第五章設(shè)備管理

5.1概述

5.2I/O軟件

5.3I/O系統(tǒng)硬件

5.4有關(guān)技術(shù)

5.5設(shè)備處理

5.6典型外部設(shè)備

第一頁，共八十八頁。5.1概述5.1.1I/O管理的重要性1.I/O設(shè)備就像計算機系統(tǒng)的五官和四肢2.I/O性能經(jīng)常成為系統(tǒng)性能的瓶頸 (1)CPU性能不等于系統(tǒng)性能, 響應(yīng)時間也是一個重要因素 (2)CPU性能越高，與I/O差距越大 彌補：更多的進程 (3)進程切換多，系統(tǒng)開銷大第二頁，共八十八頁。3.操作系統(tǒng)龐大復(fù)雜的原因是：資源多、雜，并發(fā)，均來自I/O4.理解I/O的工作過程與結(jié)構(gòu)是理解操作系統(tǒng)的工作過程與結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵5.I/O技術(shù)很實用6.與其他功能聯(lián)系密切，特別是文件系統(tǒng)第三頁，共八十八頁。5.1.2設(shè)備的分類1.按使用特性分.存儲型設(shè)備

.輸入輸出型設(shè)備（交互型設(shè)備）.終端設(shè)備.脫機設(shè)備第四頁，共八十八頁。2.按數(shù)據(jù)組織分

塊設(shè)備—以數(shù)據(jù)塊為單位存儲、傳輸信息，如磁盤，磁帶。

字符設(shè)備—以字符為單位存儲、傳輸信息，如打印機，終端。第五頁，共八十八頁。3.按外部設(shè)備的從屬關(guān)系分

系統(tǒng)設(shè)備—指操作系統(tǒng)生成時，登記在系統(tǒng)中的標準設(shè)備。（如終端、打印機、磁盤機等）

用戶設(shè)備—指在系統(tǒng)生成時，未登記在系統(tǒng)中的非標準設(shè)備。對于這類設(shè)備的處理程序由用戶提供，并將其納入系統(tǒng)，由系統(tǒng)代替用戶實施管理。（如A/D，D/A轉(zhuǎn)換器，CAD所用專用設(shè)備）第六頁，共八十八頁。4.從資源分配角度分

獨占設(shè)備—在一段時間內(nèi)只能有一個進程使用的設(shè)備，一般為低速I/O設(shè)備。（如打印機，磁帶等）

共享設(shè)備—在一段時間內(nèi)可有多個進程共同使用的設(shè)備，多個進程以交叉的方式來使用設(shè)備，其資源利用率高。（如硬盤）第七頁，共八十八頁。虛擬設(shè)備—在一類設(shè)備上模擬另一類設(shè)備，常用共享設(shè)備模擬獨占設(shè)備，用高速設(shè)備模擬低速設(shè)備，被模擬的設(shè)備稱為虛擬設(shè)備。目的：將慢速的獨占設(shè)備改造成多個用戶可共享的設(shè)備，提高設(shè)備的利用率（實例：SPOOLing技術(shù)，利用虛設(shè)備技術(shù)——用硬盤模擬輸入輸出設(shè)備）第八頁，共八十八頁。5.從程序使用角度分邏輯設(shè)備物理設(shè)備6.按數(shù)據(jù)傳輸率分高速設(shè)備低速設(shè)備第九頁，共八十八頁。5.1.3設(shè)備管理的目標和任務(wù)1.按照用戶的請求，控制設(shè)備的各種操作，完成I/O設(shè)備與內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)交換（包括設(shè)備分配與回收；設(shè)備驅(qū)動程序；設(shè)備中斷處理；緩沖區(qū)管理），最終完成用戶的I/O請求第十頁，共八十八頁。設(shè)備管理功能：（1）設(shè)備分配與回收記錄設(shè)備的狀態(tài)，根據(jù)用戶的請求和設(shè)備的類型，采用一定的分配算法，選擇一條數(shù)據(jù)通路。（2）建立統(tǒng)一的獨立于設(shè)備的接口（3）完成設(shè)備驅(qū)動程序，實現(xiàn)真正的I/O操作（4）處理外部設(shè)備的中斷處理（5）管理I/O緩沖區(qū)第十一頁，共八十八頁。2.向用戶提供使用外部設(shè)備的方便接口，使用戶擺脫繁瑣的編程負擔(dān)方便性友好界面透明性邏輯設(shè)備與物理設(shè)備、屏蔽硬件細節(jié)（設(shè)備的物理細節(jié)，錯誤處理，不同I/O的差異性）第十二頁，共八十八頁。3.充分利用各種技術(shù)（通道，中斷，緩沖等）提高CPU與設(shè)備、設(shè)備與設(shè)備之間的并行工作能力，充分利用資源，提高資源利用率。并行性均衡性（使設(shè)備充分忙碌）第十三頁，共八十八頁。4.保證在多道程序環(huán)境下，當多個進程競爭使用設(shè)備時，按一定策略分配和管理各種設(shè)備，使系統(tǒng)能有條不紊地工作。5.保護設(shè)備傳送或管理的數(shù)據(jù)應(yīng)該是安全的、不被破壞的、保密的。第十四頁，共八十八頁。6.設(shè)備獨立性用戶在編制程序時，使用邏輯設(shè)備名，由系統(tǒng)實現(xiàn)從邏輯設(shè)備到物理設(shè)備（實際設(shè)備）的轉(zhuǎn)換用戶能獨立于具體物理設(shè)備而方便的使用設(shè)備第十五頁，共八十八頁。5.1.4I/O技術(shù)I/O控制方式：程序I/O方式、中斷方式、通道方式、DMA方式。這也是數(shù)據(jù)傳送控制的四種方式。I/O控制功能：解釋用戶的I/O系統(tǒng)調(diào)用；設(shè)備驅(qū)動；中斷處理。第十六頁，共八十八頁。5.2I/O軟件I/O軟件的基本思想是按分層的思想構(gòu)成，較低層軟件要使較高層軟件獨立于硬件的特性，較高層軟件則要向用戶提供一個友好的、清晰的、簡單的、功能更強的接口。第十七頁，共八十八頁。5.2.1I/O軟件的目標

