 THEN 中斷 ELSE 傳下一字（節(jié)）5.2.3 直接存儲(chǔ)器訪問DMA控制方式DMA方式工作流程5.2.3 直接存儲(chǔ)器訪問DMA控制方式設(shè)置CR和DC初值啟動(dòng)DMA傳送命令挪用存儲(chǔ)器周期傳送數(shù)據(jù)字MAR:=MAR+1DC:=DC-1DC=0?請(qǐng)求中斷在繼續(xù)執(zhí)行用戶程序的同時(shí)，準(zhǔn)備下一次傳送是否四、DMA方式的特點(diǎn)1數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕締挝皇且粋€(gè)連續(xù)的數(shù)據(jù)塊。 內(nèi)存與設(shè)備之間的直接數(shù)據(jù)傳送，而不用CPU的干預(yù)。 僅在傳送一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)塊的開始和結(jié)束時(shí)，才需 CPU干預(yù)，整塊數(shù)據(jù)的傳送是在控制器的控制下完成的。 可見，DMA方式較之中斷驅(qū)動(dòng)方式，又是成百倍地

14、減少了CPU對(duì) I/O控制的干預(yù)，進(jìn)一步提高了CPU與I/O設(shè)備的并行操作程度。5.2.3 直接存儲(chǔ)器訪問DMA控制方式5.2.3 直接存儲(chǔ)器訪問DMA控制方式DMA方式的流程向I/O控制器發(fā)布讀塊命令讀DMA控制器的狀態(tài)CPUDMADMACPU中斷CPU做其它事執(zhí)行下一條指令I(lǐng)/O通道控制方式的引入 雖然 DMA方式比中斷驅(qū)動(dòng)方式已顯著地減少了CPU的干預(yù)，即由以字（節(jié)）為單位的干預(yù)減少到以數(shù)據(jù)塊為單位的干預(yù)。但是CPU每發(fā)出一條I/O指令，也只能去讀（或?qū)懀┮粋€(gè)連續(xù)的數(shù)據(jù)塊。而當(dāng)我們需要一次去讀多個(gè)離散的數(shù)據(jù)塊且將它們分別傳送到不同的內(nèi)存區(qū)域，或者相反時(shí)，則需由CPU分別發(fā)出多條I/O指令

15、及進(jìn)行多次中斷處理，才能完成。 由于DMA每次只能執(zhí)行一條I/O指令，不能滿足復(fù)雜的I/O操作要求。在大、中型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，普遍采用由專用的I/O處理機(jī)來接受CPU的委托，獨(dú)立執(zhí)行自己的通道程序來實(shí)現(xiàn)I/O設(shè)備與內(nèi)存之間的信息交換，這就是通道技術(shù)。5.2.4 I/O通道控制方式5.2.4 I/O通道控制方式通道程序 通道是通過執(zhí)行通道程序，并與設(shè)備控制器來共同實(shí)現(xiàn)對(duì)I/O設(shè)備的控制。 通道程序是由一系列的通道指令（或稱為通道命令）所構(gòu)成。通道指令與一般的機(jī)器指令不同，在每條指令中包含的信息較多，有操作碼、內(nèi)存地址、計(jì)數(shù)（讀或?qū)憯?shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)）、通道程序結(jié)束位P和記錄結(jié)束標(biāo)志R。5.2.4 I/O

16、通道控制方式通道類型 由于外圍設(shè)備的種類較多，且其傳輸速率相差很大，所以通道也具有多種類型。根據(jù)信息交換方式，可以把通道分成以下三種類型。5.2.4 I/O通道控制方式1. 字節(jié)多路通道（Byte Multiplexor Channel） 在這種通道中，通常都含有較多個(gè)（8，16，32）非分配型子通道，每一個(gè)子通道連接一臺(tái)I/O設(shè)備。這些子通道按時(shí)間片輪轉(zhuǎn)方式共享主通道。一個(gè)子通道完成一個(gè)字節(jié)的傳送后，立即讓出字節(jié)多路通道（主通道），給另一個(gè)子通道使用。它適用于連接低速或中速設(shè)備，如打印機(jī)、終端等。2. 數(shù)組選擇通道（Block Selector Channel） 這種通道雖然可以連接多臺(tái)I/

17、O設(shè)備，但是它只有一個(gè)分配型子通道，在一段時(shí)間內(nèi)只能執(zhí)行一道通道程序、控制一臺(tái)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，其數(shù)據(jù)傳送是按數(shù)組方式進(jìn)行。即當(dāng)某臺(tái)設(shè)備一旦占用了該通道，就被它獨(dú)占，直至該設(shè)備傳送完畢釋放該通道為止?？梢姡m于連接高速設(shè)備（如磁盤機(jī)、磁帶機(jī)），但是這種通道的利用率較低。5.2.4 I/O通道控制方式3.數(shù)組多路通道（Block Multiplexor Channel） 數(shù)組選擇通道雖然有很高的傳輸速率，但它每次只允許一個(gè)設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)。數(shù)組多路通道是將數(shù)組選擇通道的傳輸速率高和字節(jié)多路通道的分時(shí)并行操作的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，形成的一種新的通道。它含有多個(gè)非分配型子通道，可以連接多臺(tái)高、中速的外圍設(shè)備

