第4章設(shè)備管理4.1設(shè)備管理概述4.2輸入輸出系統(tǒng)4.3設(shè)備分配與回收4.4設(shè)備處理4.5設(shè)備管理采用的技術(shù)4.1設(shè)備管理概述設(shè)備是指計算機系統(tǒng)中的外部設(shè)備，它包括外存、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備（I/O設(shè)備）。設(shè)備管理是操作系統(tǒng)的主要功能之一，它是在多道程序設(shè)計環(huán)境下，研究如何讓多個用戶作業(yè)同時使用輸入輸出設(shè)備，充分發(fā)揮設(shè)備作用的問題。4.1.1設(shè)備管理的主要任務(wù)設(shè)備管理的主要任務(wù)是完成用戶提出的輸入輸出請求，為用戶分配輸入輸出設(shè)備，提高CPU與輸入輸出設(shè)備的利用率，提高輸入輸出設(shè)備的速度，方便用戶使用輸入輸出設(shè)備。4.1.2設(shè)備管理的主要功能緩沖管理管理好各種類型的緩沖區(qū)，協(xié)調(diào)各類設(shè)備的工作速度，提高系統(tǒng)的使用效率。設(shè)備分配與回收根據(jù)用戶提出的輸入輸出請求，為其分配所需要的設(shè)備，用戶使用完后，回收分配的設(shè)備。4.1.2設(shè)備管理的主要功能3.虛擬設(shè)備把每次只允許一個進程使用的物理設(shè)備，改造為能同時供多個進程共享的設(shè)備。4.設(shè)備處理實現(xiàn)CPU和設(shè)備控制器之間的通信。4.1.3設(shè)備的分類

1．按從屬關(guān)系分系統(tǒng)設(shè)備、用戶設(shè)備2．按操作特性分存儲設(shè)備、輸入輸出設(shè)備3．按設(shè)備共享屬性分獨占設(shè)備、共享設(shè)備、虛擬設(shè)備4．按信息交換單位分字符設(shè)備、塊設(shè)備4.2輸入輸出系統(tǒng)4.2.1輸入輸出系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)對于不同規(guī)模的計算機系統(tǒng)，其輸入輸出系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也有差異。通常把輸入輸出系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分成兩大類：微機輸入輸出系統(tǒng)和主機輸入輸出系統(tǒng)。1．微機輸入輸出系統(tǒng)CPU存儲器磁盤控制器打印機控制器其他控制器磁盤驅(qū)動器打印機系統(tǒng)總線從上圖中可以看出，CPU和主存是直接連接到總線上的。輸入輸出設(shè)備是通過設(shè)備控制器連接到總線上。CPU并不直接與輸入輸出設(shè)備進行通信，而是與設(shè)備控制器進行通信，并通過它去控制相應(yīng)的設(shè)備。因此，設(shè)備控制器是處理器和設(shè)備之間的接口。應(yīng)根據(jù)設(shè)備的類型，給設(shè)備配置與之相應(yīng)的控制器，如磁盤控制器、打印機控制器等。2．主機輸入輸出系統(tǒng)當主機所配置的輸入輸出設(shè)備較多時，特別是配有較多的高速外設(shè)時，采用總線型輸入輸出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)會加重CPU與總線的負擔。因此，在這樣的輸入輸出系統(tǒng)中不宜采用單總線結(jié)構(gòu)，而是增加一級輸入輸出通道。

主機I/O通道1I/O通道2控制器1控制器2設(shè)備1控制器3設(shè)備2設(shè)備3設(shè)備4設(shè)備5

其中，輸入輸出系統(tǒng)共分為4級：最低級為輸入輸出設(shè)備，次低級為設(shè)備控制器，次高級為輸入輸出通道，最高級為主機。一個通道可以控制一個設(shè)備控制器或多個設(shè)備控制器，而一個設(shè)備控制器也可以控制一個設(shè)備或多個設(shè)備。

