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1、第五章设备管理5.1 5.1 设备管理的任务及功能设备管理的任务及功能5.2 I/O5.2 I/O系统的组成系统的组成5.3 I/O5.3 I/O控制方式控制方式5.4 5.4 缓冲管理缓冲管理5.5 5.5 设备分配与设备处理设备分配与设备处理5.6 5.6 磁盘调度算法磁盘调度算法 1.I/O1.I/O性能经常成为系统性能性能经常成为系统性能的瓶颈的瓶颈 I/O的特点2.操作系统庞大复杂的原因之一是：资源多、杂，并发，均来自I/O外设种类繁多，结构各异输入输出数据信号类型不同速度差异很大3.3.理解理解I/OI/O的工作过程与结构是理的工作过程与结构是理解操作系统的工作过程与结构的解操作系
2、统的工作过程与结构的关键关键4.4.与其他功能联系密切，特别是文与其他功能联系密切，特别是文件系统件系统 1 1）按照用户的请求，控制设备的）按照用户的请求，控制设备的各种操作，完成各种操作，完成I/OI/O设备与内存设备与内存之间的数据交换（包括设备分配之间的数据交换（包括设备分配与回收；设备驱动程序；设备中与回收；设备驱动程序；设备中断处理；缓冲区管理），最终完断处理；缓冲区管理），最终完成用户的成用户的I/OI/O请求请求5.1 设备管理的目标和任务2 2）向用户提供使用外部设备的方便接口，使用）向用户提供使用外部设备的方便接口，使用户摆脱繁琐的编程负担户摆脱繁琐的编程负担n 方便性方便
3、性n 友好界面友好界面n 透明性透明性 逻辑设备与物理设备、屏蔽硬件细节（设备的物理细逻辑设备与物理设备、屏蔽硬件细节（设备的物理细节，错误处理，不同节，错误处理，不同I/OI/O的差异性）的差异性）3 3）充分利用各种技术（通道，中断，缓冲等）充分利用各种技术（通道，中断，缓冲等）提高提高CPUCPU与设备、设备与设备之间的并行工作与设备、设备与设备之间的并行工作能力，充分利用资源，提高资源利用率能力，充分利用资源，提高资源利用率(并并行性、行性、均衡性）均衡性）设备管理的目标和任务(续）4 4）保证在多道程序环境下，当多）保证在多道程序环境下，当多个进程竞争使用设备时，按一定个进程竞争使用
4、设备时，按一定策略分配和管理各种设备，使系策略分配和管理各种设备，使系统能有条不紊的工作统能有条不紊的工作5 5）保护）保护 设备传送或管理的数据应该是安设备传送或管理的数据应该是安全的、不被破坏的、保密的全的、不被破坏的、保密的 设备管理的目标和任务(续）6 6）与设备无关性（设备独立性）与设备无关性（设备独立性）n用户在编制程序时，使用逻辑设备名，由用户在编制程序时，使用逻辑设备名，由系统实现从逻辑设备到物理设备的转换系统实现从逻辑设备到物理设备的转换n用户能独立于具体物理设备而方便的使用用户能独立于具体物理设备而方便的使用设备设备n用户申请使用设备时，只需要指定设备类用户申请使用设备时，
5、只需要指定设备类型，而无须指定具体物理设备，系统根据型，而无须指定具体物理设备，系统根据当前的请求，及设备分配的情况，在相同当前的请求，及设备分配的情况，在相同类别设备中，选择一个空闲设备，并将其类别设备中，选择一个空闲设备，并将其分配给一个申请进程分配给一个申请进程 设备管理的目标和任务(续）（1 1）缓冲管理）缓冲管理（2 2）设备分配）设备分配（3 3）设备处理）设备处理（4 4）设备独立性和虚拟设备。）设备独立性和虚拟设备。设备管理的功能1 1、按数据传输速率分按数据传输速率分 高速设备高速设备 低速设备低速设备2.2.按信息交换的单位分按信息交换的单位分 块设备块设备 以数据块为单位