在設(shè)計I/O軟件時的一個關(guān)鍵概念是設(shè)備獨立性。用戶在編寫使用軟盤或硬盤上文件的程序時，無需為不同的設(shè)備類型而修改程序就可以使用。與設(shè)備獨立性密切相關(guān)的是統(tǒng)一命名這一目標。一個文件或一個設(shè)備的名字只應(yīng)是一個簡單的字符串或一個整數(shù)，不應(yīng)依賴于設(shè)備。第十八頁，共八十八頁。

出錯處理是I/O軟件的另一個目標。一般來說，數(shù)據(jù)傳輸中的錯誤應(yīng)盡可能地在接近硬件層上處理最后一個問題是可共享設(shè)備和獨占設(shè)備的處理問題第十九頁，共八十八頁。5.2.2中斷處理每個進程在啟動一個I/O操作后阻塞直到I/O操作完成并產(chǎn)生一個中斷由操作系統(tǒng)接管CPU后喚醒該進程為止5.2.3設(shè)備驅(qū)動與設(shè)備密切相關(guān)的代碼放在設(shè)備驅(qū)動程序中，每個設(shè)備驅(qū)動程序處理一種設(shè)備類型。第二十頁，共八十八頁。5.2.4與設(shè)備無關(guān)的軟件雖然I/O軟件中一部分是設(shè)備專用的，但大部分軟件是與設(shè)備無關(guān)的。設(shè)備驅(qū)動程序與設(shè)備獨立軟件之間的確切界限是依賴于具體系統(tǒng)的。第二十一頁，共八十八頁。第二十二頁，共八十八頁。

1.獨立于設(shè)備的軟件的基本任務(wù)是實現(xiàn)所有設(shè)備都需要的功能，并且向用戶級軟件提供一個統(tǒng)一的接口。2.如何給文件和設(shè)備這樣的對象命名是操作系統(tǒng)中的一個主要課題。獨立于設(shè)備的軟件負責(zé)把設(shè)備的符號名映射到正確的設(shè)備驅(qū)動上。3.設(shè)備保護系統(tǒng)如何防止無權(quán)存取設(shè)備的用戶存取設(shè)備呢？第二十三頁，共八十八頁。

4.不同的磁盤可以采用不同的扇區(qū)尺寸。向較高層軟件掩蓋這一事實并提供大小統(tǒng)一的塊尺寸，這正是設(shè)備獨立軟件的一個任務(wù)。它可將若干扇區(qū)合成一個邏輯塊。這樣，較高層的軟件只與抽象設(shè)備打交道，獨立于物理扇區(qū)的尺寸而使用等長的邏輯塊。5.緩沖技術(shù)6.設(shè)備分配7.出錯處理

