操作系統(tǒng)設(shè)備管理培訓(xùn)教材(PPT 89頁(yè)).ppt

1、第七章 設(shè)備管理,概述 I/O硬件特點(diǎn) 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(dòng)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(diǎn) CPU與I/O的速度差別大 盡量使兩者交疊運(yùn)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(lái)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(hào)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(chǔ)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(chǔ)、傳輸信息 傳輸速率較高、可尋址（隨機(jī)讀寫） 字符設(shè)備 以字符為單位存儲(chǔ)、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(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(lái)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(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 目的：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

3、的利用率 （實(shí)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(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) 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(qǐng)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(qǐng)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(qǐng)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(dòng)程序，實(shí)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(biāo)和任務(wù),（2）建立方便、統(tǒng)一的獨(dú)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(shí)不考慮設(shè)備的復(fù)雜物理特性 統(tǒng)一性：對(duì)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(xì)節(jié)（設(shè)備的物理細(xì)節(jié)，錯(cuò)誤處理，不同I/O的差異性）,設(shè)備管理的目標(biāo)和任務(wù)（續(xù)1）,設(shè)備獨(dú)立性（設(shè)備無(wú)關(guān)性）,目的： 提高操作系統(tǒng)的可適應(yīng)性和可擴(kuò)展性 從用戶角度：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，并實(shí)施I/O操作 從系統(tǒng)角度：設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)IO軟件時(shí)，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(shí)的靈活性 易于實(shí)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(biāo)和任務(wù)（續(xù)3）,（4）保護(hù) 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(biāo)和任務(wù)（續(xù)4）,1.設(shè)備組成 IO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),二、I/O硬件特點(diǎn),設(shè)備組成（續(xù)1）,（1）物理設(shè)備 機(jī)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(jī)間的

6、連接和通信 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)主板上的總線插槽 通過(guò)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(jī)與設(shè)備之間約定的格式和過(guò)程 接受計(jì)算機(jī)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)和控制信號(hào) 向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)和狀態(tài)信號(hào) 將計(jì)算機(jī)的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械部分能識(shí)別的模擬信號(hào)，或反之 實(shí)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(qiáng)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(shí)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(dāng)控制器接受一條命令后，可獨(dú)立于CPU完成指定操作，CPU可以轉(zhuǎn)去執(zhí)行其它運(yùn)算。命令完成時(shí)，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)。CPU通過(guò)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(gè)低級(jí)接口。例如磁盤，可以按每個(gè)磁道8扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)512個(gè)字節(jié)進(jìn)行格式化。然而，實(shí)際從驅(qū)動(dòng)器出來(lái)的卻是一連串的位流，以一個(gè)頭標(biāo)（preamble）開始，然后是一個(gè)扇區(qū)的4096位（5128），最后是檢查和或錯(cuò)誤校驗(yàn)碼（ErrorC一C：ECC）。頭標(biāo)是在對(duì)磁盤格式化時(shí)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(jìn)行必要的錯(cuò)誤修正。首先，控制器按位進(jìn)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(duì)塊驗(yàn)證檢查和并證明無(wú)錯(cuò)誤時(shí)，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(gè)寄存器 每個(gè)寄存器有唯一的一個(gè)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(dú)立編址（I/O專用指令）,3.I/O端口地址,存儲(chǔ)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(jī)把I/O端口看作一個(gè)存儲(chǔ)單元，對(duì)I/O的讀寫操作等同于對(duì)存儲(chǔ)器

9、的操作 優(yōu)點(diǎn) 凡是可對(duì)存儲(chǔ)器操作的指令都可對(duì)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(diǎn)：占用內(nèi)存空間,I/O獨(dú)立編址,分配給系統(tǒng)中所有端口的地址空間是完全獨(dú)立的，與內(nèi)存的地址空間沒(méi)有關(guān)系 主機(jī)使用專門的I/O指令對(duì)端口進(jìn)行操作 優(yōu)點(diǎn) 外部設(shè)備不占用內(nèi)存的地址空間 程序設(shè)計(jì)時(shí)，易于區(qū)分是對(duì)內(nèi)存操作還是對(duì)I/O端口操作 缺點(diǎn)：對(duì)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(duì)其進(jìn)行讀寫操作,1、直接I/O（輪詢） 由CPU負(fù)責(zé)在機(jī)器內(nèi)存與設(shè)備控制器數(shù)據(jù)寄存器之間進(jìn)行

