計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)(第九章)

1、計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)第九章 設(shè)備管理本章學(xué)習(xí)目標(biāo)l 數(shù)據(jù)傳送的4種方式：程序直接控制方式、中斷控制方式、DMA方式及通道控制方式l 緩沖技術(shù)的概念及4種常見的緩沖技術(shù)：單緩沖、雙緩沖、環(huán)形緩沖及緩沖池l 設(shè)備分配的概念及3種設(shè)備分配技術(shù)：獨(dú)享分配、共享分配及虛擬分配l I/O進(jìn)程控制主要內(nèi)容9.1 引言9.2 數(shù)據(jù)傳送控制方式9.3 中斷技術(shù)9.4 緩沖技術(shù)9.5 設(shè)備分配9.6 I/O進(jìn)程控制9.7 設(shè)備驅(qū)動程序本章小結(jié)幾個(gè)重要的定義n1. 什么是計(jì)算機(jī)外部設(shè)備什么是計(jì)算機(jī)外部設(shè)備 在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中除CPU和內(nèi)存儲外所有的設(shè)備和裝置稱為計(jì)算機(jī)外部設(shè)備（外圍設(shè)備、I/O設(shè)備）。n2.為什么要對設(shè)備進(jìn)行

2、分類為什么要對設(shè)備進(jìn)行分類 設(shè)備分類的目的在于簡化設(shè)備管理程序 n3. 什么是存儲設(shè)備什么是存儲設(shè)備 用來存放各種信息的設(shè)備稱為存儲設(shè)備，例如，軟盤、硬盤、光盤和磁帶等；n4.什么是什么是I/O設(shè)備設(shè)備 用來向計(jì)算機(jī)輸入和輸出信息的設(shè)備，如鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器、打印機(jī)等。9.1.1設(shè)備的類別1按操作特性分類按操作特性分類 可把外部設(shè)備分為存儲設(shè)備，輸入/輸出（I/O）設(shè)備，終端設(shè)備及脫機(jī)設(shè)備。 如圖9.1所示。n2按系統(tǒng)和用戶的觀點(diǎn)分類（按設(shè)備的從屬關(guān)系分）按系統(tǒng)和用戶的觀點(diǎn)分類（按設(shè)備的從屬關(guān)系分） 可將外部設(shè)備分為系統(tǒng)設(shè)備和用戶設(shè)備兩種。 系統(tǒng)設(shè)備是指在操作系統(tǒng)生成時(shí)就已配置好的各種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備

3、。例如，鍵盤、打印機(jī)以及文件存儲設(shè)備等。 用戶設(shè)備是在系統(tǒng)生成時(shí)沒有配置，而由用戶自己安裝配置后由操作系統(tǒng)統(tǒng)一管理的設(shè)備。例如，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的各種網(wǎng)板、實(shí)時(shí)系統(tǒng)中的A/D、D/A變換器、圖像處理系統(tǒng)的圖像設(shè)備等n3按傳輸?shù)男畔⒔M織分類按傳輸?shù)男畔⒔M織分類 可將外部設(shè)備分為字符設(shè)備和塊設(shè)備。4.按資源分配方式分類：按資源分配方式分類：（1）獨(dú)占設(shè)備 所有的輸入/輸出設(shè)備都應(yīng)該是獨(dú)占設(shè)備。所謂獨(dú)占，是說該類設(shè)備要以用戶或作業(yè)為單位分配，在該用戶未退出系統(tǒng)之前，或該作業(yè)未運(yùn)行結(jié)束之前，此設(shè)備不能作其它分配。（2）共享設(shè)備 所謂共享，是說多個(gè)進(jìn)程可以交替地從這些設(shè)備上存取信息。（3）虛擬設(shè)備 通過Spo

