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1、 操作系统 第五章 设备管理第五章 设备管理5.1 输入输出管理概念5.2 数据传送控制方式5.3 中断技术5.4 缓冲技术5.5 设备分配5.6 I/O进程控制5.7 设备驱动程序5.8 磁盘的驱动调度1 1 操作系统 第五章 设备管理5.1 输入输出管理概念一、设备管理的目的：1 1）合理地利用外部设备）合理地利用外部设备:提高设备的并行性和均衡性提高设备的并行性和均衡性。2 2）方便用户：）方便用户：对各种不同的设备都使用同一界面对各种不同的设备都使用同一界面。二、设备管理的功能 根据各类设备的特点确定相应的分配策略。（根据各类设备的特点确定相应的分配策略。（包括：包括：设备分配策略，分
2、配的方式，分配技术和选择用户的算设备分配策略，分配的方式，分配技术和选择用户的算法法。）。）启动设备完成实际的输入输出操作。启动设备完成实际的输入输出操作。向用户提供统一、友好的使用界面。（设备独立性）向用户提供统一、友好的使用界面。（设备独立性）优化设备的调度、提高设备的利用率。优化设备的调度、提高设备的利用率。外部设备：除除CPUCPU、主存之外的其它设备。、主存之外的其它设备。2 2 操作系统 第五章 设备管理三、设备的分类 计算机的计算机的I/OI/O设备种类很多，结构也较复杂，管理起来设备种类很多，结构也较复杂，管理起来较困难，为了管理上的方便。通常按不同的观点从不同较困难，为了管理
3、上的方便。通常按不同的观点从不同的角度对设备进行分类。的角度对设备进行分类。1按所属关系分类1 1）系统设备。系统设备。指在操作系统生成时已登记于系统中的指在操作系统生成时已登记于系统中的标标准设备准设备。如键盘、打印机、磁盘等。如键盘、打印机、磁盘等。2 2）用户设备。用户设备。指在系统生成时未登记于系统中的指在系统生成时未登记于系统中的非标准设非标准设备备。用户必须用某种方式把这类设备交给系统统一管理，。用户必须用某种方式把这类设备交给系统统一管理，如绘图机、扫描仪等，如绘图机、扫描仪等，3 3 操作系统 第五章 设备管理2从设备的共享属性（资源分配角度）分类1 1）独占设备。独占设备。指
4、在在一段时间内只允许一个用户（进程）指在在一段时间内只允许一个用户（进程）访问的设备，如访问的设备，如打印机、卡片输入机打印机、卡片输入机等。系统一旦将这类等。系统一旦将这类设备分配给某一作业，就在作业整个运行期间都为它独占。设备分配给某一作业，就在作业整个运行期间都为它独占。2 2）共享设备。共享设备。指允许若干个用户同时共享使用的设备，如指允许若干个用户同时共享使用的设备，如磁盘、磁带磁盘、磁带等。等。3 3）虚拟设备。虚拟设备。为提高设备的利用率，通过为提高设备的利用率，通过Spooling技术把技术把一台独占设备变换为若干台逻辑设备，供若干个用户（进程）一台独占设备变换为若干台逻辑设备
5、，供若干个用户（进程）同时使用，用来模拟独占设备的那部分共享设备称为同时使用，用来模拟独占设备的那部分共享设备称为虚拟设虚拟设备备。4 4 操作系统 第五章 设备管理3从设备的使用特性分类1 1）存储设备。存储设备。指计算机用来存储信息的设备：如磁盘、指计算机用来存储信息的设备：如磁盘、磁带等。磁带等。2 2）输入输出设备。输入输出设备。包括输入设备和输出设备两大类。包括输入设备和输出设备两大类。输入设备输入设备：是将外部世界来的信息输送给计算机，如键盘、：是将外部世界来的信息输送给计算机，如键盘、鼠标器、扫描仪等。鼠标器、扫描仪等。输出设备：输出设备：是将计算机处理或加工好的信息输出给外部世
6、是将计算机处理或加工好的信息输出给外部世界，如打印机、显示器、绘图机等。界，如打印机、显示器、绘图机等。5 5 操作系统 第五章 设备管理4按信息交换（单位）方式分类1 1）块设备。）块设备。指计算机的主存和外设之间的信息交换是以块指计算机的主存和外设之间的信息交换是以块为单位进行的设备。一块通常是为单位进行的设备。一块通常是512512个字节或个字节或1K1K字节，由于字节，由于信息交换以块为单位进行，所以这类设备有较高的存取速信息交换以块为单位进行，所以这类设备有较高的存取速度；如度；如磁盘、磁带磁盘、磁带等。等。2 2）字符设备。）字符设备。指计算机的主存与设备之间的信息交换是以指计算机