第二十四頁，共八十八頁。5.2.5用戶空間的I/O軟件盡管大部分I/O軟件都包含在操作系統(tǒng)中，但仍有一小部分是由與用戶程序連接在一起的庫過程，甚至完全由運行于核外的程序構(gòu)成。系統(tǒng)調(diào)用，包括I/O系統(tǒng)調(diào)用，通常由庫過程實現(xiàn)。這些過程所做的工作只是將系統(tǒng)調(diào)用時所用的參數(shù)放在合適的位置，由其它的I/O過程實現(xiàn)真正的操作。第二十五頁，共八十八頁。第二十六頁，共八十八頁。（1）用戶進程層執(zhí)行輸入輸出系統(tǒng)調(diào)用，對I／O數(shù)據(jù)進行格式化，為假脫機輸入／輸出作準備（2）獨立于設(shè)備的軟件實現(xiàn)設(shè)備的命名、設(shè)備的保護、成塊處理、緩沖技術(shù)和設(shè)備分配（3）設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)置設(shè)備寄存器、檢查設(shè)備的執(zhí)行狀態(tài)（4）中斷處理程序負責(zé)I／O完成時，喚醒設(shè)備驅(qū)動程序進程，進行中斷處理（5）硬件層實現(xiàn)物理I／O的操作第二十七頁，共八十八頁。5.3I/O系統(tǒng)硬件5.3.1設(shè)備組成I/O設(shè)備一般由機械和電子兩部分組成，把這兩部分分開處理，以提供更加模塊化，更加通用的設(shè)計。I/O設(shè)備特點：（1）操作異步性（2）設(shè)備自治性（3）接口通用性第二十八頁，共八十八頁。

1.物理設(shè)備機械部分是設(shè)備本身（物理裝置）2.設(shè)備控制器電子部分叫做設(shè)備控制器或適配器。在小型和微型機中，它常采用印刷電路卡插入計算機中。控制器卡上通常有一個插座，通過電纜與設(shè)備相連。控制器和設(shè)備之間的接口是一個標準接口，它符合ANSI、IEEE或ISO這樣的國際標準。第二十九頁，共八十八頁。5.3.2設(shè)備接口一次完整的I/O傳送過程，典型地由一長列低級信號組成，這些信號啟動設(shè)備所執(zhí)行的操作，并通過測試設(shè)備狀態(tài)來監(jiān)控設(shè)備操作的進展一個I/O過程由四步組成：準備啟動測試和等待結(jié)果檢查和錯誤處理通過對設(shè)備接口寄存器組的讀寫完成設(shè)備接口復(fù)雜繁瑣第三十頁，共八十八頁。5.3.3設(shè)備連接模式指I/O設(shè)備與CPU之間的連接方式，亦即將設(shè)備連接到一個計算機系統(tǒng)上的方式。在一個確定的連接模式下，從I/O設(shè)備到CPU間的所有連接成分構(gòu)成了一條I/O路徑（I/O鏈）1.總線將計算機系統(tǒng)中的各個子系統(tǒng)（CPU、內(nèi)存、外設(shè)等）相互連接，且連接是共享的線路。分為數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線

2.控制器（適配器）電子部分：完成設(shè)備與主機間的連接和通訊第三十一頁，共八十八頁。第三十二頁，共八十八頁。第三十三頁，共八十八頁。3.DMA數(shù)據(jù)在內(nèi)存與I/O設(shè)備間的直接成塊傳送。操作由DMA硬件直接完成。如下圖所示：當DMA硬件控制磁盤與存儲器之間進行信息交換時，每當磁盤把一個數(shù)據(jù)讀入控制器的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)時，DMA控制器取代CPU，接管地址總線的控制權(quán)，并按照DMA控制器中的存儲器地址寄存器內(nèi)容把數(shù)據(jù)送入相應(yīng)的內(nèi)存單元中。然后，DMA硬件自動地把傳送字節(jié)計數(shù)器減1，把存儲器地址寄存器加1，并恢復(fù)CPU對內(nèi)存的控制權(quán)，DMA控制器對每一個傳送的數(shù)據(jù)重復(fù)上述過程，直到傳送字節(jié)計數(shù)器為“0”時，向CPU產(chǎn)生一個中斷信號。當操作系統(tǒng)接管CPU控制權(quán)時，再無需做塊復(fù)制的工作了。第三十四頁，共八十八頁。寄存器第三十五頁，共八十八頁。CPU向控制器發(fā)出啟動DMA通知和有關(guān)參數(shù)控制器向內(nèi)存發(fā)出詢問請求訪問內(nèi)存（讀、寫）計數(shù)器減1發(fā)中斷NYDMA的實現(xiàn)流程結(jié)束否第三十六頁，共八十八頁。5.4設(shè)備有關(guān)技術(shù)5.4.1通道技術(shù)1.定義：通道是獨立于CPU的專門負責(zé)數(shù)據(jù)輸入/輸出傳輸工作的處理機，對外部設(shè)備實現(xiàn)統(tǒng)一管理，代替CPU對輸入/輸出操作進行控制，從而使輸入/輸出操作可與CPU并行操作。通道相當于一個功能簡單的處理機，包含通道指令（空操作，讀操作，寫操作，控制，轉(zhuǎn)移操作），并可執(zhí)行用這些指令編寫的通道程序。

