操作系統(tǒng)基礎(chǔ)第三章課件

操作系統(tǒng)基礎(chǔ)第三章操作系統(tǒng)基礎(chǔ)第三章操作系統(tǒng)基礎(chǔ)第三章第三章輸入/輸出系統(tǒng)操作系統(tǒng)的功能，很大的一部分是花費(fèi)在I/O設(shè)備的控制和管理上，它負(fù)責(zé)對龐雜的外部設(shè)備提供一個(gè)通用的簡易接口。它對外部設(shè)備作了一個(gè)分層次的管理，解決了各設(shè)備間的交互及各自的輸入/輸出操作。每個(gè)類型的操作系統(tǒng)都是在對I/O的管理基礎(chǔ)上搭建起來的。操作系統(tǒng)基礎(chǔ)第三章操作系統(tǒng)基礎(chǔ)第三章操作系統(tǒng)基礎(chǔ)第三章第三章1第三章輸入/輸出系統(tǒng)

操作系統(tǒng)的功能，很大的一部分是花費(fèi)在I/O設(shè)備的控制和管理上，它負(fù)責(zé)對龐雜的外部設(shè)備提供一個(gè)通用的簡易接口。它對外部設(shè)備作了一個(gè)分層次的管理，解決了各設(shè)備間的交互及各自的輸入/輸出操作。每個(gè)類型的操作系統(tǒng)都是在對I/O的管理基礎(chǔ)上搭建起來的。第三章輸入/輸出系統(tǒng)操作系統(tǒng)的功能，很2****發(fā)展歷史第一代用鍵盤和打印機(jī)第二代用鼠標(biāo)和調(diào)制解調(diào)器（俗稱“貓”）第三代用手寫筆和掃描儀等另外，還有眾多的專業(yè)領(lǐng)域的設(shè)備。****發(fā)展歷史第一代用鍵盤和打印機(jī)3****外部設(shè)備分類1.按使用特性分存儲型設(shè)備輸入型設(shè)備（外設(shè)主機(jī)）輸出型設(shè)備（主機(jī)外設(shè)）

輸入輸出型設(shè)備2.按數(shù)據(jù)組織分塊設(shè)備以數(shù)據(jù)塊為單位存儲、傳輸信息字符設(shè)備以字符為單位存儲、傳輸信息****外部設(shè)備分類1.按使用特性分2.按數(shù)據(jù)組織分43.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(shí)，登記在系統(tǒng)中的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備（如終端、打印機(jī)、磁盤機(jī)等）

用戶設(shè)備指在系統(tǒng)生成時(shí)，未登記在系統(tǒng)中的非標(biāo)準(zhǔn)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(shí)施管理。（如A/D，D/A轉(zhuǎn)換器，CAD所用專用設(shè)備）3.按外部設(shè)備的從屬關(guān)系分用戶設(shè)備54.按資源分配角度分獨(dú)占設(shè)備在一段時(shí)間內(nèi)只能有一個(gè)進(jìn)程使用的設(shè)備，一般為低速I/O設(shè)備。（如打印機(jī)，磁帶等）

共享設(shè)備在一段時(shí)間內(nèi)可有多個(gè)進(jìn)程共同使用的設(shè)備，多個(gè)進(jìn)程以交叉的方式來使用設(shè)備，其資源利用率高。（如硬盤）4.按資源分配角度分共享設(shè)備6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(dú)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（將慢速的獨(dú)占設(shè)備改造成多個(gè)用戶可共享的設(shè)備，提高設(shè)備的利用率）（為了提高資源利用率，如SPOOLing技術(shù)就使用了虛設(shè)備技術(shù)——用硬盤模擬輸入輸出設(shè)備。）SPOOLing技術(shù)為解決獨(dú)立設(shè)備數(shù)量少，速度慢，不能滿足眾多進(jìn)程的要求，而且在進(jìn)程獨(dú)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)。虛設(shè)備（為了提高資源利用率，如SPOOLing技術(shù)就使用了虛75.從程序使用角度分邏輯設(shè)備物理設(shè)備****設(shè)備管理的目的和任務(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(1)選擇和分配I/O設(shè)備，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸操作(2)控制I/O設(shè)備與內(nèi)存之間交換數(shù)據(jù)5.從程序使用角度分****設(shè)備管理的目的和任務(wù)(1)選82.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(fù)擔(dān)方便性友好界面透明性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）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(fù)9*****I/O管理的重要性1.沒有I/O設(shè)備的計(jì)算機(jī)就像一個(gè)沒有輪子的汽車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(shí)間也是一個(gè)重要因素

(2)CPU性能越高，與I/O差距越大；彌補(bǔ)：更多的進(jìn)程

(3)進(jìn)程切換多，系統(tǒng)開銷大；3.操作系統(tǒng)龐大復(fù)雜的原因之一是：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。*****I/O管理的重要性104.保證在多道程序環(huán)境下，當(dāng)多個(gè)進(jìn)程競爭使用設(shè)備時(shí)，按一定策略分配和管理各種設(shè)備，使系統(tǒng)能有條不紊的工作5.與設(shè)備無關(guān)性（設(shè)備獨(dú)立性）用戶在編制程序時(shí)，使用邏輯設(shè)備名，由系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)從邏輯設(shè)備到物理設(shè)備（實(shí)際設(shè)備）的轉(zhuǎn)換用戶能獨(dú)立于具體物理設(shè)備而方便的使用設(shè)備4.保證在多道程序環(huán)境下，當(dāng)多個(gè)進(jìn)程競爭使用設(shè)備時(shí)，按一定11

用戶申請使用設(shè)備時(shí)，只需要指定設(shè)備類型，而無須指定具體物理設(shè)備，系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前的請求，及設(shè)備分配的情況，在相同類別設(shè)備中，選擇一個(gè)空閑設(shè)備，并將其分配給一個(gè)申請進(jìn)程

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)備優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備忙碌或設(shè)備故障時(shí)，用戶不必修改程序改善了系統(tǒng)的可適應(yīng)性和可擴(kuò)展性用戶申請使用設(shè)備時(shí)，只需要指定設(shè)備類型，而無須指定具體物12*****設(shè)備管理的任務(wù)按用戶需求提出的要求接入外部設(shè)備，系統(tǒng)按一定算法分配和管理控制，而用戶不必關(guān)心設(shè)備的實(shí)際地址和控制指令.盡量提高輸入輸出設(shè)備的利用率，例如，發(fā)揮主機(jī)與外設(shè)以及外設(shè)與外設(shè)之間的真正并行工作能力.*****設(shè)備管理的任務(wù)按用戶需求提出的要求接入外部設(shè)備，系13*****設(shè)備管理的功能設(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)通路分配設(shè)備：按設(shè)備的不同類型和操作系統(tǒng)選用的算法分配。包括分配相應(yīng)的通道、設(shè)備控制器以及對未分配到的任務(wù)或怍業(yè)進(jìn)行排隊(duì)等；控制和實(shí)現(xiàn)真正的輸入輸出操作。包括通道程序控制、啟動設(shè)備、及時(shí)響應(yīng)及處理中斷訊號等；對輸入輸出緩沖區(qū)進(jìn)行管理。例如邏輯名的管理，多個(gè)緩沖區(qū)的分時(shí)以及串并行操作，同類多個(gè)外部設(shè)備的均衡工作，避免“忙的忙”和“閑的閑”；在一些較大系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)虛擬設(shè)備技術(shù)（虛擬硬盤、虛擬內(nèi)存）。*****設(shè)備管理的功能分配設(shè)備：按設(shè)備的不同類型和操作系統(tǒng)143.1I/O硬件原理

I/O設(shè)備對不同的人有不同的理解，設(shè)計(jì)硬件的人員和對硬件編程的人員和用戶都有不同的觀點(diǎn)和見解，我們主要分析如何對這些設(shè)備編程控制，更好地使設(shè)備之間協(xié)調(diào)工作，即主要從程序員的角度來分析它。3.1I/O硬件原理153.1.1I/O設(shè)備

對于Linux/UNIX來說，I/O設(shè)備主要分為兩類：塊設(shè)備（blockdevice）和字符(characterdevice)設(shè)備。塊設(shè)備將信息存放在可尋址的固定大小的數(shù)據(jù)塊中，數(shù)據(jù)塊大小的范圍常從512字節(jié)到32768字節(jié)。特征：能夠獨(dú)立地讀寫單個(gè)數(shù)據(jù)塊----(涉及到了尋址操作)

字符設(shè)備可以接受或發(fā)送字符流，主要的設(shè)備有打印機(jī)、調(diào)制解調(diào)器等設(shè)備。這是種不合理的分法，比如時(shí)鐘無法尋址也無法發(fā)送接收字符流，但它可以把控制不同I/O設(shè)備的操作系統(tǒng)軟件成分隔離開來。如文件系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)磁盤相關(guān)的塊設(shè)備。3.1.1I/O設(shè)備對于Linux/UNI163.1.2設(shè)備控制器I/O設(shè)備一般由機(jī)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(jì)：*機(jī)械部分是設(shè)備本身；*電子部分叫做設(shè)備控制器或適配器。在小型和微型機(jī)中，它常采用印刷電路卡插入計(jì)算機(jī)中。