4、oling技術(shù)把原獨(dú)占設(shè)備改造成能為若干用戶共享的設(shè)備，以提高設(shè)備的利用率。圖圖9.1 按使用特性對外部設(shè)備的分類按使用特性對外部設(shè)備的分類9.1.2 設(shè)備管理的功能和任務(wù) 設(shè)備管理是計(jì)算機(jī)輸入輸出系統(tǒng)的管理。設(shè)備管理的任務(wù)：設(shè)備處理的一致性設(shè)備獨(dú)立性字符編碼的獨(dú)立性提高設(shè)備的利用率設(shè)備管理的任務(wù)：(1) 選擇和分配輸入輸出設(shè)備以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸操作；(2) 控制輸入輸出設(shè)備和CPU（或內(nèi)存）之間交換數(shù)據(jù)；(3) 為用戶提供友好的透明接口，把用戶和設(shè)備硬件特性分開，使得用戶在編制應(yīng)用程序時(shí)不必涉及具體設(shè)備，系統(tǒng)按用戶要求控制設(shè)備工作。另外，這個(gè)接口還為新增加的用戶設(shè)備提供一個(gè)和系統(tǒng)核心相連接的入口

5、，以便用戶開發(fā)新的設(shè)備管理程序；(4) 提高設(shè)備和設(shè)備之間、CPU和設(shè)備之間，以及進(jìn)程和進(jìn)程之間的并行操作度，以使操作系統(tǒng)獲得最佳效率。2設(shè)備管理的功能設(shè)備管理的功能（1）提供和進(jìn)程管理系統(tǒng)的接口。（2）進(jìn)行設(shè)備分配。（3）實(shí)現(xiàn)設(shè)備和設(shè)備，設(shè)備和CPU等之間的并行操作。（實(shí)現(xiàn)真正的I/O操作 ） 在設(shè)置有通道的系統(tǒng)中，應(yīng)根據(jù)用戶提出的I/O要求，構(gòu)成相應(yīng)的通道程序，提供給通道去執(zhí)行； 啟動指定的設(shè)備進(jìn)行I/O操作； 對通道發(fā)來的中斷請求作出及時(shí)的響應(yīng)和處理。（4）進(jìn)行緩沖區(qū)管理9.2數(shù)據(jù)傳輸控制方式n數(shù)據(jù)傳輸操作的控制方式也就是外圍設(shè)備和內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)傳送控制方式，主要包括下面四種方式（1）直

6、接控制方式（2）中斷控制方式（3）DMA方式（4）通道方式9.2.1 程序直接控制方式程序直接控制方式n1.什么是程序直接控制方式什么是程序直接控制方式 程序直接控制內(nèi)存或CPU和外圍設(shè)備之間進(jìn)行信息傳送的方式。 在這種方式下控制者是用戶進(jìn)程，當(dāng)用戶進(jìn)程需要輸入或輸出數(shù)據(jù)時(shí)，它通過CPU發(fā)出啟動設(shè)備的指令，然后，用戶進(jìn)程進(jìn)入測試等待狀態(tài)。n2.程序直接控制方式的工作過程程序直接控制方式的工作過程 （1）把一個(gè)啟動位為“1”的控制字寫入該設(shè)備的控制狀態(tài)寄存器。 （2）將需輸出數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)緩沖寄存器。 （3）測試控制狀態(tài)寄存中的“完成位”，若為0，轉(zhuǎn)（2）否則轉(zhuǎn)（4）。 （4）輸出設(shè)備將數(shù)據(jù)緩沖寄

7、存器中的數(shù)據(jù)取走進(jìn)行實(shí)際的輸出。圖圖9.2 程序直接控制方式程序直接控制方式缺點(diǎn)缺點(diǎn) (1) CPU和外圍設(shè)備只能串行工作。由于CPU的處理速度要大大高于外圍設(shè)備的數(shù)據(jù)傳送和處理速度，所以，CPU的大量時(shí)間都處于等待和空閑狀態(tài)。這使得CPU的利用率大大降低；(2) CPU在一段時(shí)間內(nèi)只能和一臺外圍設(shè)備交換數(shù)據(jù)信息，從而不能實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的并行工作；(3) 由于程序直接控制方式依靠測試設(shè)備標(biāo)志觸發(fā)器的狀態(tài)位來控制數(shù)據(jù)傳送，因此無法發(fā)現(xiàn)和處理由于設(shè)備或其他硬件所產(chǎn)生的錯誤。所以，程序直接控制方式只適用于那些CPU執(zhí)行速度較慢，而且外圍設(shè)備較少的系統(tǒng)。 在這種方式中CPU的大量時(shí)間用在了等待輸入輸出的