第三十七頁，共八十八頁。3.分類1)字節(jié)多路通道字節(jié)多路通道以字節(jié)為單位傳輸信息，它可以分時地執(zhí)行多個通道程序。當一個通道程序控制某臺設(shè)備傳送一個字節(jié)后，通道硬件就控制轉(zhuǎn)去執(zhí)行另一個通道程序，控制另一臺設(shè)備傳送信息

主要連接以字節(jié)為單位的低速I/O設(shè)備。如打印機，終端。

2.引入通道的目的為了使CPU從I/O事務(wù)中解脫出來，同時為了提高CPU與設(shè)備，設(shè)備與設(shè)備之間的并行工作能力。第三十八頁，共八十八頁。

2)選擇通道選擇通道是以成組方式工作的，即每次傳送一批數(shù)據(jù)，故傳送速度很高。選擇通道在一段時間內(nèi)只能執(zhí)行一個通道程序，只允許一臺設(shè)備進行數(shù)據(jù)傳輸

當這臺設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸完成后，再選擇與通道連接的另一臺設(shè)備，執(zhí)行它的相應(yīng)的通道程序

主要連接磁盤，磁帶等高速I/O設(shè)備第三十九頁，共八十八頁。

3)成組多路通道它結(jié)合了選擇通道傳送速度高和字節(jié)多路通道能進行分時并行操作的優(yōu)點。它先為一臺設(shè)備執(zhí)行一條通道指令，然后自動轉(zhuǎn)接，為另一臺設(shè)備執(zhí)行一條通道指令

主要連接高速設(shè)備

執(zhí)行通道程序，向控制器發(fā)出命令，并具有向CPU發(fā)中斷信號的功能。一旦CPU發(fā)出指令，啟動通道，則通道獨立于CPU工作。一個通道可連接多個控制器，一個控制器可連接多個設(shè)備，形成樹形交叉連接。

第四十頁，共八十八頁。第四十一頁，共八十八頁。交叉連接第四十二頁，共八十八頁。5.4.2Spooling技術(shù)