控制器卡上通常有一個(gè)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口，它符合ANSI、IEEE或ISO這樣的國際標(biāo)準(zhǔn)。3.1.2設(shè)備控制器I/O設(shè)備一般由機(jī)械和電子兩部分17

關(guān)注點(diǎn)：對該硬件如何進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，不考慮設(shè)備內(nèi)部如何工作程序員：軟件接口即硬件所接受的命令，它所完成的功能，報(bào)回的錯(cuò)誤因此我們所關(guān)心的就是控制器，因?yàn)樗筒僮飨到y(tǒng)打交道，也就是我們要分析的重點(diǎn)。關(guān)注點(diǎn)：對該硬件如何進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，不考慮設(shè)備內(nèi)部如何工作18***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(jìn)展。

一個(gè)I/O過程由四步組成：*準(zhǔn)備*啟動*測試和等待*結(jié)果檢查和錯(cuò)誤處理這個(gè)過程均是通過對設(shè)備接口寄存器組的讀寫完成***設(shè)備接口一個(gè)I/O過程由四步組成：19****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(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上的方式。在一個(gè)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.設(shè)備與主機(jī)間最基本的連接方式四個(gè)要素：設(shè)備接口形式

I/O指令形式

I/O地址空間分配及譯碼連線問題****設(shè)備連接模式1.設(shè)備與主機(jī)間最基本的連接方式20CPU內(nèi)存CPU內(nèi)存21(1)設(shè)備接口形式*端口地址譯碼*按照主機(jī)與設(shè)備的約定格式和過程接受或發(fā)送數(shù)據(jù)和信號計(jì)算機(jī)設(shè)備設(shè)備計(jì)算機(jī)*將計(jì)算機(jī)的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為機(jī)械部分能識別的模擬信號，或反過來*實(shí)現(xiàn)一些諸如設(shè)備內(nèi)部硬件緩沖存儲、數(shù)據(jù)加工的提高性能或增強(qiáng)功能的任務(wù)(1)設(shè)備接口形式*將計(jì)算機(jī)的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為機(jī)械部分能識22(2)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I/O模式

I/O專用指令要考慮的幾個(gè)問題：設(shè)備完成技術(shù)：系統(tǒng)如何知道設(shè)備的一次I/O操作是否完成？對CPU編程的I/O技術(shù)：CPU必須親自完成I/O的啟動與完成的處理，親自執(zhí)行所有數(shù)據(jù)在內(nèi)存和設(shè)備之間的實(shí)際物理傳送(2)I/O指令形式與I/O地址是相互關(guān)聯(lián)的，主要有兩種23進(jìn)一步改善：*使CPU利用率盡可能不被I/O降低，使CPU脫離I/O的負(fù)擔(dān)*提高I/O本身的絕對速度*減少或緩解速度差距*使CPU不等待I/O*使CPU盡可能擺脫I/O*提高設(shè)備利用率*在設(shè)備與主機(jī)的硬連接上，引入總線，節(jié)省連線并提供配置擴(kuò)充與改變時(shí)的靈活性；引入控制器，擴(kuò)大設(shè)備與主機(jī)間的相互適用范圍--------

總線的引入進(jìn)一步改善：*提高設(shè)備利用率242.總線將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的各個(gè)子系統(tǒng)（CPU、內(nèi)存、外設(shè)等）相互連接，且連接是共享的。好處：低成本（一線多用）靈活性（易于增加設(shè)備便于兩個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間共享外設(shè)）2.總線25總線的缺點(diǎn)：本身形成了通訊瓶頸，限制I/O吞吐量總線分類：數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線控制器，即設(shè)備的電子部分完成設(shè)備與主機(jī)間的連接和通訊CPU與控制器間通訊：單總線模型（微機(jī)、小型機(jī)）多總線模型（中、大型機(jī)）---I/O通道總線的缺點(diǎn)：控制器，即設(shè)備的電子部分完成設(shè)備與主機(jī)間的連接和26控制器與設(shè)備的接口是種低層次的接口：**比如從硬盤讀信息，讀出的是一個(gè)比特流，其中包括磁盤數(shù)據(jù)、扇區(qū)大小、校驗(yàn)碼等信息，讀出來后由控制器對這些串行的比特流進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并進(jìn)行校驗(yàn)最后裝入主存。**對顯示器的顯示，由CRT終端控制器從內(nèi)存中讀出要顯示的字符的字節(jié)流，然后產(chǎn)生來調(diào)制產(chǎn)生射線的信號，并最終將結(jié)果顯示出來?？刂破髋c設(shè)備的接口是種低層次的接口：27控制器與CPU的聯(lián)系每個(gè)控制器都有一些用來和CPU通信的寄存器，如果把這些寄存器放入內(nèi)存，即內(nèi)存映像I/O(這點(diǎn)在顯卡上尤為突出)。每個(gè)控制器還可以利用終端來通知CPU他們所承擔(dān)的任務(wù)的開始或結(jié)束。即固定設(shè)備中斷。(如網(wǎng)卡，ISA口的網(wǎng)卡)CPU通過向控制器的寄存器中寫入信息來控制這些設(shè)備工作?？刂破髋cCPU的聯(lián)系28DMA（directmemoryaccess）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(shí)向設(shè)備發(fā)“傳送一塊”命令，結(jié)束時(shí)進(jìn)行相應(yīng)處理，實(shí)際操作由DMA硬件直接完成DMA需要附加的輔助硬件，且該DMA硬件屬于設(shè)備的電子部分的功能（由控制器實(shí)現(xiàn)）。許多控制器，尤其是塊設(shè)備控制器都支持DMA。

3.1.3存儲器直接存取DMA（directmemoryaccess）DM29例如：對磁盤進(jìn)行訪問不用DMA時(shí)，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(gè)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(yàn)計(jì)算，以核實(shí)沒有讀錯(cuò)誤發(fā)生。然后控制器產(chǎn)生一個(gè)中斷。CPU響應(yīng)中斷，控制轉(zhuǎn)給操作系統(tǒng)。當(dāng)操作系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)，它重復(fù)地從控制器緩沖區(qū)中一次一個(gè)字節(jié)或一個(gè)字地讀這個(gè)磁盤塊的信息，并將其送入內(nèi)存中例如：對磁盤進(jìn)行訪問30

采用DMA方式時(shí)，允許DMA控制器接管地址線的控制權(quán)，直接控制DMA控制器與內(nèi)存的數(shù)據(jù)交換。從而使磁盤設(shè)備與存儲器之間的數(shù)據(jù)傳送不需要CPU介入，因而減輕了CPU負(fù)擔(dān)；當(dāng)采用DMA時(shí)，除向控制器提供要讀數(shù)據(jù)塊的磁盤地址外，還要向控制器提供兩個(gè)信息：數(shù)據(jù)塊送往內(nèi)存的起始地址和要傳送的字節(jié)數(shù)。采用DMA方式時(shí)，允許DMA控制器接管地址線的控制權(quán)，直接31

當(dāng)DMA硬件控制磁盤與存儲器之間進(jìn)行信息交換時(shí)，每當(dāng)磁盤把一個(gè)數(shù)據(jù)讀入控制器的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)時(shí)，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(jì)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(gè)傳送的數(shù)據(jù)重復(fù)上述過程，直到傳送字節(jié)計(jì)數(shù)器為“0”時(shí)，向CPU產(chǎn)生一個(gè)中斷信號。當(dāng)操作系統(tǒng)接管CPU控制權(quán)時(shí)，再無需做塊復(fù)制的工作了。當(dāng)DMA硬件控制磁盤與存儲器之間進(jìn)行信息交換時(shí)，每32CPU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(jì)數(shù)器減1結(jié)束否發(fā)中斷NYDMA的實(shí)現(xiàn)流程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33使用DMA的優(yōu)點(diǎn):

通過讓控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)的第一步收集校驗(yàn)，可以緩解設(shè)備之間對總線的控制權(quán)的爭奪，因?yàn)?，一旦不用DMA這種方式，當(dāng)開始傳輸時(shí)，總線的控制權(quán)必須長時(shí)間被此控制器所獲得，而長時(shí)間的占用會使大量其他任務(wù)阻塞；而他們本身也會因?yàn)閭魉秃妥x取的速度的差異，會使本身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜化。 通過這種內(nèi)部的緩沖機(jī)制，使得在啟動DMA傳送前完全不使用總線，而自己本身的設(shè)計(jì)也就自然簡化起來。使用DMA的優(yōu)點(diǎn):34類共享區(qū)域的管理----磁盤塊的交叉編址

當(dāng)數(shù)據(jù)從CPU或控制器被傳到內(nèi)存時(shí)，控制器本身也正在讀扇區(qū)上的信息時(shí)，控制器就可以被認(rèn)為是一個(gè)共享的區(qū)域，而這時(shí)就會出現(xiàn)競爭。此時(shí)只能滿足一方要求，即要么數(shù)據(jù)從磁盤到控制器，要么數(shù)據(jù)從控制器到內(nèi)存。如果數(shù)據(jù)從控制器到內(nèi)存，而數(shù)據(jù)仍需要被讀取，則必然會發(fā)生數(shù)據(jù)丟失的情況，需要用一些方法來避免----即隔一個(gè)數(shù)據(jù)塊讀一個(gè)（因?yàn)橛脖P是連續(xù)轉(zhuǎn)動的，不可能停止）或幾個(gè)的方案。類共享區(qū)域的管理----磁盤塊的交叉編址當(dāng)數(shù)據(jù)從CP35