18、，其數(shù)據(jù)傳送卻是按數(shù)組方式進(jìn)行。所以這種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。5.2.4 I/O通道控制方式“瓶頸”問題單通路I/O系統(tǒng)5.2.4 I/O通道控制方式存儲(chǔ)器通道1通道2控制器1控制器2控制器3控制器4設(shè)備1設(shè)備2設(shè)備3設(shè)備4設(shè)備5設(shè)備6設(shè)備7多通路I/O系統(tǒng)5.2.4 I/O通道控制方式存儲(chǔ)器通道1通道2控制器1控制器2設(shè)備1設(shè)備2設(shè)備3設(shè)備4 目的為了解決CPU與I/O設(shè)備間速度不匹配的矛盾，提高的I/O速度和設(shè)備利用率，在所有的I/O設(shè)備與處理機(jī)（內(nèi)存）之間，都使用了緩沖區(qū)來交換數(shù)據(jù)。所以O(shè)S必須組織和管理好這些緩沖區(qū)。 5.3.1 緩沖的引入 5.3

19、.2 單緩沖 5.3.3 雙緩沖 5.3.4 循環(huán)緩沖 5.3.5 緩沖池5.3 緩沖管理改善CPU與I/O設(shè)備間速度不匹配的矛盾 事實(shí)上，凡在數(shù)據(jù)的到達(dá)速率與其離去速率不同的地方，都可設(shè)置緩沖，以緩和它們之間速度不匹配的矛盾。眾所周知，通常的程序都是時(shí)而計(jì)算，時(shí)而輸出的。 例如一個(gè)程序，它時(shí)而進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的計(jì)算而沒有輸出，時(shí)而又陣發(fā)性把輸出送到打印機(jī)。由于打印機(jī)的速度跟不上CPU，而使得CPU長(zhǎng)時(shí)間的等待。 如果設(shè)置了緩沖區(qū)，程序輸出的數(shù)據(jù)先送到緩沖區(qū)暫存，然后由打印機(jī)慢慢地輸出。這時(shí)，CPU不必等待，可以繼續(xù)執(zhí)行程序。實(shí)現(xiàn)了CPU與I/O設(shè)備之間的并行工作。5.3.1 緩沖的引入可以減少對(duì)

20、CPU的中斷頻率，放寬對(duì)中斷響應(yīng)時(shí)間的限制 如果I/O操作每傳送一個(gè)字節(jié)就要產(chǎn)生一次中斷，那么設(shè)置了n個(gè)字節(jié)的緩沖區(qū)后，則可以等到緩沖區(qū)滿才產(chǎn)生中斷，這樣中斷次數(shù)就減少到1/n，而且中斷響應(yīng)的時(shí)間也可以相應(yīng)的放寬。提高 CPU和 IO設(shè)備之間的并行性 緩沖的引入可顯著提高 CPU和設(shè)備的并行操作程度，提高系統(tǒng)的吞吐量和設(shè)備的利用率。5.3.1 緩沖的引入每當(dāng)一個(gè)用戶進(jìn)程發(fā)出一個(gè)I/O請(qǐng)求時(shí)，OS便在主存中為之分配一個(gè)緩沖區(qū)。例如，CPU要從磁盤上讀一塊數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，先從磁盤把一塊數(shù)據(jù)讀入到緩沖區(qū)中，然后由OS將緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)傳送到用戶區(qū)，最后由CPU對(duì)這一塊數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，可見第一步和最后一步是可

21、以并行執(zhí)行的，這樣就提高了CPU和外設(shè)的利用率。但是對(duì)緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)的輸入和提取是串行工作的。 （如下圖所示） 操作系統(tǒng) 用戶進(jìn)程 C 輸入T 傳送MI/O設(shè)備5.3.2 單緩沖緩沖區(qū)用戶區(qū)雙緩沖工作方式基本方法是在設(shè)備輸入時(shí)，先將數(shù)據(jù)輸入到緩沖區(qū)A，裝滿后便轉(zhuǎn)向緩沖區(qū)B。此時(shí)OS可以從緩沖區(qū)A中提取數(shù)據(jù)傳送到用戶區(qū)，最后由CPU對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。（如下圖所示） 操作系統(tǒng) 用戶進(jìn)程 C 輸入T 傳送MI/O設(shè)備雙緩沖可以實(shí)現(xiàn)對(duì)緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)的輸入和提取，與CPU的計(jì)算，三者并行工作。所以雙緩沖進(jìn)一步加快了I/O的速度，提高了設(shè)備的利用率。5.3.3 雙緩沖緩沖區(qū)A用戶區(qū)緩沖區(qū)B當(dāng)對(duì)緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)的輸入

22、和提取的速度基本相匹配時(shí)，采用雙緩沖可使兩者并行工作，獲得較好的效果。但是如果兩者的速度相差甚遠(yuǎn)時(shí)，雙緩沖的效果就不夠理想了。如果增加緩沖區(qū)的個(gè)數(shù)，情況就會(huì)有所改善。我們可以將多個(gè)緩沖區(qū)組織成循環(huán)隊(duì)列的形式（如下圖所示）。例如對(duì)于用作輸入的循環(huán)緩沖區(qū)，通常提供給輸入進(jìn)程和計(jì)算進(jìn)程使用，輸入進(jìn)程不斷向空緩沖區(qū)中輸入數(shù)據(jù)，計(jì)算進(jìn)程則從滿緩沖區(qū)中提取數(shù)據(jù)用于計(jì)算。 操作系統(tǒng) 用戶進(jìn)程 輸入 傳送I/O設(shè)備5.3.4 循環(huán)緩沖 緩沖區(qū)1用戶區(qū)緩沖區(qū)2緩沖區(qū)N 當(dāng)系統(tǒng)配置較多的設(shè)備時(shí)，使用專用緩沖區(qū)就要消耗大量的內(nèi)存空間，且其利用率不高。為了提高緩沖區(qū)的利用率，目前廣泛使用公用緩沖池，池中的緩沖區(qū)可供多