Spooling（SimultaneausPeriphernalOperatingOn-Line）技術(shù)是以通道為基礎(chǔ)，在操作系統(tǒng)的配合下，實現(xiàn)聯(lián)機情況下輸入、輸出外圍操作同時進行，也稱為假脫機操作。當系統(tǒng)引入多道程序技術(shù)后，完全可以用其中的一道程序模擬脫機輸入時的外圍控制機功能，把低速I/O設(shè)備上的數(shù)據(jù)傳送到高速磁盤上；再用其中的另一道程序模擬脫機輸出時的外圍控制機功能，把數(shù)據(jù)從磁盤傳送到低速輸出設(shè)備上。這樣就緩和了CPU的高速性與I/O的低速之間的矛盾。第四十三頁，共八十八頁。Spooling系統(tǒng)主要功能將輸入設(shè)備上的信息寫到輔存輸入井上；系統(tǒng)或用戶程序從輸入井中讀信息；系統(tǒng)或用戶程序?qū)?shù)據(jù)寫到輸出井中將從輸出井中數(shù)據(jù)交給慢速輸出設(shè)備。第四十四頁，共八十八頁。5.4.3DMA技術(shù)DMA(directmemoryaccess)方式與中斷方式的主要區(qū)別中斷方式是在數(shù)據(jù)緩沖寄存區(qū)滿后，發(fā)中斷請求，CPU進行中斷處理；DMA方式則是在所要求傳送的數(shù)據(jù)塊全部傳送結(jié)束時要求CPU進行中斷處理，大大減少了CPU進行中斷處理的次數(shù)。中斷方式的數(shù)據(jù)傳送是由CPU控制完成的；而DMA方式則是在DMA控制器的控制下不經(jīng)過CPU控制完成的。第四十五頁，共八十八頁?？刂破靼凑罩付ù鎯ζ鞯刂?，把第一個字節(jié)送入主存，然后，按指定字節(jié)數(shù)進行數(shù)據(jù)傳送，每當傳送一個字節(jié)后，字節(jié)計數(shù)器值減1，直到字節(jié)計數(shù)器等于0此時，控制器引發(fā)中斷，通知操作系統(tǒng)，操作完成。CPU提供被讀取塊磁盤地址目標存儲地址待讀取字節(jié)數(shù)整塊數(shù)據(jù)讀進緩沖區(qū)核準校驗DMA工作示例（以硬盤為例）第四十六頁，共八十八頁。DMA工作原理存放輸入數(shù)據(jù)的內(nèi)存起始地址、要傳送的字節(jié)數(shù)送入DMA控制器的內(nèi)存地址寄存器和傳送字節(jié)計數(shù)器中斷允許位和啟動位置成1，啟動設(shè)備發(fā)出傳輸要求的進程進入等待狀態(tài)執(zhí)行指令被暫時掛起，進程調(diào)度其他進程占據(jù)CPU輸入設(shè)備不斷竊取CPU工作周期，數(shù)據(jù)不斷寫入內(nèi)存?zhèn)魉屯戤叄l(fā)出中斷信號CPU接到中斷信號轉(zhuǎn)入中斷處理程序處理中斷處理結(jié)束，CPU返回原進程或切換到新的進程第四十七頁，共八十八頁。5.4.4緩沖技術(shù)1.緩沖（Buffer）技術(shù)的引入凡是數(shù)據(jù)到達和離去速度不匹配的地方均可采用緩沖技術(shù)。在操作系統(tǒng)中采用緩沖是為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)的I/O操作，以緩解CPU與外部設(shè)備之間速度不匹配的矛盾，提高資源利用率。緩沖技術(shù)減少了I/O設(shè)備對處理器的中斷請求次數(shù)簡化了中斷機制節(jié)省了系統(tǒng)開銷第四十八頁，共八十八頁。2.緩沖區(qū)設(shè)置硬緩沖：在設(shè)備中設(shè)置緩沖區(qū)，由硬件實現(xiàn)軟緩沖：在內(nèi)存中開辟一個空間，用作緩沖區(qū)3.緩沖區(qū)管理單緩沖雙緩沖緩沖池：多個緩沖區(qū)連接起來統(tǒng)一管理，構(gòu)成緩沖池，池中設(shè)置了多個可供若干進程共享的緩沖區(qū)，避免內(nèi)存的大量消耗。第四十九頁，共八十八頁。4.CPU高速緩沖在計算機中，為了減少CPU的等待時間，必須提高系統(tǒng)主存儲器的響應(yīng)速度為此使用了高速緩存，用來存儲CPU常用的代碼和數(shù)據(jù)信息

在主存和CPU通用寄存器之間設(shè)置一個高速的容量相對較小的存儲器，把正在執(zhí)行的指令地址附近的一部分指令或數(shù)據(jù)從主存調(diào)入這個存儲器，供CPU在一段時間內(nèi)使用。這對提高運行速度有很大的作用。第五十頁，共八十八頁。高速緩沖空間與主存空間在一定范圍內(nèi)保持適當比例的映射關(guān)系，一般規(guī)定高速緩沖與內(nèi)存的空間比為4：1000，即128kB高速緩沖可映射32MB內(nèi)存，256kB高速緩沖可映射64MB內(nèi)存。緩沖技術(shù)與虛擬設(shè)備技術(shù)的區(qū)別：目的不同前者解決速度匹配問題，后者將獨占設(shè)備轉(zhuǎn)化為共享設(shè)備。存貯空間不同前者使用內(nèi)存，后者使用外存。第五十一頁，共八十八頁。5.4.5總線技術(shù)新一代計算機出現(xiàn)，帶來了總線技術(shù)的更新。1.總線的基本概念在計算機系統(tǒng)內(nèi)各種子系統(tǒng)，如CPU、內(nèi)存、I/O設(shè)備等之間，構(gòu)建公用的信號或數(shù)據(jù)傳輸通道，這種可共享連接的傳輸通道稱為總線。第五十二頁，共八十八頁?？偩€的分類CPU-內(nèi)存總線I/O總線數(shù)據(jù)總線地址總線控制總線（非本課程范圍）2.總線的分類第五十三頁，共八十八頁。微型計算機總線的種類和發(fā)展PC／XT總線ISA總線MCA總線EISA總線VESA總線PCI總線USB總線…...(過時)1394總線SCSI總線第五十四頁，共八十八頁。

