1、第七章 設(shè)備管理,概述 I/O硬件特點 I/O軟件的組成 有關(guān)技術(shù) 設(shè)備處理,I/O管理示意,應(yīng)用程序,文件管理,設(shè)備驅(qū)動程序,控制寄存器,數(shù)據(jù)寄存器,狀態(tài)寄存器,設(shè)備控制器,應(yīng)用編程接口,硬件接口,一、概述,1、I/O的特點 CPU與I/O的速度差別大 盡量使兩者交疊運行 減少由于速度差異造成的整體性能開銷 （1）I/O性能經(jīng)常成為系統(tǒng)性能的瓶頸 （2）操作系統(tǒng)龐大復(fù)雜的原因之一： 資源多、雜，并發(fā)，均來自I/O 外設(shè)種類繁多，結(jié)構(gòu)各異 輸入輸出數(shù)據(jù)信號類型不同 速度差異很大 （3）與其他功能聯(lián)系密切，特別是文件系統(tǒng),（1）按功能特性分 存儲型設(shè)備 輸入輸出型設(shè)備（交互型設(shè)備） 數(shù)據(jù)通信設(shè)備

2、,2、設(shè)備的分類,（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 傳輸速率較高、可尋址（隨機讀寫） 字符設(shè)備 以字符為單位存儲、傳輸信息 傳輸速率高、不可尋址,設(shè)備的分類（續(xù)1）,（3）按資源分配角度分 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）,設(shè)備的分類（續(xù)2）,虛設(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

3、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）,設(shè)備的分類（續(xù)3）,SPOOLing技術(shù) 為解決獨立設(shè)備數(shù)量少，速度慢，不能滿足眾多進程的要求，而且在進程獨占設(shè)備期間，設(shè)備利用率比較低而提出的一種設(shè)備管理技術(shù) 另一種資源轉(zhuǎn)換技術(shù),設(shè)備的分類（續(xù)4）,（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，最終完成用戶的I/O請求 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 執(zhí)行設(shè)備驅(qū)動程序，實現(xiàn)真正的I/O操作 設(shè)備中斷處理：處理外部設(shè)備的中斷 緩沖區(qū)管理：管理I/O緩沖區(qū),3.設(shè)備管

4、理的目標和任務(wù),（2）建立方便、統(tǒng)一的獨立于設(shè)備的接口 方便性：向用戶提供使用外部設(shè)備的方便接口，使用戶編程時不考慮設(shè)備的復(fù)雜物理特性 統(tǒng)一性：對不同的設(shè)備采取統(tǒng)一的操作方式，在用戶程序中使用的是邏輯設(shè)備 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）,設(shè)備管理的目標和任務(wù)（續(xù)1）,設(shè)備獨立性（設(shè)備無關(guān)性）,目的： 提高操作系統(tǒng)的可適應(yīng)性和可擴展性 從用戶角度：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，并實施I/O操作 從系統(tǒng)角度：設(shè)計并實現(xiàn)IO軟件時，除了直接與設(shè)備打交道的低層軟件之外，其他部分的軟件不依賴于硬件,好

5、處： 設(shè)備分配時的靈活性 易于實現(xiàn)I/O重定向,（3）充分利用各種技術(shù)（通道，中斷，緩沖，異步I/O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）,設(shè)備管理的目標和任務(wù)（續(xù)3）,（4）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,設(shè)備管理的目標和任務(wù)（續(xù)4）,1.設(shè)備組成 IO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,二、I/O硬件特點,設(shè)備組成（續(xù)1）,（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 完成設(shè)備與主機間的