23、個(gè)進(jìn)程共享。 對(duì)于同時(shí)用于輸入/輸出的公用緩沖池，至少含有三種類型的緩沖區(qū)：空緩沖區(qū)、裝滿輸入數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)和裝滿輸出數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)。為了管理上的方便，可將相同類型的緩沖區(qū)鏈成一個(gè)隊(duì)列，于是就形成三個(gè)隊(duì)列：空緩沖區(qū)隊(duì)列輸入緩沖區(qū)隊(duì)列輸出緩沖區(qū)隊(duì)列5.3.5 緩沖池 另外還應(yīng)具有四種工作緩沖區(qū)：用于收容輸入數(shù)據(jù)的工作緩沖區(qū)（hin）；用于提取輸入數(shù)據(jù)的工作緩沖區(qū)（sin）；用于收容輸出數(shù)據(jù)的工作緩沖區(qū)（hout）；用于提取輸出數(shù)據(jù)的工作緩沖區(qū)（sout）。 可見，緩沖區(qū)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。緩沖池 收容輸入 提取輸入 提取輸出 收容輸出5.3.5 緩沖池hins

24、outsinhout 用 戶 程 序 在多道程序環(huán)境下，設(shè)備必須由系統(tǒng)分配。每當(dāng)進(jìn)程向系統(tǒng)提出I/O請(qǐng)求時(shí)，設(shè)備分配程序按照一定的策略，把其所需的設(shè)備及其有關(guān)資源（如緩沖區(qū)、控制器和通道）分配給該進(jìn)程。在分配設(shè)備時(shí)還必須考慮系統(tǒng)的安全性，避免發(fā)生死鎖現(xiàn)象。5.4 設(shè)備分配5.4.1 設(shè)備分配中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有：系統(tǒng)設(shè)備表(SDT)、設(shè)備控制表(DCT)、控制器控制表(COCT)、通道控制表(CHCT)。一、系統(tǒng)設(shè)備表SDT 在整個(gè)系統(tǒng)中，有一張系統(tǒng)設(shè)備表（SDT），用于記錄系統(tǒng)中全部設(shè)備的信息。每個(gè)設(shè)備占一個(gè)表目，其中包括設(shè)備類型、設(shè)備標(biāo)識(shí)符、設(shè)備控制表指針及設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的入口地址等表項(xiàng)

25、。二、控制器控制表COCT 系統(tǒng)為每一個(gè)控制器都配置了一張用于記錄本控制器情況的控制器控制表。5.4.1 設(shè)備分配中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)三、通道控制表CHCT 系統(tǒng)為每一個(gè)通道都配置了一張用于記錄本通道情況的通道控制表。四、設(shè)備控制表DCT 系統(tǒng)為每一個(gè)設(shè)備都配置了一張?jiān)O(shè)備控制表，用于記錄該設(shè)備的情況。表中除了有用于指示設(shè)備類型的字段和設(shè)備標(biāo)識(shí)符字段外，還應(yīng)有下列字段： 設(shè)備隊(duì)列隊(duì)首指針、設(shè)備狀態(tài)、與設(shè)備連接的控制器表指針、重復(fù)執(zhí)行次數(shù)。設(shè)備分配的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖SDT集合 SDT DCT集合 DCTCOCT集合 COCT CHCT集合 CHCT表目1表目i設(shè)備類型設(shè)備標(biāo)識(shí)符進(jìn)程標(biāo)識(shí)符DCT表指針驅(qū)動(dòng)程序入口

26、地址表目1表目i設(shè)備類型設(shè)備標(biāo)識(shí)符設(shè)備狀態(tài)（等待/不等待，忙/閑）COCT表指針重復(fù)執(zhí)行的次數(shù)或時(shí)間設(shè)備隊(duì)列的隊(duì)首指針設(shè)備隊(duì)列的隊(duì)尾指針表目1表目i控制器標(biāo)識(shí)符控制器狀態(tài)（忙/閑）CHCT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表目i通道標(biāo)識(shí)符通道狀態(tài)（忙/閑）COCT表指針通道隊(duì)列的隊(duì)首指針通道隊(duì)列的隊(duì)尾指針根據(jù)設(shè)備的固有屬性而采取的策略獨(dú)享方式 獨(dú)享方式是指將一個(gè)設(shè)備分配給某進(jìn)程后，便一直由它獨(dú)占，直至該進(jìn)程完成或釋放該設(shè)備為止，系統(tǒng)才能將該設(shè)備分配給其它進(jìn)程使用。這種分配方式是對(duì)獨(dú)占設(shè)備采用的分配策略。它不僅往往造成設(shè)備利用率低，而且還會(huì)引起系統(tǒng)死鎖。5.4.2 設(shè)備分配的策

