1、1,2,第八章 I/O管理,3,第八章 輸入輸出管理,8.1 I/O 管理的概念 8.1.1 引言 計算機外部設(shè)備 在計算機系統(tǒng)中除CPU和內(nèi)存儲外所有的設(shè)備和裝置稱為計算機外部設(shè)備（外圍設(shè)備、I/O設(shè)備）。,4,8.1 I/O管理的概念,存儲設(shè)備：用來存放各種信息的設(shè)備稱為存儲設(shè)備，例如，軟盤、硬盤、光盤和磁帶等； I/O設(shè)備：用來向計算機輸入和輸出信息的設(shè)備，如鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器、打印機等。 在現(xiàn)代計算機系統(tǒng)中有些設(shè)備既可以做存儲設(shè)備，也可以做I/O設(shè)備，例如，軟盤、硬盤等。 I/O管理就是設(shè)備管理，它是操作系統(tǒng)的一個重要的組成部分，負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)中所有的外部設(shè)備。,5,8.1 I/O管理的

2、概念,計算機外部設(shè)備種類繁多，特性各異。 主要表現(xiàn)在以下幾個方面： 1.速度 不同的外部設(shè)備的傳輸速度的差別相當(dāng)大，如鍵盤的傳輸速度不過幾十，上百個字符，而磁盤的傳輸速度則是60萬字節(jié)/每秒。 2.傳輸單位 有的設(shè)備的傳輸單位是字節(jié)，如鍵盤、打印機、顯示器； 有的傳輸單位是字符塊，如軟盤、硬盤、磁帶等； 有的傳輸單位是位，如個人計算機中的Serial Port(s) COM1、COM2,6,8.1 I/O管理的概念,3.容許的操作（操作特性） 設(shè)備完成的操作種類各不相同，如打印機只允許寫操作，鍵盤只能做讀操作，而磁盤既可讀，也可寫。 4.出錯條件 不同的設(shè)備，其出錯條件也不相同，即數(shù)據(jù)傳輸失敗

3、的原因各種各樣，如打印機有缺紙錯，磁盤I/O有奇偶校驗錯等。,7,8.1.2 設(shè)計目標(biāo),1.字符代碼的獨立性 現(xiàn)在使用的ASCII碼（美國信息交換標(biāo)準(zhǔn)碼） 2.設(shè)備獨立性 3.效率 4.設(shè)備處理的一致性,8,8.1.3 I/O管理功能,1.狀態(tài)跟蹤 設(shè)備控制塊是存放設(shè)備管理和控制信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。 系統(tǒng)要掌握設(shè)備的狀態(tài)。 2.設(shè)備存取 實現(xiàn)對設(shè)備的存取操作。,3.設(shè)備分配 在多用戶的環(huán)境下，負(fù)責(zé)設(shè)備的分配和回收。 4.設(shè)備控制 設(shè)備控制包括設(shè)備的驅(qū)動、完成和故障中斷處理。,9,8.1.4 設(shè)備獨立性,一、設(shè)備獨立性的概念 設(shè)備獨立性是指用戶在編程序時所使用的設(shè)備與實際 設(shè)備無關(guān)。 兩類設(shè)備獨立性

4、： 1. 一個程序應(yīng)獨立于分配給它的某類設(shè)備的具體設(shè)備。即在用戶程序中只指明I/O使用的設(shè)備類型即可。如在系統(tǒng)中配備了兩臺打印機，用戶要打印時只要告訴系統(tǒng)要將信息送到打印機即可。 2. 程序要盡可能地與它使用的設(shè)備類型無關(guān)。即在用戶程序中只要指出要輸入或輸出信息，至如信息I/O使用的設(shè)備不需用戶指明。,10,8.1.4 設(shè)備獨立性,二、設(shè)備獨立性的實現(xiàn) 在UNIX系統(tǒng)中，把設(shè)備與文件統(tǒng)一處理，這比前兩種設(shè)備獨立性又算了一步，對于用戶來說，就沒有設(shè)備的概念。,11,8.1.4 設(shè)備獨立性,三、設(shè)備獨立性的優(yōu)點 1.方便用戶編程 2.使用程序運行不受具體的機器環(huán)境的限制，如UNIX系統(tǒng)環(huán)境下，系統(tǒng)

