第五章設(shè)備管理5.1I/O系統(tǒng)I/O系統(tǒng)：實現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入、輸出及數(shù)據(jù)存儲的系統(tǒng)。包括：設(shè)備、設(shè)備控制器、高速總線、通道。I/O設(shè)備類型使用特性：存儲設(shè)備、輸入輸出設(shè)備速度：低：鍵盤、中：打印機、高：磁盤。信息交換單位：塊設(shè)備：磁盤、字符設(shè)備：打印機設(shè)備的共享屬性：獨占設(shè)備：臨界資源、共享設(shè)備：磁盤、虛擬設(shè)備：將獨占設(shè)備虛擬為幾個邏輯設(shè)備。I/O設(shè)備與控制器之間的接口設(shè)備不直接與CPU通信，而與設(shè)備控制器通信。CPU―――設(shè)備控制器―――設(shè)備I/O設(shè)備與設(shè)備控制器間有三種類型的信號，各對應(yīng)一條信號線。數(shù)據(jù)信號：雙向，有緩存控制信號：控制器發(fā)給設(shè)備；要求其完成相關(guān)操作狀態(tài)信號：設(shè)備發(fā)給控制器，顯示設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)設(shè)備控制器接收從CPU發(fā)來的命令，并控制I/O設(shè)備工作。I/O通道在CPU與I/O設(shè)備之間增加設(shè)備控制器，減少了CPU對I/O的干預(yù)，但當(dāng)系統(tǒng)配置的設(shè)備較多時，I/O操作較為頻繁，CPU可能完全陷入I/O處理，降低計算機系統(tǒng)的效率，解決的方法就是用通道技術(shù)。通道：專門處理I/O操作的處理機。通道在CPU的控制下獨立地執(zhí)行通道程序，對外部設(shè)備的I/O操作進行控制，實現(xiàn)內(nèi)存與外設(shè)之間成批的數(shù)據(jù)交換。 通道=I/O處理機單通路I/O系統(tǒng)多通路I/O系統(tǒng)總線系統(tǒng)5.2I/O控制方式四個階段：程序I/O——中斷——DMA——通道。趨勢：提高主機與設(shè)備的并行度。程序I/O方式CPU等待I/OCPU資源浪費極大例：從終端向內(nèi)存輸入一個字符用100ms，其中99.9ms設(shè)備進行輸入工作，CPU將字符送入內(nèi)存用0.1ms，99.9ms+0.1ms=100msCPU有99.9ms在忙等中斷驅(qū)動I/O控制方式例：從終端向內(nèi)存輸入一個字符用100ms，其中99.9ms設(shè)備進行輸入工作，CPU將字符送入內(nèi)存用0.1ms，99.9ms+0.1ms=100msCPU利用99.9ms的時間處理其他任務(wù)，I/O完成后由控制器發(fā)出中斷信號。直接存儲器訪問（DMA）I/O控制方式中斷I/O方式，每傳送一個“字節(jié)”產(chǎn)生一次中斷。不利于塊設(shè)備的I/O。DMA：每傳送一個數(shù)據(jù)塊中斷一次。設(shè)備與內(nèi)存直接交換數(shù)據(jù)。DMA控制器的組成CR（命令/狀態(tài)）;DR（數(shù)據(jù)寄存器）;MAR（內(nèi)存地址）;DC（數(shù)據(jù)計數(shù)器）DMA方式的工作流程CR（命令/狀態(tài)）;DR（數(shù)據(jù)寄存器）;MAR（內(nèi)存地址）;DC（數(shù)據(jù)計數(shù)器）I/O通道控制方式

DMA方式：對離散塊的讀取仍需要多次中斷。通道方式：CPU只需給出通道程序首址、要訪問I/O設(shè)備，通道程序可完成一組塊操作。例：六條通道指令組成的通道程序。

