1、第五章是設(shè)備管理，5.1輸入輸出系統(tǒng)，5.2輸入輸出控制模式，5.3緩沖區(qū)管理，5.4設(shè)備分配，5.5設(shè)備處理，5.1輸入輸出系統(tǒng)，5.1.1輸入輸出設(shè)備，1。輸入輸出設(shè)備類型：1)輸入輸出設(shè)備根據(jù)傳輸速度可分為三類。第一類是低速設(shè)備，指的是傳輸速率只有每秒幾個(gè)字節(jié)到幾百個(gè)字節(jié)的設(shè)備。典型的低速設(shè)備包括鍵盤、鼠標(biāo)、語音輸入和輸出等。第二類是中速設(shè)備，指的是一種傳輸速率從每秒幾千字節(jié)到幾萬字節(jié)的設(shè)備。典型的中速設(shè)備包括行式打印機(jī)和激光打印機(jī)。第三類是高速設(shè)備，指傳輸速率在數(shù)百千字節(jié)到數(shù)十兆字節(jié)之間的設(shè)備。典型的高速設(shè)備包括磁帶驅(qū)動器、磁盤驅(qū)動器、光盤驅(qū)動器等。2)根據(jù)信息交換的單位，輸入/輸出設(shè)

2、備可以分為兩類。第一類是塊設(shè)備，用于存儲信息。因?yàn)樾畔⒌脑L問總是基于數(shù)據(jù)塊，所以它得名。它屬于結(jié)構(gòu)化設(shè)備。典型的塊設(shè)備是磁盤，每個(gè)塊的大小為512 B4 KB。磁盤設(shè)備的基本特征是它的高傳輸速率，通常是每秒幾兆位；另一個(gè)特性是可尋址的，也就是說，它可以隨機(jī)讀寫任何塊；此外，直接存儲器存取通常用于磁盤設(shè)備的輸入/輸出。第二類是字符設(shè)備，用于數(shù)據(jù)輸入和輸出。它的基本單位是字符，所以它被稱為字符設(shè)備。輸入/輸出設(shè)備可分為以下三類：專用設(shè)備。(2)共享設(shè)備。(3)虛擬設(shè)備。2。設(shè)備和控制器之間的接口，圖5-1設(shè)備和控制器之間的接口，5.1.2設(shè)備控制器，1。設(shè)備控制器的基本功能，接收和識別命令2)數(shù)據(jù)

3、交換3)識別和報(bào)告設(shè)備狀態(tài)4)地址識別5)數(shù)據(jù)緩沖6)錯誤控制，2。設(shè)備控制器的組成，5-2設(shè)備控制器的組成，5.1它具有執(zhí)行輸入/輸出指令和通過執(zhí)行通道(輸入/輸出)程序控制輸入/輸出操作的能力。然而，輸入輸出通道在以下兩個(gè)方面不同于一般的處理器：首先，它的指令類型是單一的，這是由于通道的硬件簡單，它能執(zhí)行的命令主要限于與輸入輸出操作相關(guān)的指令；那么通道就沒有自己的內(nèi)存，由通道執(zhí)行的通道程序放在主機(jī)的內(nèi)存中，換句話說，通道與中央處理器共享內(nèi)存。2。通道類型，1)字節(jié)多路復(fù)用器通道，圖5-3字節(jié)多路復(fù)用通道的工作原理，2)塊選擇器通道，不適合連接高速設(shè)備，促進(jìn)陣列模式下數(shù)據(jù)傳輸?shù)年嚵羞x擇器通道

4、的形成。雖然該信道可以連接到多個(gè)高速設(shè)備，但由于它只包含一個(gè)分布式子信道，所以它只能執(zhí)行一個(gè)信道程序，并控制一個(gè)設(shè)備在一段時(shí)間內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)，因此當(dāng)某個(gè)設(shè)備占用該信道時(shí)，它總是被它所獨(dú)占。即使它沒有數(shù)據(jù)傳輸并且信道空閑，也不允許其他設(shè)備使用該信道，直到它在傳輸后被釋放?？梢钥闯鲞@個(gè)頻道的利用率很低。3)塊多路復(fù)用器通道雖然陣列選擇通道具有較高的傳輸速率，但它一次只允許一個(gè)設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)。陣列多通道是結(jié)合陣列選擇通道和字節(jié)多通道傳輸速率高的優(yōu)點(diǎn)而形成的一種新通道，它可以使各子通道(設(shè)備)分時(shí)并行工作。它包含許多非分布式子信道，因此該信道具有高數(shù)據(jù)傳輸率和令人滿意的信道利用率。因此，該通道可廣泛用于連接