6、連接和通信 在小型和微型機中，它常采用印刷電路卡插入計算機主板上的總線插槽 通過若干接口寄存器或接口緩沖區(qū)與CPU通信,設(shè)備組成（續(xù)2）,電子部分完成的工作 （端口）地址譯碼 按照主機與設(shè)備之間約定的格式和過程 接受計算機發(fā)來的數(shù)據(jù)和控制信號 向主機發(fā)送數(shù)據(jù)和狀態(tài)信號 將計算機的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成機械部分能識別的模擬信號，或反之 實現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部硬件緩沖、數(shù)據(jù)加工等提高性能或增強功能,2.設(shè)備接口,操作系統(tǒng)將命令寫入控制器的接口寄存器（或接口緩沖區(qū)）中，以實現(xiàn)輸入輸出，并從接口寄存器讀取狀態(tài)信息或結(jié)果信息 例如：IBM PC的軟盤控制器可接收15條命令，READ、WRITE、FORMAT、SEEK、R

7、ECALIBRATE，命令可以帶參數(shù)，它們被一起送入控制器的寄存器中 當控制器接受一條命令后，可獨立于CPU完成指定操作，CPU可以轉(zhuǎn)去執(zhí)行其它運算。命令完成時，控制器產(chǎn)生一個中斷，CPU響應(yīng)中斷，控制轉(zhuǎn)給操作系統(tǒng)。CPU通過讀控制器寄存器中的信息，獲得操作結(jié)果和設(shè)備狀態(tài),控制器與設(shè)備之間的接口常常是一個低級接口。例如磁盤，可以按每個磁道8扇區(qū)，每個扇區(qū)512個字節(jié)進行格式化。然而，實際從驅(qū)動器出來的卻是一連串的位流，以一個頭標（preamble）開始，然后是一個扇區(qū)的4096位（5128），最后是檢查和或錯誤校驗碼（ErrorC一C：ECC）。頭標是在對磁盤格式化時寫上的，它包括柱面和扇區(qū)數(shù)

8、，扇區(qū)的大小和類似的一些數(shù)據(jù) 控制器的任務(wù)是把串行的位流轉(zhuǎn)換為字節(jié)塊，并進行必要的錯誤修正。首先，控制器按位進行組裝，然后存入控制器內(nèi)部的緩沖區(qū)中形成以字節(jié)為單位的塊。在對塊驗證檢查和并證明無錯誤時，再將它復(fù)制到內(nèi)存中,設(shè)備接口（續(xù)1）,接口電路中：多個寄存器 每個寄存器有唯一的一個地址，該地址稱為I/O端口地址 I/O指令形式與I/O地址是相互關(guān)聯(lián)的 主要有兩種形式： 內(nèi)存映像編址（內(nèi)存映像I/O模式） I/O獨立編址（I/O專用指令）,3.I/O端口地址,存儲映像編址,分配給系統(tǒng)中所有端口的地址空間與內(nèi)存的地址空間統(tǒng)一編址 主機把I/O端口看作一個存儲單元，對I/O的讀寫操作等同于對存儲器

9、的操作 優(yōu)點 凡是可對存儲器操作的指令都可對I/O端口操作 不需要專門的I/O指令 I/O端口可占有較大的地址空間 缺點：占用內(nèi)存空間,I/O獨立編址,分配給系統(tǒng)中所有端口的地址空間是完全獨立的，與內(nèi)存的地址空間沒有關(guān)系 主機使用專門的I/O指令對端口進行操作 優(yōu)點 外部設(shè)備不占用內(nèi)存的地址空間 程序設(shè)計時，易于區(qū)分是對內(nèi)存操作還是對I/O端口操作 缺點：對I/O端口操作的指令類型少，操作不靈活 例子：8086/8088，分配給I/O端口的地址空間64K，0000H0FFFFH，只能用IN和OUT指令對其進行讀寫操作,1、直接I/O（輪詢） 由CPU負責在機器內(nèi)存與設(shè)備控制器數(shù)據(jù)寄存器之間進行