10、數(shù)據(jù)傳送 2、中斷驅(qū)動(dòng)I/O 為了減少設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序不斷地詢問(wèn)控制器狀態(tài)寄存器的開銷 當(dāng)I/O操作結(jié)束后，由設(shè)備控制器主動(dòng)通知設(shè)備驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(jì)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(gè)友好的、清晰的、簡(jiǎn)單的、功能更強(qiáng)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(jìn)程層執(zhí)行輸入輸出系統(tǒng)調(diào)用，對(duì)IO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(dòng)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)IO完成時(shí)，喚醒設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)程，進(jìn)行中斷處理 （5）硬件層實(shí)現(xiàn)物理IO的操作,2.設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序,與設(shè)備密切相關(guān)的代碼放在設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中，每個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)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(lái)存放向設(shè)備發(fā)送的

12、命令和參數(shù)。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)釋放這些命令，并監(jiān)督它們正確執(zhí)行,設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序（續(xù)1）,一般，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的任務(wù)是接收來(lái)自與設(shè)備無(wú)關(guān)的上層軟件的抽象請(qǐng)求，并執(zhí)行這個(gè)請(qǐng)求 在設(shè)備驅(qū)動(dòng)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(dòng)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。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(dú)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(wú)關(guān)的。設(shè)備驅(qū)動(dòng)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,設(shè)備獨(dú)立的軟件（續(xù)1）,設(shè)備獨(dú)立的軟件（續(xù)2）,1.獨(dú)立于設(shè)備的軟

13、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(jí)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(duì)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(hào)名映射到正確的設(shè)備驅(qū)動(dòng)上 3.設(shè)備保護(hù) 系統(tǒng)如何防止無(wú)權(quán)存取設(shè)備的用戶存取設(shè)備呢？,設(shè)備獨(dú)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(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(zhǎng)的邏輯塊 5.緩沖技術(shù) 6.設(shè)備分配 7.出錯(cuò)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(kù)過(guò)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IO系統(tǒng)調(diào)用，通常由庫(kù)過(guò)程實(shí)現(xiàn) 這些過(guò)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IO過(guò)程實(shí)際實(shí)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(gè)虛擬設(shè)備 一個(gè)資源轉(zhuǎn)換技術(shù) （用空間，如輸入，輸出等換取CPU時(shí)間） 解決問(wèn)題： 在進(jìn)程所需物理設(shè)備不存在或被占用時(shí)使用該設(shè)備,假若進(jìn)程打開打印機(jī)特殊文件后幾小時(shí)內(nèi)無(wú)所事事，其他進(jìn)程什么都打印不了！ 解決方案： 創(chuàng)建值班（精靈）進(jìn)程（daemon）、SPOOLing目錄 進(jìn)程首先生成要打印的文件，放入SPOOL

15、ing目錄 值班進(jìn)程：唯一獲準(zhǔn)使用打印機(jī)特殊文件的進(jìn)程 用以打印SPOOLing目錄里的文件 通過(guò)禁止對(duì)特殊文件的直接使用、提高了使用效率,打印機(jī)的SPOOLing值班進(jìn)程,網(wǎng)絡(luò)的SPOOLing值班進(jìn)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(jìn)程把它取出并傳遞到目標(biāo)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(shí)間，并不提高CPU利用率,（1）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(duì)外部設(shè)