對于a圖進(jìn)行編址，控制器只能做到隔一個(gè)塊讀取一個(gè)的速度，則讀完全部的信息需要磁盤旋轉(zhuǎn)8周，此時(shí)b圖只需要2周，對于c圖，主要是針對從控制器向內(nèi)存?zhèn)鲾?shù)據(jù)比從硬盤向控制器傳數(shù)據(jù)慢的情況。未編碼單交叉編碼雙交叉編碼對于a圖進(jìn)行編址，控制器只能做到隔一個(gè)塊讀取一個(gè)36有關(guān)技術(shù)通道技術(shù)：定義：通道是獨(dú)立于CPU的專門負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)輸入/輸出傳輸工作的處理機(jī)，對外部設(shè)備實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理，代替CPU對輸入/輸出操作進(jìn)行控制，從而使輸入，輸出操作可與CPU并行操作。

引入通道的目的：為了使CPU從I/O事務(wù)中解脫出來，同時(shí)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。有關(guān)技術(shù)引入通道的目的：37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(shí)地執(zhí)行多個(gè)通道程序。當(dāng)一個(gè)通道程序控制某臺設(shè)備傳送一個(gè)字節(jié)后，通道硬件就控制轉(zhuǎn)去執(zhí)行另一個(gè)通道程序，控制另一臺設(shè)備傳送信息。分類38

主要連接以字節(jié)為單位的低速I/O設(shè)備。如打印機(jī)，終端。以字節(jié)為單位交叉?zhèn)鬏?，?dāng)一臺傳送一個(gè)字節(jié)后，立即轉(zhuǎn)去為另一臺傳送字節(jié)。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(shí)間內(nèi)只能執(zhí)行一個(gè)通道程序，只允許一臺設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。主要連接以字節(jié)為單位的低速I/O設(shè)備。如打39

當(dāng)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。選擇通道當(dāng)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)403)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(jìn)行分時(shí)并行操作的優(yōu)點(diǎn)。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(jī)的數(shù)組多路通道，它可以啟動它們同時(shí)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(shí)際上是對通道程序采用多道程序設(shè)計(jì)的硬件實(shí)現(xiàn)。3)成組多路通道主要連接高速設(shè)備413.2I/O軟件原理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(dú)立于硬件的特性，較高層軟件則要向用戶提供一個(gè)友好的、清晰的、簡單的、功能更強(qiáng)的接口。

3.2.1

I/O軟件的目標(biāo)在設(shè)計(jì)I／O軟件時(shí)的一個(gè)關(guān)鍵概念是設(shè)備獨(dú)立性。用戶在編寫使用軟盤或硬盤上文件的程序時(shí)，無需為不同的設(shè)備類型而修改程序就可以使用。3.2I/O軟件原理I／O軟件的基本思42***設(shè)備無關(guān)性：

與設(shè)備獨(dú)立性密切相關(guān)的是統(tǒng)一命名(uniformnaming)這一目標(biāo)。一個(gè)文件或一個(gè)設(shè)備的名字只應(yīng)是一個(gè)簡單的字符串或一個(gè)整數(shù)，不應(yīng)依賴于設(shè)備.

如簡單的輸入：sort<input>output

此時(shí)操作系統(tǒng)能夠從各種設(shè)備上獲得輸入，也可以做同樣的輸出。設(shè)備的驅(qū)動和設(shè)備間的差異性均由操作系統(tǒng)本身來處理。***設(shè)備無關(guān)性：43***錯(cuò)誤處理出錯(cuò)處理是I/O軟件的另一個(gè)目標(biāo)。一般來說，數(shù)據(jù)傳輸中的錯(cuò)誤應(yīng)盡可能地在接近硬件層上處理。由控制器盡可能地處理它所遇到的問題，如果它真的處理不了，再交給設(shè)備的驅(qū)動程序，去再進(jìn)行一次重復(fù)操作。如對磁盤的讀取。盡量把錯(cuò)誤交給底層的軟件來處理，只有底層軟件處理不了的時(shí)候再交給較高一層的軟件來處理。***錯(cuò)誤處理44***異步同步問題數(shù)據(jù)的傳輸對I/O硬件來說是異步的（大多數(shù)），如何在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)異步，需要實(shí)現(xiàn)阻塞和喚醒機(jī)制，操作系統(tǒng)中需要有此模擬，是通過中斷來實(shí)現(xiàn)的，利用中斷來實(shí)現(xiàn)阻塞和喚醒，實(shí)現(xiàn)符合硬件的異步傳輸。***獨(dú)占與共享由于一些設(shè)備是獨(dú)占設(shè)備(打印機(jī))，有些設(shè)備是共享設(shè)備(磁盤)，故操作系統(tǒng)需要能夠同時(shí)處理這些設(shè)備。***異步同步問題***獨(dú)占與共享45

針對以上目標(biāo)，通常將I/O軟件組織成如下的幾個(gè)層次，使操作系統(tǒng)能夠合理高效地實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)。

1.中斷處理程序（底層）；

2.設(shè)備驅(qū)動程序；

3.與設(shè)備無關(guān)的操作系統(tǒng)軟件；

4.用戶層軟件（高層）。針對以上目標(biāo)，通常將I/O軟件組織成如下的幾個(gè)層463.2.2

中斷處理程序**每個(gè)進(jìn)程在啟動一個(gè)I/O操作后阻塞；**直到I/O操作完成并產(chǎn)生一個(gè)中斷；**由操作系統(tǒng)接管CPU后喚醒該進(jìn)程為止。為了將中斷放入底層，需要做一定的隱藏，如進(jìn)行I/O操作的進(jìn)程將自己掛起，等到I/O操作完成后進(jìn)行中斷，進(jìn)程掛起的方法常見的有：執(zhí)行信號量的DOWN操作、條件變量的WAIT操作，或者消息的RECEIVE操作。中斷發(fā)生時(shí)，中斷處理程序解除進(jìn)程的阻塞狀態(tài)。3.2.2中斷處理程序?yàn)榱藢⒅袛喾湃氲讓?，需要做一定的隱藏473.2.3

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(gè)設(shè)備驅(qū)動程序處理一種設(shè)備類型。

每一個(gè)控制器都設(shè)有一個(gè)或多個(gè)設(shè)備寄存器，用來存放向設(shè)備發(fā)送的命令和參數(shù)。設(shè)備驅(qū)動程序負(fù)責(zé)釋放這些命令，并監(jiān)督它們正確執(zhí)行。

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(gè)請求。3.2.3設(shè)備驅(qū)動程序每一個(gè)控制器都設(shè)有一個(gè)或48

在設(shè)備驅(qū)動程序的進(jìn)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(jìn)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(shí)將它解除阻塞為止（此時(shí)，一般驅(qū)動程序需要等待控制器完成一定的操作，故阻塞自己）。而在其它情況下，命令執(zhí)行不必延遲就很快完成（如在終端滾動屏幕，需要太多操作，根本不需要阻塞）。在設(shè)備驅(qū)動程序的進(jìn)程釋放一條或多條命令后，系統(tǒng)有兩493.2.4

與硬件無關(guān)的I/O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(dú)立軟件之間的確切界限是依賴于具體系統(tǒng)的。3.2.4與硬件無關(guān)的I/O軟件501.獨(dú)立于設(shè)備的軟件的基本任務(wù)是實(shí)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(gè)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(gè)主要課題。獨(dú)立于設(shè)備的軟件負(fù)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(hù)系統(tǒng)如何防止無權(quán)存取設(shè)備的用戶存取設(shè)備呢？對設(shè)備文件的rwx進(jìn)行控制，但一般的系統(tǒng)中都不允許訪問。1.獨(dú)立于設(shè)備的軟件的基本任務(wù)是實(shí)現(xiàn)所有設(shè)備都需要的功能，51

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(shí)并提供大小統(tǒng)一的塊尺寸，這正是設(shè)備獨(dú)立軟件的一個(gè)任務(wù)。它可將若干扇區(qū)合成一個(gè)邏輯塊。這樣，較高層的軟件只與抽象設(shè)備打交道，獨(dú)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(cuò)處理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一523.2.5

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(yùn)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(shí)現(xiàn)。