5、提供標(biāo)準(zhǔn)輸入和輸出，在用戶程序中的輸入輸出都使用這兩個標(biāo)準(zhǔn)的I/O，實際運行時，根據(jù)具體情況而定。 如果配備打印機，則將輸出信息送到打印機打印，如果沒有配備打印機，就把輸出重向到某個指定文件，把要打印的信息送到該文件中。 3.便于程序移植,12,8.1.5 設(shè)備控制塊,一、設(shè)備控制塊 設(shè)備控制塊是設(shè)備管理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用來存放設(shè)備的管理和控制信息，每類設(shè)備有一個設(shè)備控制塊。,13,8.1.5 設(shè)備控制塊,二、設(shè)備轉(zhuǎn)換表（設(shè)備開關(guān)表） 設(shè)備開關(guān)表存放設(shè)備驅(qū)動和控制程序人口地址。,14,8.1.5 設(shè)備控制塊,15,8.1.5 設(shè)備控制塊,16,8.2 緩沖技術(shù) 8.2.1 概述,CPU與各種外部設(shè)

6、備的速度上的差異很大，設(shè)備與設(shè)備之間的速度的差異也很大。 系統(tǒng)有時會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)需要I/O，有時又會很長時間沒有I/O。造成I/O負(fù)荷的不均勻 要解決這兩個方面的問題就要引入緩沖的概念。 緩沖是用來在兩種不同速度的設(shè)備之間傳輸信息時平滑傳輸過程的常用手段。教材上的定義 緩沖技術(shù)是用來匹配CPU與設(shè)備之間速度差異和負(fù)荷的不均勻。 常用的緩沖技術(shù)有三種：雙緩沖、環(huán)形緩沖、緩沖池,17,8.2.2 雙緩沖,系統(tǒng)設(shè)置兩個緩沖區(qū)，BUF1和BUF2，各進(jìn)程使用這兩個緩沖區(qū)。這種緩沖技術(shù)是最簡單的，用于低頻度活動號I/O。 工作過程：首先輸入將數(shù)據(jù)送入BUF1，然后，申請BUF2，在向BUF2輸入數(shù)據(jù)的

7、同時，輸出進(jìn)程可從BUF1中取數(shù)據(jù)。同理，向BUF1輸入與從BUF2中取數(shù)據(jù)可以并行。 教材p193圖8.2是雙緩沖技術(shù)應(yīng)用的策略圖。,18,8.2.3 環(huán)形緩沖,在系統(tǒng)中設(shè)置若干緩沖區(qū)，并把這些緩沖區(qū)鏈接起來，這樣若干個緩沖區(qū)就形成了一個環(huán)，故稱環(huán)形緩沖區(qū)。,19,8.2.3 環(huán)形緩沖,環(huán)形緩沖技術(shù)使用 設(shè)置一個輸入指針in、一個輸出指針out、開始指針strat。系統(tǒng)初始時，strat=in=out。 輸入時，要判斷in是否與out相等，若相等，則要等待。否則，將信息送入in指向的緩沖區(qū)，填滿后，將緩沖區(qū)中的指向下一個緩沖區(qū)的指針next置in，如此類推。 輸出時，首先判斷out=in，若

8、相等，則等待（意味著系統(tǒng)中沒有數(shù)據(jù)可取）。否則，取出緩沖區(qū)中的信息，將緩沖區(qū)中的next置out；,20,8.2.4 緩沖池,系統(tǒng)設(shè)置多個緩沖區(qū)，形成一個緩沖池。這個池中的緩沖區(qū)為系統(tǒng)中所有的進(jìn)程共享使用。例如，UNIX系統(tǒng)中，在塊設(shè)備管理中設(shè)置了一個15個緩沖區(qū)組成的緩沖池。 為了管理這些緩沖區(qū)，建立了以下數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),21,8.3 設(shè)備分配8.3.1 分配原則,一、靜態(tài)分配和動態(tài)分配 1、靜態(tài)分配 當(dāng)一個作業(yè)（或進(jìn)程）運行時，根據(jù)作業(yè)要求的設(shè)備，系統(tǒng)如果能滿足，則將其要求的設(shè)備全部分配給它，然后開始運行，運行完成釋放其占用的所有設(shè)備。 這種分配方式的優(yōu)點是系統(tǒng)絕不會出現(xiàn)死鎖，缺點是設(shè)備利用率太

9、低。,2、動態(tài)分配 這種分配方法是在作業(yè)（或進(jìn)程）運行的過程中，需要使用設(shè)備時，就向系統(tǒng)申請，系統(tǒng)根據(jù)某種分配原則進(jìn)行分配。 這種方法的優(yōu)點是設(shè)備的利用率高，缺點是系統(tǒng)有出現(xiàn)死鎖的可能。,22,8.3 設(shè)備分配8.3.1 分配原則,二、設(shè)備分配算法 1、先來先服務(wù)算法 2、優(yōu)先級高者優(yōu)先 三、設(shè)備分配的安全性 對于共享設(shè)備，不論采用靜態(tài)分配還是采用動態(tài)分配都不會出現(xiàn)死鎖。 對于獨占設(shè)備，采用動態(tài)分配有可能造成死鎖。 獨享分配、共享分配、虛擬分配,23,8.4 I/O控制8.4.1 I/O控制方式,一、循環(huán)測試I/O方式 早期的設(shè)備控制方式采用。 二、I/O中斷方式 為了提高CPU和設(shè)備的利用率