7、的主存与设备之间的信息交换是以字符为单位进行的设备，由于每次只能传送一个字符的信息，字符为单位进行的设备，由于每次只能传送一个字符的信息，所以这类设备的速度较低，如所以这类设备的速度较低，如键盘、显示器、打印机、卡片键盘、显示器、打印机、卡片输入机输入机等。等。6 6 操作系统 第五章 设备管理 计算机系统的输入输出设备种类、型号、规格繁多，所计算机系统的输入输出设备种类、型号、规格繁多，所以必须屏蔽设备的物理特性，向用户提供一个统一、简便的以必须屏蔽设备的物理特性，向用户提供一个统一、简便的使用接口，实现所谓的与设备无关性（设备独立性）。使用接口，实现所谓的与设备无关性（设备独立性）。所谓所
8、谓方便方便，是指用户能摆脱具体物理设备的繁琐规定的，是指用户能摆脱具体物理设备的繁琐规定的束缚而方便灵活地使用设备。束缚而方便灵活地使用设备。所谓所谓统一统一，是指对各种不同的设备都使用同一界面。例是指对各种不同的设备都使用同一界面。例如，在如，在UNIXUNIX系统中从各种输入设备输入信息都使用系统调用系统中从各种输入设备输入信息都使用系统调用read,read,向各种输出设备传送信息都使用系统调用向各种输出设备传送信息都使用系统调用write.write.四、设备独立性(设备无关性)逻辑设备名：逻辑设备名：用户自己指定的设备名（设备类用户自己指定的设备名（设备类相对号）。相对号）。物理设备
9、名物理设备名：系统提供的设备标准名称（绝对号）。：系统提供的设备标准名称（绝对号）。(一一)设备独立性：设备独立性：用户在编制程序时使用的设备与实际使用用户在编制程序时使用的设备与实际使用的设备无关，用户程序中使用的是逻辑设备。的设备无关，用户程序中使用的是逻辑设备。7 7 操作系统 第五章 设备管理1 1、一个程序应该独立于分配给它的某种类型的具体设备。、一个程序应该独立于分配给它的某种类型的具体设备。1 1）保护程序不会因为某一台物理设备发生故障或已分）保护程序不会因为某一台物理设备发生故障或已分配给其它程序而失效；配给其它程序而失效；2 2）使操作系统根据当时总的设备配置情况自由地分配）
10、使操作系统根据当时总的设备配置情况自由地分配适当类型的设备。适当类型的设备。2 2、一个程序应该尽可能与它所使用的、一个程序应该尽可能与它所使用的I/OI/O设备类型无关。设备类型无关。指在指在I/OI/O信息时，可以从不同类型的设备上信息时，可以从不同类型的设备上I/OI/O，若要改，若要改变设备的类型，程序只需做很少的修改。变设备的类型，程序只需做很少的修改。(二)设备独立性的类型：逻辑设备名逻辑设备名物理设备名物理设备名设备管理设备管理8 8 操作系统 第五章 设备管理(三)设备管理分为两层：1 1）输入输出控制系统）输入输出控制系统 它与用户相互交互，完成设备的分配、调度并向程它与用户
11、相互交互，完成设备的分配、调度并向程序员提供一个统一的编程接口，实现了逻辑设备向物理设序员提供一个统一的编程接口，实现了逻辑设备向物理设备的转换。备的转换。2 2）设备驱动程序）设备驱动程序 它直接与设备打交道，控制设备控制器，完成具体它直接与设备打交道，控制设备控制器，完成具体的输入输出。的输入输出。实现设备无关性的一个好办法就是采用分层思想，逐实现设备无关性的一个好办法就是采用分层思想，逐层抽象。层抽象。9 9 操作系统 第五章 设备管理5.2 数据传输控制方式一、IO控制方式1 1）循环测试）循环测试I/OI/O方式；方式；2 2）I/OI/O中断方式；中断方式；3 3）DMADMA方式
12、；方式；4 4）通道方式。）通道方式。设备（I/O）控制器：是是CPUCPU与与I/OI/O设备之间的接口，设备不直接与设备之间的接口，设备不直接与CPUCPU进行通进行通信，设备控制器接收从信，设备控制器接收从CPUCPU发来的命令，去控制发来的命令，去控制I/OI/O设备工设备工作，包括控制作，包括控制/状态寄存器和数据缓冲寄存器。状态寄存器和数据缓冲寄存器。1010 操作系统 第五章 设备管理 CPU CPU与外设的活动本质上是异步的，为了实现与外设的活动本质上是异步的，为了实现CPUCPU与外设与外设间的信息传送，间的信息传送，CPUCPU必须重复测试外设的状态；仅当外设是必须重复测试