6、存储、传输信息以数据块为单位存储、传输信息 字符设备字符设备 以字符为单位存储、传输信息以字符为单位存储、传输信息5.2.1 设备的分类1)独占设备 在一段时间内只能有一个进程使用的设备，在一段时间内只能有一个进程使用的设备，一般为低速一般为低速I/OI/O设备。（如打印机，磁带等）设备。（如打印机，磁带等）2)共享设备 在一段时间内可有多个进程共同使用的设在一段时间内可有多个进程共同使用的设备，多个进程以交叉的方式来使用设备，备，多个进程以交叉的方式来使用设备，其资源利用率高。（如硬盘）其资源利用率高。（如硬盘）3)虚拟设备 3.按设备的共享属性分4 4、按使用特性分、按使用特性分 存储型设
7、备存储型设备 输入型设备（输入型设备（外设外设主机主机）输出型设备（主机输出型设备（主机外设）外设）输入输出型设备（交互型设备输入输出型设备（交互型设备）n系统设备系统设备 指操作系统生成时，登记在系统中指操作系统生成时，登记在系统中的标准设备的标准设备 （如终端、打印机、磁盘机等）（如终端、打印机、磁盘机等）n用户设备用户设备 指在系统生成时，未登记在系统中指在系统生成时，未登记在系统中的非标准设备。对于这类设备的处理程的非标准设备。对于这类设备的处理程序由用户提供，并将其纳入系统，由系序由用户提供，并将其纳入系统，由系统代替用户实施管理。统代替用户实施管理。（如（如A/DA/D，D/AD/
8、A转换器，转换器，CADCAD专用设备）专用设备）5.按外部设备的从属关系分6 6、从程序使用角度分、从程序使用角度分 逻辑设备逻辑设备 物理设备物理设备设备的分类（续)图5-1总线型I/O系统结构5.2.2设备与控制器之间的接口设备与控制器之间的接口设备与控制器间的接口设备控制器是CPU与I/O设备之间的接口，它接收从CPU发来的命令，并去控制I/O设备工作，使处理机从繁杂的设备控制事务中解脱出来。5.2.3设备控制器设备控制器1.设备控制器的基本功能 1)接收和识别命令2)2)数据交换3)3)标识和报告设备的状态4)4)地址识别2、设备控制器的组成设备控制器的组成5.2.4I/O通道通道引
9、入通道使原来由引入通道使原来由cpu处理的处理的I/O任务转由任务转由通道来承担，从而把通道来承担，从而把cpu从繁杂的从繁杂的I/O任任务中解脱出来。务中解脱出来。nI/O通道是一种特殊的处理机。它具有执通道是一种特殊的处理机。它具有执行行I/O指令的能力，并通过执行通道指令的能力，并通过执行通道(I/O)程序来控制程序来控制I/O操作。操作。nI/O通道又与一般的处理机不同，主要表通道又与一般的处理机不同，主要表现在以下两个方面：现在以下两个方面：n 一是其指令类型单一，这是由于通道硬件一是其指令类型单一，这是由于通道硬件比较简单，比较简单，其所能执行的命令，主要局限其所能执行的命令，主要
10、局限于与于与I/O操作有关的指令；操作有关的指令；n再就是通道没有自己的内存，通道所执行的再就是通道没有自己的内存，通道所执行的通道程序是放在主机的内存中的，通道程序是放在主机的内存中的，换言之，换言之，是通道与是通道与CPU共享内存。共享内存。5.3I/O控制方式控制方式nCPU与与I/O设备之间数据传送控制方式设备之间数据传送控制方式n程序直接控制程序直接控制n中断控制方式中断控制方式nDMAn通道通道I/O控制的发展，宗旨：控制的发展，宗旨：尽量尽量减少主机对减少主机对I/O控制的干预控制的干预，把主机从繁杂的，把主机从繁杂的I/O控制事务中解脱出来，以更多地去完成数据控制事务中解脱出来
11、，以更多地去完成数据处理任务。处理任务。特点：用户程序直接控制数据交换；Cpu循环测试设备状态，cpu浪费特点：减少CPU等待时间，提高系统并行程度。每输入完一个数据需要CPU处理。特点：(1)数据传输单位是数据块（2）传送数据直接从设备到内存（3）仅在传送一个或多个数据块开始和结束时才需cpu干预通道控制方式通道控制方式 当当CPU要要完完成成一一组组相相关关的的读读(或或写写)操操作作及及有有关关控控制制时时，只只需需向向I/O通通道道发发送送一一条条I/O指指令令，以以给给出出其其所所要要执执行行的的通通道道程程序序的的首首址址和和要要访访问问的的I/O设设备备，通通道道接接到到该该指指