引入通道的目的是建立獨立的I/O操作，使得不僅數(shù)據(jù)傳輸獨立于CPU，數(shù)據(jù)的傳輸控制也盡量獨立于CPU。引入通道后，CPU只需向通道發(fā)送一條I/O指令，其他工作都由通道完成，通道工作結(jié)束后才向CPU發(fā)一個中斷信號。4.2.2設(shè)備控制器1．設(shè)備控制器的概念設(shè)備控制器是CPU與外圍設(shè)備之間的接口，是一個可編址設(shè)備，每一個地址對應(yīng)一個設(shè)備。設(shè)備控制器一般分成兩大類：用于控制字符設(shè)備的控制器和用于控制塊設(shè)備的控制器。在微型機和小型機中，設(shè)備控制器一般都是做成電路板的形式，插入主板的總線插槽（也叫擴展槽）內(nèi)。所以，它們俗稱為“卡”，例如：顯示卡、磁盤控制卡、網(wǎng)卡、聲卡以及其他各種外設(shè)的適配卡。有些控制器可以處理兩個、四個或八個同類設(shè)備。2．設(shè)備控制器的功能（1）接收和識別命令。接收和識別由CPU發(fā)送來的各種命令，并對這些命令進行譯碼。（2）交換數(shù)據(jù)。實現(xiàn)CPU與控制器、控制器與設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換。（3）了解和報告設(shè)備狀態(tài)。在控制器中應(yīng)設(shè)立一個狀態(tài)寄存器用于記錄設(shè)備的各種狀態(tài)，以供CPU使用。（4）識別地址。系統(tǒng)為每個設(shè)備配置一個地址，設(shè)備控制器要能識別這些地址。3．設(shè)備控制器的組成

由于設(shè)備控制器處于CPU與設(shè)備之間，它既要與CPU通信，又要與設(shè)備通信，還應(yīng)具有按照CPU發(fā)來的命令去控制設(shè)備工作的功能。因此，現(xiàn)有的大多數(shù)控制器都是由以下三部分組成的。（1）CPU與設(shè)備控制器的接口（2）設(shè)備控制器與設(shè)備的接口（3）輸入輸出邏輯4.2.3輸入輸出通道1．輸入輸出通道的概念

輸入輸出通道是獨立于CPU的專門負責(zé)輸入輸出工作的處理器。它控制設(shè)備與內(nèi)存直接進行數(shù)據(jù)交換，中央處理器可以做相應(yīng)的計算操作，從而使系統(tǒng)獲得CPU與外設(shè)的并行處理能力。2.輸入輸出通道的分類

（1）字節(jié)多路通道

（2）數(shù)據(jù)選擇通道（3）數(shù)組多路通道

4.2.4輸入輸出系統(tǒng)的控制方式輸入輸出系統(tǒng)的控制方式，又稱I/O控制方式，是指CPU何時、怎樣去驅(qū)動外設(shè)，如何控制外設(shè)與主機之間的數(shù)據(jù)傳遞。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，輸入輸出控制方式也在不斷發(fā)展，先后出現(xiàn)了四種控制方式：程序直接控制方式、中斷控制方式、直接存儲器存取控制方式和通道控制方式。

1．程序直接控制方式程序直接控制方式也稱為“忙—等待”方式，即在一個設(shè)備的操作沒有完成時，控制程序一直檢測設(shè)備的狀態(tài)，直到該操作完成，才能進行下一個操作。程序直接控制方式的步驟為：①當用戶需要輸入數(shù)據(jù)時，由處理器向設(shè)備控制器發(fā)出一條輸入輸出指令，啟動設(shè)備進行輸入。在設(shè)備輸入數(shù)據(jù)期間，處理器通過循環(huán)執(zhí)行測試指令不間斷地檢測設(shè)備狀態(tài)寄存器的值，當狀態(tài)寄存器的值顯示設(shè)備輸入完成時，處理器將數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)取出，送入主存指定的存儲單元，然后再啟動設(shè)備去讀取下一個數(shù)據(jù)。②當用戶進程需要向設(shè)備輸出數(shù)據(jù)時，也必須同樣發(fā)出啟動命令啟動設(shè)備輸出，并等待輸出操作完成。程序直接控制方式雖然控制簡單，也不需要多少硬件支持，但是，程序直接控制方式明顯地存在下述缺點：（l）CPU和外圍設(shè)備只能串行工作。由于CPU處理速度大大高于外圍設(shè)備的數(shù)據(jù)傳送和處理速度，所以，CPU的大量時間都處于等待和空閑狀態(tài)。這使得CPU的利用率大大降低；（2）CPU在一段時間內(nèi)只能和一臺外圍設(shè)備交換數(shù)據(jù)信息，從而不能實現(xiàn)設(shè)備之間的并行工作；（3）由于程序直接控制方式依靠測試設(shè)備標志觸發(fā)器的狀態(tài)位來控制數(shù)據(jù)傳送，因此無法發(fā)現(xiàn)和處理由于設(shè)備或其它硬件所產(chǎn)生的錯誤。2．中斷控制方式