13、外设的状态；仅当外设是处在准备好的状态时，处在准备好的状态时，CPUCPU才能与外设交换信息。才能与外设交换信息。问题：问题：1 1）CPUCPU的大量时间消耗在等待输入输出的循环检测上，使的大量时间消耗在等待输入输出的循环检测上，使CPUCPU与外设串行工作，严重影响了与外设串行工作，严重影响了CPUCPU的使用效率；的使用效率；2 2）外设的使用也不合理）外设的使用也不合理(诸外设不能并行工作诸外设不能并行工作)；3 3）无法支持多道程序并发执行，整个系统效率很低。）无法支持多道程序并发执行，整个系统效率很低。在早期计算机或现代一些简单的微型计算机系统中采在早期计算机或现代一些简单的微型计
14、算机系统中采用循环测试传送方式。循环测试传送是一种用用循环测试传送方式。循环测试传送是一种用程序直接控程序直接控制制I IO O操作的方式操作的方式。1.循环测试I/O方式；1111 操作系统 第五章 设备管理2.IO中断方式；引入中断技术后，每当设备完成引入中断技术后，每当设备完成I IO O操作时，便向操作时，便向CPUCPU发出中断请求信号，通知发出中断请求信号，通知CPUCPU进行进行I/OI/O中断处理。中断处理。这样，这样，CPUCPU一旦启动一旦启动1 1O O设备后便可执行其它程序，仅设备后便可执行其它程序，仅在收到在收到I IO O中断请求时才执行其中断服务程序，进行中断请求
15、时才执行其中断服务程序，进行I IO O处理。处理。例如例如,行式打印机每打印一行约需行式打印机每打印一行约需60ms,60ms,在循环测试传在循环测试传送方式中，大约有送方式中，大约有59.99ms CPU59.99ms CPU都处于循环测试中，在程序都处于循环测试中，在程序中断中断I IO O方式中，方式中，CPUCPU仅用仅用0.1ms0.1ms时间处理打印机的中断服时间处理打印机的中断服务程序。其余的务程序。其余的59.9ms59.9ms可以处理其它任务。可以处理其它任务。1212 操作系统 第五章 设备管理优点：优点：1 1）程序中断传送方式改善了）程序中断传送方式改善了CPUCPU
16、的利用率；的利用率；2 2）使）使CPUCPU与外设并行操作。与外设并行操作。缺点：缺点：采用中断驱动采用中断驱动I IO O方式时，每传送一个数据方式时，每传送一个数据CPUCPU都要都要做一次中断处理，每次中断处理都要保护做一次中断处理，每次中断处理都要保护CPUCPU现场，处理现场，处理结束时又要恢复结束时又要恢复CPUCPU现场，若管理的现场，若管理的I/OI/O设备较多，设备较多，CPUCPU会会陷入这些陷入这些I/OI/O中断处理中，无法进行其他工作。中断处理中，无法进行其他工作。1313 操作系统 第五章 设备管理3.DMA传送方式（直接内存存取）为了进一步减少为了进一步减少CP
17、UCPU对对I IO O的干预而引入了直接存储器的干预而引入了直接存储器访问方式。访问方式。设备设备主存主存直接传送直接传送不用不用CPUCPU干涉干涉 I/O I/O控制器增添了控制器增添了DMADMA控制机构，在控制机构，在DMADMA控制器控制下，控制器控制下，外设直接与内存交换成批数据而不用外设直接与内存交换成批数据而不用CPUCPU干预。干预。为了实现控制器与主机之间成批数据的直接交换，必为了实现控制器与主机之间成批数据的直接交换，必须在须在DMADMA控制器中设置四类寄存器：控制器中设置四类寄存器：(1)(1)命令状态寄存器命令状态寄存器CRCR；(2)(2)数据缓冲寄存器数据缓冲
18、寄存器DR;DR;(3)(3)内存地址寄存器内存地址寄存器MAR;MAR;(4)(4)数据计数器数据计数器DCDC。1414 操作系统 第五章 设备管理以从磁盘读入数据为例说明以从磁盘读入数据为例说明DMADMA方式的工作流程：方式的工作流程：1 1）当）当CPUCPU要从磁盘读入一数据块时，便向磁盘控制器发送要从磁盘读入一数据块时，便向磁盘控制器发送一条读命令，该命令被送入命令寄存器一条读命令，该命令被送入命令寄存器CR;CR;2 2）同时发送本次要将数据读入内存的起始地址到）同时发送本次要将数据读入内存的起始地址到MARMAR中中;3 3）本次要读的数据的字节）本次要读的数据的字节(符符)
19、数送至数送至DRDR中中;4 4）将磁盘源地址直接送至）将磁盘源地址直接送至DMADMA控制器的控制器的I/OI/O控制逻辑上；控制逻辑上；5 5）然后启动）然后启动DMADMA控制器进行数据传送。控制器进行数据传送。以后以后,CPU,CPU便可去处理其他任务。此后的整个数据传送便便可去处理其他任务。此后的整个数据传送便由由DMADMA控制器进行控制。控制器进行控制。1515 操作系统 第五章 设备管理 采用采用DMADMA方式时，不仅允许方式时，不仅允许CPUCPU控制地址线，进行控制地址线，进行CPUCPU与与主存贮器的数据交换，而且允许主存贮器的数据交换，而且允许DMADMA控制器接管地