27、略共享方式 共享方式是指將共享設(shè)備（磁盤）同時(shí)分配給多個(gè)進(jìn)程使用。但是這些進(jìn)程對(duì)設(shè)備的訪問需進(jìn)行合理的調(diào)度。虛擬方式虛擬方式是指通過高速的共享設(shè)備，把一臺(tái)慢速的以獨(dú)占方式工作的物理設(shè)備改造成若干臺(tái)虛擬的同類邏輯設(shè)備，這就需要引入SPOOLing技術(shù)。虛擬設(shè)備屬于邏輯設(shè)備。5.4.2 設(shè)備分配的策略設(shè)備分配算法（與進(jìn)程的調(diào)度算法相似）先來先服務(wù)當(dāng)多個(gè)進(jìn)程同時(shí)向某一設(shè)備提出I/O請(qǐng)求時(shí)，該算法就根據(jù)對(duì)該設(shè)備提出請(qǐng)求的先后次序?qū)⑦@些進(jìn)程排列成一個(gè)設(shè)備請(qǐng)求隊(duì)列，設(shè)備分配程序把設(shè)備首先分配給隊(duì)首進(jìn)程。優(yōu)先級(jí)高者優(yōu)先對(duì)優(yōu)先權(quán)高的進(jìn)程所提出的I/O請(qǐng)求賦予高優(yōu)先權(quán)，在形成設(shè)備隊(duì)列時(shí)，將優(yōu)先級(jí)高的進(jìn)程排在設(shè)備

28、隊(duì)列前面，先得到分配。而對(duì)于優(yōu)先權(quán)相同的I/O請(qǐng)求，則按先來先服務(wù)原則排隊(duì)分配。5.4.2 設(shè)備分配的策略設(shè)備分配中的安全性5.4.2 設(shè)備分配的策略2. 不安全分配方式 進(jìn)程在發(fā)出I/O請(qǐng)求后仍繼續(xù)運(yùn)行，需要時(shí)又發(fā)出第二個(gè)I/O請(qǐng)求、第三個(gè)I/O請(qǐng)求等。1. 安全分配方式 每當(dāng)進(jìn)程發(fā)出I/O請(qǐng)求后，便進(jìn)入阻塞狀態(tài)，直到其I/O操作完成時(shí)才會(huì)喚醒。一、設(shè)備獨(dú)立性（Device Independence） 為了提高OS的可適應(yīng)性和可擴(kuò)展性，目前幾乎所有的OS都實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的獨(dú)立性（也稱為設(shè)備無關(guān)性）。 其基本思想是：用戶程序不直接使用物理設(shè)備名（或設(shè)備的物理地址），而只能使用邏輯設(shè)備名；而系統(tǒng)在實(shí)

29、際執(zhí)行時(shí)，將邏輯設(shè)備名轉(zhuǎn)換為某個(gè)具體的物理設(shè)備名，實(shí)施I/O操作。 邏輯設(shè)備是實(shí)際物理設(shè)備屬性的抽象，它并不限于某個(gè)具體設(shè)備。5.4.3 設(shè)備獨(dú)立性設(shè)備獨(dú)立性帶來以下兩方面的好處：1. 設(shè)備分配時(shí)的靈活性 當(dāng)進(jìn)程以邏輯設(shè)備名請(qǐng)求某類設(shè)備時(shí)，如果一臺(tái)設(shè)備已經(jīng)分配給其它進(jìn)程或正在檢修，此時(shí)系統(tǒng)可以將其它幾臺(tái)相同的空閑設(shè)備中的任一臺(tái)分配給該進(jìn)程，只有當(dāng)此類設(shè)備全部被分配完時(shí)，進(jìn)程才會(huì)被阻塞。2. 易于實(shí)現(xiàn)I/O重定向 用于I/O操作的設(shè)備可以更換，重定向即而不必改變應(yīng)用程序。5.4.3 設(shè)備獨(dú)立性二、設(shè)備獨(dú)立性軟件 為了實(shí)現(xiàn)設(shè)備的獨(dú)立性，必須在驅(qū)動(dòng)程序之上設(shè)置一層軟件，稱為設(shè)備獨(dú)立性軟件，其主要功能

30、有以下兩個(gè)方面： 1. 執(zhí)行所有設(shè)備的公有操作 2. 向用戶層（或文件層）軟件提供統(tǒng)一的接口三、邏輯設(shè)備表 為了實(shí)現(xiàn)邏輯設(shè)備名到物理設(shè)備名的映射，系統(tǒng)必須設(shè)置一張邏輯設(shè)備表LUT（Logical Unit Table），能夠?qū)?yīng)用程序中所使用的邏輯設(shè)備名映射為物理設(shè)備名，并提供該設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的入口地址。5.4.3 設(shè)備獨(dú)立性 忙 不忙 不安全 安全 不忙 忙 忙 不忙 進(jìn)程P提出所需的I/O設(shè)備根據(jù)物理設(shè)備名，從SDT中找出該設(shè)備的DCT由DCT的設(shè)備狀態(tài)字段，檢查該設(shè)備是否忙？將該進(jìn)程的PCB插入到該設(shè)備的等待隊(duì)列中檢查本次設(shè)備分配是否安全性？將此設(shè)備分配給該進(jìn)程從其DCT中找出與該設(shè)備連接