10、，就應(yīng)使CPU與設(shè)備并行工作，采用I/O中斷方式。采用這種方式要求控制寄存器中有一個中斷位。,24,8.4 I/O控制8.4.1 I/O控制方式,在I/O中斷方式下，數(shù)據(jù)的輸入（或輸出）步驟如下： 設(shè)備驅(qū)動程序工作： 1、要求輸入數(shù)據(jù)的進(jìn)程把一個啟動命令和允許中斷位“1”寫入相應(yīng)設(shè)備的控制狀態(tài)寄存器中，從而啟動了該設(shè)備； 2、該進(jìn)程因等待輸入的完成進(jìn)入睡眠狀態(tài)。 3、當(dāng)輸入完成后，輸入設(shè)備向CPU發(fā)出完成中斷請求信號；,25,8.4 I/O控制8.4.1 I/O控制方式,設(shè)備中斷處理程序工作： 4、處理機響應(yīng)中斷，處理該中斷，并喚醒等待輸入完成的進(jìn)程； 5、在以后的某個時期，該程序被調(diào)度到后，

11、繼續(xù)運行。 這種方式的優(yōu)點是大大地提高了CPU的利用效率，缺點是每次I/O都要CPU的干預(yù)，如果系統(tǒng)中配備了多臺（套）設(shè)備時，CPU的利用率也會降低。解決的方法是采用通道技術(shù)。,26,8.4 I/O控制8.4.1 I/O控制方式,通道：是計算機系統(tǒng)中專門用于I/O的處理機。 在大、中、小型計算機中一般稱為通道，結(jié)構(gòu)如圖所示。 在個人計算機系統(tǒng)中采用微通道，就是教材中所講的DMA。,27,8.4.2 I/O控制功能,8.4.2 I/O控制功能 控制設(shè)備I/O工作的核心模塊通常稱為設(shè)備驅(qū)動程序。它包括三個方面的功能： 1.解釋用戶I/O命令 2.設(shè)備驅(qū)動 3.中斷處理,28,8.4.2 I/O控制

12、功能,不論是哪種設(shè)備驅(qū)動程序，它的功能是相同的， 接受用戶的I/O請求命令，并把用戶的請求轉(zhuǎn)換成I/O請求塊，掛到相應(yīng)設(shè)備的I/O請求隊列。 每類設(shè)備有一個I/O請求隊列，在系統(tǒng)初始化時，將系統(tǒng)中所有設(shè)備的I/O請求隊列置為空。 在系統(tǒng)初啟時，系統(tǒng)為每類設(shè)備創(chuàng)建一個進(jìn)程，執(zhí)行程序就是該設(shè)備的設(shè)備驅(qū)動程序。由于系統(tǒng)初啟時，相應(yīng)的I/O請求隊列為空，則在該隊列上睡眠。,29,8.4.2 I/O控制功能,一旦有I/O請求塊掛入，喚醒該設(shè)備驅(qū)動進(jìn)程。它被調(diào)度到時，從隊列中取出一個I/O請求塊，并按該塊的內(nèi)容執(zhí)行一次I/O操作，發(fā)出I/O完成（或出錯）中斷信號。然后，檢查請求隊，若為空，則進(jìn)入睡眠狀態(tài)，

13、否則，取下一個請求塊。,30,8.5 unix系統(tǒng)設(shè)備管理,兩種設(shè)備類型 1.塊設(shè)備 以字符塊（一般情況下是512字節(jié)）為基本I/o單位的設(shè)備稱為塊設(shè)備，如磁盤、磁帶、光盤等； 2.字符設(shè)備 以字符為基本I/O單位的設(shè)備稱為字符設(shè)備。,31,8.5 UNIX系統(tǒng)的設(shè)備管理,8.5.1 UNIX系統(tǒng)設(shè)備管理的特點 1.外部設(shè)備看作文件，由文件系統(tǒng)統(tǒng)一處理； 2.系統(tǒng)設(shè)備配置改變靈活、方便； 3.有效地使用了塊設(shè)備緩沖技術(shù)，大大地提高了塊設(shè)備存取操作的速度。,32,8.5.2 UNIX設(shè)備驅(qū)動程序接口,33,8.5.3 設(shè)備管理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),1.主設(shè)備號和次設(shè)備號 在系統(tǒng)內(nèi)部使用的設(shè)備名稱為設(shè)備號。它