8、循環(huán)測試上，使主機(jī)不能充分發(fā)揮效率，外設(shè)也不能得到合理使用，整個(gè)系統(tǒng)效率很低。9.2.2 中斷技術(shù)n1.什么是中斷技術(shù)什么是中斷技術(shù) 僅當(dāng)數(shù)據(jù)傳送操作正常或異常結(jié)束時(shí)才中斷中央處理機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)了一定程度的并行操作，這種方式稱為程序中斷方式。 中斷(interrupt)方式被用來控制外圍設(shè)備和內(nèi)存與CPU之間的數(shù)據(jù)傳送n2.中斷技術(shù)的工作過程 如圖9.4所示中斷技術(shù)的工作過程n（1）進(jìn)程需要數(shù)據(jù)時(shí)，將允許啟動和允許中斷的控制字寫入設(shè)備控制狀態(tài)寄存器中，啟動該設(shè)備進(jìn)行輸入操作。n（2）該進(jìn)程放棄處理機(jī)，等待輸入的完成。操作系統(tǒng)進(jìn)程調(diào)度程序調(diào)度其他就緒進(jìn)程占用處理機(jī)。n（3）當(dāng)輸入完成時(shí)，輸入設(shè)備通

9、過中斷請求線向CPU發(fā)出中斷請求信號。CPU在接收到中斷信號之后，轉(zhuǎn)向中斷處理程序。n（4）中斷處理程序首先保護(hù)現(xiàn)場，然后把輸入緩沖寄存器中的數(shù)據(jù)傳送到某一特定單元中去，同時(shí)將等待輸入完成的那個(gè)進(jìn)程喚醒，進(jìn)入就緒狀態(tài)，最后恢復(fù)現(xiàn)場，并返回到被中斷的進(jìn)程繼續(xù)執(zhí)行。n（5）在以后的某一時(shí)刻，操作系統(tǒng)進(jìn)程調(diào)度程序選中提出的請求并得到獲取數(shù)據(jù)的進(jìn)程，該進(jìn)程從約定的內(nèi)存特定單元中取出數(shù)據(jù)繼續(xù)工作。圖9.4 中斷控制方式的處理過程缺點(diǎn)缺點(diǎn) 雖然中斷的引入改善了中央處理機(jī)的利用率，但I(xiàn)/O操作畢竟還是由CPU控制的，此時(shí)每傳輸一個(gè)字或字符，往往就要做一次中斷處理。由此可見，當(dāng)I/O設(shè)備很多時(shí)，CPU可能完全

10、陷入I/O處理中。9.2.3 DMA方式方式 n1.什么是什么是DMA方式（方式（direct memory access） 在外圍設(shè)備和內(nèi)存之間開辟直接的數(shù)據(jù)交換通路。DMA控制器可用來代替CPU控制內(nèi)存和設(shè)備之間進(jìn)行成批的數(shù)據(jù)交換。DMA方式的結(jié)構(gòu)n2. DMA方式方式 的工作過程(1) 當(dāng)進(jìn)程要求設(shè)備輸入數(shù)據(jù)時(shí)，CPU把準(zhǔn)備存放輸入數(shù)據(jù)的內(nèi)存始址以及要傳送的字節(jié)數(shù)分別送入DMA控制器中的內(nèi)存地址寄存器和傳送字節(jié)計(jì)數(shù)器; 另外，還把控制狀態(tài)寄存器中的中斷允許位和啟動位置1; 從而啟動設(shè)備開始進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入。(2) 發(fā)出數(shù)據(jù)要求的進(jìn)程進(jìn)入等待狀態(tài)，進(jìn)程調(diào)度程序調(diào)度其他進(jìn)程占據(jù)CPU。 (3)