31、的控制器的COCT，檢查該控制器是否忙？將該進(jìn)程的PCB插入到該控制器的的等待隊(duì)列中將該控制器分配給進(jìn)程從COCT中找到與該控制器連接的通道的CHCT，檢查該通道是否忙？將該進(jìn)程的PCB插入到該通道的的等待隊(duì)列中將該通道分配給進(jìn)程至此，設(shè)備、控制器和通道三者都已分配成功啟動(dòng)I/O設(shè)備，進(jìn)行具體的I/O操作5.4.4 設(shè)備分配程序二、設(shè)備分配程序的改進(jìn) 1. 增加設(shè)備的獨(dú)立性 為了獲得設(shè)備的獨(dú)立性，進(jìn)程應(yīng)用邏輯設(shè)備名請(qǐng)求I/O。這樣，系統(tǒng)首先從 SDT中找出第一個(gè)該類設(shè)備的DCT。如忙，則查找第二個(gè)該類設(shè)備的DCT，當(dāng)所有該類設(shè)備都忙時(shí)，才把進(jìn)程掛在該類設(shè)備的等待隊(duì)列中。 2. 考慮多通路情況

32、實(shí)際上，系統(tǒng)為了提高可靠性和靈活性，通常采用多通路的I/O系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。此時(shí)對(duì)多個(gè)控制器和通道的分配，必須查找所有的控制器和通道，才能決定是否將該進(jìn)程掛起。5.4.4 設(shè)備分配程序 早期批處理系統(tǒng)中使用的虛擬技術(shù)是以脫機(jī)方式工作的。為了緩和CPU和I/O設(shè)備之間的速度不匹配的問題。利用專門的外圍控制機(jī)將低速I/O設(shè)備上的數(shù)據(jù)傳送到高速磁盤上，或者相反。當(dāng)多道程序設(shè)計(jì)的分時(shí)系統(tǒng)出現(xiàn)后，SPOOLing技術(shù)就孕育而生，它將一臺(tái)獨(dú)占設(shè)備改造成可以共享的虛擬設(shè)備。5.4.5 SPOOLing技術(shù)什么是 SPOOLing技術(shù) 當(dāng)多道程序程序技術(shù)出現(xiàn)后，就可以利用一道程序，來模擬脫機(jī)輸入時(shí)的外圍控制機(jī)的功能，

33、即把低速I/O設(shè)備上的數(shù)據(jù)傳送到高速的磁盤上； 再用另一道程序來模擬脫機(jī)輸出時(shí)外圍控制機(jī)的功能，即把數(shù)據(jù)從磁盤傳送到低速I/O設(shè)備上。 這樣，便在主機(jī)的直接控制下，實(shí)現(xiàn)脫機(jī)輸入、輸出功能。 所以，我們把這種在聯(lián)機(jī)情況下實(shí)現(xiàn)的同時(shí)與外圍設(shè)備聯(lián)機(jī)操作的技術(shù)稱為SPOOLing（Simultaneous Peripheral Operation On Line），或稱為假脫機(jī)技術(shù)。5.4.5 SPOOLing技術(shù)SPOOLing系統(tǒng)的組成 SPOOLing系統(tǒng)是對(duì)脫機(jī)輸入、輸出工作的模擬，它必須有高速隨機(jī)外存（硬盤）的支持。 SPOOLing系統(tǒng)主要有以下三部分（如下圖所示）： 輸入井和輸出井在磁盤

34、上開辟的兩個(gè)大的存儲(chǔ)空間。 輸入井模擬脫機(jī)輸入時(shí)的磁盤，用于收容I/O設(shè)備輸入的數(shù)據(jù) 輸出井模擬脫機(jī)輸出時(shí)的磁盤，用于收容用戶程序的輸出數(shù)據(jù)5.4.5 SPOOLing技術(shù)輸入進(jìn)程SPi和輸出進(jìn)程SPo 進(jìn)程SPi模擬脫機(jī)輸入時(shí)的外圍控制機(jī)，將用戶要求的數(shù)據(jù)從輸入機(jī)通過輸入緩沖區(qū)再送到輸入井。當(dāng)CPU需要輸入數(shù)據(jù)時(shí)，直接從輸入井讀入內(nèi)存。 進(jìn)程SPo進(jìn)程模擬脫機(jī)輸出時(shí)的外圍控制機(jī)，把用戶要求輸出的數(shù)據(jù)，先從內(nèi)存送到輸出井，待輸出設(shè)備空閑時(shí)，再將輸出井中的數(shù)據(jù)，經(jīng)過輸出緩沖區(qū)送到輸出設(shè)備上。5.4.5 SPOOLing技術(shù)輸入緩沖區(qū)和輸出緩沖區(qū) 在內(nèi)存中開辟兩個(gè)緩沖區(qū)：輸入緩沖區(qū)和輸出緩沖區(qū) 輸