為了減少程序直接控制方式中CPU等待時間，以及提高系統(tǒng)的并行工作程度，中斷控制方式被用來控制外圍設(shè)備和內(nèi)存與CPU之間的數(shù)據(jù)傳送。這種方式要求CPU與設(shè)備（或控制器）之間有相應(yīng)的中斷請求線，而且在設(shè)備控制器的控制狀態(tài)寄存器有相應(yīng)的中斷允許位。特點：中斷控制方式比程序直接控制方式提高了CPU的利用率。每輸入輸出一個數(shù)據(jù)都會發(fā)生中斷，傳輸一組數(shù)據(jù)需要多次中斷，浪費了CPU的處理時間。中斷控制方式應(yīng)用于現(xiàn)代計算機系統(tǒng)中。3．直接存儲器存取控制方式（DMA）直接存儲器存取方式是指對輸入輸出設(shè)備的控制由DMA控制器完成，在DMA控制器的作用下，設(shè)備和主存之間可以成批地進行數(shù)據(jù)交換，而不用CPU的干涉。特點：數(shù)據(jù)的傳送方向、存放數(shù)據(jù)的主存始址及傳送數(shù)據(jù)的長度等都由CPU控制，具體的數(shù)據(jù)傳送由DMA控制器負責(zé)，每臺設(shè)備需要配一個DMA控制器，這樣輸入輸出數(shù)據(jù)傳輸速度快，CPU負擔少。直接存儲器存取控制方式適用于塊設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸。4．直接存儲器存取控制方式（DMA）通道控制方式是一種以主存為中心，是設(shè)備與主存直接交換數(shù)據(jù)的控制方式。CPU只需要發(fā)出啟動指令，指出通道相應(yīng)的操作和輸入輸出設(shè)備，該指令就可以啟動通道并使該通道從主存中調(diào)出相應(yīng)的通道指令執(zhí)行，完成一組數(shù)據(jù)塊的輸入/輸出。特點：通道所需要的CPU干預(yù)更少，并可以實現(xiàn)CPU、通道和輸入輸出設(shè)備三者之間的并行操作，從而更有效地提高整個系統(tǒng)資源的利用率。通道控制方式適用于現(xiàn)代計算機系統(tǒng)中的大量數(shù)據(jù)交換。4.3設(shè)備分配與回收