16、備實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理，代替CPU對(duì)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。 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(lái)，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,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(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(tái)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(tái)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(jī)，終端 以字節(jié)為單位交叉?zhèn)鬏敚?dāng)一臺(tái)傳送一個(gè)字節(jié)后，立即轉(zhuǎn)去為另一臺(tái)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(shí)間內(nèi)只能執(zhí)行一個(gè)通道程序，只允許一臺(tái)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,分類（續(xù)2）,當(dāng)這臺(tái)設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸完成后，再選擇與通道連接的另一臺(tái)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(jìn)行分時(shí)并行操作的優(yōu)點(diǎn)。它先為一臺(tái)設(shè)備執(zhí)行一條通道指令，然后自動(dòng)轉(zhuǎn)接，為另一臺(tái)設(shè)備執(zhí)行一條通道指令 主要連接高速設(shè)備 這樣，對(duì)于連接多臺(tái)磁盤機(jī)的數(shù)組多路通道，它可以啟動(dòng)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(duì)通道程序采用多道程序設(shè)計(jì)的硬件

18、實(shí)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(hào)的功能。 一旦CPU發(fā)出指令，啟動(dòng)通道，則通道獨(dú)立于CPU工作。一個(gè)通道可連接多個(gè)控制器，一個(gè)控制器可連接多個(gè)設(shè)備，形成樹形交叉連接 主要目的是啟動(dòng)外設(shè)時(shí)： 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(dāng)于一個(gè)功能簡(jiǎn)單的處理機(jī)，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(yùn)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(guò)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：?jiǎn)?dòng)通道程序 通道命令：對(duì)I/O操作進(jìn)行控制 讀、反讀、寫、測(cè)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(yè)）、實(shí)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(jì)數(shù)器 編制一個(gè)通道程序，從磁帶機(jī)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(dāng)遇到I/O請(qǐng)求時(shí)，可根據(jù)該請(qǐng)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(dòng)I/O”指令，啟動(dòng)通道工作,通道工作原理（續(xù)4）,通道：接收到“啟動(dòng)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(shí)向CPU發(fā)回答信號(hào)，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(shí)際I/O，啟動(dòng)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(dāng)通道傳輸完成最后一條指令時(shí)，向CPU發(fā)I/O中斷，并且通道停止工作。CPU接收中斷信號(hào)，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(gè)人計(jì)算機(jī)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(guò) FICON 連接多達(dá)127個(gè)大容量I/O設(shè)備。傳輸速度是333MHzs，未來(lái)將達(dá)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(yuǎn)，可簡(jiǎn)化大型存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn) 在

22、大容量高速存儲(chǔ)，如大型數(shù)據(jù)庫(kù)、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(shí)，磁盤如何讀： 首先，控制器從磁盤驅(qū)動(dòng)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(méi)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,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(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的功能可以以獨(dú)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(guò)系統(tǒng)總線代替CPU管理數(shù)據(jù)的存入或取出 當(dāng)CPU不需要系統(tǒng)總線時(shí)可以使用總線 DMA可以強(qiáng)迫CPU暫時(shí)延遲其他操作，獲取一個(gè)總線周期（周期竊取） 不需要CPU介入，因而減輕了CPU負(fù)擔(dān),控制器按照指定存儲(chǔ)器地址，把第一個(gè)字節(jié)送入內(nèi)存 然后，按指定字節(jié)數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送 每當(dāng)傳送一個(gè)字節(jié)后，字節(jié)計(jì)數(shù)器值減1，直到字節(jié)計(jì)數(shù)器等于0 此時(shí)，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(biāo)存儲(chǔ)地址 待讀取字節(jié)數(shù) 整塊數(shù)據(jù)讀進(jìn)緩沖區(qū) 核準(zhǔn)校驗(yàn),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(dá)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(duì)CPU的中斷請(qǐng)求次數(shù)，放寬CPU對(duì)中斷響應(yīng)時(shí)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(shí)現(xiàn) 軟緩沖： 在內(nèi)存中開辟一個(gè)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(dāng)用戶進(jìn)程發(fā)出I/O請(qǐng)求時(shí)，操作系統(tǒng)在內(nèi)存的系統(tǒng)空間為該操作分配一個(gè)緩沖區(qū)，可以實(shí)現(xiàn)預(yù)讀和滯后寫 雙緩沖 可以實(shí)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(gè)緩沖

