昆明理工大學(xué)付湘瓊操作系統(tǒng)設(shè)備管理

第五章設(shè)備管理

在現(xiàn)代計算機(jī)系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)與外界間的信息交往，更好地方便用戶使用計算機(jī)，一般都配置了一系列各種類型的外圍設(shè)備，例如：鍵盤，打印機(jī)，顯示器，磁帶機(jī)，卡片機(jī)，磁盤，磁鼓等。這些外圍設(shè)備，由于其構(gòu)造和物理特性各異，故在應(yīng)用方式上風(fēng)格各不相同，在管理方法上也有決然差別。

為了有效地完成對各類外圍設(shè)備的管理，更好地提高外設(shè)資源的利用率，并在用戶面前提供一種方便、統(tǒng)一的接口界面，在操作系統(tǒng)的設(shè)備管理子系統(tǒng)中，承擔(dān)了各種設(shè)備的分配、管理及I/O操作控制任務(wù)。讓用戶使用的設(shè)備與系統(tǒng)中實(shí)際連接的物理設(shè)備分離開，使用戶在不需要了解底層設(shè)備資源的狀況下，就可以采用邏輯設(shè)備名方便地使用外圍設(shè)備，而邏輯設(shè)備到物理設(shè)備的轉(zhuǎn)換工作則由系統(tǒng)自己完成。

本章所涉及的內(nèi)容，主要是針對在現(xiàn)代計算機(jī)系統(tǒng)中，為充分合理利用各類設(shè)備資源而采起的各種分配管理策略，以及與之有關(guān)的各類技術(shù)問題，作出進(jìn)一步的深入討論，弄清設(shè)備管理中的各功能是如何實(shí)現(xiàn)的。在學(xué)習(xí)中，應(yīng)以設(shè)備的類型劃分為基礎(chǔ)，正確區(qū)分獨(dú)占資源與共享資源的不同管理辦法，并對虛擬設(shè)備的任務(wù)是什么，通道技術(shù)、緩沖技術(shù)、中斷技術(shù)起什么作用，數(shù)據(jù)在I/O系統(tǒng)中的傳輸方式有幾種等方面的概念有一清晰的認(rèn)識，對設(shè)備管理的一般原理和方法形成全面、總體的了解。5.1設(shè)備類型和設(shè)備管理子系統(tǒng)的功能5.2設(shè)備管理中的兩種支撐技術(shù)5.3I/O系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的傳輸控制5.4設(shè)備分配5.5共享設(shè)備的驅(qū)動調(diào)度5.6虛擬設(shè)備5.1設(shè)備類型和設(shè)備管理子系統(tǒng)的功能5.1.1設(shè)備類型

在計算機(jī)系統(tǒng)中，除了作為操作處理時使用的CPU以及存儲信息時用的存儲器之外，還有一類比較重要的硬件資源——I/O設(shè)備。I/O設(shè)備是計算機(jī)與外界進(jìn)行信息交換的裝置，因此，在各種類型的計算機(jī)中都配置有一定數(shù)量的I/O設(shè)備，這些設(shè)備可以從不同的角度進(jìn)行分類。常見的有下列幾種：存儲設(shè)備輸入輸出設(shè)備終端設(shè)備脫機(jī)設(shè)備外圍設(shè)備磁帶機(jī)硬盤光盤繪圖儀掃描儀鍵盤打印機(jī)1.以設(shè)備的隸屬關(guān)系劃分：1）系統(tǒng)設(shè)備（SystemDevice）：這類設(shè)備屬于計算機(jī)中最基本的標(biāo)準(zhǔn)配置設(shè)備，常常在操作系統(tǒng)啟動時自動完成設(shè)備的登錄。如打印機(jī)、鍵盤、顯示器和磁盤驅(qū)動器等都屬于這種類型的設(shè)備。2）用戶設(shè)備（UserDevice）：這類設(shè)備屬于非標(biāo)準(zhǔn)配置，可由用戶根據(jù)實(shí)際需要連入系統(tǒng)，在使用之前通過運(yùn)行對應(yīng)的驅(qū)動程序進(jìn)行安裝、登錄。如繪圖儀、掃描儀等。2．按信息組織方式劃分：1）字塊設(shè)備（BlockDevice）：這種設(shè)備也稱為存儲型設(shè)備，在其上信息的組織、安排，都以塊為單位進(jìn)行，在進(jìn)行存取訪問時，也是以塊進(jìn)行計量的。常見的有磁盤驅(qū)動器、磁帶機(jī)、磁鼓等。2）字符設(shè)備（CharacterDevice）：字符設(shè)備上的信息，是以字符為單位來組織安排的,這類設(shè)備也稱為輸入/輸出型設(shè)備.在信息存取調(diào)用時,都是以字符為單位來訪問的。如鍵盤、紙帶輸入機(jī)、磁卡機(jī)等屬于該類型設(shè)備。3.從資源分配角度進(jìn)行劃分1)獨(dú)占設(shè)備（IndependenceDevice）：一次只允許分給一個用戶作業(yè)使用的設(shè)備。設(shè)備一旦被分出去后，在作業(yè)的整個執(zhí)行期間都被單獨(dú)占用，別的作業(yè)不能與之共用，必須等占用釋放后才可再用。而且，這類設(shè)備如果分配不當(dāng)，可能會造成死鎖。多數(shù)是一些慢速設(shè)備，如磁卡機(jī)、打印機(jī)、A/D、D/A轉(zhuǎn)換器等。2)共享設(shè)備（ShareDevice）：一次可以允許多個作業(yè)同時進(jìn)行訪問的設(shè)備。各作業(yè)在執(zhí)行期間內(nèi)，可以交替分時地對共享設(shè)備進(jìn)行占用。它是一個作業(yè)還未撤離設(shè)備，另一個作業(yè)便可使用的設(shè)備。常見的有磁盤、磁鼓等。3)虛擬設(shè)備（VirtualDevice）：嚴(yán)格來講，虛擬設(shè)備是一種設(shè)備管理的技術(shù)。采用該技術(shù)可以使慢速獨(dú)占設(shè)備的使用方式變?yōu)楣蚕碓O(shè)備的使用方式，以利于獨(dú)占設(shè)備使用效率的提高。在現(xiàn)代計算機(jī)系統(tǒng)中，主要采用了SPOOLING系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)以完成此功能。5.1.2設(shè)備管理子系統(tǒng)的主要功能

設(shè)備管理屬于操作系統(tǒng)中最煩瑣、最具復(fù)雜性的部分。為了有效的提高系統(tǒng)中設(shè)備的效率，在設(shè)備管理中不僅涉及了I/O中斷、緩沖及通道技術(shù),而且還包括了各種類型設(shè)備的分配、啟動以及虛擬設(shè)備等多方面的管理。為了對物理特性各異的設(shè)備,在調(diào)用時具有統(tǒng)一的格式和界面，以方便用戶,在設(shè)備管理中應(yīng)追求如下的目標(biāo)：