4.3.1設(shè)備分配中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為了實現(xiàn)對設(shè)備的管理和控制，需要對每臺設(shè)備、通道、控制器的情況進行登記。設(shè)備分配主要采用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有設(shè)備控制表、控制器控制表、通道控制表和系統(tǒng)設(shè)備表。1．設(shè)備控制表系統(tǒng)為每臺設(shè)備配置一張設(shè)備控制表，用于記錄設(shè)備的特性及與輸入輸出控制器連接的情況。設(shè)備控制表中包括：設(shè)備標識符、設(shè)備類型、設(shè)備狀態(tài)、設(shè)備等待隊列指針、輸入輸出控制器指針、設(shè)備相對號、占用作業(yè)名等。設(shè)備標識符也稱為設(shè)備絕對號。它是指計算機系統(tǒng)對每臺設(shè)備的編號。用戶對每類設(shè)備的編號稱為設(shè)備相對號，也稱為設(shè)備類號。2．控制器控制表系統(tǒng)為每個控制器配置了一張控制器控制表，以反映控制器的使用狀態(tài)，以及與通道的連接狀況等。其內(nèi)容包括控制器標識符、控制器的狀態(tài)、與控制器連接的通道表指針、控制器隊列的隊首指針、通道隊列的隊尾指針等。其中與控制器連接的通道表指針指向該控制器的通道控制表。3．通道控制表系統(tǒng)為每個通道配置一張通道控制表，以反映通道的使用狀態(tài)。其內(nèi)容包括通道標識符、通道狀態(tài)、等待獲得該通道的進程等待隊列指針等。4．系統(tǒng)設(shè)備表系統(tǒng)設(shè)備表也稱為設(shè)備類表，整個系統(tǒng)配置一張。它記錄已被連接到系統(tǒng)中的所有物理設(shè)備的情況，每個物理設(shè)備占一個表目，包括設(shè)備類型、擁有設(shè)備臺數(shù)、現(xiàn)存設(shè)備臺數(shù)、設(shè)備控制表指針等。其中設(shè)備控制表指針指向該設(shè)備對應(yīng)的設(shè)備控制表。這幾張表的關(guān)系是，在系統(tǒng)設(shè)備表中有指向設(shè)備控制表的指針，在設(shè)備控制表中有指向該設(shè)備控制器控制表的指針，在控制器控制表中有指向與該控制器連接的通道控制表的指針。系統(tǒng)就是通過這種關(guān)系進行設(shè)備的分配與回收的。4.3.2設(shè)備分配應(yīng)考慮的因素1．設(shè)備的使用性質(zhì)按照設(shè)備自身的使用性質(zhì)，可以采用以下三種不同的分配方式：獨享分配、共享分配、虛擬分配。獨享分配適用于大多數(shù)低速設(shè)備，如打印機。共享分配適應(yīng)于高速設(shè)備，如磁盤。虛擬分配適應(yīng)于虛擬設(shè)備。根據(jù)設(shè)備的使用性質(zhì)來決定一臺設(shè)備可以分給幾個進程。2．設(shè)備的分配算法設(shè)備的分配算法主要是確定把設(shè)備先分給哪個進程。設(shè)備的分配算法有先來先服務(wù)和優(yōu)先權(quán)兩種。先來先服務(wù)算法是根據(jù)進程發(fā)出請求的先后順序，把這些進程排成一個設(shè)備請求隊列，設(shè)備分配程序總是把設(shè)備分配給隊首進程。優(yōu)先權(quán)算法是按照進程的優(yōu)先權(quán)的高低進行設(shè)備分配，誰的優(yōu)先權(quán)高就先把設(shè)備分給誰，對優(yōu)先權(quán)相同的按照先請求先服務(wù)的算法排隊。3．設(shè)備分配的安全性設(shè)備分配的安全性是指在設(shè)備分配中應(yīng)防止發(fā)生進程的死鎖。設(shè)備分配的安全性采用的方法有靜態(tài)分配策略和動態(tài)分配策略，它們可以防止進程死鎖。（1）靜態(tài)分配策略。靜態(tài)分配策略是在作業(yè)級進行的，用戶作業(yè)開始執(zhí)行前，由系統(tǒng)一次分配給該作業(yè)所要求的全部設(shè)備、控制器和通道，直到該作業(yè)撤消為止。靜態(tài)分配不會出現(xiàn)死鎖，但是，設(shè)備利用率低。（2）動態(tài)分配策略。動態(tài)分配策略是在進程執(zhí)行過程中，根據(jù)執(zhí)行的需要所進行的設(shè)備分配。動態(tài)分配提高了設(shè)備的利用率，但是分配不當，會造成進程的死鎖。4．設(shè)備的獨立性設(shè)備的獨立性是指用戶在編制程序時所使用的設(shè)備與實際使用的設(shè)備無關(guān)。為此，要求用戶程序?qū)斎胼敵鲈O(shè)備的請求采用邏輯設(shè)備名，而在程序?qū)嶋H執(zhí)行時使用物理設(shè)備名，它們之間的關(guān)系類似存儲管理中的邏輯地址和物理地址的關(guān)系。4.3.3設(shè)備分配的實現(xiàn)在并發(fā)進程環(huán)境中，設(shè)備分配是由系統(tǒng)完成的，以防止并發(fā)進程對設(shè)備的無序競爭。當進程提出設(shè)備請求時，系統(tǒng)啟動設(shè)備分配程序，按照一定的算法為進程分配設(shè)備、設(shè)備控制器和通道。