25、區(qū)連接起來(lái)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(fèi)者模型對(duì)緩沖池中的緩沖區(qū)進(jìn)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(duì)具有重復(fù)性及陣發(fā)性I/O進(jìn)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(dòng)程序 任務(wù)之一：收集字符 兩種常見(jiàn)的字符緩沖方法： 公共緩沖池（驅(qū)動(dòng)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(lái)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(dāng)從磁盤上讀數(shù)據(jù)時(shí)，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(dāng)數(shù)據(jù)不在緩沖區(qū)時(shí)，系統(tǒng)首先把數(shù)據(jù)從磁盤傳送到緩沖區(qū)，再?gòu)木彌_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(yùn)行的速度,緩沖技術(shù)（續(xù)7）,UNIX System 由200個(gè)緩沖區(qū)組成的緩沖池 每個(gè)緩沖區(qū)的長(zhǎng)度可以是512字節(jié)或1024字節(jié) 每個(gè)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(guò)緩沖控制塊來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)緩沖區(qū)的管理,緩沖技術(shù)（續(xù)8）,說(shuō)明： 邏輯設(shè)備號(hào)和盤塊號(hào)分別標(biāo)志出文件系統(tǒng)和數(shù)據(jù)所在的盤塊號(hào)，是緩沖區(qū)的唯一標(biāo)志 狀態(tài)項(xiàng)指明了該緩沖區(qū)當(dāng)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(duì)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(duì)列(空閑av隊(duì)列) 隊(duì)列頭部為bfreelist 系統(tǒng)初始化時(shí)，所有緩沖區(qū)按序號(hào)大小掛在空閑av隊(duì)列上，當(dāng)申請(qǐng)一個(gè)緩沖區(qū)時(shí)，從空閑av隊(duì)列隊(duì)首取下一個(gè)緩沖區(qū)，而釋放一個(gè)緩沖區(qū)時(shí)將其掛入空閑av隊(duì)列隊(duì)尾,緩沖技術(shù)（續(xù)10）,散列隊(duì)列（設(shè)備緩沖隊(duì)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(gè)隊(duì)列，每個(gè)隊(duì)列頭部有頭標(biāo) 設(shè)備為b_dev上的邏輯塊b在散列隊(duì)列的頭標(biāo)為： i=(b_dev+b) mod 64 設(shè)備IO請(qǐng)求隊(duì)列：buf用av單向鏈 空設(shè)備隊(duì)列：buf用b雙向鏈，隊(duì)列頭部為bfre

28、elist,緩沖技術(shù)（續(xù)11）,每個(gè)buf同時(shí)在av鏈和b鏈： 開始：在空閑av鏈和空設(shè)備隊(duì)列 開始IO請(qǐng)求：在設(shè)備IO請(qǐng)求隊(duì)列和散列隊(duì)列 IO完成：在空閑av鏈和散列隊(duì)列 后續(xù)IO請(qǐng)求：在設(shè)備IO請(qǐng)求隊(duì)列和散列隊(duì)列，在散列隊(duì)列改變隊(duì)列,緩沖技術(shù)（續(xù)12）,當(dāng)進(jìn)程想從指定的盤塊讀取數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)盤塊號(hào)從散列隊(duì)列中查找，如找到緩沖區(qū)，則將該緩沖區(qū)狀態(tài)標(biāo)記為“忙”，并從空閑av隊(duì)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(duì)列中未找到時(shí)，則從空閑av隊(duì)列隊(duì)首摘取一個(gè)緩沖區(qū)，插入設(shè)備I/O請(qǐng)求隊(duì)列；并從原散列隊(duì)列中取下，插入由讀入信息盤塊號(hào)確定的新的散列隊(duì)列中。當(dāng)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(qǐng)求隊(duì)列取下。當(dāng)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(duì)列隊(duì)尾,緩沖技術(shù)（續(xù)13）,當(dāng)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(duì)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(duì)列鏈中取下，使用完后插入到空閑av隊(duì)列隊(duì)尾。如它一直未使用，則該緩沖區(qū)從空閑av隊(duì)列隊(duì)尾慢慢升到隊(duì)首，最后被重新分配，舊的盤塊數(shù)據(jù)才被置換 系統(tǒng)對(duì)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(dāng)某進(jìn)程向系統(tǒng)提出I/O請(qǐng)求時(shí)，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(jī)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(gè)部件、每一臺(tái)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(biāo)識(shí)符、狀態(tài)，以及當(dāng)前使用者的進(jìn)程標(biāo)識(shí)符等 建立同類資源的隊(duì)列：系統(tǒng)為了方便對(duì)I/O設(shè)備的分配管理，通常在設(shè)備表的基礎(chǔ)上通過(guò)指針將相同物理屬性的設(shè)備連成隊(duì)列（稱設(shè)備隊(duì)列） 面向進(jìn)程I/O請(qǐng)求的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：每當(dāng)進(jìn)程發(fā)出I/O請(qǐng)求時(shí)，系統(tǒng)建立一張表格（稱I/O請(qǐng)求包），將此次I/O請(qǐng)求的參數(shù)填入表中，同時(shí)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(qǐng)求包隨著I/O的完成而被刪除 建立I/O隊(duì)列：如