(1)建立方便、一致的用戶界面

(2)盡量使CPU與外圍設(shè)備、外設(shè)與外設(shè)之間的并行處理能力提高

(3)充分發(fā)揮I/O設(shè)備的效率

為實(shí)現(xiàn)目標(biāo)要求,作為設(shè)備管理子系統(tǒng),應(yīng)具備以下功能：

1)完成設(shè)備的分配和回收。對類型不相同的設(shè)備，采取不同的分配策略將設(shè)備及其它相關(guān)的硬件分配給申請設(shè)備的進(jìn)程，對當(dāng)前不能分配資源的進(jìn)程，應(yīng)將它們排到對應(yīng)的等待隊列中。進(jìn)程使用完設(shè)備后，系統(tǒng)應(yīng)及時收回。2)實(shí)現(xiàn)緩沖區(qū)的管理。CPU的運(yùn)行速度往往高于外設(shè)的處理速度，為了緩解兩者間的矛盾，使外設(shè)與CPU在處理速度上盡量匹配，系統(tǒng)通過設(shè)置緩沖區(qū)來完成此任務(wù)。緩沖區(qū)的分配、回收及管理工作由設(shè)備管理部分實(shí)現(xiàn).3)控制I/O設(shè)備的啟動。在計算機(jī)中，為保證設(shè)備調(diào)用的靈活性和可靠性，并使用戶負(fù)擔(dān)減輕，設(shè)備的啟動由系統(tǒng)自己完成，不允許用戶直接啟動設(shè)備。4)進(jìn)行I/O事件的中斷處理。具有通道的計算機(jī)系統(tǒng)中，I/O操作的控制是由通道執(zhí)行通道程序來實(shí)現(xiàn)的。通道與CPU的協(xié)調(diào)操作依靠I/O中斷信號來指揮，當(dāng)I/O中斷信號出現(xiàn)時,設(shè)備管理負(fù)責(zé)I/O中斷事件的處理。5)管理共享設(shè)備的驅(qū)動調(diào)度。共享設(shè)備在使用上允許多個作業(yè)交替啟動占用不同的區(qū)域，故對它們不能預(yù)分配，用時才分。這使分配變?yōu)槭裁磿r候?yàn)檎l服務(wù)的問題，即驅(qū)動調(diào)度問題。6)提供虛擬設(shè)備。為提高獨(dú)占設(shè)備的利用率，用共享設(shè)備模擬獨(dú)占設(shè)備，使獨(dú)占設(shè)備的使用變?yōu)楣蚕硎褂谩檫_(dá)到此目的，在設(shè)備管理中提供了一個SPOOLING系統(tǒng)。5.2設(shè)備管理中的兩種支撐技術(shù)5.2.1緩沖技術(shù)

在設(shè)備管理中，采用通道技術(shù)，雖可以實(shí)現(xiàn)CPU與外設(shè)的并行工作方式，但CPU的速度一般總是比外設(shè)快許多。為了進(jìn)一步改善CPU與外設(shè)之間的速度不匹配的矛盾，解決通道占用時的阻塞現(xiàn)象，提高CPU通道及外設(shè)設(shè)備之間的并行性，延長CPU對中斷的響應(yīng)時間，減少CPU的中斷次數(shù)，有效地延長設(shè)備使用時間，并有效解決物理記錄大小與邏輯記錄大小不一致的問題，在操作系統(tǒng)中引入了緩沖技術(shù)。1、緩沖技術(shù)的實(shí)現(xiàn)原理

當(dāng)某個進(jìn)程進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出操作時，先將數(shù)據(jù)送入緩沖區(qū)，當(dāng)緩沖區(qū)滿時再將緩沖區(qū)的內(nèi)容送到輸出設(shè)備上；反之，當(dāng)一個進(jìn)程完成輸入操作時，先將輸入設(shè)備上的數(shù)據(jù)送入緩沖區(qū)，當(dāng)緩沖區(qū)滿時，再由CPU將數(shù)據(jù)取走。在緩沖管理中必須建立緩沖區(qū)，緩沖區(qū)的設(shè)定有兩種方式：可以采用專門的硬件方法來實(shí)現(xiàn)緩沖，但會增加硬件成本，除了在關(guān)鍵的地方采用少量必要的硬件緩沖器外，在許多操作系統(tǒng)中都采用另一種稱為軟件緩沖的方式，即從主存空間中劃定出一個特殊的內(nèi)存區(qū)域作為緩沖區(qū)。單緩沖是在系統(tǒng)的CPU與外設(shè)之間只設(shè)立一個緩沖區(qū)，輸入與輸出操作全部經(jīng)該緩沖區(qū)來完成。當(dāng)輸入設(shè)備占用緩沖區(qū)時，輸出設(shè)備必須處于等待狀態(tài)；而當(dāng)輸出設(shè)備正在緩沖區(qū)將數(shù)據(jù)取走時，輸入設(shè)備也必須等待，其工作方式是串行完成的。此時，緩沖區(qū)成了可共享的臨界資源，必須互斥占用，不可能實(shí)現(xiàn)并行工作。單緩沖的結(jié)構(gòu)如圖5-15-1單緩沖cpu緩沖區(qū)輸入設(shè)備輸出設(shè)備2．雙緩沖管理

由于單緩沖不能實(shí)現(xiàn)并行處理，為避免單緩沖造成的設(shè)備利用率不高的狀況，可引入雙緩沖技術(shù),為輸入或輸出分配兩個緩沖區(qū)（如圖x-2），并讓兩個緩沖區(qū)交替工作，就可以形成并行操作的方式。當(dāng)輸入或是輸出時，外設(shè)先占用一個緩沖區(qū)，等當(dāng)該緩沖區(qū)滿后，再轉(zhuǎn)去占用另一個緩沖區(qū)，同時第一個緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)可被取走，緩沖區(qū)可以釋放，當(dāng)另一個緩沖區(qū)滿后，設(shè)備又可轉(zhuǎn)過來占用被釋放的緩沖區(qū)。這樣交替占用的緩沖區(qū)，可以使CPU與外設(shè)間的并行度進(jìn)一步提高。x-2雙緩沖雙緩沖不可能徹底解決在實(shí)際系統(tǒng)中的并行操作，由于計算機(jī)中配備有多種外圍設(shè)備，CPU與外設(shè)的速度匹配全部由雙緩沖來承擔(dān)是不能勝任的。為此，必須使用多緩沖或是緩沖池結(jié)構(gòu)來解決并行問題。下面舉一個例子來說明雙緩沖的使用。有一批卡片要從卡片機(jī)上讀如，然后再從打印機(jī)上輸出，系統(tǒng)設(shè)置了兩個緩沖區(qū)buf1h和buf2，它們用于從卡片機(jī)上接受數(shù)據(jù)，恰當(dāng)時交打印機(jī)輸出。假定卡片機(jī)的速度為1000卡/分，打印機(jī)的速度為1000行/分，先將一卡讀入buf1,當(dāng)打印buf1內(nèi)容時，將下一張卡送入buf2；當(dāng)打印完緩沖區(qū)buf1的內(nèi)容后，又啟動下一張卡送入buf1,同時buf2的內(nèi)容又被送去打印。反復(fù)重復(fù)上述過程，直到結(jié)束（如圖）。3．多緩沖及緩沖池管理

雙緩沖技術(shù)提高了I/O設(shè)備的并行度，但由于在計算機(jī)系統(tǒng)中，CPU的速度總是比外設(shè)快得多，真正要實(shí)現(xiàn)CPU與外設(shè)的并行操作，雙緩沖技術(shù)還不能達(dá)到要求，為此，在計算機(jī)中都采用多緩沖或緩沖池結(jié)構(gòu)。

多緩沖是把主存中的多個緩沖區(qū)組織成兩部分，一部分用做輸入緩沖區(qū)，另一部分作為輸出緩沖區(qū)。

緩沖池則是將多個緩沖區(qū)連接成一個完整的區(qū)域，其中每個區(qū)既可以作為輸入又可以作為輸出用。多緩沖及緩沖池是系統(tǒng)中的共享資源，可供各進(jìn)程使用，由系統(tǒng)統(tǒng)一分配和管理。它的使用必須互斥地進(jìn)行。

下面討論的是緩沖池的管理方式。緩沖池是若干緩沖區(qū)的集合，每一個緩沖區(qū)有兩部分：一部分是標(biāo)識緩沖器的緩沖首都，另一部分是保存信息的緩沖體。緩沖區(qū)在緩沖池內(nèi)按使用情況鏈接成三條隊列：空閑緩沖區(qū)隊列，輸入緩沖區(qū)隊列及輸出緩沖區(qū)隊列?？臻e緩沖區(qū)隊列：由空閑緩沖區(qū)連接而成，用em指針指向隊首。輸入緩沖區(qū)隊列：由裝滿輸入數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)連接而成，用in指針指向隊首。輸出緩沖區(qū)隊列：由裝滿輸出數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)連接而成，用out指針指向隊首.