在這三種資源中，通道是最緊缺的資源，設(shè)備是最充足的資源，所以，設(shè)備分配的步驟是：先分配設(shè)備，再分配設(shè)備控制器，最后分配通道。1．分配設(shè)備根據(jù)進程提出的設(shè)備名查找系統(tǒng)設(shè)備表，若沒有找到，則顯示出錯信息，并結(jié)束分配；否則，從中找到該設(shè)備的設(shè)備控制表，查看設(shè)備控制表中的設(shè)備狀態(tài)字段。若該設(shè)備處于忙狀態(tài)，則將進程插入到該設(shè)備的等待隊列；若設(shè)備空閑，便按照一定的算法來計算本次設(shè)備分配的安全性。若分配不會引起死鎖則進行設(shè)備分配，修改設(shè)備控制表，把狀態(tài)字段的值由“0”改為進程名，并修改系統(tǒng)設(shè)備表，使“現(xiàn)存設(shè)備臺數(shù)”減少分配的臺數(shù)；否則，將該進程插入到該設(shè)備的等待隊列。2．分配設(shè)備控制器在系統(tǒng)把設(shè)備分配給請求輸入輸出的進程后，再到設(shè)備控制表中找到與該設(shè)備相連的控制器控制表，從該表的狀態(tài)字段中可知該控制器是否忙碌。若控制器忙，則將進程插入到等待該控制器的隊列；否則，將該控制器分配給進程，即修改控制器控制表，把狀態(tài)字段的值由“0”改為進程名。3．分配通道在分配完設(shè)備控制器后，從控制器控制表中找到與該控制器相連的通道控制表，從該表的狀態(tài)字段中可知該通道是否忙碌。若通道處于忙碌狀態(tài)，則將該進程插入到等待該通道的隊列；否則，將該通道分配給進程，即修改通道控制表，把狀態(tài)字段的值由“0”改為進程名。4.3.4設(shè)備回收當進程撤消或設(shè)備使用完畢后，要進行設(shè)備的回收。（1）系統(tǒng)根據(jù)進程名在設(shè)備分配表中找到相應(yīng)的記錄，把設(shè)備狀態(tài)修改為“0”表示未分配，若該設(shè)備的等待隊列不空，則喚醒隊首進程，進行設(shè)備分配；（2）到該設(shè)備的控制器控制表中，把其狀態(tài)由進程名改為“0”，若該控制器的等待隊列不空，則喚醒隊首進程，進行控制器分配；（3）到該控制器的通道控制表中，把其狀態(tài)由進程名改為“0”，若該通道的等待隊列不空，則喚醒隊首進程，進行通道分配；（4）在系統(tǒng)設(shè)備表中，把回收設(shè)備臺數(shù)添加到“現(xiàn)存設(shè)備臺數(shù)”中。4.3.5對設(shè)備分配程序的改進以上設(shè)備分配程序有兩個特點，一是，進程是以物理設(shè)備名來提出輸入輸出請求的。二是，系統(tǒng)采用的是單通路的輸入輸出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。這樣的系統(tǒng)容易產(chǎn)生“瓶頸”現(xiàn)象。為此，對設(shè)備分配程序做以下改進：（1）增加設(shè)備的獨立性。進程應(yīng)以邏輯設(shè)備名請求輸入輸出。系統(tǒng)首先根據(jù)系統(tǒng)設(shè)備表找到第一個該類設(shè)備的設(shè)備分配表，若該設(shè)備忙，則查找第二個該類設(shè)備的設(shè)備分配表，僅當所有該類設(shè)備都忙時，才把進程掛在該類設(shè)備的等待隊列上。這樣通過增加設(shè)備的獨立性，提高了設(shè)備分配的安全性。（2）考慮多通路情況。系統(tǒng)采用多通路的輸入輸出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，即一個設(shè)備可以由多個控制器控制，一個控制器可以由多個通道控制（即增加圖4-10中的虛線部分）。這樣，可以防止系統(tǒng)出現(xiàn)“瓶頸”現(xiàn)象。也就是對控制器和通道的分配，同樣經(jīng)過幾次反復(fù)，只要有一個控制器或通道可用，系統(tǒng)就可以把它分配給進程。這樣，就增加了分配控制器和通道的可能性，提高了設(shè)備分配的效率。4.4設(shè)備處理4.4.1設(shè)備驅(qū)動程序的功能和特點設(shè)備驅(qū)動程序的功能1.把抽象要求轉(zhuǎn)化為具體要求2.檢查用戶輸入輸出請求的合法性3.發(fā)出輸入輸出命令，啟動分配到的輸入輸出設(shè)備，完成指定的輸入輸出操作。4.及時響應(yīng)由控制器或通道發(fā)來的中斷請求，并根據(jù)其中斷類型調(diào)用相應(yīng)的中斷處理程序進行處理。5.對設(shè)置有通道的計算機系統(tǒng)，驅(qū)動程序還應(yīng)根據(jù)用戶的輸入輸出請求，自動地構(gòu)成通道程序。設(shè)備處理的方式設(shè)備處理方式有三類：一是為每一類設(shè)備設(shè)置一個進程，專門執(zhí)行這類設(shè)備的輸入輸出操作。二是在整個系統(tǒng)中設(shè)置一個輸入輸出進程，專門負責(zé)對系統(tǒng)中所有各類設(shè)備的輸入輸出操作。三是不設(shè)置專門的設(shè)備處理進程，只為各類設(shè)備設(shè)置相應(yīng)的設(shè)備處理程序，供用戶進程或系統(tǒng)進程調(diào)用。設(shè)備驅(qū)動程序的特點