5、多個(gè)高速和中速外圍設(shè)備，其數(shù)據(jù)傳輸以陣列方式進(jìn)行。，3?！捌款i”問題，圖5-4單通道輸入/輸出系統(tǒng)，圖5-5多通道輸入/輸出系統(tǒng)，5.1.4總線系統(tǒng)，圖5-6總線型輸入/輸出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，1。ISA和EISA總線1) ISA(工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu))總線這是為1984年引進(jìn)的80286微型計(jì)算機(jī)而設(shè)計(jì)的，它的總線帶寬是8位，最高傳輸速率是2兆字節(jié)/秒。不久之后，引進(jìn)了16位(EISA)總線，最高傳輸速率是8兆字節(jié)/秒，然后增加到16兆字節(jié)/秒，可以連接12個(gè)設(shè)備。2) EISA(Extended ISA)總線，自20世紀(jì)80年代末以來，ISA總線已經(jīng)難以滿足帶寬和傳輸速率的要求，所以人們開發(fā)了擴(kuò)展ISA

6、(EISA)總線，其帶寬為32位，傳輸速率為32 Mb/s，還可以連接12個(gè)外部設(shè)備。2。局部總線，VESA(視頻電子標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會)總線，2) PCI(外圍組件接口)總線，5.2輸入輸出控制模式，5.2.1程序輸入輸出模式，其中，由于中央處理器的高速和輸入輸出設(shè)備的低速，中央處理器的大部分時(shí)間都在等待輸入輸出設(shè)備完成數(shù)據(jù)輸入輸出的周期測試，造成了中央處理器的極大浪費(fèi)。這樣，中央處理器不斷測試輸入/輸出設(shè)備狀態(tài)的原因是中央處理器中沒有中斷機(jī)制，這使得輸入/輸出設(shè)備不能向中央處理器報(bào)告它已經(jīng)完成了一個(gè)字符的輸入操作。圖5-7程序輸入輸出和中斷驅(qū)動模式的過程，以及5.2.2中斷驅(qū)動輸入輸出控制模式。在輸

7、入輸出設(shè)備輸入每個(gè)數(shù)據(jù)的過程中，中央處理器和輸入輸出設(shè)備可以并行工作，無需中央處理器的干預(yù)。只有當(dāng)輸入一條數(shù)據(jù)時(shí)，中央處理器才需要很短的時(shí)間來進(jìn)行一些中斷處理。因此，中央處理器和輸入/輸出設(shè)備可以保持忙碌，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的資源利用率和吞吐量。例如，從終端輸入字符的時(shí)間約為100毫秒，而將字符發(fā)送到終端緩沖區(qū)的時(shí)間小于0.1毫秒。如果采用程序輸入/輸出模式，中央處理器正忙著等待約99.9毫秒。采用中斷驅(qū)動模式后，中央處理器可以用這99.9毫秒時(shí)間做其他事情，只需用0.1毫秒時(shí)間處理控制器發(fā)送的中斷請求?？梢钥闯觯袛囹?qū)動模式可以將CPU利用率提高數(shù)百倍。5.2.3直接存儲器存取的直接存儲器存取

8、控制模式，1。引入直接存儲器存取控制模式，其特征在于：數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕締挝皇菙?shù)據(jù)塊，即一次至少有一個(gè)數(shù)據(jù)塊在中央處理器和輸入輸出設(shè)備之間傳輸；傳輸?shù)臄?shù)據(jù)直接從設(shè)備發(fā)送到存儲器，反之亦然；只有在傳輸一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)塊的開始和結(jié)束時(shí)，才需要中央處理器的干預(yù)，整個(gè)數(shù)據(jù)塊的傳輸是在控制器的控制下完成的?？梢钥闯觯c中斷驅(qū)動模式相比，直接存儲器存取模式將中央處理器對輸入輸出的干預(yù)減少了數(shù)百倍，進(jìn)一步提高了中央處理器與輸入輸出設(shè)備之間的并行操作程度。2。直接存儲器存取控制器的組成，圖5-8直接存儲器存取控制器的組成。為了實(shí)現(xiàn)主機(jī)和控制器之間的塊數(shù)據(jù)直接交換，必須在直接存儲器存取控制器中設(shè)置以下四種類型的寄存器