緩沖首部 緩沖池緩沖池的工作原理如下：系統(tǒng)開始啟動時，所有緩沖區(qū)全部排入em隊列中。當(dāng)有輸入任務(wù)時，收容輸入進(jìn)程執(zhí)行讀數(shù)操作時，自動從em隊列的隊首取下一空閑緩沖區(qū)，將輸入數(shù)據(jù)裝入其中，待滿后排入in隊列尾部。并對em隊列長度和in隊列長度作減一、加一操作。當(dāng)有輸出任務(wù)時，收容輸出進(jìn)程從em隊列中取下一個空閑緩沖區(qū)，將輸出數(shù)據(jù)裝入，滿后排入隊列尾部。讓em隊列長度和out隊列長度作減一、加一操作。當(dāng)系統(tǒng)要從輸入緩沖區(qū)為用戶進(jìn)程取數(shù)時，由提取輸入進(jìn)程從in隊列中取出一緩沖區(qū)，將其中的數(shù)據(jù)復(fù)制到用戶指定的區(qū)域。并將該緩沖區(qū)排如em隊列的尾部，同時，in隊列數(shù)減一，em隊列數(shù)加一。當(dāng)系統(tǒng)要從輸出緩沖區(qū)輸出數(shù)時，由提取輸出進(jìn)程從out隊列中取出一緩沖區(qū)，將其中的數(shù)據(jù)送給輸出設(shè)備進(jìn)行操作。然后將該緩沖區(qū)排如em隊列的尾部，同時，out隊列數(shù)減一，em隊列數(shù)加一。

4．緩沖的作用

1）很好地解決了CPU與I/O設(shè)備速度不匹配的問題，使信息得以在系統(tǒng)中平滑傳輸。

2）提高了CPU、通道和設(shè)備之間的并行性，從而使系統(tǒng)的資源利用率及吞吐量增高。

3）減少了系統(tǒng)的中斷次數(shù)，降低了CPU的開銷。5.3I/O系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的傳輸控制

在一個完整的I/O系統(tǒng)內(nèi),包含了I/O設(shè)備、設(shè)備控制器、通道及相關(guān)的管理軟件。由于計算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬,使得信息的輸入輸出工作量加大,I/O操作在計算機(jī)中占由了重要的地位。好的I/O控制方式,不但有利于提高計算機(jī)中CPU與外圍設(shè)備的并行處理效率，而且還可以形成多種外設(shè)間的并行操作。特別是在多通道程序設(shè)計環(huán)境下,I/O操作控制能力已經(jīng)成為計算機(jī)系統(tǒng)綜合處理能力的重要構(gòu)成因素。一般選取衡量I/O控制方式的好壞時應(yīng)考慮如下因素：

1)信息傳輸效率盡量高，以形成大的吞吐量。

2)I/O系統(tǒng)資源利用率好，實(shí)現(xiàn)資源的均衡使用。

3)盡量減少CPU用于進(jìn)行I/O處理的開銷，使CPU效率得以充分發(fā)揮。為此,按照I/O數(shù)據(jù)傳輸控制能力的強(qiáng)弱程度,以及CPU與外設(shè)并行處理程度的不同。常將I/O系統(tǒng)中信息的傳輸控制方式分為四類:1)程序直接控制方式(CPU直接詢問方式)2)中斷方式3)DMA方式4)通道方式這四種方式代表了計算機(jī)系統(tǒng)中I/O控制的四個不同的發(fā)展階段。每個階段的發(fā)展都受到計算機(jī)硬件組織結(jié)構(gòu)發(fā)展變遷的影響。5.3.1程序直接控制方式

程序直接控制方式，也稱為CPU直接詢問方式。在早期的計算機(jī)系統(tǒng)中，由于無中斷技術(shù)與通道技術(shù)的支撐，為了控制I/O操作，往往是CPU在一條啟動外設(shè)的I/O指令發(fā)出后，便檢測一臺設(shè)備的忙閑標(biāo)志，如果外設(shè)的工作沒有完成，則標(biāo)志一直為忙狀態(tài)，CPU便一直進(jìn)行循環(huán)檢測下去，直到標(biāo)志為不忙為止。然后，主存與外設(shè)之間便可以交換一定量的信息。.這種操作方式，使CPU將大量的時間花費(fèi)在循環(huán)等待上，使CPU效率發(fā)揮極差，外設(shè)也不能合理利用，整個系統(tǒng)的效率很低?，F(xiàn)在已較少使用這種方式作為I/O的數(shù)據(jù)傳輸控制。5.2.2中斷方式隨著計算機(jī)技術(shù)的向前發(fā)展,在計算機(jī)系統(tǒng)中引入了中斷機(jī)構(gòu)。利用中斷信號，外設(shè)可以將自身操作的狀態(tài)及時反饋給中央處理CPU，這樣，CPU便可以在發(fā)出一條I/O指令后，轉(zhuǎn)去繼續(xù)完成其他任務(wù)。而對外設(shè)的I/O工作，則轉(zhuǎn)成了由設(shè)備控制器來指揮完成。當(dāng)I/O操作完成后。外設(shè)控制控制器自動向CPU發(fā)出中斷請求信號。CPU接到I/O中斷信號后進(jìn)行干預(yù)，啟動I/O中斷處理程序執(zhí)行。5.2.3DMA方式

DMA方式也稱為直接存取方式，主要用在塊設(shè)備的I/O操作中。

在DMA方式中，利用總線直接連接外設(shè)和內(nèi)存，由DMA控制機(jī)構(gòu)竊取總線占有權(quán)，完成外設(shè)與內(nèi)存間的成批數(shù)據(jù)交換。這樣，除了在數(shù)據(jù)塊進(jìn)行I/O操作初始由CPU發(fā)出啟動命令以及完成時CPU進(jìn)行中斷處理外，在整個數(shù)據(jù)塊的傳輸期間不再需要CPU進(jìn)行干預(yù)。這樣可減輕CPU的負(fù)擔(dān)，不必要象I/O中斷控制方式那樣需要CPU的頻繁干涉。CPU只需暫停幾個周期，從而使I/O的數(shù)據(jù)交換速度大大提高。5.2.4通道方式通道的引入，是為了進(jìn)一步提高CPU與外設(shè)之間的并行工作能力，使I/O操作形成獨(dú)立于CPU的體系，以減少CPU的負(fù)擔(dān)，使外設(shè)與內(nèi)存的數(shù)據(jù)交換更加靈活。在沒有通道的計算機(jī)系統(tǒng)中，外設(shè)與主機(jī)間的連接，必須以通道及設(shè)備控制器作為中介，實(shí)現(xiàn)四級連接，三級控制。而且往往是通道、設(shè)備控制器、設(shè)備間實(shí)行多路連接，形成多路交叉?zhèn)鬏?，以利于I/O效率的提高。