(1)驅(qū)動程序主要是在請求輸入輸出的進程與設(shè)備控制器之間的一個通信程序。(2)驅(qū)動程序與輸入輸出設(shè)備的特性密切相關(guān)。(3)驅(qū)動程序與輸入輸出控制方式緊密相關(guān)。(4)驅(qū)動程序與硬件緊密相關(guān)，其部分被固化在ROM中。4.4.2設(shè)備驅(qū)動程序的處理過程1．將抽象要求轉(zhuǎn)化為具體要求用戶及上層軟件對設(shè)備控制器的具體情況毫無了解，只能向它們發(fā)出抽象的要求，借助設(shè)備驅(qū)動程序，轉(zhuǎn)化為具體的要求傳送給設(shè)備控制器。如將盤塊號轉(zhuǎn)換為磁盤的盤面、磁道號及扇區(qū)號。2．檢查輸入輸出請求的合法性任何輸入設(shè)備都只能完成一組特定的功能，如該設(shè)備不支持這次輸入輸出請求，則認為這次輸入輸出請求非法，又如用戶試圖讓打印機輸入數(shù)據(jù)。3．讀出和檢查設(shè)備的狀態(tài)要啟動某個設(shè)備進行輸入輸出操作，其前提條件是該設(shè)備正處于空閑狀態(tài)。因此在啟動設(shè)備之前，要從設(shè)備控制器的狀態(tài)寄存器中，讀出設(shè)備的狀態(tài)。4.4.2設(shè)備驅(qū)動程序的處理過程4．傳送必要的參數(shù)有許多設(shè)備，特別是塊設(shè)備，除必須向其控制器發(fā)出啟動命令外，還需要傳送必要的參數(shù)。例如，在啟動磁盤進行讀／寫之前，應(yīng)先將本次要傳送的字節(jié)數(shù)、數(shù)據(jù)應(yīng)到達的主存始址送入控制器的相應(yīng)寄存器中。5．設(shè)置工作方式有些設(shè)備有多種工作方式，在啟動時應(yīng)選定某種方式，給出必要的數(shù)據(jù)。在啟動該接口之前，應(yīng)先按通信規(guī)程設(shè)定下述參數(shù)：波特率、奇偶校驗方式、停止位數(shù)目及數(shù)據(jù)字節(jié)長度等。6．啟動輸入輸出設(shè)備在完成上述五個工作后，驅(qū)動程序可以向控制器的命令寄存器傳送相應(yīng)的控制命令，啟動輸入輸出設(shè)備?；镜妮斎胼敵霾僮魇窃诳刂破鞯目刂葡逻M行的。4.5