操作PRecord計數(shù)內(nèi)存地址Write0080813Write001401034Write01605830Write013002000Write002501850Write11250720通道是一種特殊的（），具有（）能力。主機的CPU與通道可以并行工作，并通過（）實現(xiàn)彼此之間的通信和同步。1、I/O設(shè)備2、設(shè)備控制器3、處理機4、I/O控制器1、執(zhí)行I/O指令集2、執(zhí)行CPU指令集3、傳輸I/O命令4、運行I/O進程1、I/O指令2、I/O中斷3、I/O指令和I/O中斷4、操作員如果I/O設(shè)備與存儲設(shè)備進行數(shù)據(jù)交換不經(jīng)過CPU來完成，這種數(shù)據(jù)交換方式是_____。A、程序查詢B、中斷方式C、DMA方式在中斷驅(qū)動方式中，CPU是以______為單位對I/O進行干預(yù)的；DMA方式時，是以______為單位進行干預(yù)的；I/O通道方式是以______為單位進行干預(yù)的。5.3緩沖管理緩沖的引入緩沖區(qū)是在內(nèi)存劃出的一定區(qū)域。1.緩和CPU和I/O設(shè)備間速度不匹配的矛盾。 如：計算——打印buffer——打印2.減少對CPU的中斷頻率 如：buffer越大，“buffer滿”信號發(fā)生頻率越低。3.提高CPU和I/O并行性單緩沖：當(dāng)進程發(fā)出一I/O請求時，OS為之分配一緩沖區(qū)。雙緩沖：為加快輸入輸出速度，引入雙緩沖技術(shù)。原理：首先輸入設(shè)備向buf1填入數(shù)據(jù)，進程從buf1提取數(shù)據(jù)，同時，輸入設(shè)備向buf2中填數(shù)據(jù)。當(dāng)buf1取空時，進程又從buf2中提取數(shù)據(jù)，與此同時輸入設(shè)備向buf1填數(shù)。如此交替使用兩個緩沖區(qū)，使CPU和設(shè)備的并行操作的程度進一步提高。

循環(huán)緩沖：當(dāng)生產(chǎn)和消費數(shù)據(jù)的速度相差甚遠時，要增加緩沖區(qū)的數(shù)量，引入循環(huán)緩沖技術(shù)。

類型：R:空緩沖；G：滿緩沖；C：當(dāng)前緩沖緩沖池：循環(huán)緩沖區(qū)一般用于特定的進程，屬于專用緩沖區(qū)，當(dāng)系統(tǒng)較大時，為提高緩沖區(qū)的利用率，使用公用緩沖池，池中的緩沖區(qū)可供多個進程共享。相同類型緩沖區(qū)鏈成一個隊列，形成以下三個隊列：空緩沖隊列emq、輸入隊列inq、輸出隊列outq。四個工作緩沖區(qū)：hin：收容輸入數(shù)據(jù)（空）sin：提取輸入數(shù)據(jù)（裝滿輸入數(shù)據(jù)）hout：收容輸出數(shù)據(jù)（空）sout：提取輸出數(shù)據(jù)（裝滿輸出數(shù)據(jù)）5.4I/O軟件I/O軟件層次結(jié)構(gòu)：低層軟件實現(xiàn)與硬件相關(guān)的操作，高層軟件向用戶提供一個友好、規(guī)范、清晰的界面I/O軟件設(shè)計的具體目標：①設(shè)備獨立性。屏蔽設(shè)備細節(jié)。②統(tǒng)一命名。使用設(shè)備邏輯名。③對錯誤的處理。在低層解決錯誤。④緩沖技術(shù)。屏蔽緩沖區(qū)差異。⑤設(shè)備的分配和釋放。避免死鎖。⑥I/O控制方式。屏蔽不同I/O控制方式的差異。產(chǎn)生I/O請求，格式化I/O;Spooling映射，保護，分塊，緩沖，分配建立設(shè)備寄存器；檢查狀態(tài)當(dāng)I/O結(jié)束時，喚醒驅(qū)動器執(zhí)行I/O操作I/O軟件層次及功能中斷處理流程設(shè)備驅(qū)動程序的處理過程將抽象要求轉(zhuǎn)化為具體要求檢查I/O請求的合法性讀出和檢查設(shè)備的狀態(tài)傳送必要的參數(shù)設(shè)置工作方式啟動I/O設(shè)備設(shè)備獨立性概念（設(shè)備無關(guān)性）應(yīng)用程序獨立于具體使用的物理設(shè)備。在應(yīng)用程序中，使用邏輯設(shè)備名稱來請求使用某類設(shè)備。系統(tǒng)在實際執(zhí)行時，必須使用物理設(shè)備名稱。設(shè)備獨立性軟件驅(qū)動程序是一個與硬件緊密相關(guān)的軟件，為了實現(xiàn)設(shè)備獨立性，必須在其上設(shè)置一層軟件稱為設(shè)備獨立性軟件。用戶層的I/O軟件大部分的I/O軟件都在操作系統(tǒng)內(nèi)部，有一小部分在用戶層，包括與用戶程序鏈接在一起的庫函數(shù)，以及完全運行于內(nèi)核之外的一些程序。用戶層軟件必須通過一組系統(tǒng)調(diào)用來取得操作系統(tǒng)的服務(wù)。練習(xí)設(shè)備驅(qū)動程序與（）密切相關(guān)，如果計算機中配置有一個光盤，一個軟盤，一個硬盤，此時應(yīng)為它們配置（）種外存設(shè)備驅(qū)動程序。如果系統(tǒng)中連接有四個相同的終端設(shè)備，此時應(yīng)為它們配置（）個終端設(shè)備驅(qū)動程序。程序員利用系統(tǒng)調(diào)用打開I/O設(shè)備時，通常使用的設(shè)備標識是（）A.邏輯設(shè)備名B.物理設(shè)備名C.主設(shè)備號D.從設(shè)備號本地用戶通過鍵盤登陸系統(tǒng)，首先獲得鍵盤輸入信息的程序時()。A.命令解釋程序B.中斷處理程序 C.系統(tǒng)調(diào)用程序 D.用戶登錄程序下列選項中，操作系統(tǒng)提供的給應(yīng)用程序的接口是（）。A、系統(tǒng)調(diào)用B、中斷C、庫函數(shù)D、原語5.5設(shè)備分配