35、入緩沖區(qū)用于暫存由輸入設(shè)備送來的數(shù)據(jù)，再傳送到輸入井 輸出緩沖區(qū)用于暫存從輸出井送來的數(shù)據(jù)，再傳送給輸出設(shè)備5.4.5 SPOOLing技術(shù) 內(nèi) 存 磁 盤 輸入設(shè)備 輸出設(shè)備5.4.5 SPOOLing技術(shù)輸入進(jìn)程SPi輸出進(jìn)程SPo輸入緩沖區(qū) 輸出緩沖區(qū) 輸入井 輸出井5.4.5 SPOOLing技術(shù)Job1Job2Job3Job3Job2Job1輸入緩沖輸入發(fā)出輸出收存輸出發(fā)出Job1Job2Job3Job1Job2Job3打印機(jī)Job2 Job3Job1主計(jì)算機(jī)輸出井輸入井共享打印機(jī) 打印機(jī)雖然是獨(dú)享設(shè)備。但是通過SPOOLing技術(shù)，可以將它改造為一臺(tái)可供多個(gè)用戶共享的設(shè)備。共享打印

36、機(jī)技術(shù)已被廣泛地用于多用戶系統(tǒng)和局域網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)用戶進(jìn)程請(qǐng)求打印輸出時(shí)，SPOOLing系統(tǒng)并不是真正把打印機(jī)分配給該用戶進(jìn)程，而由輸出進(jìn)程為他在輸出井中申請(qǐng)一個(gè)存儲(chǔ)空間，并將要打印的數(shù)據(jù)以文件的形式存放于此。各進(jìn)程的輸出文件形成一個(gè)輸出隊(duì)列，由輸出SPOOLing系統(tǒng)控制這臺(tái)打印機(jī)進(jìn)程，依次將隊(duì)列中的輸出文件打印出來。 5.4.5 SPOOLing技術(shù)SPOOLing系統(tǒng)的特點(diǎn)提高I/O的速度將獨(dú)占設(shè)備改造為共享設(shè)備實(shí)現(xiàn)虛擬設(shè)備的功能 5.4.5 SPOOLing技術(shù)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的功能接收上層軟件發(fā)來的抽象要求（如read命令等），再把它轉(zhuǎn)換成具體要求。檢查用戶I/O請(qǐng)求的合法性，了解I/O設(shè)備

37、的狀態(tài)，設(shè)置工作方式。由驅(qū)動(dòng)程序向設(shè)備控制器發(fā)出I/O命令，啟動(dòng)分配到的I/O設(shè)備，完成指定的I/O操作。及時(shí)響應(yīng)由控制器或通道發(fā)來的中斷請(qǐng)求，并根據(jù)其中斷調(diào)用相應(yīng)的中斷處理程序進(jìn)行處理。對(duì)于設(shè)置有通道的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)程序還應(yīng)能夠根據(jù)用戶的I/O請(qǐng)求，自動(dòng)地構(gòu)成通道程序。5.5.1 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的功能和特點(diǎn)設(shè)備處理方式 根據(jù)在設(shè)備處理時(shí)是否設(shè)置進(jìn)程，以及設(shè)置什么樣的進(jìn)程，設(shè)備處理方式可分為以下三類：為每一類設(shè)備設(shè)置一個(gè)I/O進(jìn)程它專門執(zhí)行這類設(shè)備的I/O操作。比如為所有的交互終端設(shè)置一個(gè)交互式終端進(jìn)程。整個(gè)系統(tǒng)中設(shè)置一個(gè)I/O進(jìn)程全面負(fù)責(zé)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳送工作，I/O請(qǐng)求處理模塊，設(shè)備分配模塊以

38、及緩沖器管理模塊和中斷原因分析、中斷處理模塊和后述的設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊都是I/O進(jìn)程的一部分。由于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)備十分復(fù)雜，I/O負(fù)擔(dān)很重，因此，又可把I/O進(jìn)程分為輸入進(jìn)程和輸出進(jìn)程。5.5.1 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的功能和特點(diǎn)不設(shè)置專門的設(shè)備處理進(jìn)程而是只為各類設(shè)備設(shè)置相應(yīng)的設(shè)備處理程序，供用戶進(jìn)程和系統(tǒng)進(jìn)程調(diào)用。在UNIX系統(tǒng)中，每類設(shè)備都有一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序，用它來控制該類設(shè)備。任何一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序通常都包含了用于執(zhí)行不同操作的多個(gè)函數(shù)，如打開、關(guān)閉、啟動(dòng)設(shè)備、讀和寫等函數(shù)。為使核心能方便地轉(zhuǎn)向各函數(shù)，系統(tǒng)為每類設(shè)備提供了一個(gè)設(shè)備開關(guān)表，其中有該類設(shè)備的各函數(shù)的入口地址，它是核心與驅(qū)動(dòng)的接口。如下圖所示。5

39、.5.1 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的功能和特點(diǎn)5.5.1 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的功能和特點(diǎn) Open close Open close read write ioctl mount unmount read write 字符設(shè)備開關(guān)表高速緩沖調(diào)用 塊設(shè)備開關(guān)表Open close read write ioctl 驅(qū)動(dòng)程序設(shè)備中斷處理程序Open close strategy 驅(qū)動(dòng)程序設(shè)備中斷處理程序 中斷向量 中斷向量設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的特點(diǎn)與一般的應(yīng)用程序及系統(tǒng)程序有明顯的差異：是一個(gè)請(qǐng)求I/O進(jìn)程與設(shè)備控制器之間的一個(gè)通信程序驅(qū)動(dòng)程序與I/O設(shè)備的特性緊密相關(guān)驅(qū)動(dòng)程序與I/O控制方式緊密相關(guān)驅(qū)動(dòng)程序與硬件緊密相關(guān)