20、址线的控控制器接管地址线的控制权，直接控制制权，直接控制DMADMA控制器与主存的数据交换。控制器与主存的数据交换。当当DMADMA硬件控制磁盘与存贮器之间进行信息交换时，每硬件控制磁盘与存贮器之间进行信息交换时，每当磁盘把一个数据读入控制器的数据缓冲区时，当磁盘把一个数据读入控制器的数据缓冲区时，DMADMA控制器控制器取代取代CPU,CPU,接管地址总线的控制权，并按照接管地址总线的控制权，并按照DMADMA控制器中的存控制器中的存贮器地址寄存器内容贮器地址寄存器内容,把数据送入相应的存贮器单元中。然把数据送入相应的存贮器单元中。然后，后，DMADMA硬件自动地把传送的字节计数器减硬件自动
21、地把传送的字节计数器减1 1，把地址寄存，把地址寄存器加器加1 1，并恢复，并恢复CPUCPU对主存贮器的控制权，对主存贮器的控制权，DMADMA控制器对每一控制器对每一个传送的数据重复上述过程，直到传送字节计数器为个传送的数据重复上述过程，直到传送字节计数器为“0”“0”时，向时，向CPUCPU产生一个中断信号。产生一个中断信号。1616 操作系统 第五章 设备管理DMA方式的问题：1 1）DMADMA方式仍存在一定的局限性，如数据传送的方向、存方式仍存在一定的局限性，如数据传送的方向、存放数据的内存始址、传送数据的长度都需要放数据的内存始址、传送数据的长度都需要CPUCPU控制；控制；2
22、2）每台设备都需要配置一个）每台设备都需要配置一个DMADMA控制器，当设备较多时，控制器，当设备较多时，成本太高。成本太高。该方式的特点：数据传输的基本单位是数据块；所传送的数据是从设备数据传输的基本单位是数据块；所传送的数据是从设备直接进入内存的直接进入内存的,或者相反，仅在传送一个或多个数据块的或者相反，仅在传送一个或多个数据块的开始或结束时才需开始或结束时才需CPUCPU干预，整块数据的传送是在控制器的干预，整块数据的传送是在控制器的控制下完成的。控制下完成的。DMA DMA方式较之中断驱动方式，又是成百倍地减少了方式较之中断驱动方式，又是成百倍地减少了CPUCPU对对I IO O的干
23、预，进一步提高了的干预，进一步提高了CPUCPU与与I/OI/O设备的并行程度。设备的并行程度。1717 操作系统 第五章 设备管理通道：通道：专门负责专门负责I IO O控制的处理机。控制的处理机。它接收它接收CPU的委托，独的委托，独立地执行自己的通道程序，管理和控制输入输出操作，实现立地执行自己的通道程序，管理和控制输入输出操作，实现主存贮器与外围设备之间的成批数据传送。主存贮器与外围设备之间的成批数据传送。在大中型和高档小型计算机系统中，大多采用通道技术。在大中型和高档小型计算机系统中，大多采用通道技术。通道有自己的简单指令系统，数据传送指令和设备控制指令通道有自己的简单指令系统，数据
24、传送指令和设备控制指令等。通道执行的程序称为等。通道执行的程序称为通道程序通道程序。与与DMADMA方式相比，通道有更强的方式相比，通道有更强的I IO O处理能力。处理能力。4.通道方式 当当CPUCPU委托的委托的I IO O任务完成后，通道发出中断信号，请任务完成后，通道发出中断信号，请求求CPUCPU处理。使处理。使CPUCPU摆脱了繁琐的输入输出控制工作，提高了摆脱了繁琐的输入输出控制工作，提高了CPUCPU与外围设备工作的并行程度。多通道之间可实现了并行与外围设备工作的并行程度。多通道之间可实现了并行操作，各通道控制的外围设备也实现了并行操作，从而提高操作，各通道控制的外围设备也实
25、现了并行操作，从而提高整个系统的处理效率。整个系统的处理效率。1818 操作系统 第五章 设备管理 按照信息的交换方式和控制设备的种类，通道可以分为三种类型：1）字节多路通道 字节多路通道以字节为单位传输信息，它可以以字节字节多路通道以字节为单位传输信息，它可以以字节交叉方式执行多个通道程序。当一个通道程序控制某台设交叉方式执行多个通道程序。当一个通道程序控制某台设备传送一个字节后，通道硬件就控制转去执行另一个通道备传送一个字节后，通道硬件就控制转去执行另一个通道程序，控制另一台设备传送信息。程序，控制另一台设备传送信息。字节多路通道主要用来连接大量慢速的字符设备字节多路通道主要用来连接大量慢