這些過程所做的工作只是將系統(tǒng)調(diào)用時(shí)所用的參數(shù)放在合適的位置，由其它的I/O過程實(shí)際實(shí)現(xiàn)真正的操作。3.2.5用戶空間的I/O軟件這些過程所做的工53操作系統(tǒng)基礎(chǔ)第三章課件54（1）用戶進(jìn)程層執(zhí)行輸入輸出系統(tǒng)調(diào)用，對I/O數(shù)據(jù)進(jìn)行格式化，為假脫機(jī)輸入／輸出作準(zhǔn)備；（2）獨(dú)立于設(shè)備的軟件實(shí)現(xiàn)設(shè)備的命名、設(shè)備的保護(hù)、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(fù)責(zé)I／O完成時(shí)，喚醒設(shè)備驅(qū)動程序進(jìn)程，進(jìn)行中斷處理；（5）硬件層實(shí)現(xiàn)物理I／O的操作。（1）用戶進(jìn)程層執(zhí)行輸入輸出系統(tǒng)調(diào)用，對I/O數(shù)據(jù)進(jìn)行格式化553.3死鎖死鎖的現(xiàn)象3.3死鎖死鎖的現(xiàn)象56****死鎖的定義：一組進(jìn)程中，每個(gè)進(jìn)程都無限等待被該組進(jìn)程中另一進(jìn)程所占有的資源，因而永遠(yuǎn)無法得到的資源，這種現(xiàn)象稱為進(jìn)程死鎖，這一組進(jìn)程就稱為死鎖進(jìn)程。出現(xiàn)死鎖，必然出現(xiàn)： 死鎖（Deadlock） 饑餓（Starvation）****死鎖的定義：出現(xiàn)死鎖，必然出現(xiàn)：57****關(guān)于死鎖的一些結(jié)論：參與死鎖的進(jìn)程最少是兩個(gè)；（兩個(gè)以上進(jìn)程才會出現(xiàn)死鎖）參與死鎖的進(jìn)程至少有兩個(gè)已經(jīng)占有資源；

參與死鎖的所有進(jìn)程都在等待資源；參與死鎖的進(jìn)程是當(dāng)前系統(tǒng)中所有進(jìn)程的子集。注：如果死鎖發(fā)生，會浪費(fèi)大量系統(tǒng)資源，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。****關(guān)于死鎖的一些結(jié)論：參與死鎖的所有進(jìn)程都在等待資源583.3.1資源資源是在任何時(shí)刻只能被單個(gè)進(jìn)程使用的對象可剝奪式資源不可剝奪式資源對于打印的過程（可剝奪式資源是存儲器，不可剝奪式資源是打印機(jī)）對于任一個(gè)資源，它本身必存在一個(gè)固定的模式?！氨簧暾垺环峙洹皇褂谩会尫拧蹦Ｊ健?.3.1資源59

對于可剝奪式資源：可以將可能存在死鎖的情況避免，比如說直接剝奪它本身已經(jīng)占有的資源，故，這種潛在威脅是可以在一定程度上獲通過某些手段來避免； 對于不可剝奪式資源，由于無法在尚未導(dǎo)致失敗的情況下剝奪其資源，如果強(qiáng)行剝奪資源，則會使當(dāng)前的任務(wù)出現(xiàn)混亂。 而死鎖的發(fā)生也正是直接與不可剝奪式資源相關(guān)，故需要分析處理的是不可剝奪式資源可能導(dǎo)致的潛在死鎖。對于可剝奪式資源：可以將可能存在死鎖的情況避免603.3.2死鎖的原理一般來說，死鎖時(shí)，沒有一個(gè)進(jìn)程可以觸發(fā)那個(gè)能夠喚醒本集合中另一個(gè)進(jìn)程的時(shí)間，所以所有的進(jìn)程都將永遠(yuǎn)等待下去。****發(fā)生死鎖的四個(gè)必要條件：1.互斥使用，每一資源或者已被分配給一個(gè)進(jìn)程，或者空閑；（資源獨(dú)占）2.保持和等待，一個(gè)進(jìn)程在申請新的資源的同時(shí)保持對原有資源的占有；（只有這樣才是動態(tài)申請，動態(tài)分配）3.3.2死鎖的原理613.不可強(qiáng)占,資源申請者不能強(qiáng)行的從資源占有者手中奪取資源，資源只能由占有者自愿釋放；4.循環(huán)等待，即必然有一條由兩個(gè)或多個(gè)進(jìn)程組成的循環(huán)鏈，鏈中每個(gè)進(jìn)程都在等待相鄰進(jìn)程占用的資源。存在一個(gè)進(jìn)程等待隊(duì)列

{P1,P2,…,Pn},

其中P1等待P2占有的資源，P2等待P3占有的資源，…，Pn等待P1占有的資源，形成一個(gè)進(jìn)程等待環(huán)路。3.不可強(qiáng)占,資源申請者不能強(qiáng)行的從資源占有者手中奪取資源62****死鎖模型-----有向圖a：表示，進(jìn)程A已經(jīng)占有了資源R;b：表示進(jìn)程B在申請資源S;c：表示進(jìn)程D在獲得了資源T后，在申請資源U，而此時(shí)進(jìn)程D也在獲得了資源U后，正在申請資源T。****死鎖模型-----有向圖a：表示，進(jìn)程A已經(jīng)占有了資63****死鎖模型-----資源圖單個(gè)或分開執(zhí)行****死鎖模型-----資源圖單個(gè)或分開執(zhí)行64操作系統(tǒng)不分配資源給B進(jìn)程，這樣就會避免死鎖。操作系統(tǒng)不分配資源給B進(jìn)程，這樣就會避免死鎖。65****死鎖的解決方案1.產(chǎn)生死鎖的例子

申請不同類型資源產(chǎn)生死鎖

****死鎖的解決方案1.產(chǎn)生死鎖的例子66P1：…申請打印機(jī)申請掃描儀使用釋放打印機(jī)釋放掃描儀…P2：…申請掃描儀申請打印機(jī)使用釋放打印機(jī)釋放掃描儀…P1：P2：67申請同類資源產(chǎn)生死鎖（如內(nèi)存）

設(shè)有資源R，R有m個(gè)分配單位，由n個(gè)進(jìn)程P1,P2,…,Pn（n>m）共享。假設(shè)每個(gè)進(jìn)程對R的申請和釋放符合下列原則：*一次只能申請一個(gè)單位*滿足總申請后才能使用*使用完后一次性釋放申請同類資源產(chǎn)生死鎖（如內(nèi)存）設(shè)有資源R，R有m個(gè)分配單位68申請同類資源產(chǎn)生死鎖（如內(nèi)存）m=2，n=3資源分配不當(dāng)導(dǎo)致死鎖產(chǎn)生申請同類資源產(chǎn)生死鎖（如內(nèi)存）m=2，n=369****處理死鎖的方法1.忽略死鎖的發(fā)生；2.檢測死鎖并恢復(fù)；3.謹(jǐn)慎對資源進(jìn)行動態(tài)分配，避免死鎖；4.通過破壞上述四個(gè)必要條件來預(yù)防死鎖的發(fā)生。****處理死鎖的方法1.忽略死鎖的發(fā)生；703.3.3鴕鳥算法

即對問題視而不見，一般處理的是那些在實(shí)際應(yīng)用中可以忽略掉或者不需要完備解決的問題。既解決掉該問題與不解決該問題的效果差一不是很大。

UNIX中的漏洞，明顯的漏洞，以及眾多多的問題，但可以不解決。3.3.3鴕鳥算法即對問題視而不見，一般處713.3.4死鎖的檢測和恢復(fù)

主要監(jiān)測資源的申請和釋放，并根據(jù)當(dāng)前的資源使用情況來判斷此時(shí)系統(tǒng)中是否存在環(huán)路，如果存在，就取消掉其中的一個(gè)進(jìn)程，如果不存在則繼續(xù)?；蛘吒唵危蝗ゾS護(hù)資源，而是去判斷進(jìn)程是否連續(xù)阻塞超過了預(yù)定的時(shí)間，如果有這樣的進(jìn)程，就將它取消。主要針對與大型主機(jī)，尤其是批處理系統(tǒng)，同時(shí)要注意取消阻塞帶來的可能有的副作用。3.3.4死鎖的檢測和恢復(fù)主要監(jiān)測資源的申請和釋723.3.5

死鎖預(yù)防定義：在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)確定資源分配算法，保證不發(fā)生死鎖。具體的做法是破壞產(chǎn)生死鎖的四個(gè)必要條件之一。破壞“互斥使用”條件對于打印機(jī)這類設(shè)備，利用假脫機(jī)等技術(shù)來避免進(jìn)程之間的資源競爭，而是利用監(jiān)控程序來統(tǒng)一調(diào)配。3.3.5死鎖預(yù)防定義：破壞“互斥使用”條件73破壞“請求和保持”條件要求每個(gè)進(jìn)程在運(yùn)行前必須一次性申請它所要求的所有資源，且僅當(dāng)該進(jìn)程所要資源均可滿足時(shí)才給予一次性分配。另一方案，當(dāng)進(jìn)程申請時(shí)，先釋放掉自己的資源再進(jìn)行申請，當(dāng)申請成功后再收回剛才自己的資源。問題：對于第一種方案，資源數(shù)目的判斷只有在運(yùn)行時(shí)才知道，而且效率無法提高。破壞“請求和保持”條件74破壞“循環(huán)等待”條件采用資源有序分配法：把系統(tǒng)中所有資源編號，進(jìn)程在申請資源時(shí)必須嚴(yán)格按資源編號的遞增次序進(jìn)行，否則操作系統(tǒng)不予分配。破壞“不可剝奪”條件在允許進(jìn)程動態(tài)申請資源前提下規(guī)定，一個(gè)進(jìn)程在申請新的資源不能立即得到滿足而變?yōu)榈却隣顟B(tài)之前，必須釋放已占有的全部資源，若需要再重新申請。破壞“循環(huán)等待”條件破壞“不可剝奪”條件75此時(shí)進(jìn)程A、B分別占有資源i、j，如果死鎖，即只有當(dāng)構(gòu)成環(huán)路時(shí)才會有，即A申請j，B申請i，但是如果有了編號，規(guī)定了進(jìn)程申請資源必須按照編號的順序，則會；

i>j，不允許A申請；

i<j，不允許B申請，這樣就避免了死鎖。此時(shí)進(jìn)程A、B分別占有資源i、j，如果死鎖，即只有當(dāng)構(gòu)成環(huán)路76死鎖預(yù)防的方法：死鎖預(yù)防的方法：773.3.6