設(shè)備分配中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括：對設(shè)備、設(shè)備控制器、通道的分配設(shè)備控制表設(shè)備控制表集合（每個設(shè)備一張）控制器控制表，通道表，系統(tǒng)設(shè)備表系統(tǒng)設(shè)備表：整個系統(tǒng)一張，記錄了系統(tǒng)中全部設(shè)備及其驅(qū)動程序地址。設(shè)備分配應(yīng)考慮的若干因素設(shè)備的固有屬性：共享+虛擬：注意調(diào)度的合理性；獨占：排它性分配，控制不好可能死鎖。分配算法：先來先服務(wù)；優(yōu)先級高者優(yōu)先。安全性：安全分配：每進程獲得一I/O后，即block，直到其I/O完成。不安全分配：需進行安全性檢查，進程執(zhí)行效率高。獨占設(shè)備分配程序基本的設(shè)備分配程序分配設(shè)備分配控制器分配通道設(shè)備分配程序的改進增加設(shè)備的獨立性（申請的同類設(shè)備都忙，才阻塞）考慮多通路情況(所有控制器或通道都忙，進程才進入阻塞)SPOOLing技術(shù)通過多道程序技術(shù)將一臺物理CPU虛擬為多臺邏輯CPU，實現(xiàn)多個用戶共享一臺主機。通過SPOOLing技術(shù)將一臺物理I/O設(shè)備虛擬為多臺邏輯I/O設(shè)備，實現(xiàn)多個用戶共享一臺物理I/O設(shè)備。脫機輸入輸出方式SPOOLing技術(shù)（假脫機技術(shù)）：在多道程序環(huán)境下，利用多道程序中的兩道程序模擬脫機輸入輸出中外圍機的功能，達到“脫機”輸入輸出的目的。作用：通過緩沖方式，將獨占設(shè)備改造為共享設(shè)備