設(shè)備管理采用的技術(shù)4.5.1緩沖技術(shù)為了提高輸入輸出設(shè)備的速度和利用率，在輸入輸出設(shè)備與處理器交換數(shù)據(jù)時引入了緩沖技術(shù)。緩沖技術(shù)是輸入輸出設(shè)備在與主存交換數(shù)據(jù)時使用緩沖區(qū)的技術(shù)。緩沖管理的主要功能是組織好緩沖區(qū)，并提供獲得和釋放緩沖區(qū)的手段。1．緩沖的引入（1）緩和CPU與輸入輸出設(shè)備間速度不匹配的矛盾。（2）減少對CPU的中斷頻率，放寬對中斷響應(yīng)時間的限制。（3）提高CPU與輸入輸出設(shè)備間的并行性。

4.5.1緩沖技術(shù)2．單緩沖單緩沖是指在設(shè)備和處理器之間設(shè)置一個緩沖區(qū)，用于數(shù)據(jù)的傳輸。特點是：在主存中只有一個緩沖區(qū)。對于塊設(shè)備，該緩沖區(qū)可以存放一塊數(shù)據(jù)，對于字符設(shè)備，該緩沖區(qū)可以存放一行數(shù)據(jù)。設(shè)備和處理器對緩沖區(qū)的操作是串行的，傳輸速度慢。在任一時刻，只能進行單向的數(shù)據(jù)傳輸，并且傳輸數(shù)據(jù)量較少。4.5.1緩沖技術(shù)3．雙緩沖雙緩沖是指在設(shè)備和處理器之間設(shè)置兩個緩沖區(qū)。特點是：在主存中設(shè)置兩個緩沖區(qū)，完成數(shù)據(jù)的傳輸。兩個緩沖區(qū)可以交替使用，提高了處理器和輸入設(shè)備的并行操作能力。在任一時刻，可以進行雙向的數(shù)據(jù)傳輸。一個緩沖區(qū)用于輸入，另一個用于輸出。適用于輸入/輸出、生產(chǎn)者/消費者速度基本相匹配的情況。當傳輸數(shù)據(jù)量較大，或者兩者的速度相差較遠時，雙緩沖區(qū)效率較低。

4.5.1緩沖技術(shù)4．循環(huán)緩沖在設(shè)備和處理器之間設(shè)置多個大小相等的緩沖區(qū)。每個緩沖區(qū)中有一個鏈接指針指向下一個緩沖區(qū)，最后一個緩沖區(qū)指針指向第一個緩沖區(qū)，這樣構(gòu)成一個環(huán)形緩沖區(qū)。特點是：在主存中設(shè)置多個緩沖區(qū)。讀和寫可以并行處理，適用于某種特定的輸入輸出進程和計算進程，如輸入/輸出、生產(chǎn)者/消費者速度不相匹配的情況。循環(huán)緩沖區(qū)屬于專用緩沖區(qū)。當系統(tǒng)較大時，使用多個這樣的緩沖區(qū)要消耗大量的主存空間，降低緩沖區(qū)的使用效率。