31、請(qǐng)求包隊(duì)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(qǐng)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(dú)占設(shè)備的分配 在申請(qǐng)?jiān)O(shè)備時(shí)，如果設(shè)備空閑，就將其獨(dú)占，不再允許其他進(jìn)程申請(qǐng)使用，一直等到該設(shè)備被釋放，才允許被其他進(jìn)程申請(qǐng)使用 考慮效率問(wèn)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(jìn)程運(yùn)行前, 完成設(shè)備分配；運(yùn)行結(jié)束時(shí)，收回設(shè)備 缺點(diǎn)：設(shè)備利用率低 動(dòng)態(tài)分配： 在進(jìn)程運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)用戶提出設(shè)備要求時(shí)，進(jìn)行分配，一旦停止使用立即收回 優(yōu)點(diǎn)：效率好；缺點(diǎn)：分配策略不好時(shí), 產(chǎn)生死鎖,2.設(shè)備分配策略,分時(shí)式共享設(shè)備分配 所謂分時(shí)式共享就是以一次I/O為單位分時(shí)使用設(shè)備，不同進(jìn)程的I/O操作請(qǐng)求以排隊(duì)方式分時(shí)地占用設(shè)備進(jìn)行I/O 由于同時(shí)有多個(gè)進(jìn)程同時(shí)訪問(wèn)，且訪問(wèn)頻繁，就會(huì)影響整個(gè)設(shè)備使用效率，影響系統(tǒng)效率。因此要考慮多個(gè)訪問(wèn)請(qǐng)求到達(dá)時(shí)服務(wù)的順序，使平均服務(wù)時(shí)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(shí)代引

33、入的，即所謂假脫機(jī)輸入/輸出技術(shù)。把這種技術(shù)用于對(duì)設(shè)備的使用實(shí)質(zhì)就是對(duì)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(dāng)中，并排到打印輸出隊(duì)列，打印進(jìn)程申請(qǐng)占用打印機(jī)后，成批讀出文件中數(shù)據(jù)，并送打印機(jī)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(dòng)程序 任務(wù)：主要負(fù)責(zé)接收和分析從設(shè)備分配轉(zhuǎn)來(lái)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(dòng)程序,(1) 接受來(lái)自上層、與設(shè)備無(wú)關(guān)軟件的抽象I/O請(qǐng)求，將該請(qǐng)求排在請(qǐng)求隊(duì)列末尾，檢查I/O請(qǐng)求的合法性 (2)執(zhí)行特定的緩沖區(qū)策略：根據(jù)請(qǐng)求傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，組織I/O緩沖隊(duì)列，利用I/O緩沖對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加工，包括數(shù)據(jù)格式處理和編碼轉(zhuǎn)換 (3)對(duì)各種可能的有關(guān)設(shè)備排隊(duì)、掛起、喚醒等操作進(jìn)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