SPOOLing系統(tǒng)的組成輸入設(shè)備輸出設(shè)備輸入進程輸出進程內(nèi)存輸入緩沖區(qū)內(nèi)存輸出緩沖區(qū)磁盤輸出井磁盤輸入井對低速設(shè)備操作——>變?yōu)閷斎?出井操作。輸入井：暫存I/O設(shè)備輸入的數(shù)據(jù)輸出井：暫存用戶程序的輸出數(shù)據(jù)輸入緩沖區(qū)：暫存由輸入設(shè)備送來的數(shù)據(jù)，以后再傳送到輸入井輸出緩沖區(qū)：暫存從輸出井送來的數(shù)據(jù)，以后再傳送給輸出設(shè)備Spooling實例輸入進程n請求輸入―>SPi為n在輸入井中分配空間—>設(shè)備數(shù)據(jù)由輸入buf送輸入井CPU空閑—送到內(nèi)存執(zhí)行。輸出：（打?。┻M程n請求打印—>SPo為n在輸出井中申請磁盤空間—>將數(shù)據(jù)由內(nèi)存轉(zhuǎn)到輸出井打印機空—>取輸出井中對應(yīng)數(shù)據(jù)—>輸出buf—>打印SPOOLing系統(tǒng)的特點

提高了I/O的速度。將獨占設(shè)備改造為共享設(shè)備。實現(xiàn)了虛擬設(shè)備功能。練習(xí)1、在采用SPOOLing技術(shù)的系統(tǒng)中，用戶的打印數(shù)據(jù)首先被送到（）A.打印機B.磁盤固定區(qū)域C.內(nèi)存固定區(qū)域D.終端2、實現(xiàn)SPOOLing系統(tǒng)時必須在磁盤上辟出稱為__________和__________的專門區(qū)域，以存放作業(yè)信息和作業(yè)執(zhí)行結(jié)果。

5.6磁盤存儲器的管理磁盤的結(jié)構(gòu)和布局

工作時，磁頭懸浮在盤片上方，不與盤片直接接觸。磁頭在高速旋轉(zhuǎn)的盤片上做徑向移動。磁頭首先處于0磁道，完成讀寫經(jīng)歷三個階段：尋道：磁頭沿徑向移動，移到目標扇區(qū)所在磁道的上方。尋道時間TS旋轉(zhuǎn)延遲：找到目標磁道后通過盤片的旋轉(zhuǎn)，使目標扇區(qū)轉(zhuǎn)到磁頭的下方。旋轉(zhuǎn)延遲時間Tr數(shù)據(jù)傳輸：數(shù)據(jù)在磁盤與內(nèi)存之間的實際傳輸。數(shù)據(jù)傳輸時間Tt訪問時間：Ta=Ts+Tr+Tt集中放數(shù)據(jù)，能更好提高傳輸效率。練習(xí)磁盤上的每一個物理塊要用三個參數(shù)來定位，首先要把移動臂移動并定位到不同盤面上具有相同編號的磁道位置，表示該位置的參數(shù)稱（）號。

A．柱面

B．盤面

C．扇區(qū)

D．磁頭

設(shè)磁盤的轉(zhuǎn)速為10ms/轉(zhuǎn)，盤面劃分10個扇區(qū)，當(dāng)前磁頭在第三塊的開始位置，則花費（）毫秒的時間可以把第二塊的信息讀到主存（假設(shè)，旋轉(zhuǎn)是按由塊號從小到大方向的）

A、1

B、2

C、9

D、10磁盤調(diào)度算法當(dāng)多個訪盤請求在等待時，采用一定的調(diào)度算法，對這些請求的服務(wù)順序調(diào)整安排，減少設(shè)備機械運動帶來的時間浪費。1先來先服務(wù)FCFS2最短尋道時間優(yōu)先SSTF3掃描（SCAN）算法4循環(huán)掃描（CSCAN）算法先來先服務(wù)FCFS最短尋道時間優(yōu)先SSTF掃描（SCAN）算法

循環(huán)掃描(CSCAN)算法

假設(shè)磁盤訪問序列：98，183，37，122，14，124，65，67讀寫頭起始位置：53安排磁頭服務(wù)序列計算磁頭移動總距離（道數(shù)）例先來先服務(wù)圖解98，183，37，122，14，124，65，67磁頭走過的總道數(shù)：640