死鎖避免定義：在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，對進(jìn)程發(fā)出的每一個(gè)系統(tǒng)能夠滿足的資源申請進(jìn)行動態(tài)檢查，并根據(jù)檢查結(jié)果決定是否分配資源，若分配后系統(tǒng)可能發(fā)生死鎖，則不予分配，否則予以分配。3.3.6死鎖避免定義：78安全狀態(tài)與不安全狀態(tài)安全狀態(tài)：如果存在一個(gè)由系統(tǒng)中所有進(jìn)程構(gòu)成的安全序列P1，…Pn，則系統(tǒng)處于安全狀態(tài)。安全序列：一個(gè)進(jìn)程序列{P1，…，Pn}是安全的，如果對于每一個(gè)進(jìn)程Pi(1≤i≤n），它以后尚需要的資源量不超過系統(tǒng)當(dāng)前剩余資源量與所有進(jìn)程Pj(j<i)當(dāng)前占有資源量之和，系統(tǒng)處于安全狀態(tài)。

(安全狀態(tài)一定是沒有死鎖發(fā)生的)安全狀態(tài)與不安全狀態(tài)安全序列：79安全狀態(tài)與不安全狀態(tài)不安全狀態(tài):不存在一個(gè)安全序列，不安全狀態(tài)一定導(dǎo)致死鎖安全狀態(tài)與不安全狀態(tài)不安全狀態(tài):不存在一個(gè)安全序列，不安全狀80****資源軌跡圖pqI1I2I3I4ArtI5I6I7I8Bs打印機(jī)繪圖儀繪圖儀打印機(jī)u兩進(jìn)程均結(jié)束****資源軌跡圖pqI1I2I3I4ArtI5I6I7I81銀行家算法(單種資源)問題描述：銀行家算法(單種資源)問題描述：82銀行家算法當(dāng)進(jìn)程pi提出資源申請時(shí)，系統(tǒng)執(zhí)行下列步驟：（1）若Request[i]≤Need[i],轉(zhuǎn)（2）；否則錯(cuò)誤返回（2）若Request[i]≤Available,

轉(zhuǎn)（3）；否則進(jìn)程等待銀行家算法當(dāng)進(jìn)程pi提出資源申請時(shí)，系統(tǒng)執(zhí)行下列步驟：83(3）假設(shè)系統(tǒng)分配了資源，則有：Available:=Available-Request[i];Allocation[i]:=Allocation[i]+Request[i];Need[i]:=Need[i]-Request[i]若系統(tǒng)新狀態(tài)是安全的，則分配完成若系統(tǒng)新狀態(tài)是不安全的，則恢復(fù)原狀態(tài)，進(jìn)程等待(3）假設(shè)系統(tǒng)分配了資源，則有：84銀行家算法為進(jìn)行安全性檢查，定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：Work:ARRAY[1..m]ofinteger;Finish:ARRAY[1..n]ofBoolean;銀行家算法為進(jìn)行安全性檢查，定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：85銀行家算法安全性檢查的步驟：(1)Work:=Available;Finish:=false;(2)尋找滿足條件的i：

a.Finish[i]=false;b.Need[i]≤Work;如果不存在，則轉(zhuǎn)(4)銀行家算法安全性檢查的步驟：86銀行家算法(3)Work:=Work+Allocation[i];Finish[i]:=true;

轉(zhuǎn)(1)(4)若對所有i,Finish[i]=true,則系統(tǒng)處于安全狀態(tài)，否則處于不安全狀態(tài)銀行家算法(3)Work:=Work+Allocation87【作業(yè)：】

已分配的資源 最大需求量

A B C A B C P1 0 1 0 7 5 3 P2 2 0 0 3 2 2 P3 3 0 2 9 0 2 P4 2 1 1 2 2 2 P5 0 0 2 4 3 3

剩余資源 A B C 3 3 2 【作業(yè)：】 已分配的資源 最大需求量 88問題:此狀態(tài)是否為安全狀態(tài)，如果是,則找出安全序列在此基礎(chǔ)上P2

申請（1，0，2）能否分配？為什么？P5

申請（3，3，0）能否分配？為什么？P1

申請（0，2，0）能否分配？為什么？問題:此狀態(tài)是否為安全狀態(tài)，如果89謝謝！謝謝！90操作系統(tǒng)基礎(chǔ)第三章操作系統(tǒng)基礎(chǔ)第三章操作系統(tǒng)基礎(chǔ)第三章第三章輸入/輸出系統(tǒng)操作系統(tǒng)的功能，很大的一部分是花費(fèi)在I/O設(shè)備的控制和管理上，它負(fù)責(zé)對龐雜的外部設(shè)備提供一個(gè)通用的簡易接口。它對外部設(shè)備作了一個(gè)分層次的管理，解決了各設(shè)備間的交互及各自的輸入/輸出操作。每個(gè)類型的操作系統(tǒng)都是在對I/O的管理基礎(chǔ)上搭建起來的。操作系統(tǒng)基礎(chǔ)第三章操作系統(tǒng)基礎(chǔ)第三章操作系統(tǒng)基礎(chǔ)第三章第三章91第三章輸入/輸出系統(tǒng)

操作系統(tǒng)的功能，很大的一部分是花費(fèi)在I/O設(shè)備的控制和管理上，它負(fù)責(zé)對龐雜的外部設(shè)備提供一個(gè)通用的簡易接口。它對外部設(shè)備作了一個(gè)分層次的管理，解決了各設(shè)備間的交互及各自的輸入/輸出操作。每個(gè)類型的操作系統(tǒng)都是在對I/O的管理基礎(chǔ)上搭建起來的。第三章輸入/輸出系統(tǒng)操作系統(tǒng)的功能，很92****發(fā)展歷史第一代用鍵盤和打印機(jī)第二代用鼠標(biāo)和調(diào)制解調(diào)器（俗稱“貓”）第三代用手寫筆和掃描儀等另外，還有眾多的專業(yè)領(lǐng)域的設(shè)備。****發(fā)展歷史第一代用鍵盤和打印機(jī)93****外部設(shè)備分類1.按使用特性分存儲型設(shè)備輸入型設(shè)備（外設(shè)主機(jī)）輸出型設(shè)備（主機(jī)外設(shè)）

輸入輸出型設(shè)備2.按數(shù)據(jù)組織分塊設(shè)備以數(shù)據(jù)塊為單位存儲、傳輸信息字符設(shè)備以字符為單位存儲、傳輸信息****外部設(shè)備分類1.按使用特性分2.按數(shù)據(jù)組織分943.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(shí)，登記在系統(tǒng)中的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備（如終端、打印機(jī)、磁盤機(jī)等）

用戶設(shè)備指在系統(tǒng)生成時(shí)，未登記在系統(tǒng)中的非標(biāo)準(zhǔn)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(shí)施管理。（如A/D，D/A轉(zhuǎn)換器，CAD所用專用設(shè)備）3.按外部設(shè)備的從屬關(guān)系分用戶設(shè)備954.按資源分配角度分獨(dú)占設(shè)備在一段時(shí)間內(nèi)只能有一個(gè)進(jìn)程使用的設(shè)備，一般為低速I/O設(shè)備。（如打印機(jī)，磁帶等）

共享設(shè)備在一段時(shí)間內(nèi)可有多個(gè)進(jìn)程共同使用的設(shè)備，多個(gè)進(jìn)程以交叉的方式來使用設(shè)備，其資源利用率高。（如硬盤）4.按資源分配角度分共享設(shè)備96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(dú)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（將慢速的獨(dú)占設(shè)備改造成多個(gè)用戶可共享的設(shè)備，提高設(shè)備的利用率）（為了提高資源利用率，如SPOOLing技術(shù)就使用了虛設(shè)備技術(shù)——用硬盤模擬輸入輸出設(shè)備。）SPOOLing技術(shù)為解決獨(dú)立設(shè)備數(shù)量少，速度慢，不能滿足眾多進(jìn)程的要求，而且在進(jìn)程獨(dú)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)。虛設(shè)備（為了提高資源利用率，如SPOOLing技術(shù)就使用了虛975.從程序使用角度分邏輯設(shè)備物理設(shè)備****設(shè)備管理的目的和任務(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(1)選擇和分配I/O設(shè)備，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸操作(2)控制I/O設(shè)備與內(nèi)存之間交換數(shù)據(jù)5.從程序使用角度分****設(shè)備管理的目的和任務(wù)(1)選982.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(fù)擔(dān)方便性友好界面透明性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）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(fù)99*****I/O管理的重要性1.沒有I/O設(shè)備的計(jì)算機(jī)就像一個(gè)沒有輪子的汽車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(shí)間也是一個(gè)重要因素