通道也稱為I/O處理機(jī)，專門負(fù)責(zé)內(nèi)存與外設(shè)之間的信息交換工作。在通道機(jī)構(gòu)中含有通道指令，每一條通道命令規(guī)定了設(shè)備的一種操作，由通道指令可構(gòu)成指揮外設(shè)工作的通道程序。在I/O操作時，CPU只要發(fā)出啟動命令，就可以啟動通道。當(dāng)通道啟動成功后，通道執(zhí)行相應(yīng)的通道程序控制外設(shè)進(jìn)行I/O操作。然后CPU就可轉(zhuǎn)去執(zhí)行其他任務(wù)，并形成與通道并行工作的狀態(tài)。CPU與通道互不干涉，獨(dú)立工作，直到I/O工作結(jié)束時，通道發(fā)出中斷信號，CPU停止當(dāng)前操作，轉(zhuǎn)I/O中斷處理，完成I/O操作的結(jié)束工作。在計算機(jī)中，按信息交換方式不同，通道可分為三類：

1）字節(jié)多路通道：它連接控制的是大量的慢速設(shè)備，如終端、打印機(jī)、磁卡機(jī)、紙帶機(jī)等。字節(jié)多路通道工作時，以字節(jié)為單位交替地傳送數(shù)據(jù)，當(dāng)為一臺設(shè)備傳送一個字節(jié)后，接著又轉(zhuǎn)去為另一臺設(shè)備傳送一個字節(jié)。在IBM370系統(tǒng)中所有設(shè)定的字節(jié)多路通道可接256臺設(shè)備。當(dāng)啟動I/O操作時，可以交替地為這256臺設(shè)備分時傳送字節(jié)。

2)選擇通道：對于象磁盤、磁鼓這樣的快速設(shè)備，如果仍然按字節(jié)交叉方式傳送數(shù)據(jù)，設(shè)備的利用率極差。因此，出現(xiàn)了按成批方式傳送數(shù)據(jù)的選擇通道。選擇通道雖然可連接多臺高速設(shè)備，但一段時間內(nèi)只能為一臺設(shè)備服務(wù)，只有一個輸入或輸出請求完成后釋放了通道，通道才可再轉(zhuǎn)向另一臺設(shè)備服務(wù)。由于工作方式是獨(dú)占的，所以利用效率不高。

3)數(shù)組多路通道：這種通道是將字節(jié)多路通道與選擇通道的優(yōu)點(diǎn)抽取出來所設(shè)計的一種效率很高的通道。在數(shù)組多路通道中，信息量的交換按成批方式進(jìn)行，而通道的占用選用了分時交叉使用的辦法，從而在數(shù)據(jù)傳輸率及通道利用率兩方面都獲得了滿意的效果。數(shù)組多路通道可以被認(rèn)為是多道程序設(shè)計技術(shù)思想在通道中的體現(xiàn)，可以廣泛用于中、高速外設(shè)的連接中。

不同的計算機(jī)系統(tǒng)中，通道的命令格式和命令碼可能不同，所以通道程序的編制方式上也是不同的。編好的通道程序應(yīng)放入主存中，為使通道能取到通道命令執(zhí)行，應(yīng)將當(dāng)前要執(zhí)行的通道程序的首地址的位置告訴通道。存放通道首地址的特殊主存單元稱通道地址字CAW(ChannelAddressWord),以后通道就按此地址開始通道程序的執(zhí)行。通道命令與通道程序1.通道組成通道是執(zhí)行I/O操作的處理機(jī)，所以它應(yīng)具有一臺處理機(jī)所必備的主要部件：有用于存放傳輸數(shù)據(jù)和通道程序的場所，還應(yīng)該有通道控制運(yùn)算部件，主要負(fù)責(zé)解釋執(zhí)行通道命令。通道使用的主要寄存器有：①數(shù)據(jù)字寄存器：用于存放傳輸?shù)臄?shù)據(jù)；②通道控制字寄存器：用于存放當(dāng)前正在執(zhí)行的通道命令（CCW）③通道地址字寄存器：用于存放通道命令的地址，在通道程序執(zhí)行前，要把通道程序的首地址存于此（CAW）;④通道狀態(tài)字寄存器：其中包括通道的狀態(tài)、設(shè)備狀態(tài)的信息，當(dāng)I/O操作結(jié)束時送入主存固定單元，以中斷的方式告訴CPU有關(guān)通道、控制器和設(shè)備的有關(guān)信息（CSW）。2.通道命令及格式

通道是實(shí)現(xiàn)I/O操作的特殊處理機(jī)，為了有別于CPU的指令，將通道指令稱之為通道命令（CCW）用于I/O操作的命令主要有兩種：①I/O指令：屬于特權(quán)指令，只在管態(tài)下使用，它主要用于對通道程序的啟動。②主要用于對I/O操作進(jìn)行控制。根據(jù)通道的特征，它主要有三種命令：用于讀、反讀、寫、斷定設(shè)備狀態(tài)的數(shù)據(jù)傳送命令，用于磁帶反饒、換頁查詢等的設(shè)備控制命令及實(shí)現(xiàn)通道程序內(nèi)部控制的轉(zhuǎn)移命令。

設(shè)有IBM/370系統(tǒng)的通道命令格式如下：

0731

OP數(shù)據(jù)傳輸主存始址

特征位

計數(shù)器323637474863它主要包括如下4部分內(nèi)容：（1）操作碼部分（OP）：表示通道要執(zhí)行的命令。（2）數(shù)據(jù)傳輸主存始址：表示本命令要訪問的主存數(shù)據(jù)區(qū)的起始地址。（3）特征位：只使用了32位~36位，其它未用，37~39必須為“0”，否則認(rèn)為通道命令錯，各特征位進(jìn)一步規(guī)定了本通道命令的意義。①數(shù)據(jù)鏈特征位（32位）：當(dāng)該位為“1”時，說明本條通道命令和下一條通道命令是數(shù)據(jù)交鏈，即兩條通道命令都是數(shù)據(jù)傳輸命令，該命令執(zhí)行完計數(shù)值為“0”，操作碼部分不變。②命令鏈特征位（33位）：當(dāng)該位為“1”時，當(dāng)前命令正常結(jié)束后，順序執(zhí)行下一字命令。在通道程序中，除最后一條通道命令外，每條通道命令應(yīng)指定32位為“1”

或33位為“1”，最后一條通道命令所有特征都為“0”。

③禁發(fā)長度錯特征位（34位）：如該位為“1”表示通道命令給出的字節(jié)數(shù)和I/O設(shè)備傳輸時的字節(jié)數(shù)即使不等，也不發(fā)出“出錯信息”。反之該位為“0”時，當(dāng)二者的字節(jié)數(shù)不等，就發(fā)出“出錯信號”，停止數(shù)據(jù)的傳送。④假讀特征位（35位）：表示禁止將數(shù)據(jù)送入主存，這樣就可以跳過一些數(shù)據(jù)。⑤程序控制中斷特征位（36位）：也可稱程序中斷屏蔽位。當(dāng)該特征位為“1”時，只要取出通道命令并開始操作，則通道就向CPU發(fā)出中斷信號；反之，即使有中斷也不允許發(fā)出。（4）字節(jié)計數(shù)器（48~63位）：它規(guī)定了數(shù)據(jù)區(qū)的字節(jié)數(shù)。2.通道程序