9、：(1)命令/狀態(tài)寄存器。用于接收中央處理器發(fā)送的輸入輸出命令或相關(guān)控制信息，或設(shè)備狀態(tài)。(2)存儲器地址寄存器標(biāo)記。在輸入時(shí)，它存儲從設(shè)備向存儲器傳送數(shù)據(jù)的起始目標(biāo)地址；輸出時(shí)，它存儲從內(nèi)存到設(shè)備的內(nèi)存源地址。(3)數(shù)據(jù)寄存器dr。用于臨時(shí)存儲從設(shè)備到存儲器或從存儲器到設(shè)備的數(shù)據(jù)。(4)DC數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)器。存儲這次要由中央處理器讀取或?qū)懭氲淖謹(jǐn)?shù)(段)。3。直接存儲器存取的工作過程，圖5-9直接存儲器存取模式的工作流程，5.2.4輸入輸出通道控制模式，1。I/o通道控制模式的引入，I/O通道模式是DMA模式的發(fā)展，可以進(jìn)一步減少CPU的干預(yù)，即減少以讀(寫)數(shù)據(jù)塊為單位對讀(寫)一組數(shù)據(jù)塊的干預(yù)，

10、同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)CPU、通道和I/O設(shè)備的并行操作，從而更有效地提高整個(gè)系統(tǒng)的資源利用率。例如，當(dāng)中央處理器想要完成一組相關(guān)的讀(或?qū)?操作和相關(guān)的控制時(shí)，它只需要向輸入/輸出通道發(fā)送一個(gè)輸入/輸出指令，以給出要執(zhí)行的通道程序的第一個(gè)地址和要訪問的輸入/輸出設(shè)備。通道收到指令后，可以通過執(zhí)行通道程序來完成中央處理器指定的輸入輸出任務(wù)。2。頻道程序，操作代碼。(2)存儲器地址。(3)計(jì)數(shù)。(4)通道程序結(jié)束位p. (5)記錄結(jié)束標(biāo)記r .5.3緩沖區(qū)管理和5.3.1緩沖區(qū)的引入緩解了中央處理器和輸入輸出設(shè)備之間速度不匹配的矛盾。(2)降低中央處理器的中斷頻率，放寬中央處理器中斷響應(yīng)時(shí)間的限制。(3)

11、提高中央處理器和輸入輸出設(shè)備之間的并行性。圖5-10:緩沖寄存器緩沖，5.3.2單緩沖和雙緩沖，1。單緩沖器，圖5-11:單緩沖器，2。雙緩沖區(qū)，圖5-12:雙緩沖區(qū)，圖5-13:雙機(jī)通信期間的緩沖區(qū)設(shè)置，5.3.3:循環(huán)緩沖區(qū)。(2)釋放緩沖過程。3。進(jìn)程同步，下一個(gè)指針趕上下一個(gè)指針。(2)下一個(gè)指針趕上下一個(gè)指針。5.3.4緩沖池，1。緩沖池組成，1。緩沖池組成對于既可用于輸入又可用于輸出的公共緩沖池，它應(yīng)至少包含以下三種類型的緩沖區(qū)：空(空閑)緩沖區(qū)；填充有輸入數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)；緩沖區(qū)充滿輸出數(shù)據(jù)。為了便于管理，相同類型的緩沖區(qū)可以被鏈接到一個(gè)隊(duì)列中，因此可以形成以下三個(gè)隊(duì)列：(1)空緩沖

12、區(qū)隊(duì)列emq。(2)輸入隊(duì)列inq。(3)輸出隊(duì)列outq。2。Getbuf進(jìn)程和Putbuf進(jìn)程，過程getbuf(類型)開始等待(RS(類型)；等待(毫秒(類型)；b(數(shù)字)KG-*3=Takebuf(類型)；信號(毫秒(類型)；結(jié)束程序結(jié)束(類型，數(shù)字)開始等待(毫秒(類型)；Addbuf(類型，編號)；信號(毫秒(類型)；信號(遙感(類型)；結(jié)束，3。緩沖操作模式，圖5-15緩沖操作模式，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)，1。設(shè)備控制表DCT，圖5-16設(shè)備控制表，2?？刂破骺刂票怼⑼ǖ揽刂票砗拖到y(tǒng)設(shè)備表，圖5-17分別為COCT、CHCT和SDT表(2)共享設(shè)備。(3)