3.USB技術(shù)USB（UniversalSerialBus）通用串行總線，是一種連接I/O串行設(shè)備的技術(shù)標準。沖破了計算機技術(shù)發(fā)展的兩個歷史局限性：（1）由于I/O設(shè)備的接口標準的不一致和有限的接口數(shù)量已無法滿足各種應(yīng)用迫切需要；（2）傳統(tǒng)的I/O設(shè)備的接口無法滿足實時數(shù)據(jù)傳輸與多媒體應(yīng)用的需求。USB以WDM（WindowsDriverModel）模型為基礎(chǔ)，WDM包含一套通用的I/O服務(wù)和二進制兼容的設(shè)備驅(qū)動程序。第五十五頁，共八十八頁。USB支持同步數(shù)據(jù)傳輸方式和異步數(shù)據(jù)傳輸方式，其數(shù)據(jù)傳輸率有低速1．5Mbps和全速12Mbps兩種，比標準串口快100倍，比標準并口快10倍USB可以主動為外部設(shè)備提供電源，允許外部設(shè)備快速連接，具有即插即用的功能允許外部設(shè)備的熱插拔4.SCSI接口技術(shù)

SCSI（SmallComputerSystemInterface）即小型計算機系統(tǒng)接口。第五十六頁，共八十八頁。SCSI系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第五十七頁，共八十八頁。5.4.6即插即用技術(shù)(PlugandPlay）計算機系統(tǒng)I/O設(shè)備與部件配置的應(yīng)用技術(shù)。不需要進行任何設(shè)置操作。PnP技術(shù)的產(chǎn)生由于一個系統(tǒng)可以配置多種外部設(shè)備，設(shè)備也經(jīng)常變動和更換，它們都要占有一定的系統(tǒng)資源，彼此間在硬件和軟件上可能會產(chǎn)生沖突。因此在系統(tǒng)中要正確地對它們進行配置和資源匹配；當設(shè)備撤除、添置和進行系統(tǒng)升級時，配置過程往往是一個困難的過程。第五十八頁，共八十八頁。PnP技術(shù)的特點：（1）支持I/O設(shè)備及部件的自動配置，使用戶能夠簡單方便地使用系統(tǒng)擴充設(shè)備；（2）減少由制造商裝入的種種用戶支持和限制，簡化部件的硬件跳接設(shè)置，使I/O附加卡和部件不再具有人工跳接線設(shè)置電路；（3）在主機板和附加卡上保存系統(tǒng)資源的配置參數(shù)和分配狀態(tài)，有利于系統(tǒng)對整個I/O資源的分配和控制；（4）支持和兼容各種操作系統(tǒng)平臺，具有很強的擴展性和可移植性；（5）在一定程度上具有“熱插入”、“熱拼接”技術(shù)。第五十九頁，共八十八頁。5.5設(shè)備處理5.5.1設(shè)備分配與回收當某進程向系統(tǒng)提出I/O請求時，設(shè)備分配程序按一定策略分配設(shè)備、控制器和通道，形成一條數(shù)據(jù)傳輸通路，以供主機和設(shè)備間信息交換。

設(shè)備獨立性：即不能因為設(shè)備的忙碌、故障或更換而影響程序的運行,向用戶屏蔽物理設(shè)備,呈現(xiàn)給用戶的一個操作簡單的邏輯設(shè)備。第六十頁，共八十八頁。1.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：設(shè)備控制表DCT主要內(nèi)容：設(shè)備類型、設(shè)備標識符、設(shè)備狀態(tài)、指向控制器表指針、重復(fù)執(zhí)行的次數(shù)或時間、等待隊列的隊首指針、I/O程序地址等。

DCT1DCT2DCTn設(shè)備類型設(shè)備標識符設(shè)備狀態(tài)指向控制器表的指針重復(fù)執(zhí)行次數(shù)或時間設(shè)備隊列的隊首指針設(shè)備控制器表集合第六十一頁，共八十八頁。系統(tǒng)設(shè)備表SDT整個系統(tǒng)一張表，記錄系統(tǒng)中所有I/O設(shè)備的信息，表目包括：設(shè)備類型、設(shè)備標識符、進程標識符、DCT表指針等。表目1·

··表目i·

··設(shè)備類型設(shè)備標識符進程標識符DCT驅(qū)動程序入口·

··第六十二頁，共八十八頁。此外還有控制器控制表COCT和通道控制表CHCT，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)見書P162。