(2)CPU性能越高，與I/O差距越大；彌補(bǔ)：更多的進(jìn)程

(3)進(jìn)程切換多，系統(tǒng)開銷大；3.操作系統(tǒng)龐大復(fù)雜的原因之一是：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。*****I/O管理的重要性1004.保證在多道程序環(huán)境下，當(dāng)多個(gè)進(jìn)程競爭使用設(shè)備時(shí)，按一定策略分配和管理各種設(shè)備，使系統(tǒng)能有條不紊的工作5.與設(shè)備無關(guān)性（設(shè)備獨(dú)立性）用戶在編制程序時(shí)，使用邏輯設(shè)備名，由系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)從邏輯設(shè)備到物理設(shè)備（實(shí)際設(shè)備）的轉(zhuǎn)換用戶能獨(dú)立于具體物理設(shè)備而方便的使用設(shè)備4.保證在多道程序環(huán)境下，當(dāng)多個(gè)進(jìn)程競爭使用設(shè)備時(shí)，按一定101

用戶申請使用設(shè)備時(shí)，只需要指定設(shè)備類型，而無須指定具體物理設(shè)備，系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前的請求，及設(shè)備分配的情況，在相同類別設(shè)備中，選擇一個(gè)空閑設(shè)備，并將其分配給一個(gè)申請進(jìn)程

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)備優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備忙碌或設(shè)備故障時(shí)，用戶不必修改程序改善了系統(tǒng)的可適應(yīng)性和可擴(kuò)展性用戶申請使用設(shè)備時(shí)，只需要指定設(shè)備類型，而無須指定具體物102*****設(shè)備管理的任務(wù)按用戶需求提出的要求接入外部設(shè)備，系統(tǒng)按一定算法分配和管理控制，而用戶不必關(guān)心設(shè)備的實(shí)際地址和控制指令.盡量提高輸入輸出設(shè)備的利用率，例如，發(fā)揮主機(jī)與外設(shè)以及外設(shè)與外設(shè)之間的真正并行工作能力.*****設(shè)備管理的任務(wù)按用戶需求提出的要求接入外部設(shè)備，系103*****設(shè)備管理的功能設(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)通路分配設(shè)備：按設(shè)備的不同類型和操作系統(tǒng)選用的算法分配。包括分配相應(yīng)的通道、設(shè)備控制器以及對未分配到的任務(wù)或怍業(yè)進(jìn)行排隊(duì)等；控制和實(shí)現(xiàn)真正的輸入輸出操作。包括通道程序控制、啟動設(shè)備、及時(shí)響應(yīng)及處理中斷訊號等；對輸入輸出緩沖區(qū)進(jìn)行管理。例如邏輯名的管理，多個(gè)緩沖區(qū)的分時(shí)以及串并行操作，同類多個(gè)外部設(shè)備的均衡工作，避免“忙的忙”和“閑的閑”；在一些較大系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)虛擬設(shè)備技術(shù)（虛擬硬盤、虛擬內(nèi)存）。*****設(shè)備管理的功能分配設(shè)備：按設(shè)備的不同類型和操作系統(tǒng)1043.1I/O硬件原理

I/O設(shè)備對不同的人有不同的理解，設(shè)計(jì)硬件的人員和對硬件編程的人員和用戶都有不同的觀點(diǎn)和見解，我們主要分析如何對這些設(shè)備編程控制，更好地使設(shè)備之間協(xié)調(diào)工作，即主要從程序員的角度來分析它。3.1I/O硬件原理1053.1.1I/O設(shè)備

對于Linux/UNIX來說，I/O設(shè)備主要分為兩類：塊設(shè)備（blockdevice）和字符(characterdevice)設(shè)備。塊設(shè)備將信息存放在可尋址的固定大小的數(shù)據(jù)塊中，數(shù)據(jù)塊大小的范圍常從512字節(jié)到32768字節(jié)。特征：能夠獨(dú)立地讀寫單個(gè)數(shù)據(jù)塊----(涉及到了尋址操作)

字符設(shè)備可以接受或發(fā)送字符流，主要的設(shè)備有打印機(jī)、調(diào)制解調(diào)器等設(shè)備。這是種不合理的分法，比如時(shí)鐘無法尋址也無法發(fā)送接收字符流，但它可以把控制不同I/O設(shè)備的操作系統(tǒng)軟件成分隔離開來。如文件系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)磁盤相關(guān)的塊設(shè)備。3.1.1I/O設(shè)備對于Linux/UNI1063.1.2設(shè)備控制器I/O設(shè)備一般由機(jī)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(jì)：*機(jī)械部分是設(shè)備本身；*電子部分叫做設(shè)備控制器或適配器。在小型和微型機(jī)中，它常采用印刷電路卡插入計(jì)算機(jī)中。

控制器卡上通常有一個(gè)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口，它符合ANSI、IEEE或ISO這樣的國際標(biāo)準(zhǔn)。3.1.2設(shè)備控制器I/O設(shè)備一般由機(jī)械和電子兩部分107

關(guān)注點(diǎn)：對該硬件如何進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，不考慮設(shè)備內(nèi)部如何工作程序員：軟件接口即硬件所接受的命令，它所完成的功能，報(bào)回的錯(cuò)誤因此我們所關(guān)心的就是控制器，因?yàn)樗筒僮飨到y(tǒng)打交道，也就是我們要分析的重點(diǎn)。關(guān)注點(diǎn)：對該硬件如何進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，不考慮設(shè)備內(nèi)部如何工作108***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(jìn)展。

一個(gè)I/O過程由四步組成：*準(zhǔn)備*啟動*測試和等待*結(jié)果檢查和錯(cuò)誤處理這個(gè)過程均是通過對設(shè)備接口寄存器組的讀寫完成***設(shè)備接口一個(gè)I/O過程由四步組成：109****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(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上的方式。在一個(gè)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.設(shè)備與主機(jī)間最基本的連接方式四個(gè)要素：設(shè)備接口形式

I/O指令形式

I/O地址空間分配及譯碼連線問題****設(shè)備連接模式1.設(shè)備與主機(jī)間最基本的連接方式110CPU內(nèi)存CPU內(nèi)存111(1)設(shè)備接口形式*端口地址譯碼*按照主機(jī)與設(shè)備的約定格式和過程接受或發(fā)送數(shù)據(jù)和信號計(jì)算機(jī)設(shè)備設(shè)備計(jì)算機(jī)*將計(jì)算機(jī)的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為機(jī)械部分能識別的模擬信號，或反過來*實(shí)現(xiàn)一些諸如設(shè)備內(nèi)部硬件緩沖存儲、數(shù)據(jù)加工的提高性能或增強(qiáng)功能的任務(wù)(1)設(shè)備接口形式*將計(jì)算機(jī)的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為機(jī)械部分能識112(2)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I/O模式

I/O專用指令要考慮的幾個(gè)問題：設(shè)備完成技術(shù)：系統(tǒng)如何知道設(shè)備的一次I/O操作是否完成？對CPU編程的I/O技術(shù)：CPU必須親自完成I/O的啟動與完成的處理，親自執(zhí)行所有數(shù)據(jù)在內(nèi)存和設(shè)備之間的實(shí)際物理傳送(2)I/O指令形式與I/O地址是相互關(guān)聯(lián)的，主要有兩種113進(jìn)一步改善：*使CPU利用率盡可能不被I/O降低，使CPU脫離I/O的負(fù)擔(dān)*提高I/O本身的絕對速度*減少或緩解速度差距*使CPU不等待I/O*使CPU盡可能擺脫I/O*提高設(shè)備利用率*在設(shè)備與主機(jī)的硬連接上，引入總線，節(jié)省連線并提供配置擴(kuò)充與改變時(shí)的靈活性；引入控制器，擴(kuò)大設(shè)備與主機(jī)間的相互適用范圍--------

總線的引入進(jìn)一步改善：*提高設(shè)備利用率1142.總線將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的各個(gè)子系統(tǒng)（CPU、內(nèi)存、外設(shè)等）相互連接，且連接是共享的。好處：低成本（一線多用）靈活性（易于增加設(shè)備便于兩個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間共享外設(shè)）2.總線115總線的缺點(diǎn)：本身形成了通訊瓶頸，限制I/O吞吐量總線分類：數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線控制器，即設(shè)備的電子部分完成設(shè)備與主機(jī)間的連接和通訊CPU與控制器間通訊：單總線模型（微機(jī)、小型機(jī)）多總線模型（中、大型機(jī)）---I/O通道總線的缺點(diǎn)：控制器，即設(shè)備的電子部分完成設(shè)備與主機(jī)間的連接和116控制器與設(shè)備的接口是種低層次的接口：**比如從硬盤讀信息，讀出的是一個(gè)比特流，其中包括磁盤數(shù)據(jù)、扇區(qū)大小、校驗(yàn)碼等信息，讀出來后由控制器對這些串行的比特流進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并進(jìn)行校驗(yàn)最后裝入主存。**對顯示器的顯示，由CRT終端控制器從內(nèi)存中讀出要顯示的字符的字節(jié)流，然后產(chǎn)生來調(diào)制產(chǎn)生射線的信號，并最終將結(jié)果顯示出來。控制器與設(shè)備的接口是種低層次的接口：117控制器與CPU的聯(lián)系每個(gè)控制器都有一些用來和CPU通信的寄存器，如果把這些寄存器放入內(nèi)存，即內(nèi)存映像I/O(這點(diǎn)在顯卡上尤為突出)。每個(gè)控制器還可以利用終端來通知CPU他們所承擔(dān)的任務(wù)的開始或結(jié)束。即固定設(shè)備中斷。(如網(wǎng)卡，ISA口的網(wǎng)卡)CPU通過向控制器的寄存器中寫入信息來控制這些設(shè)備工作?？刂破髋cCPU的聯(lián)系118DMA（directmemoryaccess）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(shí)向設(shè)備發(fā)“傳送一塊”命令，結(jié)束時(shí)進(jìn)行相應(yīng)處理，實(shí)際操作由DMA硬件直接完成DMA需要附加的輔助硬件，且該DMA硬件屬于設(shè)備的電子部分的功能（由控制器實(shí)現(xiàn)）。許多控制器，尤其是塊設(shè)備控制器都支持DMA。