4.5.1緩沖技術(shù)5．緩沖池當系統(tǒng)較大時，可以利用供多個進程共享的緩沖池來提高緩沖區(qū)的利用率。緩沖池的組成包括空（閑）緩沖區(qū)、裝滿輸入數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)、裝滿輸出數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)，同類緩沖區(qū)以鏈隊的形式存在。另外，還應(yīng)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)、用于提取輸入數(shù)據(jù)的工作緩沖區(qū)、用于收容輸出數(shù)據(jù)的工作緩沖區(qū)、用于提取輸出數(shù)據(jù)的工作緩沖區(qū)。特點是：緩沖池結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在主存中設(shè)置公用緩沖池，在池中設(shè)置多個可以供多個進程共享的緩沖區(qū)。緩沖區(qū)既可以用于輸入，又可以用于輸出（即共享）。緩沖池的設(shè)置，減少了主存空間的消耗，提高了主存的利用率，適應(yīng)于現(xiàn)代操作系統(tǒng)。4.5.2中斷技術(shù)1．中斷的概念中斷是由于某些事件的出現(xiàn)，中止現(xiàn)行進程的執(zhí)行，而轉(zhuǎn)去處理出現(xiàn)的事件，中斷事件處理完后，再繼續(xù)運行被中止進程的過程。在這里引起中斷的事件稱為中斷源。中斷事件通常由硬件發(fā)現(xiàn)。對出現(xiàn)的事件進行處理的程序稱為中斷處理程序。中斷處理程序是由操作系統(tǒng)處理的，屬于操作系統(tǒng)的組成部分。

4.5.2中斷技術(shù)2．中斷類型(1)硬件故障中斷。由機器故障造成的中斷。如電源故障。(2)程序中斷。由程序執(zhí)行到某條機器指令時可能出現(xiàn)的各種問題而引起的中斷。如發(fā)現(xiàn)定點操作數(shù)溢出、除數(shù)為0等。(3)外部中斷。由各種外部事件引起的中斷。如按壓了中斷鍵、定時時鐘時間到等。(4)輸入輸出中斷。由輸入輸出控制系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)外圍設(shè)備完成了輸入輸出操作或在執(zhí)行輸入輸出時通道或外圍設(shè)備產(chǎn)生錯誤而引起的中斷。(5)訪管中斷。正在運行的進程執(zhí)行訪管指令時引起的中斷。如分配一臺外設(shè)。前四類中斷不是運行進程所希望的，故稱為強迫性中斷，而第五種中斷，是進程所希望的，故稱為自愿性中斷。

4.5.2中斷技術(shù)3．中斷響應(yīng)在處理器執(zhí)行完一條指令后，硬件的中斷裝置就立即檢查有無中斷事件發(fā)生。若無，繼續(xù)執(zhí)行下一條指令；若有，則停止現(xiàn)行進程，由操作系統(tǒng)中的中斷處理程序占用處理器，這一過程稱為“中斷響應(yīng)”。4．中斷處理首先介紹與中斷處理有關(guān)的概念：特權(quán)指令和程序狀態(tài)字。特權(quán)指令是不允許用戶程序直接使用的指令。如輸入輸出指令，設(shè)置時鐘的指令。程序狀態(tài)字是用來控制指令執(zhí)行順序，并保留和指示與程序有關(guān)的系統(tǒng)狀態(tài)。

4.5.2中斷技術(shù)①當中斷裝置發(fā)現(xiàn)中斷事件后，先把中斷事件存放到程序狀態(tài)字寄存器中的中斷碼位置。②把程序狀態(tài)字寄存器中的“當前PSW”作為“舊PSW”保存到預(yù)先約定的主存的固定單元中。③根據(jù)中斷碼，把該類事件處理程序的“新PSW”送入程序狀態(tài)字寄存器。④處理器按新PSW控制處理該事件的中斷處理程序執(zhí)行。當中斷程序處理完后，再恢復(fù)現(xiàn)場，繼續(xù)執(zhí)行原先被中斷的進程。

4.5.3