根據(jù)用戶請求的I/O設(shè)備的邏輯名，查找邏輯設(shè)備和物理設(shè)備的映射表；以物理設(shè)備為索引，查找SDT，找到該設(shè)備所連接的DCT；繼續(xù)查找與該設(shè)備連接的COCT和CHCT，就找到了一條通路。第六十三頁，共八十八頁。2.設(shè)備分配策略由于在多道程序系統(tǒng)中，進程數(shù)多于資源數(shù)，引起資源的競爭。因此，要有一套合理的分配原則?？紤]的因素：*I/O設(shè)備的固有屬性*I/O設(shè)備的分配算法*設(shè)備分配的安全性*與設(shè)備的無關(guān)性第六十四頁，共八十八頁。1)獨占設(shè)備的分配

靜態(tài)分配—在進程運行前,完成設(shè)備分配；運行結(jié)束時，收回設(shè)備。優(yōu)點：實現(xiàn)簡單，不會死鎖。缺點：設(shè)備利用率低。

動態(tài)分配—在進程運行過程中，當用戶提出設(shè)備要求時，進行分配，一旦停止使用立即收回。優(yōu)點：效率缺點：分配策略不好時,產(chǎn)生死鎖。第六十五頁，共八十八頁。2)共享設(shè)備分配在作業(yè)調(diào)度時僅作出靜態(tài)決定，進程執(zhí)行時，才進行動態(tài)分配，即將I/O請求形成I/O請求塊并按一定的原則加入到設(shè)備等待隊列。第六十六頁，共八十八頁。5.5.2設(shè)備驅(qū)動程序為了控制I/O傳輸，實現(xiàn)I/O進程與設(shè)備控制器之間的通信，系統(tǒng)為每類設(shè)備編制設(shè)備驅(qū)動程序。任務(wù)主要負責(zé)接收和分析從設(shè)備分配轉(zhuǎn)來的信息，并根據(jù)設(shè)備分配的結(jié)果，結(jié)合具體物理設(shè)備特性完成以下具體工作：第六十七頁，共八十八頁。(1)預(yù)置設(shè)備的初始狀態(tài)(2)根據(jù)請求傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，組織I/O緩沖隊列，利用I/O緩沖對數(shù)據(jù)進行加工，包括數(shù)據(jù)格式處理和編碼轉(zhuǎn)換(3)構(gòu)造I/O程序（在有通道系統(tǒng)中，是通道程序）(4)啟動設(shè)備進行I/O操作第六十八頁，共八十八頁。5.5.3I/O中斷處理程序設(shè)備控制器向CPU發(fā)送一個中斷請求，CPU響應(yīng)后便轉(zhuǎn)向中斷處理程序，處理來自設(shè)備或通道的中斷。5.5.4I/O操作過程請求I/O的進程、I/O過程（I/O控制的接口程序）、設(shè)備處理程序、中斷處理程序。I/O進程。幾者之間關(guān)系如圖。第六十九頁，共八十八頁。標識設(shè)備；執(zhí)行出錯檢查；構(gòu)成iorb；加入請求隊列；喚醒因等I/O請求塊而睡眠的I/O進程；取iorb；如無iorb則等；啟動I/O操作；//等I/O完成；執(zhí)行出錯檢查；...喚醒等I/O的進程；I/O設(shè)備...中斷服務(wù)；喚醒I/O進程；......doio(ldev,addr,…)//等I/O完成...請求I/O的用戶進程I/O過程I/O處理程序中斷處理程序OS界面控制關(guān)系同步關(guān)系第七十頁，共八十八頁。I/O中斷的進入當I/O中斷發(fā)生時，內(nèi)核中的中斷處理程序發(fā)一條消息給I/O進程，由I/O進程負責(zé)判斷并處理中斷I/O進程是系統(tǒng)進程，一般賦予最高優(yōu)先級。一旦被喚醒，它可以很快搶占處理機投入運行。第七十一頁，共八十八頁。5.6典型外部設(shè)備