14、由兩個部分組成，主設(shè)備號和次設(shè)備號。 主設(shè)備號：設(shè)備的類型編號； 次設(shè)備號：同類設(shè)備的設(shè)備臺號。,34,8.5.3 設(shè)備管理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),2.設(shè)備開關(guān)表（塊設(shè)備） Struct bdevsw int (*d_open)(); int (*d_close)(); int (*d_strategy)(); int *d_tab; bdevsw ;,字符設(shè)備開關(guān)表 struct cdevsw int (*d_open)(); int (*d_close)(); int (*d_read)(); int (*d_write)(); int (*d_sgtty)(); cdevsw;,35,8.5.3 設(shè)備

15、管理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),3.塊設(shè)備表 Struct devtal char d_active; /* 執(zhí)行一個I/O請求的標(biāo)志 */ char d_errcnt; /* 出錯計數(shù)器 */ struct buf *b_forw; /* 設(shè)備緩沖隊列前指針 */ struct buf *b_back; /* 設(shè)備緩沖隊列后指針 */ struct buf *b_actf; /* I/O請求隊列頭指針 */ struct buf *b_actl; /* I/O請求隊列尾指針 */ ,36,8.5.3 設(shè)備管理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)4.設(shè)備管理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的關(guān)系,37,8.5.4 緩沖區(qū)管理一、緩沖區(qū)結(jié)構(gòu),在UNIX系統(tǒng)中采用緩

16、沖池的緩沖技術(shù)，系統(tǒng)中設(shè)置一個有15個緩沖區(qū)的緩沖池。每個緩沖區(qū)占514個字節(jié)，其中512個字節(jié)用來存放數(shù)據(jù)，2個字節(jié)用作校驗用。 為了管理緩沖區(qū)，系統(tǒng)還設(shè)置了一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，稱為緩沖區(qū)首部，其結(jié)構(gòu)如下：,38,8.5.4 緩沖區(qū)管理一、緩沖區(qū)結(jié)構(gòu),Struct buf int b_flags; /* 標(biāo)志 */ struct buf *b_forw; /* 設(shè)備緩沖隊列前指針 */ struct buf *b_back; /* 設(shè)備緩沖隊列后指針 */ struct buf *av_forw; /* 空閑緩沖隊列前指針 */ struct buf *ac_back; /* 空閑緩沖隊列后指針

17、*/ int b_dev; /* 設(shè)備號 */ int b_wcount; /* 請求傳送的字節(jié)數(shù) */ char *b_addr; /* 緩沖區(qū)的首地址 */ char *b_blkno; /* 設(shè)備的物理塊號 */ char b_error; /* 出錯信息 */ char *b_resid; /* 出錯時尚末傳送的剩余字?jǐn)?shù) */ bufNBUF;,39,8.5.4 緩沖區(qū)管理一、緩沖區(qū)結(jié)構(gòu),b_flags包括： B_WRITE 寫（將信息寫到磁盤上去） B_READ 讀（從磁盤上讀取信息到緩沖區(qū)中） B_DONE I/O操作結(jié)束 B_ERROR 因I/O出錯而中止 B_BUSY 相應(yīng)的緩

18、沖區(qū)正在使用中 B_WANTED 有進(jìn)程正在等待使用該buf，清B_BUSY 時要喚 醒這種進(jìn)程 B_ASYNC 異步I/O標(biāo)志 B_DELWRI 延遲寫，在相應(yīng)緩存移作它用時，要將緩存中 的內(nèi)容寫到相應(yīng)的磁盤塊中。,40,8.5.4 緩沖區(qū)管理二、自由緩沖隊列和設(shè)備緩沖隊列,1.空閑緩沖區(qū)隊列 當(dāng)系統(tǒng)中某個進(jìn)程釋放緩沖區(qū)時，將釋放的緩沖區(qū)的buf掛到該隊列的隊尾。分配緩沖區(qū)是從該隊列隊首取出一個buf，分配給申請者。,41,8.5.4 緩沖區(qū)管理二、自由緩沖隊列和設(shè)備緩沖隊列,2.設(shè)備緩沖區(qū)隊列 當(dāng)某個設(shè)備使用緩沖區(qū)時，將該緩沖區(qū)的buf掛入到相應(yīng)的設(shè)備緩沖隊列，并且一直保留在該隊列中，直至