12、令令后后，通通过过执行通道程序便可完成执行通道程序便可完成CPU指定的指定的I/O任务。任务。通道程序通道程序n通道指令：通道指令：（1）操作码）操作码（2）内存地址）内存地址（3）计数）计数（4）通道程序结束位）通道程序结束位P。（5）记录结束标志）记录结束标志R。通道程序示例操作操作PR 计数计数 内存地址内存地址WRITE0080813WRITE001401034WRITE01605830WRITE013002000WRITE002501850WRITE11250720指令的执行周期指令的执行周期:开始读入下读入下一条指令一条指令执行当前执行当前指令指令结束具有中断处理时具有中断处理时的
13、指令执行周期的指令执行周期读入下读入下一条指令一条指令执行当前执行当前指令指令结束开始允许允许中断吗中断吗?N检查检查中断位中断位读入中断读入中断处理指令处理指令Y从用户角度看中断从用户角度看中断中断:处理机暂停正在执行的程序,转去处理相应的紧急事件,待处理完毕后再返回原处继续执行.CPU对系统发生的某个事件作出的一种反应1.缓冲技术的引入n缓和缓和CPU与与I/O设备间速度不匹配的设备间速度不匹配的矛盾。矛盾。n减少对减少对CPU的中断频率，的中断频率，放宽对放宽对CPU中断响应时间的限制。中断响应时间的限制。n提高提高CPU和和I/O设备之间的并行性。设备之间的并行性。5.4.缓冲管理利用
14、缓冲寄存器实现缓冲硬缓冲：硬缓冲：在设备中设置缓冲区，由硬件实现在设备中设置缓冲区，由硬件实现软缓冲：软缓冲：在内存中开辟一个空间，用作缓冲区在内存中开辟一个空间，用作缓冲区2.缓冲区设置3.3.几种缓冲技术几种缓冲技术1)1)单缓冲单缓冲2)2)双缓冲双缓冲3)3)多缓冲：多缓冲：4)4)缓缓冲冲池池。缓缓冲冲池池为为多多个个设设备备共共享享，设设备需要时才接上，用完归还。备需要时才接上，用完归还。1.单缓冲单缓冲(Single Buffer)单缓冲工作示意图每当一个用户进程发出一I/O请求时，操作系统便在主存中为之分配一缓冲区2.双缓冲双缓冲(Double Buffer)双缓冲工作示意图双
15、缓冲（双缓冲（a a）双缓冲（双缓冲（b b）双机通信时缓冲区的设置3 循环缓冲循环缓冲 1)循环缓冲的组成循环缓冲的组成 R R：空缓冲区：空缓冲区GG：装满数据的缓冲区：装满数据的缓冲区CC：现行工作缓冲区：现行工作缓冲区多个指针：nextg,nexti,current2)循环缓冲区的使用循环缓冲区的使用(1)Getbuf过程:计算进程或输入进程(2)使用缓冲区。(3)(2)Releasebuf过程。4 缓冲池缓冲池(Buffer Pool)1)缓冲池的组成缓冲池的组成对于既可用于输入又可用于输出的公用缓冲池，其中至少应含有以下三种类型的缓冲区：空(闲)缓冲区；装满输入数据的缓冲区；n 装
16、满输出数据的缓冲区。装满输出数据的缓冲区。为了管理上为了管理上的方便，可将相同类型的缓冲区链成一的方便，可将相同类型的缓冲区链成一个队列，于是可形成以下三个队列：个队列，于是可形成以下三个队列：（1）空缓冲队列）空缓冲队列emq。(2)输入队列输入队列inq。(3)输出队列输出队列outq。n四种工作缓冲区四种工作缓冲区:nhin 收容输入收容输入nsin 提取输入提取输入nsout 提取输出提取输出nhout 收容输出收容输出 2.Getbuf过程和过程和Putbuf过程过程 ProcedureGetbuf(type)beginWait(RS(type);Wait(MS(type);B(nu