26、速的字符设备，如，如纸带输入出机，卡片输入出机、打印机、终端等等。纸带输入出机，卡片输入出机、打印机、终端等等。在在IBM370IBM370系统中，这样的通道可连接系统中，这样的通道可连接256256台设备。台设备。1919 操作系统 第五章 设备管理2）选择通道 选择通道每次选择一台设备，执行一个通道程序，传选择通道每次选择一台设备，执行一个通道程序，传送一批数据，当这台设备数据传输完成后，再选择与通道送一批数据，当这台设备数据传输完成后，再选择与通道连接的另一台设备，执行它的相应的通道程序。选择通道连接的另一台设备，执行它的相应的通道程序。选择通道在一段时间内只允许一台设备进行数据传输，传
27、送速度很在一段时间内只允许一台设备进行数据传输，传送速度很高，但在设备传输未完成之前，由它独占通道。由于选择高，但在设备传输未完成之前，由它独占通道。由于选择通道能控制设备高速连续地传送一批数据，因此通道能控制设备高速连续地传送一批数据，因此常用它连常用它连接高速的块设备接高速的块设备。如磁盘、磁鼓等。如磁盘、磁鼓等。2020 操作系统 第五章 设备管理 3成(数）组多路通道 成组多路通道结合了选择通道传送速度高和字节多路成组多路通道结合了选择通道传送速度高和字节多路通道能进行并行操作的优点，采用分时轮转同时控制多台通道能进行并行操作的优点，采用分时轮转同时控制多台设备。它先为一台设备执行一条
28、通道指令然后自动转接，设备。它先为一台设备执行一条通道指令然后自动转接，为另一台设备执行一条通道指令。因此为另一台设备执行一条通道指令。因此常用它连接中速的常用它连接中速的块设备块设备。如磁带等。如磁带等。2121 操作系统 第五章 设备管理主存主存CPUCPU 字节字节多路通道多路通道 选择选择 通道通道 成组成组多路通道多路通道CPUCPU总线总线磁盘磁盘磁带磁带I/OI/O控制控制I/OI/O控制控制I/OI/O控制控制I/OI/O控制控制I/OI/O控制控制I/OI/O控制控制I/OI/O控制控制I/OI/O控制控制I/OI/O控制控制 采用通道方式的计算机系统结构采用通道方式的计算机
29、系统结构2222 操作系统 第五章 设备管理1.1.中断：中断：一进程占有处理机执行期间系统发生各种事件需要一进程占有处理机执行期间系统发生各种事件需要处理机来处理，从而使得处理机暂停当前进程的执行而转去处理机来处理，从而使得处理机暂停当前进程的执行而转去执行相应的中断处理程序，待事件处理完毕后再返回原来被执行相应的中断处理程序，待事件处理完毕后再返回原来被中断处继续执行的过程。中断处继续执行的过程。5.3 中断技术一、中断的基本概念2.2.中断源：中断源：引起中断发生的事件。引起中断发生的事件。3.3.中断请求：中断请求：中断源向处理机发出的请求中断处理的信号。中断源向处理机发出的请求中断处
30、理的信号。4.4.中断处理程序中断处理程序：对中断事件进行相应处理的操作系统程序。：对中断事件进行相应处理的操作系统程序。2323 操作系统 第五章 设备管理1.1.强迫性中断事件（非运行进程所期望的）强迫性中断事件（非运行进程所期望的）二、中断事件的类型2.2.自愿性中断事件（运行进程所要求的）自愿性中断事件（运行进程所要求的）硬件故障中断（电源掉电、读硬件故障中断（电源掉电、读/写错等）写错等）程序性中断（数据溢出、访问溢出等）程序性中断（数据溢出、访问溢出等）外部中断（键盘输入命令）外部中断（键盘输入命令）输入输出中断（外部设备故障）输入输出中断（外部设备故障）访管中断（执行一条访管中断
31、（执行一条“访管指令访管指令”请求系统调用）。请求系统调用）。2424 操作系统 第五章 设备管理 中断码存入中断码存入PSWPSW寄存器的中断码位寄存器的中断码位 将旧将旧PSW PSW 将新将新PSWPSW保存到主存保存到主存 送到送到PSWPSW寄存器。寄存器。CPU CPU收到中断请求后转相应的中断处理程序的过程称为收到中断请求后转相应的中断处理程序的过程称为中断响应。中断响应。三、中断响应 PSW寄存器寄存器1.1.保存被中断进保存被中断进程的现场程的现场2.2.执行中断处理执行中断处理程序程序 四、中断处理过程 应用应用 程序程序 交换交换PSWPSW 执行中断执行中断 处理程序处