19、該緩沖區(qū)分配給其它設(shè)備為止。這種處理的目的是讓緩沖區(qū)中的信息盡可能長時間地保留在緩沖區(qū)中，以便以后重用。,42,8.5.4 緩沖區(qū)管理二、自由緩沖隊列和設(shè)備緩沖隊列,43,三、緩沖區(qū)管理算法,44,三、緩沖區(qū)管理算法,1.讀操作的過程 以讀的磁盤塊號和設(shè)備號找到相應(yīng)的設(shè)備緩沖隊列； 若已讀過（緩沖區(qū)中仍保存已讀的磁盤塊），則把緩沖區(qū)的內(nèi)容復(fù)制到用戶指定的內(nèi)存中；（假讀） 若相應(yīng)設(shè)備緩沖隊列中無，說明沒有讀過，則申請一個空閑緩沖區(qū)，作讀磁盤塊的操作，然后，把讀入緩沖區(qū)中的內(nèi)存復(fù)制到用戶指定的內(nèi)存區(qū)中；（真讀） 釋放緩沖區(qū)，把釋放的緩沖區(qū)掛到空閑緩沖區(qū)隊列的尾部。,45,三、緩沖區(qū)管理算法,2.寫

20、操作 以用戶申請的寫的磁盤塊號和設(shè)備號查相應(yīng)設(shè)備的緩沖隊列； 找到相應(yīng)的塊（原來寫過），則將該緩沖區(qū)從空閑緩沖隊列中摘出，將指定內(nèi)存的內(nèi)容寫到緩沖區(qū)中； 若寫滿緩沖區(qū)，則將該緩沖區(qū)的內(nèi)容寫到磁盤中去，然后，釋放緩沖區(qū)， 若沒有寫滿一個緩沖區(qū)，則將緩沖區(qū)置為延遲寫標(biāo)志，并釋放該緩沖區(qū)。 則沒有找到，則申請一個空閑的緩沖區(qū)，操作同前。,46,四、緩沖隊列的初始狀態(tài),緩沖區(qū)管理的初始化： 1.空閑緩沖區(qū)隊列 2.設(shè)備緩沖隊列，每類設(shè)備都有一個設(shè)備緩沖區(qū)隊列。 按UNIX系統(tǒng)的規(guī)定，每個空閑緩沖區(qū)同時要存在于兩個隊列中，空閑緩沖隊列和某個設(shè)備緩沖隊列（也有的系統(tǒng)在實現(xiàn)時，不設(shè)設(shè)備緩沖隊列，而是設(shè)置一個

21、全系統(tǒng)的設(shè)備緩沖的散列）。 為了保證上述規(guī)定，在系統(tǒng)初啟時，系統(tǒng)設(shè)置了一個特別設(shè)備，NODEV。,47,四、緩沖隊列的初始狀態(tài),48,五、緩沖區(qū)分配與釋放,緩沖區(qū)的分配總是先查相應(yīng)的設(shè)備緩沖隊列，若存在于設(shè)備緩沖隊列中，說明該緩沖區(qū)中的內(nèi)容已經(jīng)有用戶使用過，可重復(fù)使用，減少物理讀、寫磁盤的物理操作，加快I/O的速度。 釋放一個緩沖區(qū)時，把釋放的緩沖區(qū)首部插入空閑緩沖隊列的尾部，仍然留在相應(yīng)的設(shè)備緩沖隊列中。 緩沖區(qū)的分配和釋放有五種情況。,49,五、緩沖區(qū)分配與釋放,1.用戶申請讀（或?qū)懀┑膲K在某個設(shè)備緩沖隊列中（散列中），且該緩沖區(qū)空閑。 把buf中的b_flags置為“忙”，并將該緩沖首部從空閑緩沖隊列中摘出。 使用緩沖區(qū)中的信息： 用戶要求讀：則把緩沖區(qū)中的內(nèi)容復(fù)制到用戶指定的內(nèi)存中；釋放該緩沖區(qū)，即將其buf 掛到空閑緩沖隊列尾； 用戶要求寫：則把用戶指定的內(nèi)容寫到緩沖區(qū)中，緩沖區(qū)滿，則把其內(nèi)容寫到磁盤上，然后釋放；沒有寫滿，則把b_flags置延遲寫，釋放該磁盤塊。,50,五、緩沖區(qū)分配與釋放,2.設(shè)備緩沖隊列中沒有找到申請的塊，因此，要為申請者分配一個空閑的緩沖區(qū)。 從空閑緩沖隊列的隊首取出一個空閑的緩沖區(qū)，并且，b_flags中“延遲寫” 的標(biāo)志沒有置上。 把該緩沖區(qū)的buf從原設(shè)備緩沖隊列中移人申請的設(shè)備緩