17、mber)=Takebuf(type);Signal(MS(type);endProcedurePutbuf(type,number)beginWait(MS(type);Addbuf(type,number);Signal(MS(type);Signal(RS(type);end3.缓冲区的工作方式缓冲区的工作方式 图5-13缓冲区的工作方式5.5 设设 备备 分分 配配 5.5.1 设备分配中的数据结构设备分配中的数据结构 当某进程向系统提出I/O请求时，设备分配程序按一定策略分配设备、控制器和通道，形成一条数据传输通路，以供主机和设备间信息交换设备控制表（）设备控制表（）每个设备一个每个
18、设备一个控制器表（）控制器表（）每个控制器一个每个控制器一个通道表（）通道表（）每个通道一个每个通道一个系统设备表（）系统设备表（）整个系统一个整个系统一个图5-14设备控制表1.设备控制表DCT 2.控制器控制表、控制器控制表、通道控制表和系统设备表通道控制表和系统设备表 图5-15COCT、CHCT和SDT表5.5.2 设备分配时应考虑的因素设备分配时应考虑的因素 1.设备的固有属性设备的固有属性(1)独享设备。(2)(2)共享设备。(3)虚拟设备。2.设备分配算法设备分配算法(1)先来先服务。(2)(2)优先级高者优先。3.设备分配中的安全性设备分配中的安全性 1)安全分配方式2)2)不
19、安全分配方式5.5.3 独占设备的分配程序独占设备的分配程序 1.基本的设备分配程序基本的设备分配程序 2.对于具有通道的系统对于具有通道的系统:根据用户请求的I/O设备的逻辑名，查找逻辑设备和物理设备的映射表；以物理设备为索引，查找SDT，找到该设备所连接的DCT；继续查找与该设备连接的COCT和CHCT，就找到了一条通路。即：分配设备分配控制器-分配通道为进程为进程P P分配所需的分配所需的I/OI/O设备设备从从SDTSDT表查该类设备的控制表表查该类设备的控制表DCTDCT由由DCTDCT检查该设备忙否检查该设备忙否?不忙不忙检查分配此设备的安全性检查分配此设备的安全性?不安全不安全分
20、配此设备给进程分配此设备给进程P P查此设备连接的查此设备连接的COCTCOCT忙否忙否?不忙不忙不忙不忙分配此控制器给进程分配此控制器给进程P P查此控制器连接的查此控制器连接的CHCTCHCT忙否忙否?最后一个最后一个DCT?DCT?分配此通道给进程分配此通道给进程P P启动启动I/O,I/O,进行具体的进行具体的I/OI/O操作操作忙忙进程进程P的的PCB放入放入此设备的等待队列此设备的等待队列YN忙忙最后一个最后一个COCT?COCT?最后一个最后一个DCT?DCT?进程进程 P 的的 PCB 放入放入此控制器的等待队列此控制器的等待队列YNY忙忙最后一个最后一个CHCT?CHCT?Y
21、最后一个最后一个COCT?COCT?进程进程 P 的的 PCB 放入放入此通道的等待队列此通道的等待队列NYNN多通路设备分配流程示意图多通路设备分配流程示意图2.设备分配程序的改进设备分配程序的改进 1)增加设备的独立性2)3)2)考虑多通路情况5.6 5.6 设备处理设备处理 (1)(1)接收由接收由I/OI/O进程发来的命令和参数，并进程发来的命令和参数，并将命令中的抽象要求转换为具体要求，例如，将命令中的抽象要求转换为具体要求，例如，将磁盘块号转换为磁盘的盘面、将磁盘块号转换为磁盘的盘面、磁道号及扇磁道号及扇区号。区号。(2)(2)检检查查用用户户I/OI/O请请求求的的合合法法性性，
22、了了解解I/OI/O设设备备的的状状态态，传传递递有有关关参参数数，设设置置设设备备的的工工作作方式。方式。1.1.设备驱动程序的功能和特点设备驱动程序的功能和特点1)1)设备驱动程序的功能设备驱动程序的功能 (3)(3)发出发出I/OI/O命令，如果设备空闲，便立即启命令，如果设备空闲，便立即启动动I/OI/O设备去完成指定的设备去完成指定的I/OI/O操作；如果设备操作；如果设备处于忙碌状态，则将请求者的请求块挂在设处于忙碌状态，则将请求者的请求块挂在设备队列上等待。备队列上等待。(4)(4)及及时时响响应应由由控控制制器器或或通通道道发发来来的的中中断断请请求求，并并根根据据其其中中断断