所謂通道程序就是用命令鏈、數(shù)據(jù)鏈或轉(zhuǎn)移命令，把諸條通道命令連接在一起，完成某些特定功能的通道命令的集合。通道程序的執(zhí)行過程就是I/O操作的處理過程，通道程序的編制除了要了解各通道命令外，還應(yīng)熟悉各種外部設(shè)備的物理特性。3.舉例例1：要求編制一個通道程序，完成從磁帶機(jī)上讀入200字節(jié)的信息，送入主存（1000）16開始的單元中。通道命令碼：

“07”

將磁帶機(jī)反轉(zhuǎn)到磁帶的起點(diǎn)。

“02”

讀命令。則該通道程序?yàn)椋篊CW1X“07”*X“40”1；

反轉(zhuǎn)到磁帶的起點(diǎn)。CCW2X“02”1000X“00”200；讀入200字節(jié)信息到主存1000開始的連續(xù)單元中。例2：要求編制一個通道程序，完成從磁帶機(jī)讀入200字節(jié)信息。將其1~50byte送入主存（1000）16~（1031）16單元中，將其51~70byte不存入主存，將其71~200byte字節(jié)存入主存（2000）16~（2081）16中。假設(shè)通道命令碼：

“07”為將磁帶機(jī)反轉(zhuǎn)到磁帶機(jī)的起點(diǎn)

“02”為讀命令則該通道程序?yàn)椋?/p>

CCW1X“07”*X“40”1；反轉(zhuǎn)到磁帶的起點(diǎn)。

CCW2X“02”1000“40”50；讀入50個字節(jié)的信息到主存1000號開始的連續(xù)單元中。4．CPU與通道之間的通信通道I/O操作是由兩種指令實(shí)現(xiàn)控制，即CPU的I/O指令和通道本身提供的通道命令字CCW。I/O指令屬于特權(quán)指令，只能由操作系統(tǒng)使用，使用CCW編寫的程序稱為通道程序，不同的設(shè)備有不同的通道程序，通道程序存放在內(nèi)存中，由I/O指令啟動執(zhí)行。CPU和通道是主/從關(guān)系，CPU可啟動、停止通道的工作或改變其現(xiàn)行狀態(tài)，故CPU和通道的通信包含：（1）CPU執(zhí)行相應(yīng)的I/O指令向通道發(fā)出任務(wù)或控制意圖；（2）通道完成CPU交給的工作后，用請求中斷告知CPU，并行工作狀態(tài)保留在相應(yīng)寄存器中供CPU檢測。進(jìn)程i請求啟動外設(shè)進(jìn)程j進(jìn)程i/j其他保護(hù)進(jìn)程I現(xiàn)場組織CCW存CAW執(zhí)行啟動“I/O”分析條件碼啟動成功；進(jìn)程i等待，別選進(jìn)程j運(yùn)行進(jìn)程j被中斷保護(hù)現(xiàn)場分析中斷事件處理I/O中斷選擇可運(yùn)行進(jìn)程判斷狀態(tài)形成條件碼執(zhí)行通道程序控制設(shè)備操作執(zhí)行情況記錄在通道狀態(tài)字中出現(xiàn)中斷事件CSW=>主存通道號設(shè)備號送特定寄存器執(zhí)行規(guī)定的操作用戶程序中央處理器操作系統(tǒng)程序通道設(shè)備控制器和設(shè)備輸入輸出操作過程示意5.4設(shè)備分配

從管理的層次看，設(shè)備的分配對象有兩級，一級是在作業(yè)級分配，另一級是在進(jìn)程級上進(jìn)行分配。對作業(yè)級的分配工作，是在作業(yè)提交之后，開始執(zhí)行前進(jìn)行的。此時，系統(tǒng)按用戶對設(shè)備的請求，將該作業(yè)所需要的有關(guān)設(shè)備及相關(guān)的通道和設(shè)備控制器資源，全部一次性的分給作業(yè)，直到作業(yè)用完自動釋放歸還給系統(tǒng)為止。這種分配方式屬于靜態(tài)分配。

進(jìn)程級的分配，一般由在CPU上運(yùn)行的進(jìn)程，根據(jù)任務(wù)需要，通過系統(tǒng)功能調(diào)用提出I/O請求，設(shè)備分配程序按一定的策略將可用的設(shè)備分配給有I/O請求的進(jìn)程。同時，還分配與設(shè)備相關(guān)的通道和設(shè)備控制器，以確保在CPU與外設(shè)之間形成一條有效的數(shù)據(jù)通路。由于這種分配是在執(zhí)行中動態(tài)完成的，設(shè)備用完后又必須立即釋放，所以，屬于動態(tài)分配。

設(shè)備的分配除與對象性質(zhì)有關(guān)外，還受設(shè)備物理特性的影響。不同特性的設(shè)備，在分配策略上不盡相同。本節(jié)主要針對設(shè)備分配中的各種問題作出相關(guān)討論。5.4.1設(shè)備獨(dú)立性在計算機(jī)系統(tǒng)中，可以配置的外設(shè)品種繁多。而且在小型機(jī)以上的計算機(jī)系統(tǒng)中，可以同時接入多臺同樣的外設(shè)。為了便于對這些外設(shè)進(jìn)行管理，系統(tǒng)對每臺進(jìn)入計算機(jī)系統(tǒng)中的設(shè)備都給定一個對應(yīng)的編號，作為調(diào)用時識別和區(qū)分設(shè)備用。這種編號無任何重復(fù)，一般被稱為設(shè)備的絕對號（或物理設(shè)備名）。

有了設(shè)備的絕對號，系統(tǒng)在管理過程中對設(shè)備的調(diào)用變得簡單而方便。但作為用戶而言，如果直接讓其用絕對號來申請設(shè)備，就會造成用戶在使用中極不方便，復(fù)雜程度增加。特別是在多通道程序環(huán)境下，用戶想查找哪臺設(shè)備是空閑的，哪臺是被占用的，根本是不可能的。有時申請的設(shè)備可能剛好很忙，而未被申請的其他同類設(shè)備即使處于空閑狀態(tài)也不能使用，造成了設(shè)備使用的靈活性降低，設(shè)備利用率差。所以在系統(tǒng)中一般不允許用戶用絕對號來直接申請所需的設(shè)備。

為了方便用戶，也為了提高外設(shè)利用率，在計算機(jī)中規(guī)定用戶申請外設(shè)時，只需要向系統(tǒng)說明所需用的某類設(shè)備，至于真正在實(shí)際中使用哪臺設(shè)備，由系統(tǒng)根據(jù)這類設(shè)備的應(yīng)用情況作出分配。即使用戶所需多臺同樣的設(shè)備，系統(tǒng)也允許用戶按自己的使用要求提出編號，這種由用戶申請設(shè)備時所用的編號稱為相對號（或稱邏輯設(shè)備名）

有了設(shè)備的絕對號和相對號后，用戶編制程序使用的設(shè)備與實(shí)際使用的設(shè)備無關(guān)，這就是設(shè)備的獨(dú)立性。