40、5.5.1 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的功能和特點(diǎn)1.將抽象要求轉(zhuǎn)換成為具體要求 將用戶和上層軟件對(duì)設(shè)備控制的抽象要求轉(zhuǎn)換成對(duì)設(shè)備的具體要求，如對(duì)抽象要求的盤塊號(hào)轉(zhuǎn)換為磁盤的盤面、磁道及扇區(qū)。檢查I/O請(qǐng)求的合理性。讀出和檢查設(shè)備的狀態(tài)，確保設(shè)備處于就緒態(tài)。傳送必要的參數(shù)，如傳送的字節(jié)數(shù)，數(shù)據(jù)在主存的首址等。工作方式的設(shè)置啟動(dòng)I/O設(shè)備，并檢查啟動(dòng)是否成功，如成功則將控制返回給I/O控制系統(tǒng)，在I/O設(shè)備忙于傳送數(shù)據(jù)時(shí)，該用戶進(jìn)程把自己阻塞，直至中斷到來才將它喚醒，而CPU可干別的事。5.5.2 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的處理過程在設(shè)置I/O進(jìn)程時(shí)，當(dāng)中斷處理程序開始執(zhí)行時(shí)，都必須去喚醒阻塞的驅(qū)動(dòng)(程序)進(jìn)程。在采用信

41、號(hào)量機(jī)制時(shí)，可通過執(zhí)行V操作，將處于阻塞狀態(tài)的驅(qū)動(dòng)(程序)進(jìn)程喚醒。保護(hù)被中斷進(jìn)程的CPU現(xiàn)場(chǎng)。分析中斷原因，轉(zhuǎn)入相應(yīng)的設(shè)備中斷處理程序。進(jìn)程中斷處理，判別此次I/O完成是正常結(jié)束中斷還是異常結(jié)束中斷，分別作相應(yīng)處理?；謴?fù)被中斷進(jìn)程或由調(diào)度程序選中的進(jìn)程的CPU的現(xiàn)場(chǎng)返回被中斷的進(jìn)程，或進(jìn)入新選中的進(jìn)程繼續(xù)運(yùn)行。5.5.3 中斷處理程序的處理過程 在設(shè)備控制器控制下，I/O設(shè)備完成了I/O操作后，控制器（或通道）便向CPU發(fā)出一中斷請(qǐng)求，CPU響應(yīng)后便轉(zhuǎn)向中斷處理程序，中斷處理程序大致包含以下幾步：提高I/O速度的主要途徑：選擇性能好的磁盤采用適當(dāng)?shù)恼{(diào)度算法設(shè)置磁盤高速緩沖區(qū)5.1.1 磁盤性

42、能簡(jiǎn)述5.1.2 磁盤調(diào)度算法5.6 磁盤存儲(chǔ)管理器數(shù)據(jù)的組織盤片（Platter ）磁盤最基本的組成部分是由堅(jiān)硬金屬材料制成的涂以磁性介質(zhì)的盤片，不同容量硬盤的盤片數(shù)不等。每個(gè)盤片有兩面，都可記錄信息。磁道 (Tracks)盤片表面上以盤片中心為圓心，不同半徑的同心圓稱為磁道。扇區(qū)(Sectors) 盤片被分成許多扇形的區(qū)域，每個(gè)區(qū)域叫一個(gè)扇區(qū)，硬盤每個(gè)扇區(qū)可存儲(chǔ)512字節(jié)信息。FAT32模式下，每個(gè)扇區(qū)的容量為4KB。每個(gè)扇區(qū)的大小相當(dāng)于一個(gè)盤塊。磁頭(Heads)每個(gè)盤片的每一面都會(huì)有一個(gè)讀寫頭（read-write head），來讀取相應(yīng)盤面的內(nèi)容。習(xí)慣用磁頭號(hào)來區(qū)分。5.6.1 磁盤

43、性能簡(jiǎn)述5.6.1 磁盤性能簡(jiǎn)述柱面 (Cylinders)不同盤片相同半徑的磁道所組成的圓柱稱為柱面。磁道與柱面都是表示不同半徑的圓，在許多場(chǎng)合，磁道和柱面可以互換使用。扇區(qū)，磁道（或柱面）和磁頭數(shù)構(gòu)成了硬盤結(jié)構(gòu)的基本參數(shù)，幫這些 參數(shù)可以得到硬盤的容量，基計(jì)算公式為： 存儲(chǔ)容量磁頭數(shù)磁道（柱面）數(shù)每道扇區(qū)數(shù)每扇區(qū)字節(jié)數(shù)1.44M =28018512 磁盤的類型固定頭磁盤每條磁道上都有一個(gè)讀/寫磁頭，所有的磁頭被裝入一個(gè)磁臂通過這些磁頭可以訪問所有磁道，并進(jìn)行并行讀寫主要用于大容量磁盤移動(dòng)頭磁盤每個(gè)盤面僅有一個(gè)磁頭，被裝入一個(gè)磁臂中為能訪問盤面上的所有磁道，該磁頭必須移動(dòng)以進(jìn)行尋道只能串行讀