23、类类型型调调用用相相应应的的中中断断处处理理程序进行处理。程序进行处理。(5)(5)对对于于设设置置有有通通道道的的计计算算机机系系统统，驱驱动动程程序序还还应应能能够够根根据据用用户户的的I/OI/O请请求求，自自动动地地构构成成通道程序。通道程序。2)2)设备处理方式设备处理方式 (1)(1)为每一类设备设置一个进程，专门用于为每一类设备设置一个进程，专门用于执行这类设备的执行这类设备的I/OI/O操作。操作。(2)(2)在整个系统中设置一个在整个系统中设置一个I/OI/O进程，专门进程，专门用于执行系统中所有各类设备的用于执行系统中所有各类设备的I/OI/O操作。操作。(3)(3)不不设
24、设置置专专门门的的设设备备处处理理进进程程，而而只只为为各各类类设设备备设设置置相相应应的的设设备备处处理理程程序序(模模块块)，供供用户进程或系统进程调用。用户进程或系统进程调用。3)3)设备驱动程序的特点设备驱动程序的特点 (1)(1)驱动程序主要是指在请求驱动程序主要是指在请求I/OI/O的进程与设备控制的进程与设备控制器之间的一个通信和转换程序。器之间的一个通信和转换程序。(2)(2)驱驱动动程程序序与与设设备备控控制制器器和和I/OI/O设设备备的的硬硬件件特特性性紧紧密密相相关关，因因而而对对不不同同类类型型的的设设备备应应配配置置不不同同的的驱驱动动程序。程序。(3)(3)驱驱动
25、动程程序序与与I/OI/O设设备备所所采采用用的的I/OI/O控控制制方方式式紧紧密密相关。相关。(4)(4)由由于于驱驱动动程程序序与与硬硬件件紧紧密密相相关关，因因而而其其中中的的一一部分必须用汇编语言书写。部分必须用汇编语言书写。2.2.设备驱动程序的处理过程设备驱动程序的处理过程1.1.将抽象要求转换为具体要求将抽象要求转换为具体要求 2.2.2.2.检查检查I/OI/O请求的合法性请求的合法性 3.3.3.3.读出和检查设备的状态读出和检查设备的状态 4.4.4.4.传送必要的参数传送必要的参数 5.5.5.5.工作方式的设置工作方式的设置 6.6.6.6.启动启动I/OI/O设备设
26、备 中断处理流程（1 1）用户进程层执行输入输出系统调用，）用户进程层执行输入输出系统调用，对对I IO O数据进行格式化，为假脱机输入数据进行格式化，为假脱机输入输出作准备输出作准备（2 2）独立于设备的软件实现设备的命名、）独立于设备的软件实现设备的命名、设备的保护、成块处理、缓冲技术和设设备的保护、成块处理、缓冲技术和设备分配备分配（3 3）设备驱动程序设置设备寄存器、检）设备驱动程序设置设备寄存器、检查设备的执行状态查设备的执行状态（4 4）中断处理程序负责）中断处理程序负责I IO O完成时，唤完成时，唤醒设备驱动程序进程，进行中断处理醒设备驱动程序进程，进行中断处理（5 5）硬件层
27、实现物理）硬件层实现物理I IO O的操作的操作5.7 SPOOLing 技术技术虚拟性是虚拟性是OS的四大特征之一。的四大特征之一。在联机情况下实现的同时外围操作称为SPOOLing(Simultaneaus Periphernal Operating On-Line)，或称为假脱机操作。是对脱机输入、输出系统的模拟。SPOOLing系统的组成系统的组成 图5-19SPOOLing系统的组成 共享打印机共享打印机 当用户进程请求打印输出时，SPOOLing系统同意为它打印输出，但并不真正立即把打印机分配给该用户进程，而只为它做两件事：由输出进程在输出井中为之申请一个空闲磁盘块区，并将要打印的