10、數(shù)據(jù)傳送 2、中斷驅(qū)動I/O 為了減少設(shè)備驅(qū)動程序不斷地詢問控制器狀態(tài)寄存器的開銷 當I/O操作結(jié)束后，由設(shè)備控制器主動通知設(shè)備驅(qū)動程序 3、DMA 4、通道,4.I/O控制方式,I/O控制方式（續(xù)1）,設(shè)備驅(qū)動程序,控制寄存器,數(shù)據(jù)寄存器,狀態(tài)寄存器,設(shè)備控制器,從設(shè)備上讀數(shù)據(jù) ,數(shù)據(jù),應(yīng)用程序,系統(tǒng)接口,硬件接口,I/O控制方式（續(xù)2）,設(shè)備驅(qū)動程序,控制寄存器,數(shù)據(jù)寄存器,狀態(tài)寄存器,設(shè)備控制器,從設(shè)備上讀數(shù)據(jù) ,數(shù)據(jù),應(yīng)用程序,設(shè)備處理程序,中斷處理程序,設(shè)備狀態(tài)表,IO軟件設(shè)計的基本思想分層 把軟件組織成為一系列的層 較低層軟件考慮硬件的特性，并向較高層軟件提供接口 較高層軟件不依賴

11、于硬件，并向用戶提供一個友好的、清晰的、簡單的、功能更強的接口,三、I/O軟件的組成,1.IO軟件的層次,I/O軟件各層的功能,（1）用戶進程層執(zhí)行輸入輸出系統(tǒng)調(diào)用，對IO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IO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IO的操作,2.設(shè)備驅(qū)動程序,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 每一個控制器都設(shè)有一個或多個設(shè)備寄存器，用來存放向設(shè)備發(fā)送的

12、命令和參數(shù)。設(shè)備驅(qū)動程序負責釋放這些命令，并監(jiān)督它們正確執(zhí)行,設(shè)備驅(qū)動程序（續(xù)1）,一般，設(shè)備驅(qū)動程序的任務(wù)是接收來自與設(shè)備無關(guān)的上層軟件的抽象請求，并執(zhí)行這個請求 在設(shè)備驅(qū)動程序的進程釋放一條或多條命令后，系統(tǒng)有兩種處理方式，多數(shù)情況下，執(zhí)行設(shè)備驅(qū)動程序的進程必須等待命令完成，這樣，在命令開始執(zhí)行后，它阻塞自已，直到中斷處理時將它解除阻塞為止。而在其它情況下，命令執(zhí)行不必延遲就很快完成,3.設(shè)備獨立的軟件,雖然IO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,設(shè)備獨立的軟件（續(xù)1）,設(shè)備獨立的軟件（續(xù)2）,1.獨立于設(shè)備的軟

13、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？,設(shè)備獨立的軟件（續(xù)3）,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,4.用戶空間的IO軟件,盡管大部分IO軟件都包含在操作系

14、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IO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IO過程實際實現(xiàn)真正的操作,四、設(shè)備相關(guān)技術(shù),1.Spooling（虛擬設(shè)備）技術(shù) 一個虛擬設(shè)備 一個資源轉(zhuǎn)換技術(shù) （用空間，如輸入，輸出等換取CPU時間） 解決問題： 在進程所需物理設(shè)備不存在或被占用時使用該設(shè)備,假若進程打開打印機特殊文件后幾小時內(nèi)無所事事，其他進程什么都打印不了！ 解決方案： 創(chuàng)建值班（精靈）進程（daemon）、SPOOLing目錄 進程首先生成要打印的文件，放入SPOOL

15、ing目錄 值班進程：唯一獲準使用打印機特殊文件的進程 用以打印SPOOLing目錄里的文件 通過禁止對特殊文件的直接使用、提高了使用效率,打印機的SPOOLing值班進程,網(wǎng)絡(luò)的SPOOLing值班進程,SPOOLing技術(shù)今天仍被廣泛使用 網(wǎng)絡(luò)文件傳送 先把文件送到網(wǎng)絡(luò)SPOOLing目錄，然后網(wǎng)絡(luò)值班進程把它取出并傳遞到目標地址 Internet電子郵件系統(tǒng) 為了寄郵，調(diào)用電子郵件程序 待發(fā)信存在SPOOLing中供以后傳輸 注意：SPOOLing只提高設(shè)備利用率，縮短用戶程序執(zhí)行時間，并不提高CPU利用率,（1）定義：通道是獨立于CPU的專門負責數(shù)據(jù)輸入/輸出傳輸工作的處理機，對外部設(shè)