具備設(shè)備獨(dú)立性的計算機(jī)系統(tǒng)中，用戶編程時只考慮邏輯設(shè)備，系統(tǒng)調(diào)用的是物理設(shè)備，邏輯設(shè)備與物理設(shè)備間的轉(zhuǎn)化工作由設(shè)備分配程序來完成。這樣，使系統(tǒng)的適應(yīng)性好，靈活性強(qiáng)，對改善資源利用率極為有利。當(dāng)某臺設(shè)備壞了，只要操作系統(tǒng)改變分配就行了，而程序本身不必做任何修改。對方便用戶，改善資源利用率、提高系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和可適應(yīng)性都有極大的好處。例如，有１、２、３號打印機(jī)，作業(yè)J1要申請其中兩臺，如果讓J1直接申請１號、２號打印機(jī)，此時，如果１號打印機(jī)為另一作業(yè)J2占用，或者是其中一臺打印機(jī)壞了，即使系統(tǒng)中還有兩臺可用，J1也必須等待，造成資源浪費(fèi)。如能讓作業(yè)J1按相對號來申請設(shè)備，則可以避免這種缺陷。J1只要提出某類設(shè)備兩臺，系統(tǒng)可將剩下的兩臺分給J1，J1就可運(yùn)行。設(shè)備得到充分利用。5.4.2設(shè)備分配算法的數(shù)據(jù)基任何算法的實(shí)現(xiàn)都離不開數(shù)據(jù)基(數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu))的支撐，在設(shè)備分配算法中也不例外.不同的系統(tǒng)中對設(shè)備分配算法的建立方式上有所不同,可能會導(dǎo)致所選擇的數(shù)據(jù)基不同。但作為在多道環(huán)境下的設(shè)備分配，不僅只是對設(shè)備的分配，而且還要實(shí)現(xiàn)與設(shè)備相聯(lián)的通道及設(shè)備控制器的分配。

在分配算法的實(shí)現(xiàn)中，常采用的數(shù)據(jù)基主要含下述四張表,即

1)系統(tǒng)設(shè)備表SDT,2)設(shè)備控制表DCT，

3)控制器控制表COCT,4)通道控制表CHCT。這四張表在分配算法中形成了一個有機(jī)整體，有效地記錄了外設(shè)資源在系統(tǒng)中的情況。設(shè)備的每一次分配調(diào)用都與這四張表有關(guān)，下面將詳細(xì)介紹它們的構(gòu)成。1.系統(tǒng)設(shè)備表STD(SystemDeviceTable):

在STD表中，每個接入系統(tǒng)中的外圍設(shè)備都占有一個表目項(xiàng)。登錄了該設(shè)備的名稱、標(biāo)識及設(shè)備控制表DTC的入口地址等相關(guān)的信息。SDT表在整個系統(tǒng)中只有一張，全面反映了系統(tǒng)中的外設(shè)資源的類型、數(shù)量、占用情況等。每一個表項(xiàng)的內(nèi)容大約如下：

物理設(shè)備號：設(shè)備的內(nèi)部標(biāo)識,是操作系統(tǒng)在啟動階段為設(shè)備建立的編號，不同的設(shè)備的有不同的設(shè)備號各。

設(shè)備種類：標(biāo)志設(shè)備所具備的類型特征，如字塊設(shè)備，字符設(shè)備等。

進(jìn)程標(biāo)識符：占用設(shè)備的進(jìn)程的名稱。

DCT指針：設(shè)備控制表的入口位置。2.設(shè)備控制表DCT(DeviceControlTable):

系統(tǒng)中的每臺設(shè)備都有一張設(shè)備控制表DCT。在DCT中充分體現(xiàn)出了設(shè)備的各方面特征，以及與該設(shè)備相連的設(shè)備控制器的情況，并保存了控制器塊的入口位置。其內(nèi)容如下：邏輯設(shè)備號：用戶進(jìn)程的申請設(shè)備時用的編號。物理設(shè)備號：設(shè)備的內(nèi)部標(biāo)識,是操作系統(tǒng)在啟動階段為設(shè)備建立的編號，不同的設(shè)備的有不同的設(shè)備號各。設(shè)備特性：指出設(shè)備的固有特性。如：可讀，可寫，可讀寫等。

設(shè)備狀態(tài)：指明當(dāng)前設(shè)備的狀況，是否空閑/忙碌，是否好/壞。

等待隊列指針：由等待使用該設(shè)備的進(jìn)程所連接成的隊列，隊首及隊尾指針放入DCT的此項(xiàng)目中。

COCT指針：凡是與該設(shè)備相聯(lián)的控制器排成鏈表，其隊首指針放入DCT的該項(xiàng)中。

驅(qū)動程序入口：驅(qū)動設(shè)備用的驅(qū)動程序的入口位置。

重復(fù)操作次數(shù)：允許傳送出錯后，反復(fù)再傳送的最大重復(fù)次數(shù)。

DCT的排隊指針：每個DCT表為了管理上的方便，可以按類型連接起來，形成一條DCT鏈。

3.控制器控制表COCT(ControllerControlTable)

每個控制器都有一張控制器控制表COCT，用于登錄某控制器的使用分配情況及與該控制器相連的通道的情況。具體情況如下：

控制器號：控制器的內(nèi)部標(biāo)識符。

控制器狀態(tài)：控制器忙/閑，好/壞的狀態(tài)標(biāo)志。

通道指針：指向與該控制器相聯(lián)的通道控制表CHCT。當(dāng)控制器與若干通道連接時該項(xiàng)內(nèi)含多個指針。

等待隊列指針：指向等待該控制器的I/O進(jìn)程隊列。4.通道控制表CHCT(ChannelControlTable)：

CHCT表反映了通道的情況，系統(tǒng)中的每個通道一張CHCT。其內(nèi)容如下：

通道號：通道內(nèi)部標(biāo)識符。

通道狀態(tài)：通道的各種狀態(tài)（好/壞，已分/未分等）的反映。

等待隊列指針：等待該通道的I/O進(jìn)程隊列的首位置。

SDT,DCT,COCT,CHCT的結(jié)構(gòu)如圖所示：5.4.3設(shè)備分配

1．設(shè)備分配的基本要求：設(shè)備分配受設(shè)備的固有特性，設(shè)備在系統(tǒng)中的配置數(shù)量，用戶應(yīng)用需求等多方面的限制。不同類型的設(shè)備在分配上所采取的方式不同，算法的設(shè)計思路上也不可能一致，但不論形式上千差萬別，在實(shí)質(zhì)上所追求的都是兩方面的目標(biāo)。

在系統(tǒng)方面，最大限度地發(fā)揮設(shè)備的效率，分配盡量合理化，避免分配完成后使占用的進(jìn)程組出現(xiàn)不安全性，引發(fā)死鎖現(xiàn)象；從用戶一方考慮，應(yīng)使分配體現(xiàn)設(shè)備獨(dú)立性，使用戶面對的是邏輯設(shè)備，與物理設(shè)備結(jié)合不緊密，減輕用戶編程的負(fù)擔(dān)，提高應(yīng)用程序的靈活性。圍繞這樣的目標(biāo)，在設(shè)計操作系統(tǒng)的設(shè)備分配算法時，應(yīng)權(quán)衡各方面的要求，作出合理的分配方案的設(shè)計。2.設(shè)備分配方式：在設(shè)備分配中起作用的分配方式主要有兩種：靜態(tài)分配與動態(tài)分配。靜態(tài)分配方式主要適用對獨(dú)占型設(shè)備的分配，這種類型的分配在使用上必須是互斥地占用，所以往往是在某個作業(yè)執(zhí)行之前，根據(jù)作業(yè)需求，全部一次性分出，當(dāng)作業(yè)撤離時，再由系統(tǒng)收回。由于是預(yù)分配，一般不會引起不安全因素。這種方式主要用于分配設(shè)備，而對數(shù)量較少的通道和設(shè)備控制器的分配不能采用此方式。