5.6.1磁盤5.6.2時鐘5.6.3終端5.6.4網(wǎng)絡(luò)I/O設(shè)備

第七十二頁，共八十八頁。5.6.1磁盤幾乎所有計算機都使用磁盤來存儲信息。從存儲角度，與內(nèi)存比較起來，磁盤有三個主要的優(yōu)點：可用的存儲容量非常大價格非常低電源關(guān)掉后信息不會丟失第七十三頁，共八十八頁。1.磁盤結(jié)構(gòu)磁盤包括一或多個盤片每片兩面；每面分成若干條磁道（一般為500—2000），磁道間留有間歇；每條磁道又被分成許多扇區(qū)（一般為10—100），扇區(qū)間留有間歇；每條磁道上扇區(qū)數(shù)目典型為8至32，每個扇區(qū)包含相同的字節(jié)數(shù)實際的硬盤都組織成許多柱面；磁盤格式化，見P172圖5-22。第七十四頁，共八十八頁。2.RAM盤RAM盤的思想很簡單，它使用預(yù)先分配的主存來存儲數(shù)據(jù)塊。RAM盤具有立即存取的優(yōu)點（沒有尋道和旋轉(zhuǎn)延遲），適用于存儲需要頻繁存取的程序和數(shù)據(jù)。實現(xiàn)RAM盤的思想：根據(jù)為RAM盤分配內(nèi)存的大小，RAM盤被分成n塊，每塊的大小與實際磁盤塊的大小相同。當驅(qū)動程序接收到一條讀寫一塊的消息時，它只計算被請求的塊在RAM盤存儲區(qū)的位置，并讀出或?qū)懭朐搲K，而不對軟盤或硬盤進行讀寫。第七十五頁，共八十八頁。5.6.2時鐘

時鐘（clock），又稱為定時器（timer）(1)時鐘負責(zé)提供一天的時間(2)防止一個進程壟斷CPU

第七十六頁，共八十八頁。1.時鐘硬件兩種類型：比較簡單的時鐘被連到110V或220V的電源線上，每個電壓周期產(chǎn)生一個中斷，頻率是50Hz或60Hz。另一種時鐘由三個部件構(gòu)成：晶體振蕩器、計數(shù)器和存儲寄存器石英晶體產(chǎn)生的精確的周期信號，典型的范圍是5到100MHz信號送到到計數(shù)器，使其遞減計數(shù)至0。當計數(shù)器變?yōu)?時，產(chǎn)生一個CPU中斷信號。第七十七頁，共八十八頁。2.時鐘軟件時鐘硬件所做的工作是每隔一定的時間間隔產(chǎn)生一個中斷。涉及時間的其他所有工作都必須由軟件—時鐘驅(qū)動程序完成。時鐘軟件功能：

1．維護日期時間2．防止進程超時運行3．對CPU的使用情況記帳4．處理用戶進程提出的ALARM系統(tǒng)調(diào)用5．為系統(tǒng)本身各部分提供監(jiān)視定時器6．繪制CPU運行直方圖，完成監(jiān)視和統(tǒng)計信息收集第七十八頁，共八十八頁。5.6.3終端每臺計算機都配有一個或多個終端與之通信為了使操作系統(tǒng)中與設(shè)備無關(guān)部分和用戶程序?qū)τ诓煌吞柕慕K端不必重寫，終端驅(qū)動程序隱藏了各種類型終端的差異第七十九頁，共八十八頁。終端硬件根據(jù)與操作系統(tǒng)的通信方法將終端分為兩大類：（1）RS－232標準接口（2）存儲映像終端RS－232終端由鍵盤和顯示器構(gòu)成，通過串行接口一次一位地與計算機系統(tǒng)進行通信。這些終端使用25針的連接器，其中一針用于發(fā)送數(shù)據(jù)，一針用于接收數(shù)據(jù)，一針接地，其余22針用于各種控制功能（大部分未使用）計算機和終端以字符作為處理對象，而通信時卻是通過串行口一次一位地進行需要完成字符到位串與位串到字符的轉(zhuǎn)換第八十頁，共八十八頁。智能CRT終端實際是一微小型計算機它們帶有一個CPU和存儲器，通常在EPROM或ROM中存儲了復(fù)雜的程序從操作系統(tǒng)的角度，玻璃終端和智能終端的主要不同點是：后者理解特殊的轉(zhuǎn)義序列最高檔的智能終端中包含了與主計算機能力相同的CPU，以及以兆字節(jié)為單位的內(nèi)存，可以從計算機系統(tǒng)下載任何程序終端硬件第八十一頁，共八十八頁。存儲映像終端本身是計算機的組成部分通過專用存儲器接口與計算機通信，稱為視頻RAM（videoRAM），是計算機地址空間的一部分，CPU對它的尋址與對其他存儲器的尋址是一樣視頻控制器(videocontroller)，從視頻RAM中取出字符，產(chǎn)生用于驅(qū)動顯示器視頻信號當CPU將一個字符寫到