16、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。 可以執(zhí)行通道程序 （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,2.通道技術(shù),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 以字節(jié)為單位交叉?zhèn)鬏?，當一臺傳送一個字節(jié)后，立即轉(zhuǎn)去為另一臺傳送字節(jié),（3）分類,分類（續(xù)1）,選擇通道 選擇通道是以成組方

17、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,分類（續(xù)2）,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)行相應(yīng)的通道程序 主要連接磁盤，磁帶等高速I/O設(shè)備,選擇通道,分類（續(xù)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 這樣，對于連接多臺磁盤機的數(shù)組多路通道，它可以啟動它們同時執(zhí)行移臂定位操作，然后，按序交叉地傳輸一批批數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)多路通道實際上是對通道程序采用多道程序設(shè)計的硬件

18、實現(xiàn),（4）硬件連接結(jié)構(gòu),通道：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 主要目的是啟動外設(shè)時： 提高了控制器效率 提高可靠性 提高并行度,通道連接,交叉連接,（5）通道工作原理 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,通道工作原理,通道運算控制部件 通道地址字 CAW： 記錄通道程序在內(nèi)存中的地址 通道命令字 CCW： 保存正在執(zhí)行的通道指令 通道狀態(tài)字 CSW：

19、存放通道執(zhí)行后的返回結(jié)果 通道數(shù)據(jù)字 CDW：存放傳輸數(shù)據(jù) 通道和CPU共用內(nèi)存，通過周期竊取方式取得,通道工作原理（續(xù)1）,通道命令及格式 用于I/O操作的命令主要有兩種： I/O指令：啟動通道程序 通道命令：對I/O操作進行控制 讀、反讀、寫、測試設(shè)備狀態(tài)的數(shù)據(jù)傳輸命令、用于設(shè)備控制的命令（磁帶反繞、換頁）、實現(xiàn)通道程序內(nèi)部控制的轉(zhuǎn)移命令,通道工作原理（續(xù)2）,命令格式一般包括：操作碼、數(shù)據(jù)傳輸內(nèi)存地址、特征位、計數(shù)器 編制一個通道程序，從磁帶機上讀入200字節(jié)的信息，送入內(nèi)存（1000）16 開始的單元。 通道命令碼：“07”反繞 “02”讀 CCW1 X “07” * X “40” 1

20、； CCW2 X “02” 1000 X “00” 200；,通道工作原理（續(xù)3）,工作原理 CPU：執(zhí)行用戶程序，當遇到I/O請求時，可根據(jù)該請求生成通道程序放入內(nèi)存（也可事先編好放入內(nèi)存），并將該通道程序的首地址放入CAW中；之后執(zhí)行“啟動I/O”指令，啟動通道工作,通道工作原理（續(xù)4）,通道：接收到“啟動I/O”指令后，從CAW中取出通道程序的首地址，并根據(jù)首地址取出第一條指令放入CCW中，同時向CPU發(fā)回答信號，使CPU可繼續(xù)執(zhí)行其他程序，而通道則開始執(zhí)行通道程序，完成傳輸工作,通道工作原理（續(xù)5）,（通道程序完成實際I/O，啟動I/O設(shè)備，執(zhí)行完畢后,如果還有下一條指令，則繼續(xù)執(zhí)行,

21、 否則表示傳輸完成） 當通道傳輸完成最后一條指令時，向CPU發(fā)I/O中斷，并且通道停止工作。CPU接收中斷信號，從CSW中取得有關(guān)信息，決定下一步做什么,通道工作原理（續(xù)6）,通道的發(fā)展,新的通道思想綜合了許多新的技術(shù) 在個人計算機中，芯片組中專門I/O處理的芯片，稱為IOP（IO Processor），發(fā)揮通道的作用 IBM 390 中，沿用了輸入輸出通道概念 IBM于1998年推出光纖通道技術(shù)（稱為FICON），可通過 FICON 連接多達127個大容量I/O設(shè)備。傳輸速度是333MHzs，未來將達到1GHzs。 光纖通道技術(shù)具有數(shù)據(jù)傳輸速率高、傳輸距離遠，可簡化大型存儲系統(tǒng)設(shè)計的優(yōu)點 在