動態(tài)分配的方式則是由進(jìn)程在執(zhí)行中再來動態(tài)申請外設(shè)，資源分配的靈活性大，利用率高。在此方式下，設(shè)備不是進(jìn)行預(yù)分配，而是用時才分，運(yùn)行中的進(jìn)程當(dāng)需要與外界交換信息時，通過執(zhí)行系統(tǒng)中的訪管指令，形成訪管中斷，系統(tǒng)響應(yīng)后進(jìn)入訪管中斷處理，啟動分配程序工作，完成分配任務(wù)。

由于在系統(tǒng)中，進(jìn)程的數(shù)量一般都會超出系統(tǒng)擁有的外設(shè)資源數(shù)量，故有些進(jìn)程在I/O請求完成后，不能立即分到所要的外設(shè)，這些進(jìn)程必須排成等設(shè)備的等待隊列。當(dāng)?shù)却犃谐霈F(xiàn)后，系統(tǒng)對設(shè)備分配的先后次序的確定必須要有一定的措施。常見的措施主要是先請求先分配或優(yōu)先級高優(yōu)先級分配兩種。(1)先請求先分配當(dāng)若干進(jìn)程申請某一設(shè)備的請求得不到滿足時，必須排入等隊列中。這些進(jìn)程由于申請的有先后次序，故排入等待隊列的次序也是不相同的。當(dāng)該設(shè)備被歸還給系統(tǒng)后，就可以重新分配，此時，系統(tǒng)按進(jìn)程在等待隊列中排隊的先后次序，將設(shè)備分給最早排入隊列的那個進(jìn)程。(2)優(yōu)先級高優(yōu)先分配在此分配對策中，進(jìn)程的優(yōu)先級起了決定作用。當(dāng)從等待某設(shè)備的進(jìn)程隊列中挑選下一個可占用設(shè)備的進(jìn)程時，按進(jìn)程所具有的優(yōu)先級處理。高優(yōu)先級的進(jìn)程先分配，同優(yōu)先級的，先申請先分配。3.設(shè)備分配算法：在具有通道的I/O系統(tǒng)中，分配算法對各資源的分配順序?yàn)椋?a)設(shè)備、(b)控制器、(c)通道。具體分配流程圖如下：5.4.2I/O中斷處理

I/O中斷的發(fā)生是在通道，設(shè)備以及設(shè)備控制器正?；虍惓＝Y(jié)束時，I/O中斷是CPU與通道交往協(xié)調(diào)的一種手段。CPU根據(jù)I/O中斷信號來判斷操作的完成情況，作出相應(yīng)的處理。正常的與異常的I/O中斷，系統(tǒng)在處理上所采用的方式不相同，產(chǎn)生的結(jié)果也不一樣。1.正常I/O中斷處理：當(dāng)通道程序順利執(zhí)行完成后，一次I/O操作正常完成，此時，I/O中斷信號發(fā)出，請求CPU干預(yù)。CPU進(jìn)行中斷響應(yīng)后，轉(zhuǎn)入中斷處理。中斷處理過程中應(yīng)完成下列任務(wù)：

保護(hù)正在CPU上運(yùn)行的當(dāng)前進(jìn)程的現(xiàn)場信息（現(xiàn)場信息被保存在該進(jìn)程的PCB的現(xiàn)場部分中）；

將原來由于有I/O請求，執(zhí)行過訪管指令而被置為等待態(tài)的進(jìn)程喚醒，變?yōu)榫途w態(tài)插入就緒隊列中。因?yàn)樵瓉碛蠭/O請求的進(jìn)程在操作正常結(jié)束后，所需的輸入信息已由指定的設(shè)備傳送過來，或者是將輸出信息已送到了指定的設(shè)備上輸出完畢，所以應(yīng)將它從等待隊列轉(zhuǎn)入到就緒隊列，以便可以完成后續(xù)任務(wù)。

查看當(dāng)前被釋放出的I/O設(shè)備的等待隊列中是否還有別的進(jìn)程在排隊，如果還有，則說明在設(shè)備被使用時，有進(jìn)程曾經(jīng)來申請設(shè)備未成功，被置為等待態(tài)，當(dāng)設(shè)備歸還給系統(tǒng)后，有義務(wù)將等設(shè)備的進(jìn)程喚醒，從等待態(tài)變?yōu)榫途w態(tài)，使它有可能去訪問設(shè)備。

重新啟動進(jìn)程調(diào)度程序工作。2.異常的I/O中斷處理：當(dāng)I/O操作時，發(fā)生了數(shù)據(jù)傳輸線路上的I/O異常中斷，這說明I/O操作沒有完成，可能產(chǎn)生了故障或是特殊事件，系統(tǒng)要分情況進(jìn)行處理。對故障原因引發(fā)的中斷，可以組織通道程序復(fù)執(zhí)，例如，當(dāng)送入的是無效命令碼時，操作系統(tǒng)可重新啟動通道再讀一遍。若復(fù)執(zhí)后故障被排除，則繼續(xù)往下執(zhí)行；若多次復(fù)執(zhí)后故障仍不能排除，則必須請求人工干預(yù)，由操作員檢測，排除故障，然后從控制臺打入一條命令給操作系統(tǒng)，繼續(xù)控制程序的執(zhí)行。

而對設(shè)備特殊事件，引發(fā)事件原因往往是設(shè)備上的卷用完，比如打印機(jī)用完，磁帶結(jié)束等，此時系統(tǒng)應(yīng)給操作員提示，進(jìn)行換卷工作，完成后通知操作系統(tǒng)繼續(xù)控制轉(zhuǎn)入正常執(zhí)行。5.5共享設(shè)備的驅(qū)動調(diào)度 配置在計算機(jī)中的共享設(shè)備，由于在使用特征上表現(xiàn)為在同一時間段內(nèi)允許多作業(yè)的進(jìn)程交替占用，故這類設(shè)備在分配方式上就不可能將設(shè)備只分給某個進(jìn)程使用，別的進(jìn)程不能使用。所以，對共享設(shè)備的分配，實(shí)質(zhì)上變成了決定設(shè)備在某一時刻到底應(yīng)該被啟動、為誰服務(wù)的問題。也就是常說的驅(qū)動調(diào)度問題。不同的共享設(shè)備，由于其構(gòu)造特征不同，所采用的驅(qū)動調(diào)度策略也會有差別。下面針對比較熟悉的共享設(shè)備磁盤來討論驅(qū)動調(diào)度問題。5.5.1磁盤的訪問時間構(gòu)成磁盤的物理構(gòu)造（如圖x-15）決定了一次磁盤的I/O操作，物理記錄的位置必須由柱面號，磁頭號（盤面號），扇區(qū)號三個參數(shù)共同確定。如何確定這三個參數(shù)是磁盤訪問成功的關(guān)鍵。

找柱面，實(shí)質(zhì)上是由磁臂帶動磁頭沿半徑方向平行移動到指定柱面的工作。在磁盤中，每個盤面都對應(yīng)一個磁頭，所有磁頭都被固定在唯一的磁臂上，一旦柱面被找到，所有磁頭指向的都是同一柱面。系統(tǒng)中找柱面的操作被稱為查找操作，所花費(fèi)的移臂時間稱為查找時間。