32、理程序 PSW PSW寄存器寄存器CPU 1.1.发现和识别中断事件发现和识别中断事件:硬件设有中断装置发现和识硬件设有中断装置发现和识别中断事件。别中断事件。2.2.交换交换PSWPSW2525 操作系统 第五章 设备管理五、中断处理的原则硬件故障中断硬件故障中断输出事件的性质。输出事件的性质。程序性中断程序性中断输出进程名，程序断点，事件性质。输出进程名，程序断点，事件性质。外部中断外部中断接收外部请求后转例行子程序。接收外部请求后转例行子程序。正常情况，释放等待进程。正常情况，释放等待进程。输入输出中断输入输出中断 异常情况，告知出错信息。异常情况，告知出错信息。访管中断访管中断根据访管
33、指令中的功能号转对应的系统调用。根据访管指令中的功能号转对应的系统调用。2626 操作系统 第五章 设备管理中断优先级顺序：中断优先级顺序：硬件故障中断自愿性中断程序性中断外部中断硬件故障中断自愿性中断程序性中断外部中断输入输出中断输入输出中断。七、中断屏蔽 中断请求产生之后，系统用软件的方法有选择地封锁中断请求产生之后，系统用软件的方法有选择地封锁部分中断而响应其余中断。部分中断而响应其余中断。六、中断优先级 当多个中断事件同时发生时，中断装置按预先定好的顺当多个中断事件同时发生时，中断装置按预先定好的顺序响应同时出现的中断事件，这个预先定好的顺序称为中断序响应同时出现的中断事件，这个预先定
34、好的顺序称为中断优先级。优先级。2727 操作系统 第五章 设备管理5.4 缓冲技术一、概述引入缓冲技术的目的：引入缓冲技术的目的：1 1）改善）改善CPUCPU与外围设备之间速度不匹配的矛盾；与外围设备之间速度不匹配的矛盾；2 2）减少中断减少中断CPU的次数，放宽的次数，放宽CPU对中断的响应时间。对中断的响应时间。3 3）减少占用通道的时间，使通道的瓶颈现象得以缓和，从减少占用通道的时间，使通道的瓶颈现象得以缓和，从而显著提高而显著提高CPU、通道、通道、I/O设备间的并行操作程度。设备间的并行操作程度。缓冲技术实现的基本思想：缓冲技术实现的基本思想：当一个进程执行写操作输出数据时，先向
35、系统申请一当一个进程执行写操作输出数据时，先向系统申请一个主存区域个主存区域缓冲区，然后，将数据高速送到缓冲区。缓冲区，然后，将数据高速送到缓冲区。若为顺序写请求，则不断把数据填到缓冲区，直到它被装若为顺序写请求，则不断把数据填到缓冲区，直到它被装满为止。此后，进程可以继续它的计算，同时，系统将缓满为止。此后，进程可以继续它的计算，同时，系统将缓冲区内容写到冲区内容写到I IO O设备上。设备上。2828 操作系统 第五章 设备管理 在输出数据时，只有在系统还来不及腾空缓冲区之前，在输出数据时，只有在系统还来不及腾空缓冲区之前，进程又欲输出信息时，它才需要等待；在输入数据时，仅当进程又欲输出信
36、息时，它才需要等待；在输入数据时，仅当缓冲区空而进程又要从中读取数据时，它才被迫等待。其它缓冲区空而进程又要从中读取数据时，它才被迫等待。其它时间可以进一步提高时间可以进一步提高CPUCPU和和I IO O设备的并行性，以及设备的并行性，以及I IO O设备设备和和I IO O设备之间的并行性，从而，提高设备之间的并行性，从而，提高整个系统的效率。整个系统的效率。缓冲的类型缓冲的类型 单缓冲单缓冲双缓冲双缓冲多缓冲（环形缓冲）多缓冲（环形缓冲）缓冲池（缓冲池（UNIXUNIX操作系统）操作系统）1 1）硬缓冲）硬缓冲寄存器寄存器2 2）软缓冲）软缓冲在主存中开辟一片区域充当缓冲区，并设在主存中
37、开辟一片区域充当缓冲区，并设置置 I/O I/O指针。指针。根据系统设置缓存器的数目可把缓冲的类型分为：根据系统设置缓存器的数目可把缓冲的类型分为：2929 操作系统 第五章 设备管理2.双缓冲 两个缓冲区交替使用，使两个缓冲区交替使用，使CPUCPU和和I IO O设备的并行性进一设备的并行性进一步提高，仅当两个缓冲区都取空，进程还要提取数据时，它步提高，仅当两个缓冲区都取空，进程还要提取数据时，它再被迫等待。再被迫等待。缓冲区缓冲区1 1 取出取出 缓冲区缓冲区2 2 放入放入 1.单缓冲 缓冲区缓冲区 放入放入 取出取出 放数据和取数据以串行方式工作，一般说，每次读写操放数据和取数据以串