3.1.3存儲器直接存取DMA（directmemoryaccess）DM119例如：對磁盤進(jìn)行訪問不用DMA時(shí)，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(gè)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(yàn)計(jì)算，以核實(shí)沒有讀錯(cuò)誤發(fā)生。然后控制器產(chǎn)生一個(gè)中斷。CPU響應(yīng)中斷，控制轉(zhuǎn)給操作系統(tǒng)。當(dāng)操作系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)，它重復(fù)地從控制器緩沖區(qū)中一次一個(gè)字節(jié)或一個(gè)字地讀這個(gè)磁盤塊的信息，并將其送入內(nèi)存中例如：對磁盤進(jìn)行訪問120

采用DMA方式時(shí)，允許DMA控制器接管地址線的控制權(quán)，直接控制DMA控制器與內(nèi)存的數(shù)據(jù)交換。從而使磁盤設(shè)備與存儲器之間的數(shù)據(jù)傳送不需要CPU介入，因而減輕了CPU負(fù)擔(dān)；當(dāng)采用DMA時(shí)，除向控制器提供要讀數(shù)據(jù)塊的磁盤地址外，還要向控制器提供兩個(gè)信息：數(shù)據(jù)塊送往內(nèi)存的起始地址和要傳送的字節(jié)數(shù)。采用DMA方式時(shí)，允許DMA控制器接管地址線的控制權(quán)，直接121

當(dāng)DMA硬件控制磁盤與存儲器之間進(jìn)行信息交換時(shí)，每當(dāng)磁盤把一個(gè)數(shù)據(jù)讀入控制器的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)時(shí)，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(jì)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(gè)傳送的數(shù)據(jù)重復(fù)上述過程，直到傳送字節(jié)計(jì)數(shù)器為“0”時(shí)，向CPU產(chǎn)生一個(gè)中斷信號。當(dāng)操作系統(tǒng)接管CPU控制權(quán)時(shí)，再無需做塊復(fù)制的工作了。當(dāng)DMA硬件控制磁盤與存儲器之間進(jìn)行信息交換時(shí)，每122CPU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(jì)數(shù)器減1結(jié)束否發(fā)中斷NYDMA的實(shí)現(xiàn)流程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123使用DMA的優(yōu)點(diǎn):

通過讓控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)的第一步收集校驗(yàn)，可以緩解設(shè)備之間對總線的控制權(quán)的爭奪，因?yàn)?，一旦不用DMA這種方式，當(dāng)開始傳輸時(shí)，總線的控制權(quán)必須長時(shí)間被此控制器所獲得，而長時(shí)間的占用會使大量其他任務(wù)阻塞；而他們本身也會因?yàn)閭魉秃妥x取的速度的差異，會使本身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜化。 通過這種內(nèi)部的緩沖機(jī)制，使得在啟動DMA傳送前完全不使用總線，而自己本身的設(shè)計(jì)也就自然簡化起來。使用DMA的優(yōu)點(diǎn):124類共享區(qū)域的管理----磁盤塊的交叉編址

當(dāng)數(shù)據(jù)從CPU或控制器被傳到內(nèi)存時(shí)，控制器本身也正在讀扇區(qū)上的信息時(shí)，控制器就可以被認(rèn)為是一個(gè)共享的區(qū)域，而這時(shí)就會出現(xiàn)競爭。此時(shí)只能滿足一方要求，即要么數(shù)據(jù)從磁盤到控制器，要么數(shù)據(jù)從控制器到內(nèi)存。如果數(shù)據(jù)從控制器到內(nèi)存，而數(shù)據(jù)仍需要被讀取，則必然會發(fā)生數(shù)據(jù)丟失的情況，需要用一些方法來避免----即隔一個(gè)數(shù)據(jù)塊讀一個(gè)（因?yàn)橛脖P是連續(xù)轉(zhuǎn)動的，不可能停止）或幾個(gè)的方案。類共享區(qū)域的管理----磁盤塊的交叉編址當(dāng)數(shù)據(jù)從CP125

對于a圖進(jìn)行編址，控制器只能做到隔一個(gè)塊讀取一個(gè)的速度，則讀完全部的信息需要磁盤旋轉(zhuǎn)8周，此時(shí)b圖只需要2周，對于c圖，主要是針對從控制器向內(nèi)存?zhèn)鲾?shù)據(jù)比從硬盤向控制器傳數(shù)據(jù)慢的情況。未編碼單交叉編碼雙交叉編碼對于a圖進(jìn)行編址，控制器只能做到隔一個(gè)塊讀取一個(gè)126有關(guān)技術(shù)通道技術(shù)：定義：通道是獨(dú)立于CPU的專門負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)輸入/輸出傳輸工作的處理機(jī)，對外部設(shè)備實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理，代替CPU對輸入/輸出操作進(jìn)行控制，從而使輸入，輸出操作可與CPU并行操作。

引入通道的目的：為了使CPU從I/O事務(wù)中解脫出來，同時(shí)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。有關(guān)技術(shù)引入通道的目的：127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(shí)地執(zhí)行多個(gè)通道程序。當(dāng)一個(gè)通道程序控制某臺設(shè)備傳送一個(gè)字節(jié)后，通道硬件就控制轉(zhuǎn)去執(zhí)行另一個(gè)通道程序，控制另一臺設(shè)備傳送信息。分類128

主要連接以字節(jié)為單位的低速I/O設(shè)備。如打印機(jī)，終端。以字節(jié)為單位交叉?zhèn)鬏敚?dāng)一臺傳送一個(gè)字節(jié)后，立即轉(zhuǎn)去為另一臺傳送字節(jié)。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(shí)間內(nèi)只能執(zhí)行一個(gè)通道程序，只允許一臺設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。主要連接以字節(jié)為單位的低速I/O設(shè)備。如打129

當(dāng)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。選擇通道當(dāng)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)1303)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(jìn)行分時(shí)并行操作的優(yōu)點(diǎn)。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(jī)的數(shù)組多路通道，它可以啟動它們同時(shí)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(shí)際上是對通道程序采用多道程序設(shè)計(jì)的硬件實(shí)現(xiàn)。3)成組多路通道主要連接高速設(shè)備1313.2I/O軟件原理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(dú)立于硬件的特性，較高層軟件則要向用戶提供一個(gè)友好的、清晰的、簡單的、功能更強(qiáng)的接口。

3.2.1

I/O軟件的目標(biāo)在設(shè)計(jì)I／O軟件時(shí)的一個(gè)關(guān)鍵概念是設(shè)備獨(dú)立性。用戶在編寫使用軟盤或硬盤上文件的程序時(shí)，無需為不同的設(shè)備類型而修改程序就可以使用。3.2I/O軟件原理I／O軟件的基本思132***設(shè)備無關(guān)性：

與設(shè)備獨(dú)立性密切相關(guān)的是統(tǒng)一命名(uniformnaming)這一目標(biāo)。一個(gè)文件或一個(gè)設(shè)備的名字只應(yīng)是一個(gè)簡單的字符串或一個(gè)整數(shù)，不應(yīng)依賴于設(shè)備.