22、大容量高速存儲，如大型數(shù)據(jù)庫、多媒體、數(shù)字影像等應(yīng)用領(lǐng)域，有廣泛前景,3.DMA技術(shù),不用DMA時，磁盤如何讀： 首先，控制器從磁盤驅(qū)動器串行地一位一位地讀一個塊，直到將整塊信息放入控制器的內(nèi)部緩沖區(qū)中 其次，它做和校驗計算，以核實沒有讀錯誤發(fā)生 然后控制器產(chǎn)生一個中斷。CPU響應(yīng)中斷，控制轉(zhuǎn)給操作系統(tǒng)。當操作系統(tǒng)開始運行時，它重復(fù)地從控制器緩沖區(qū)中一次一個字節(jié)或一個字地讀這個磁盤塊的信息，并將其送入內(nèi)存中,DMA技術(shù),數(shù)據(jù)在內(nèi)存與I/O設(shè)備間的直接成塊傳送 CPU在開始時向設(shè)備發(fā)“傳送一塊”命令，結(jié)束時進行相應(yīng)處理，實際操作由DMA硬件直接完成 DMA的功能可以以獨立的DMA部件在系統(tǒng)I/O

23、總線上完成，也可整合到I/O部件中完成 DMA通過系統(tǒng)總線代替CPU管理數(shù)據(jù)的存入或取出 當CPU不需要系統(tǒng)總線時可以使用總線 DMA可以強迫CPU暫時延遲其他操作，獲取一個總線周期（周期竊?。?不需要CPU介入，因而減輕了CPU負擔,控制器按照指定存儲器地址，把第一個字節(jié)送入內(nèi)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 待讀取塊的磁盤地址 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）,（1）緩沖技術(shù)的引入 最早引入：CPU與I/O設(shè)備之間

24、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) 目的： 緩解CPU與I/O設(shè)備之間速度不匹配的矛盾 提高CPU與I/O設(shè)備之間的并行性 減少了I/O設(shè)備對CPU的中斷請求次數(shù)，放寬CPU對中斷響應(yīng)時間的要求,4. 緩沖技術(shù),（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),緩沖技術(shù)（續(xù)1）,（3）緩沖區(qū)管理 單緩沖 當用戶進程發(fā)出I/O請求時，操作系統(tǒng)在內(nèi)存的系統(tǒng)空間為該操作分配一個緩沖區(qū)，可以實現(xiàn)預(yù)讀和滯后寫 雙緩沖 可以實現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)區(qū)緩沖區(qū)之間交換數(shù)據(jù)和緩沖區(qū)外設(shè)之間交換數(shù)據(jù)的并行,緩沖技術(shù)（續(xù)2）,緩沖池： 又稱循環(huán)緩沖 多個緩沖

25、區(qū)連接起來統(tǒng)一管理 引入系統(tǒng)緩沖池，采用有限緩沖區(qū)的生產(chǎn)者/消費者模型對緩沖池中的緩沖區(qū)進行循環(huán)使用 常采用多緩沖管理 緩沖區(qū)結(jié)合預(yù)讀和滯后寫技術(shù)對具有重復(fù)性及陣發(fā)性I/O進程、提高I/O速度很有幫助,緩沖技術(shù)（續(xù)3）,（4）例子 終端輸入軟件中的鍵盤驅(qū)動程序 任務(wù)之一：收集字符 兩種常見的字符緩沖方法： 公共緩沖池（驅(qū)動程序中） 終端數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)緩沖,緩沖技術(shù)（續(xù)4）,緩沖技術(shù)（續(xù)5）,緩沖技術(shù)（續(xù)6）,（5）UNIX的緩沖技術(shù) 采用緩沖池技術(shù)，來平滑和加快文件信息從內(nèi)存到磁盤的傳輸 并充分利用以前從磁盤讀入已傳入用戶區(qū)、但仍在緩沖區(qū)的數(shù)據(jù) 即：當從磁盤上讀數(shù)據(jù)時，如果數(shù)據(jù)已經(jīng)在緩沖區(qū)中，則系統(tǒng)