38、行方式工作，一般说，每次读写操作都要转入进程调度，所以，采用单缓冲技术，作都要转入进程调度，所以，采用单缓冲技术，I/OI/O设备并设备并行性差，系统效率低。行性差，系统效率低。3030 操作系统 第五章 设备管理3.环形缓冲技术 环形缓冲技术是在主存中分配一组大小相等的存贮区作环形缓冲技术是在主存中分配一组大小相等的存贮区作为缓冲区，并将这些缓冲区链接起来，系统中有个缓冲区链为缓冲区，并将这些缓冲区链接起来，系统中有个缓冲区链首指针指向第一个缓冲区，每个缓冲区中有一个指向下一个首指针指向第一个缓冲区，每个缓冲区中有一个指向下一个缓冲区的指针，最后一个缓冲区中的指针指向第一个缓冲区，缓冲区的指
39、针，最后一个缓冲区中的指针指向第一个缓冲区，从而形成环形缓冲区链，系统可循环使用这些缓冲区。从而形成环形缓冲区链，系统可循环使用这些缓冲区。环形缓冲区用于输入环形缓冲区用于输入(输出输出)时，还要有两个指针时，还要有两个指针1N1N和和0UT0UT，ININ指向可接收数据的空闭缓冲区的首址，指向可接收数据的空闭缓冲区的首址，OUTOUT指针指向指针指向装好数据且未取走的缓冲区首址。装好数据且未取走的缓冲区首址。3131 操作系统 第五章 设备管理3232 操作系统 第五章 设备管理4.缓冲池 缓冲池由内存中一组大小相等的缓冲区组成，池中各缓缓冲池由内存中一组大小相等的缓冲区组成，池中各缓冲区的
40、大小与用于冲区的大小与用于I I0 0设备的基本信息单位相似，缓冲池属设备的基本信息单位相似，缓冲池属系统资源，由系统进行管理。缓冲池中各缓冲区可用于输出系统资源，由系统进行管理。缓冲池中各缓冲区可用于输出输入信息，并可根据需要组成各种缓冲区队列。输入信息，并可根据需要组成各种缓冲区队列。缓冲池中的缓冲区一般有以下三种类型：空闲缓冲区、缓冲池中的缓冲区一般有以下三种类型：空闲缓冲区、装输入数据的缓冲区和装输出数据的缓冲区。装输入数据的缓冲区和装输出数据的缓冲区。1.缓冲池结构缓冲池结构 缓冲池由多个缓存区组成。缓冲池由多个缓存区组成。缓冲首部：缓冲区的说明信息。缓冲首部：缓冲区的说明信息。缓冲
41、区由两部分组成缓冲区由两部分组成 缓冲体：存放数据的区域。缓冲体：存放数据的区域。3333 操作系统 第五章 设备管理缓冲区队列缓冲区队列:空白缓冲队列空白缓冲队列em，队首指针，队首指针F（em），队尾指针），队尾指针L（em）。）。输入缓冲队列输入缓冲队列in，队首指针，队首指针F（in），队尾指针），队尾指针L（in）。）。输出缓冲队列输出缓冲队列out，队首指针，队首指针F（out），队尾指针），队尾指针L（out）缓冲区队列缓冲区缓冲区队列缓冲区2.2.工作缓冲区工作缓冲区:收容输入缓冲区收容输入缓冲区hin hin 提取输入缓冲区提取输入缓冲区sinsin收容输出缓冲区收容输出缓冲
42、区hout hout 提取输出缓冲区提取输出缓冲区soutsout3434 操作系统 第五章 设备管理3.3.缓冲池管理缓冲池管理（1 1）从缓冲区队列取出一个缓冲区的过程：）从缓冲区队列取出一个缓冲区的过程：take-buf take-buf（typetype）；）；（2 2）将一个缓冲区插入缓冲区队列的过程：）将一个缓冲区插入缓冲区队列的过程：add-buf add-buf（typetype，numbernumber）；）；（3 3）进程申请一个缓冲区用的过程：）进程申请一个缓冲区用的过程：get-buf get-buf（typetype，numbernumber）；）；（4 4）进程释放
43、一个缓冲区用的过程：）进程释放一个缓冲区用的过程：put-buf put-buf（typetype，work-bufwork-buf）。）。其中：参数其中：参数typetype表示缓冲区队列；表示缓冲区队列；参数参数numbernumber为缓冲区号；为缓冲区号；参数参数work-bufwork-buf为工作缓冲区类型。为工作缓冲区类型。3535 操作系统 第五章 设备管理4.4.缓冲池的工作过程缓冲池的工作过程收容输入：收容输入：收容输出：收容输出：get-bufget-buf（emem，numbernumber）；）；get-buf get-buf（emem，numbernumber）；）
44、；设备放入输入数据；设备放入输入数据；进程放入输出数据；进程放入输出数据；put-bufput-buf（inin，hinhin）put-buf put-buf（outout，houthout）提取输入：提取输入：提取输出：提取输出：get-bufget-buf（inin，numbernumber）；）；get-buf get-buf（outout，numbernumber）；）；进程取出输入数据；进程取出输入数据；设备取出输出数据；设备取出输出数据；put-bufput-buf（emem，sinsin）put-buf put-buf（emem，soutsout）。）。5.5.特点：既可以用于输