13、虛擬設(shè)備。2.設(shè)備分配算法，先到先得。(2)優(yōu)先級越高越好。3。設(shè)備分配中的安全性，安全分配模式2)不安全分配模式，5.4.3設(shè)備獨(dú)立性，1。設(shè)備獨(dú)立性的概念為了提高操作系統(tǒng)的適應(yīng)性和可擴(kuò)展性，設(shè)備獨(dú)立性，也稱為設(shè)備獨(dú)立性，在現(xiàn)代操作系統(tǒng)中已經(jīng)無一例外地得到了實(shí)現(xiàn)。其基本含義是應(yīng)用程序獨(dú)立于所使用的物理設(shè)備。為了實(shí)現(xiàn)設(shè)備獨(dú)立性，引入了邏輯設(shè)備和物理設(shè)備兩個(gè)概念。在應(yīng)用程序中，邏輯設(shè)備名稱用于請求使用某種類型的設(shè)備；當(dāng)系統(tǒng)實(shí)際執(zhí)行時(shí)，它還必須使用物理設(shè)備名稱。因此，系統(tǒng)必須具有將邏輯設(shè)備名稱轉(zhuǎn)換為物理設(shè)備名稱的功能，這與內(nèi)存管理中引入的邏輯地址和物理地址的概念非常相似。在實(shí)現(xiàn)設(shè)備獨(dú)立的功能后，它

14、可以帶來以下兩個(gè)好處。1)設(shè)備分配的靈活性2)容易的輸入/輸出重定向，2)設(shè)備獨(dú)立軟件，1)所有設(shè)備的公共操作，包括：獨(dú)立設(shè)備的分配和恢復(fù)；將邏輯設(shè)備名稱映射到物理設(shè)備名稱可以進(jìn)一步找到相應(yīng)物理設(shè)備的驅(qū)動程序；保護(hù)設(shè)備，禁止用戶直接接觸設(shè)備；緩沖區(qū)管理，即對字符設(shè)備和塊設(shè)備的緩沖區(qū)進(jìn)行有效管理，提高輸入輸出效率；錯誤控制。由于輸入輸出操作中的大多數(shù)錯誤都與設(shè)備無關(guān)，它們主要由設(shè)備驅(qū)動程序處理，而與設(shè)備無關(guān)的軟件只處理那些設(shè)備驅(qū)動程序無法處理的錯誤。2)為用戶級(或文件級)軟件提供統(tǒng)一的界面。不管是哪種設(shè)備，它們提供給用戶的界面應(yīng)該是一樣的。例如，在各種設(shè)備上的讀取操作的應(yīng)用中使用讀??；寫也用于

15、各種設(shè)備的寫操作。3。實(shí)現(xiàn)從邏輯設(shè)備名稱到物理設(shè)備名稱的映射，邏輯設(shè)備表2) LUT設(shè)置問題，圖5-18邏輯設(shè)備表，5.4.4專用設(shè)備分配程序，1?；驹O(shè)備分配程序，分配設(shè)備2)分配控制器3)分配信道2。改進(jìn)設(shè)備分配程序以增加設(shè)備獨(dú)立性2)考慮多通道情況，5.4.5假脫機(jī)技術(shù)，1。假脫機(jī)引入了脫機(jī)輸入和脫機(jī)輸出技術(shù)，以緩解中央處理器高速和輸入輸出設(shè)備低速之間的矛盾。這項(xiàng)技術(shù)使用特殊的外圍控制器將數(shù)據(jù)從低速輸入/輸出設(shè)備傳輸?shù)礁咚俅疟P。反之亦然。事實(shí)上，當(dāng)多通道程序技術(shù)引入系統(tǒng)時(shí)，其中一個(gè)程序可以用來模擬脫機(jī)輸入期間外圍控制器的功能，并將低速輸入/輸出設(shè)備上的數(shù)據(jù)傳輸?shù)礁咚俅疟P。然后使用另一個(gè)程序來模擬外圍控制器在離線輸出期間的功能，并將數(shù)據(jù)從磁盤傳輸?shù)降退佥敵鲈O(shè)備。這樣，離線輸入和輸出功能可以在主機(jī)的直接控制下實(shí)現(xiàn)。此時(shí)，外圍操作與中央處理器的數(shù)據(jù)處理同時(shí)進(jìn)行。我們稱這種同時(shí)進(jìn)行的外圍操作為聯(lián)機(jī)或假脫機(jī)操作。2。纏繞系統(tǒng)的組成，圖5-19纏繞系統(tǒng)的組成，3。共享打印機(jī)，共享打印機(jī)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于多用戶系統(tǒng)和局域網(wǎng)。當(dāng)用戶進(jìn)程請求打印輸出時(shí)，后臺打印系統(tǒng)同意為其打印輸出，但它并不真正立即為用戶進(jìn)程分配打印機(jī)，而是只為其做兩件事：輸出進(jìn)程在輸出井中申請一個(gè)空