44、/寫，致使I/O速度較慢結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，廣泛應(yīng)用中、小型磁盤，微機(jī)上的硬盤和軟盤，都采用移動(dòng)磁頭結(jié)構(gòu)5.6.1 磁盤性能簡(jiǎn)述磁盤訪問時(shí)間尋道時(shí)間（seek time）Ts把磁頭從當(dāng)前位置移到指定磁道所經(jīng)歷的時(shí)間，一般為230毫秒，平均約為10毫秒。 Ts=m*n+ss-磁盤的啟動(dòng)時(shí)間,大約3ms；m-每移動(dòng)一條磁道所經(jīng)歷的時(shí)間，對(duì)一般磁盤：m0.3ms，對(duì)高速磁盤：m0.1ms；n-移動(dòng)的磁道數(shù)目；5.6.1 磁盤性能簡(jiǎn)述旋轉(zhuǎn)延遲時(shí)間（rotational latency time）Tr指定扇區(qū)移動(dòng)到磁頭下所經(jīng)歷的時(shí)間。 Tr=1/2r （平均情況下，需要旋轉(zhuǎn)半圈）r磁盤以秒計(jì)的旋轉(zhuǎn)速度一個(gè)7200

45、（轉(zhuǎn)/每分鐘）的硬盤，則旋轉(zhuǎn)延遲時(shí)間為 601000720024.17毫秒。一個(gè)5400（轉(zhuǎn)/每分鐘）的硬盤，旋轉(zhuǎn)延遲時(shí)間為 601000540025.56毫秒。一個(gè)300/600（轉(zhuǎn)/每分鐘）軟盤，平均旋轉(zhuǎn)延遲時(shí)間為6010003002100毫秒, 601000600250毫秒。5.6.1 磁盤性能簡(jiǎn)述傳輸時(shí)間Tt數(shù)據(jù)從磁盤讀出，或向磁盤寫數(shù)據(jù)所經(jīng)歷的時(shí)間，約為零點(diǎn)幾個(gè)毫秒,可以忽略不計(jì)。Ttb/rNb讀寫的字節(jié)數(shù) r磁盤以秒計(jì)的旋轉(zhuǎn)速度N一條磁道上的字節(jié)數(shù)訪問時(shí)間Ta=Ts+Tr+Tt=(m*n+s)+1/2r+b/rN5.6.1 磁盤性能簡(jiǎn)述移動(dòng)磁頭磁道為哪個(gè)進(jìn)程服務(wù)旋轉(zhuǎn)磁盤扇區(qū)為哪個(gè)進(jìn)

46、程服務(wù)目標(biāo)各進(jìn)程對(duì)磁盤的平均訪問時(shí)間（主要是平均尋道時(shí)間，即平均移動(dòng)的磁道數(shù)目）最小5.6.2 磁盤調(diào)度算法先來先服務(wù)FCFS（First-Come,First-Served） 最簡(jiǎn)單的磁盤調(diào)度算法，根據(jù)進(jìn)程請(qǐng)求訪問磁盤的先后次序進(jìn)行調(diào)度。優(yōu)點(diǎn) 公平、簡(jiǎn)單，每個(gè)進(jìn)程的請(qǐng)求都能依次得到處理，不會(huì)出現(xiàn)某個(gè)進(jìn)程長(zhǎng)時(shí)間得不到滿足的情況。缺點(diǎn) 未對(duì)尋道進(jìn)行優(yōu)化，平均尋道時(shí)間可能較長(zhǎng)5.6.2 磁盤調(diào)度算法5.6.2 磁盤調(diào)度算法磁頭從100#磁道開始被訪問的下一個(gè)磁道號(hào)移動(dòng)距離（磁道數(shù)）5545583391918219072160701501038112184146平均尋道長(zhǎng)度：55.3最短尋道時(shí)間優(yōu)先

47、SSTF（Shortest Seek Time First） 選擇要訪問的磁道與當(dāng)前磁頭所在的磁道距離最近的進(jìn)程優(yōu)點(diǎn)每次的尋道時(shí)間最短缺點(diǎn)不能保障平均尋道時(shí)間最短,出現(xiàn)進(jìn)程“饑餓”現(xiàn)象5.6.2 磁盤調(diào)度算法5.6.2 磁盤調(diào)度算法從100磁道開始被訪問的下一個(gè)磁道號(hào)移動(dòng)距離（磁道數(shù)）901058325533916387218201501321601018424平均尋道長(zhǎng)度：27.4掃描算法SCAN進(jìn)程“饑餓”現(xiàn)象在SSTF中，若不斷有新進(jìn)程到來，且其訪問的磁道與當(dāng)前磁道的距離較近，這種進(jìn)程被優(yōu)先執(zhí)行，而老進(jìn)程一直得不到滿足。SCAN算法不僅考慮訪問的磁道與當(dāng)前磁道的距離，更優(yōu)先考慮的是磁頭的當(dāng)前移動(dòng)方向，又稱電梯調(diào)度算法。優(yōu)點(diǎn)較好的尋道性能，又能防止進(jìn)程“饑餓”現(xiàn)象，被廣泛應(yīng)用與大、中、小型機(jī)及網(wǎng)絡(luò)中的磁盤調(diào)度缺點(diǎn)可能使進(jìn)程的請(qǐng)求被嚴(yán)重推遲5.6.2 磁盤調(diào)度算法5.6.2 磁盤調(diào)度算法從100磁道開始，向磁道號(hào)增加的方向移動(dòng)被訪問的下一個(gè)磁道號(hào)移動(dòng)距離（磁道數(shù)）1505016010184249094583255339163811820平均尋道長(zhǎng)度：27.85.6.2 磁盤調(diào)度