45、入又可以用于输出。特点：既可以用于输入又可以用于输出。3636 操作系统 第五章 设备管理 当进程向系统提出当进程向系统提出I/OI/O请求后，由设备分配程序按照一请求后，由设备分配程序按照一定的策略把所要求的设备分配给该进程，为确保定的策略把所要求的设备分配给该进程，为确保CPUCPU与设备与设备之间能进行通信，还应分配相应的控制器和通道。之间能进行通信，还应分配相应的控制器和通道。5.5 设备的分配一、设备分配的功能一、设备分配的功能系统设备表（系统设备表（SDT）整个系统一张，每个设备占一个表整个系统一张，每个设备占一个表项，记录了系统中所有设备的情况。项，记录了系统中所有设备的情况。设
46、备控制表（设备控制表（DCT）每个设备一张，记录了设备特性以每个设备一张，记录了设备特性以及设备和及设备和I/O控制器的连接情况。控制器的连接情况。控制器表（控制器表（COCT）每个控制器一张，记录了控制器的每个控制器一张，记录了控制器的使用状态以及和通道的连接情况。使用状态以及和通道的连接情况。通道控制表（通道控制表（CHCT）每个通道一张，记录了通道的情每个通道一张，记录了通道的情况。况。二、设备分配的数据结构二、设备分配的数据结构3737 操作系统 第五章 设备管理 系统必须具有一种合理的设备分配策略，该策略与下述系统必须具有一种合理的设备分配策略，该策略与下述的四个因素有关；的四个因素
47、有关；1 1）I IO O设备的固有属性，该设备仅适合于某进程独占或可设备的固有属性，该设备仅适合于某进程独占或可供几个进程共享（供几个进程共享（设备的分配方式设备的分配方式）；）；三、设备分配原则2 2）系统采用的分配算法，是采用先请求先分配方式，还是）系统采用的分配算法，是采用先请求先分配方式，还是按优先级最高者优先分配的方式（按优先级最高者优先分配的方式（设备的分配策略设备的分配策略）；）；3 3）设备分配的安全性设备分配的安全性，不合理的设备分配有可能导致死锁，不合理的设备分配有可能导致死锁的发生；的发生；4 4）设备的无关性设备的无关性，用户程序与实际使用的物理设备无关。，用户程序与
48、实际使用的物理设备无关。3838 操作系统 第五章 设备管理（一）设备分配的方式静态分配：静态分配：是在是在作业级作业级进行的，当一个作业运行之前由系进行的，当一个作业运行之前由系统一次分配满足需要的全部设备，这些设备一直为该作业统一次分配满足需要的全部设备，这些设备一直为该作业占用，直到作业撤消。这种分配不会出现死锁，但设备的占用，直到作业撤消。这种分配不会出现死锁，但设备的利用效率较低。利用效率较低。动态分配：动态分配：是在是在进程运行的过程中进程运行的过程中进行的，当进程需要使进行的，当进程需要使用设备时，通过系统调用命令向系统提出设备请求，系统用设备时，通过系统调用命令向系统提出设备请
49、求，系统按一定的分配策略给进程分配所需设备，一旦使用完毕立按一定的分配策略给进程分配所需设备，一旦使用完毕立即释放。显然这种分配方式有利于提高设备的使用效率，即释放。显然这种分配方式有利于提高设备的使用效率，但会出观死锁。但会出观死锁。3939 操作系统 第五章 设备管理（二）I/O设备分配算法1 1先请求先分配：先请求先分配：根据进程对某设备提出请求的先后次序，根据进程对某设备提出请求的先后次序，可将进程排成一个队列，设备分配程序总是先把设备分配可将进程排成一个队列，设备分配程序总是先把设备分配给队首进程。给队首进程。2 2优先级高者优先分配：优先级高者优先分配：本算法总是将设备分配给优先级
50、本算法总是将设备分配给优先级最高的进程。为此，通常在形成设备队列时，是将优先级最高的进程。为此，通常在形成设备队列时，是将优先级高的进程排在前面；对于相同优先级的高的进程排在前面；对于相同优先级的I IO O请求，则按先请求，则按先来先服务原则排队。来先服务原则排队。4040 操作系统 第五章 设备管理（三）设备分配的安全性 从进程运行的安全性上考虑，设备分配有以下两种方式；从进程运行的安全性上考虑，设备分配有以下两种方式；1 1安全分配方式安全分配方式(单请求方式单请求方式)：在这种分配方式中，每在这种分配方式中，每当进程发出当进程发出I IO O请求后便进入阻塞状态，直至请求后便进入阻塞状