28、数据送入其中；输出进程再为用户进程申请一张空白的用户请求打印表，并将用户的打印要求填入其中，再将该表挂到请求打印队列上。SPOOLing系统的特点系统的特点(1)提高了I/O的速度。(2)(2)将独占设备改造为共享设备。(3)(3)实现了虚拟设备功能。小结小结:n1.掌握设备的类型；设备控制器是掌握设备的类型；设备控制器是CPU与与I/O设备之间的接口，设备控制器的作用。设备之间的接口，设备控制器的作用。n2、掌握、掌握I/O控制方式：程序控制方式：程序I/O、中断驱动控、中断驱动控制、制、DMA、通道控制。、通道控制。n3、了解引入缓冲技术的原因，常用的缓冲技、了解引入缓冲技术的原因，常用的
29、缓冲技术，重点掌握缓冲池。术，重点掌握缓冲池。n4、设备分配的过程、设备驱动程序的功能和、设备分配的过程、设备驱动程序的功能和处理过程，处理过程，SPOOLing技术。技术。练习：练习：n1。利用通道实现（。利用通道实现（）之间数据的快速）之间数据的快速传输：传输：A。CPU和外设和外设 B。内存和。内存和CPUC。内存和外设。内存和外设 D。外设和外设。外设和外设5.6磁盘调度算法磁盘调度算法n当当有有多多个个进进程程请请求求访访问问磁磁盘盘时时,采采用用一一种种合合适适的的磁磁盘盘调调度度算算法法,使使各各进进程程对对磁磁盘盘的的平均访问平均访问(主要是主要是寻道寻道)时间最小。时间最小。
30、1）先来先服务（FCFS）先先来来先先服服务务调调度度算算法法是是按按请请求求访访问问者者的的先先后后次次序序启启动动磁磁盘盘驱驱动动器器，而而不不考考虑虑它们要访问的物理位置。它们要访问的物理位置。被访问的下一被访问的下一个磁道号个磁道号 移动距离移动距离555839189016015038184平均寻道时间：平均寻道时间：55.3从100#磁道开始FCFS调度算法示例：进程访问磁道的顺序：55，58，39，18，90，160，150，38，184（2）最短寻道时间优先）最短寻道时间优先（SSTF）n最最短短寻寻道道时时间间优优先先调调度度算算法法总总是是让让离离当当前前磁磁道道最最近近的的
31、请请求求访访问问者者启启动动磁磁盘盘驱驱动动器器，即即是是让让查查找找时时间间最最短短的的那那个个作作业业先先执执行行，而而不不考考虑虑请请求求访访问问者者到到来来的的先先后后次次序序，这这样样就就克克服服了了先先来来先先服服务务调调度度算算法中磁臂移动过大的问题。法中磁臂移动过大的问题。被访问的下一被访问的下一个磁道号个磁道号 移动距移动距离离平均寻道时间：平均寻道时间：27.5从100#磁道开始SSTF调度算法示例：进程请求磁道的顺序：55，58，39，18，90，160，150，38，184（3）扫描算法（）扫描算法（SCAN）或电）或电梯调度算法梯调度算法 n扫扫描描调调度度算算法法总
32、总是是从从磁磁臂臂当当前前位位置置开开始始，沿沿磁磁臂臂的的移移动动方方向向去去选选择择离离当当前前磁磁臂臂最最近近的的那那个个柱柱面面的的访访问问者者。如如果果沿沿磁磁臂臂的的方方向向无无请请求求访访问问时时，就就改改变变磁磁臂臂的的移移动动方方向向。在在这这种种调调度度方方法法下下磁磁臂臂的的移移动动类类似似于于电电梯梯的的调调度度，所所以以它它也也称称为为电电梯梯调调度算法。度算法。n访问次序访问次序:n55,58,39,18,90,160,150,38,184当前位置当前位置:100磁道磁道 方向：磁道号增加的方向方向：磁道号增加的方向被访问的下一被访问的下一个磁道号个磁道号 移动距移动距离离平均寻道时间：平均寻道时间：27.8SCAN调度算法示例：磁盘的调度算法举例磁盘的调度算法举例 n若磁头的当前位置为若磁头的当前位置为100磁道，磁头正向磁道号增加磁道，磁头正向磁道号增加的方向移动。现有一磁盘读写请求队列：的方向移动。现有一磁盘读写请求队列：23、376、205、132、19、61、190、398、29、4、18、40。若采用先来先服务、最短寻道时间优先和扫描（电梯若采用先来先服务、最短寻道时间优先和扫描（电梯调度）算法，试计算平均寻道长度各为多少？调度）算法，试计算平均寻道长度各为多少？演讲完毕，谢谢观看！