如簡單的輸入：sort<input>output

此時(shí)操作系統(tǒng)能夠從各種設(shè)備上獲得輸入，也可以做同樣的輸出。設(shè)備的驅(qū)動和設(shè)備間的差異性均由操作系統(tǒng)本身來處理。***設(shè)備無關(guān)性：133***錯(cuò)誤處理出錯(cuò)處理是I/O軟件的另一個(gè)目標(biāo)。一般來說，數(shù)據(jù)傳輸中的錯(cuò)誤應(yīng)盡可能地在接近硬件層上處理。由控制器盡可能地處理它所遇到的問題，如果它真的處理不了，再交給設(shè)備的驅(qū)動程序，去再進(jìn)行一次重復(fù)操作。如對磁盤的讀取。盡量把錯(cuò)誤交給底層的軟件來處理，只有底層軟件處理不了的時(shí)候再交給較高一層的軟件來處理。***錯(cuò)誤處理134***異步同步問題數(shù)據(jù)的傳輸對I/O硬件來說是異步的（大多數(shù)），如何在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)異步，需要實(shí)現(xiàn)阻塞和喚醒機(jī)制，操作系統(tǒng)中需要有此模擬，是通過中斷來實(shí)現(xiàn)的，利用中斷來實(shí)現(xiàn)阻塞和喚醒，實(shí)現(xiàn)符合硬件的異步傳輸。***獨(dú)占與共享由于一些設(shè)備是獨(dú)占設(shè)備(打印機(jī))，有些設(shè)備是共享設(shè)備(磁盤)，故操作系統(tǒng)需要能夠同時(shí)處理這些設(shè)備。***異步同步問題***獨(dú)占與共享135

針對以上目標(biāo)，通常將I/O軟件組織成如下的幾個(gè)層次，使操作系統(tǒng)能夠合理高效地實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)。

1.中斷處理程序（底層）；

2.設(shè)備驅(qū)動程序；

3.與設(shè)備無關(guān)的操作系統(tǒng)軟件；

4.用戶層軟件（高層）。針對以上目標(biāo)，通常將I/O軟件組織成如下的幾個(gè)層1363.2.2

中斷處理程序**每個(gè)進(jìn)程在啟動一個(gè)I/O操作后阻塞；**直到I/O操作完成并產(chǎn)生一個(gè)中斷；**由操作系統(tǒng)接管CPU后喚醒該進(jìn)程為止。為了將中斷放入底層，需要做一定的隱藏，如進(jìn)行I/O操作的進(jìn)程將自己掛起，等到I/O操作完成后進(jìn)行中斷，進(jìn)程掛起的方法常見的有：執(zhí)行信號量的DOWN操作、條件變量的WAIT操作，或者消息的RECEIVE操作。中斷發(fā)生時(shí)，中斷處理程序解除進(jìn)程的阻塞狀態(tài)。3.2.2中斷處理程序?yàn)榱藢⒅袛喾湃氲讓樱枰鲆欢ǖ碾[藏1373.2.3

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(gè)設(shè)備驅(qū)動程序處理一種設(shè)備類型。

每一個(gè)控制器都設(shè)有一個(gè)或多個(gè)設(shè)備寄存器，用來存放向設(shè)備發(fā)送的命令和參數(shù)。設(shè)備驅(qū)動程序負(fù)責(zé)釋放這些命令，并監(jiān)督它們正確執(zhí)行。

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(gè)請求。3.2.3設(shè)備驅(qū)動程序每一個(gè)控制器都設(shè)有一個(gè)或138

在設(shè)備驅(qū)動程序的進(jìn)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(jìn)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(shí)將它解除阻塞為止（此時(shí)，一般驅(qū)動程序需要等待控制器完成一定的操作，故阻塞自己）。而在其它情況下，命令執(zhí)行不必延遲就很快完成（如在終端滾動屏幕，需要太多操作，根本不需要阻塞）。在設(shè)備驅(qū)動程序的進(jìn)程釋放一條或多條命令后，系統(tǒng)有兩1393.2.4

與硬件無關(guān)的I/O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(dú)立軟件之間的確切界限是依賴于具體系統(tǒng)的。3.2.4與硬件無關(guān)的I/O軟件1401.獨(dú)立于設(shè)備的軟件的基本任務(wù)是實(shí)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(gè)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(gè)主要課題。獨(dú)立于設(shè)備的軟件負(fù)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(hù)系統(tǒng)如何防止無權(quán)存取設(shè)備的用戶存取設(shè)備呢？對設(shè)備文件的rwx進(jìn)行控制，但一般的系統(tǒng)中都不允許訪問。1.獨(dú)立于設(shè)備的軟件的基本任務(wù)是實(shí)現(xiàn)所有設(shè)備都需要的功能，141

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(shí)并提供大小統(tǒng)一的塊尺寸，這正是設(shè)備獨(dú)立軟件的一個(gè)任務(wù)。它可將若干扇區(qū)合成一個(gè)邏輯塊。這樣，較高層的軟件只與抽象設(shè)備打交道，獨(dú)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(cuò)處理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一1423.2.5

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(yùn)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(shí)現(xiàn)。

這些過程所做的工作只是將系統(tǒng)調(diào)用時(shí)所用的參數(shù)放在合適的位置，由其它的I/O過程實(shí)際實(shí)現(xiàn)真正的操作。3.2.5用戶空間的I/O軟件這些過程所做的工143操作系統(tǒng)基礎(chǔ)第三章課件144（1）用戶進(jìn)程層執(zhí)行輸入輸出系統(tǒng)調(diào)用，對I/O數(shù)據(jù)進(jìn)行格式化，為假脫機(jī)輸入／輸出作準(zhǔn)備；（2）獨(dú)立于設(shè)備的軟件實(shí)現(xiàn)設(shè)備的命名、設(shè)備的保護(hù)、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(fù)責(zé)I／O完成時(shí)，喚醒設(shè)備驅(qū)動程序進(jìn)程，進(jìn)行中斷處理；（5）硬件層實(shí)現(xiàn)物理I／O的操作。（1）用戶進(jìn)程層執(zhí)行輸入輸出系統(tǒng)調(diào)用，對I/O數(shù)據(jù)進(jìn)行格式化1453.3死鎖死鎖的現(xiàn)象3.3死鎖死鎖的現(xiàn)象146****死鎖的定義：一組進(jìn)程中，每個(gè)進(jìn)程都無限等待被該組進(jìn)程中另一進(jìn)程所占有的資源，因而永遠(yuǎn)無法得到的資源，這種現(xiàn)象稱為進(jìn)程死鎖，這一組進(jìn)程就稱為死鎖進(jìn)程。出現(xiàn)死鎖，必然出現(xiàn)： 死鎖（Deadlock） 饑餓（Starvation）****死鎖的定義：出現(xiàn)死鎖，必然出現(xiàn)：147****關(guān)于死鎖的一些結(jié)論：參與死鎖的進(jìn)程最少是兩個(gè)；（兩個(gè)以上進(jìn)程才會出現(xiàn)死鎖）參與死鎖的進(jìn)程至少有兩個(gè)已經(jīng)占有資源；

參與死鎖的所有進(jìn)程都在等待資源；參與死鎖的進(jìn)程是當(dāng)前系統(tǒng)中所有進(jìn)程的子集。注：如果死鎖發(fā)生，會浪費(fèi)大量系統(tǒng)資源，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。****關(guān)于死鎖的一些結(jié)論：參與死鎖的所有進(jìn)程都在等待資源1483.3.1資源資源是在任何時(shí)刻只能被單個(gè)進(jìn)程使用的對象可剝奪式資源不可剝奪式資源對于打印的過程（可剝奪式資源是存儲器，不可剝奪式資源是打印機(jī)）對于任一個(gè)資源，它本身必存在一個(gè)固定的模式?！氨簧暾垺环峙洹皇褂谩会尫拧蹦Ｊ健?.3.1資源149

對于可剝奪式資源：可以將可能存在死鎖的情況避免，比如說直接剝奪它本身已經(jīng)占有的資源，故，這種潛在威脅是可以在一定程度上獲通過某些手段來避免； 對于不可剝奪式資源，由于無法在尚未導(dǎo)致失敗的情況下剝奪其資源，如果強(qiáng)行剝奪資源，則會使當(dāng)前的任務(wù)出現(xiàn)混亂。 而死鎖的發(fā)生也正是直接與不可剝奪式資源相關(guān)，故需要分析處理的是不可剝奪式資源可能導(dǎo)致的潛在死鎖。對于可剝奪式資源：可以將可能存在死鎖的情況避免1503.3.2死鎖的原理一般來說，死鎖時(shí)，沒有一個(gè)進(jìn)程可以觸發(fā)那個(gè)能夠喚醒本集合中另一個(gè)進(jìn)程的時(shí)間，所以所有的進(jìn)程都將永遠(yuǎn)等待下去。****發(fā)生死鎖的四個(gè)必要條件：1.互斥使用，每一資源或者已被分配給一個(gè)進(jìn)程，或者空閑；（資源獨(dú)占）2.保持和等待，一個(gè)進(jìn)程在申請新的資源的同時(shí)保持對原有資源的占有；（只有這樣才是動態(tài)申請，動態(tài)分配）3.3.2死鎖的原理1513.不可強(qiáng)占,資源申請者不能強(qiáng)行的從資源占有者手中奪取資源，資源只能由占有者自愿釋放；4.循環(huán)等待，即必然有一條由兩個(gè)或多個(gè)進(jìn)程組成的循環(huán)鏈，鏈中每個(gè)進(jìn)程都在等待相鄰進(jìn)程占用的資源。存在一個(gè)進(jìn)程等待隊(duì)列

{P1,P2,…,Pn},

其中P1等待P2占有的資源，P2等待P3占有的資源，…，Pn等待P1占有的資源，形成一個(gè)進(jìn)程等待環(huán)路。3.不可強(qiáng)占,資源申請者不能強(qiáng)行的從資源占有者手中奪取資源152****死鎖模型-----有向圖a：表示，進(jìn)程A已經(jīng)占有了資源R;b：表示進(jìn)程B在申請資源S;c：表示進(jìn)程D在獲得了資源T后，在申請資