柱面找出后，磁頭并不與磁道接觸，而要等想訪問的扇區(qū)轉(zhuǎn)到磁頭所在位置時，磁頭才與扇區(qū)接觸，完成對物理記錄的讀/寫操作。扇區(qū)轉(zhuǎn)動到磁頭位置的時間稱為旋轉(zhuǎn)延遲時間。一般外設(shè)與主存相連時，在它們之間有一條數(shù)據(jù)通路，數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)通路上傳輸要花費(fèi)一定時間。磁盤也不例外，磁頭將扇區(qū)的信息讀到主存或是將主存的信息寫入扇區(qū)都需要時間，這個稱為傳輸時間。

由查找時間、旋轉(zhuǎn)延遲時間、傳輸時間三部分之和構(gòu)成了一次磁盤I/O訪問的時間。要使磁盤利用率高，應(yīng)盡量減少每次I/O操作的訪問時間，增加單位時間內(nèi)的I/O操作吞吐量。為了實(shí)現(xiàn)這一目的，系統(tǒng)應(yīng)采用一定的管理對策，決定出當(dāng)有多個訪問請求發(fā)生時，讓哪個訪問者被先訪問，這個管理對策被稱為“驅(qū)動調(diào)度”。具體的磁盤驅(qū)動調(diào)度算法分為兩部分：“移臂調(diào)度算法”和“旋轉(zhuǎn)調(diào)度算法”。“移臂調(diào)度”控制的是查找操作的先后次序；而“旋轉(zhuǎn)調(diào)度”控制的是哪個扇區(qū)先被訪問的問題。磁盤工作時，應(yīng)先完成“移臂調(diào)度”，然后再進(jìn)行“旋轉(zhuǎn)調(diào)度”。5.5.2移臂調(diào)度移臂調(diào)度算法有若干種，但著眼點(diǎn)都放在查詢優(yōu)化上，即查找時間盡量短，吞吐量盡量大。目前廣泛使用的查找策略有下列幾種：1．先來先服務(wù)查找算法（FCFS）：這是一種最簡單的移臂調(diào)度算法，它只考慮對磁盤請求的先后次序，而不考慮訪問的物理位置，所有對磁盤有I/O請求的進(jìn)程先去等待隊列中排隊，排在先的先給予服務(wù)。該算法對于訪問進(jìn)程是平等的，先提I/O請求的進(jìn)程，磁盤先分給它使用。（如圖x-16）。這種算法當(dāng)訪問請求分布不好時，可能會造成磁臂反復(fù)來回移動，增加總的訪問時間，無法實(shí)現(xiàn)查找優(yōu)化，只適用于訪問請求不太多的情況。2．最短查找時間優(yōu)先的算法（SSFT，Shortest-Seek-Time-First）這個算法是FCFS算法的改進(jìn)。它總是選擇請求隊列中離當(dāng)前磁頭所在柱面最近的下一個柱面作為即將訪問的對象，而不管請求訪問者到達(dá)請求隊列的先后次序（如圖x-17）。此算法克服了FCFS算法中磁臂大幅度來回移動的缺陷，在吞吐量上有所提高。但對訪問者的服務(wù)機(jī)會是不均衡的，有時會造成內(nèi)／外邊緣磁道上的請求被無限推遲響應(yīng)的現(xiàn)象。

圖x-16FCFS算法圖x-17SSFT算法3．掃描算法(SCAN)：該算法是為了克服SSTF算法的缺點(diǎn)而提出的一種查找優(yōu)化的算法，在SSTF算法中只考慮了請求訪問的柱面與磁頭當(dāng)前所處位置的距離，而不考慮磁臂的移動方向。而SCAN算法則既要考慮距離，也要考慮方向，且方向優(yōu)先考慮。SCAN算法在選下一個訪問者時，先選與磁臂移動方向一致的訪問請求，在此基礎(chǔ)上，選出與磁頭當(dāng)前柱面最近距離的柱面作為下一個訪問對象。也就是說，如果磁臂目前向內(nèi)移動，則下一個訪問對象，應(yīng)該是磁頭當(dāng)前所在柱面以內(nèi)的那些柱面中，距磁頭最近的那個柱面。下一個訪問對象仍這樣選擇，直到該方向上沒有更內(nèi)側(cè)的請求為止。磁頭改變方向轉(zhuǎn)向外，邊移動邊服務(wù)，完后又轉(zhuǎn)向內(nèi)服務(wù)，反復(fù)掃描訪問請求，依次給予服務(wù)。此方法與自然界中電梯工作的方式極為相象，故也稱“電梯調(diào)度”算法。SCAN算法是一種高效率的算法。它很好地解決了磁頭來回移動浪費(fèi)時間的現(xiàn)象，使系統(tǒng)Ｉ／Ｏ吞吐量增大，資源利用率好。圖x-18是此算法的示例。在實(shí)際的磁盤調(diào)度策略的使用中,多以SCAN算法為主。在此基礎(chǔ)上又演變出了下面的兩種算法：N步掃描法與循環(huán)掃描法。

圖x-18SCAN算法４.N步掃描與循環(huán)掃描法N步掃描與循環(huán)算法的服務(wù)方式與SCAN方法一致，但它們在向外或向內(nèi)的移動過程中，只對在磁頭改變方向以前已提出申請的訪問請求作出服務(wù)，新到達(dá)的訪問請求本次不予訪問，留待下次再服務(wù)。 循環(huán)掃描法也稱單向掃描，它對請求者的服務(wù)總是每次從０柱面號開始，然后移動至最大柱面。遇著訪問進(jìn)行服務(wù)。一次完后，磁頭再版返回０號柱面，又重復(fù)上述步驟。圖x-19（a）N步掃描（b）循環(huán)掃描5.5.3旋轉(zhuǎn)調(diào)度

通過移臂調(diào)度后，確定了訪問的柱面號，當(dāng)在同一柱面上有多個訪問者等待訪問時，如何安排訪問者的訪問次序？這就是旋轉(zhuǎn)調(diào)度應(yīng)解決的問題。旋轉(zhuǎn)調(diào)度應(yīng)以盡量減少旋轉(zhuǎn)延遲時間為目的。 用于旋轉(zhuǎn)調(diào)度的方法也有很多種，各種方法都試圖通過對各個訪問請求進(jìn)行巧妙的排序來實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)優(yōu)化，從而達(dá)到減少旋轉(zhuǎn)延遲時間的目的。下面介紹一種常見的“最短延遲時間優(yōu)化”的策略。

該方法以時間為衡量指標(biāo)，對同一柱面上扇區(qū)的訪問請求不是按申請的先后次序來讀／寫，而是經(jīng)過重新排序后再處理，使時間上大大縮短。例如：假設(shè)１０號柱面上有四個訪問者，它們的訪問請求次序如下：

請求次序柱面號磁頭號扇區(qū)號（１）１０３１（２）１０２６（３）１０１３（４）１０４９

若如不進(jìn)行優(yōu)化處理，處理完這四個訪問請求可能需要兩周的旋轉(zhuǎn)時間。而采用（１），（３），（２），（４）的次序處理，一周就可全部訪問完畢，節(jié)省了一半的時間。 有時幾個訪問請求所需的可能是同一柱面，不同磁頭號所對應(yīng)的同一扇區(qū)，這樣會造成這些扇區(qū)同時到達(dá)磁頭位置下，這時候可以按請求的先后次序，先請求的先讀／寫。5.6虛擬設(shè)備5.6.1虛擬設(shè)備技術(shù)的發(fā)展：

虛擬設(shè)備實(shí)際上是一種提高獨(dú)占設(shè)備利用率而采用的管理技術(shù)。在計算機(jī)系統(tǒng)中，一些慢速的獨(dú)占設(shè)備（如象打印機(jī)，卡片機(jī)