26、直接從緩沖區(qū)中讀出，而不必從盤上讀；當數(shù)據(jù)不在緩沖區(qū)時，系統(tǒng)首先把數(shù)據(jù)從磁盤傳送到緩沖區(qū)，再從緩沖區(qū)讀出 好處：盡可能減少磁盤I/O的次數(shù)，提高系統(tǒng)運行的速度,緩沖技術(shù)（續(xù)7）,UNIX System 由200個緩沖區(qū)組成的緩沖池 每個緩沖區(qū)的長度可以是512字節(jié)或1024字節(jié) 每個緩沖區(qū)由兩部分組成： 緩沖數(shù)據(jù)區(qū)：存放數(shù)據(jù)的區(qū)域 緩沖控制塊或緩沖首部：用于控制的區(qū)域 系統(tǒng)通過緩沖控制塊來實現(xiàn)對緩沖區(qū)的管理,緩沖技術(shù)（續(xù)8）,說明： 邏輯設(shè)備號和盤塊號分別標志出文件系統(tǒng)和數(shù)據(jù)所在的盤塊號，是緩沖區(qū)的唯一標志 狀態(tài)項指明了該緩沖區(qū)當前的狀態(tài)：忙閑、上鎖開鎖、是否延遲寫、數(shù)據(jù)有效性等 兩組指針（a

27、v和b）用于對緩沖池的分配管理,緩沖技術(shù)（續(xù)9）,緩沖池結(jié)構(gòu)： 空閑緩沖區(qū)隊列(空閑av隊列) 隊列頭部為bfreelist 系統(tǒng)初始化時，所有緩沖區(qū)按序號大小掛在空閑av隊列上，當申請一個緩沖區(qū)時，從空閑av隊列隊首取下一個緩沖區(qū)，而釋放一個緩沖區(qū)時將其掛入空閑av隊列隊尾,緩沖技術(shù)（續(xù)10）,散列隊列（設(shè)備緩沖隊列、設(shè)備b鏈） 鏈接所有分配給各類設(shè)備使用的緩沖區(qū) buf用b雙向鏈，可以有64個隊列，每個隊列頭部有頭標 設(shè)備為b_dev上的邏輯塊b在散列隊列的頭標為： i=(b_dev+b) mod 64 設(shè)備IO請求隊列：buf用av單向鏈 空設(shè)備隊列：buf用b雙向鏈，隊列頭部為bfre

28、elist,緩沖技術(shù)（續(xù)11）,每個buf同時在av鏈和b鏈： 開始：在空閑av鏈和空設(shè)備隊列 開始IO請求：在設(shè)備IO請求隊列和散列隊列 IO完成：在空閑av鏈和散列隊列 后續(xù)IO請求：在設(shè)備IO請求隊列和散列隊列，在散列隊列改變隊列,緩沖技術(shù)（續(xù)12）,當進程想從指定的盤塊讀取數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)根據(jù)盤塊號從散列隊列中查找，如找到緩沖區(qū)，則將該緩沖區(qū)狀態(tài)標記為“忙”，并從空閑av隊列中取下，接著完成從緩沖區(qū)到內(nèi)存用戶區(qū)的數(shù)據(jù)傳送。如果在散列隊列中未找到時，則從空閑av隊列隊首摘取一個緩沖區(qū)，插入設(shè)備I/O請求隊列；并從原散列隊列中取下，插入由讀入信息盤塊號確定的新的散列隊列中。當數(shù)據(jù)從磁盤塊讀入到

29、緩沖區(qū)后，緩沖區(qū)從設(shè)備I/O請求隊列取下。當系統(tǒng)完成從緩沖區(qū)到內(nèi)存用戶區(qū)的數(shù)據(jù)傳送后，要把緩沖區(qū)釋放，鏈入空閑av隊列隊尾,緩沖技術(shù)（續(xù)13）,當數(shù)據(jù)從磁盤塊讀入到緩沖區(qū)，并傳送到內(nèi)存用戶區(qū)后，該緩沖區(qū)一直保留在原散列隊列中，即它的數(shù)據(jù)一直有效。如它又要被使用，則又要從空閑av隊列鏈中取下，使用完后插入到空閑av隊列隊尾。如它一直未使用，則該緩沖區(qū)從空閑av隊列隊尾慢慢升到隊首，最后被重新分配，舊的盤塊數(shù)據(jù)才被置換 系統(tǒng)對緩沖區(qū)的分配是采用近似LRU算法。,1. 設(shè)備的分配與回收 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

30、間信息交換,五、設(shè)備管理,（1）設(shè)備管理有關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 描述設(shè)備、控制器等部件的表格：系統(tǒng)中常常為每一個部件、每一臺設(shè)備分別設(shè)置一張表格，常稱為設(shè)備表或部件控制塊。這類表格具體描述設(shè)備的類型、標識符、狀態(tài)，以及當前使用者的進程標識符等 建立同類資源的隊列：系統(tǒng)為了方便對I/O設(shè)備的分配管理，通常在設(shè)備表的基礎(chǔ)上通過指針將相同物理屬性的設(shè)備連成隊列（稱設(shè)備隊列） 面向進程I/O請求的動態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：每當進程發(fā)出I/O請求時，系統(tǒng)建立一張表格（稱I/O請求包），將此次I/O請求的參數(shù)填入表中，同時也將該I/O有關(guān)的系統(tǒng)緩沖區(qū)地址等信息填入表中。I/O請求包隨著I/O的完成而被刪除 建立I/O隊列：如

31、請求包隊列,設(shè)備分配與回收（續(xù)2）,（2）設(shè)備有關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 設(shè)備控制塊DCB（設(shè)備控制表DCT） 控制器控制塊COCB（控制器控制表COCT） 通道控制塊CHCB（通道控制表CHCT） 系統(tǒng)設(shè)備表SDT 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,設(shè)備分配與回收（續(xù)3）,獨占設(shè)備的分配 在申請設(shè)備時，如果設(shè)備空閑，就將其獨占，不再允許其他進程申請使用，一直等到該設(shè)備被釋放，才允許被其他進程申請使用 考慮效率問題，并避免由于不合理的分配策略造成死鎖 靜態(tài)分配

32、： 在進程運行前, 完成設(shè)備分配；運行結(jié)束時，收回設(shè)備 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：效率好；缺點：分配策略不好時, 產(chǎn)生死鎖,2.設(shè)備分配策略,分時式共享設(shè)備分配 所謂分時式共享就是以一次I/O為單位分時使用設(shè)備，不同進程的I/O操作請求以排隊方式分時地占用設(shè)備進行I/O 由于同時有多個進程同時訪問，且訪問頻繁，就會影響整個設(shè)備使用效率，影響系統(tǒng)效率。因此要考慮多個訪問請求到達時服務(wù)的順序，使平均服務(wù)時間越短越好,設(shè)備分配策略（續(xù)1）,以SPOOLing方式使用外設(shè) SPOOLing 技術(shù)是在批處理操作系統(tǒng)時代引

33、入的，即所謂假脫機輸入/輸出技術(shù)。把這種技術(shù)用于對設(shè)備的使用實質(zhì)就是對輸入輸出操作成批處理。 例如:所有輸出數(shù)據(jù)已經(jīng)寫到文件當中，并排到打印輸出隊列，打印進程申請占用打印機后，成批讀出文件中數(shù)據(jù)，并送打印機打印出去,設(shè)備分配策略（續(xù)2）,為了控制I/O傳輸，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,3.設(shè)備驅(qū)動程序,(1) 接受來自上層、與設(shè)備無關(guān)軟件的抽象I/O請求，將該請求排在請求隊列末尾，檢查I/O請求的合法性 (2)執(zhí)行特定的緩沖區(qū)策略：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)對各種可能的有關(guān)設(shè)備排隊、掛起、喚醒等操作進行處理 (4)向有關(guān)的輸入輸出設(shè)備的各種控制器發(fā)出控制命