11、輸入設(shè)備不斷地挪用CPU工作周期，將數(shù)據(jù)緩沖寄存器中的數(shù)據(jù)源源不斷地寫入內(nèi)存，直到所要求的字節(jié)全部傳送完畢。(4) DMA控制器在傳送字節(jié)數(shù)完成時(shí)通過中斷請求線發(fā)出中斷信號，CPU在接收到中斷信號后轉(zhuǎn)中斷處理程序進(jìn)行善后處理。(5) 中斷處理結(jié)束時(shí)，CPU返回被中斷進(jìn)程處執(zhí)行或被調(diào)度到新的進(jìn)程上下文環(huán)境中執(zhí)行9.5 DMA方式的傳送結(jié)構(gòu) 圖圖9.6 DMA方式的數(shù)據(jù)傳送處理過程方式的數(shù)據(jù)傳送處理過程 與中斷方式的區(qū)別與中斷方式的區(qū)別 （1）中斷方式時(shí)是在數(shù)據(jù)緩沖寄存器滿之后發(fā)中斷要求CPU進(jìn)行中斷處理，而DMA方式則是在所要求轉(zhuǎn)送的數(shù)據(jù)塊全部傳送結(jié)束時(shí)要求CPU進(jìn)行中斷處理。 （2）中斷方式的

12、數(shù)據(jù)傳送是在中斷處理時(shí)由CPU控制完成的，而DMA方式則是在DMA控制器的控制下不經(jīng)過CPU控制完成的。 缺點(diǎn)缺點(diǎn)DMA方式仍然存在著一定的局限性。（1）DMA方式對外圍設(shè)備的管理和某些操作仍由CPU控制。（2）隨著系統(tǒng)所配外設(shè)種類和數(shù)量的增加，多個(gè)DMA控制器的同時(shí)使用顯然會引起內(nèi)存地址的沖突并使控制過程進(jìn)一步復(fù)雜。9.2.4 通道控制方式n1.什么是通道控制方式 是一種以內(nèi)存為中心，實(shí)現(xiàn)設(shè)備和內(nèi)存直接交換數(shù)據(jù)的控制方式。n2.什么是通道 通道又稱I/O處理機(jī)，它能完成主存儲器和外設(shè)之間的信息傳輸，并與中央處理機(jī)并行操作。 通道技術(shù)解決了I/O操作的獨(dú)立性和各部件的并行性。 2. 通道方式與

13、通道方式與DMA方式得異同方式得異同 (1)通道方式與通道方式與DMA方式相同點(diǎn)方式相同點(diǎn) 都是一種以內(nèi)存為中心，實(shí)現(xiàn)設(shè)備和內(nèi)存直接交換數(shù)據(jù)的控制方式。(2)通道方式與通道方式與DMA方式不同點(diǎn)方式不同點(diǎn)在DMA方式中，數(shù)據(jù)的傳送方向、存放數(shù)據(jù)的內(nèi)存始址以及傳送的數(shù)據(jù)塊長度等都由CPU控制，而在通道方式中，這些都由通道來進(jìn)行控制。DMA方式每臺設(shè)備至少需要一個(gè)DMA控制器，一個(gè)通道控制器可以控制多臺設(shè)備，顯然，通道方式進(jìn)一步減輕了CPU的工作負(fù)擔(dān)和增加了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的并行工作程度。 3. 通道方式通道方式 的工作過程的工作過程(1) 當(dāng)進(jìn)程要求設(shè)備輸入數(shù)據(jù)時(shí)，CPU發(fā)Start指令指明I/O操作

14、、設(shè)備號和對應(yīng)通道。(2) 對應(yīng)通道接收到CPU發(fā)來的啟動指令Start之后，把存放在內(nèi)存中的通道指令程序讀出，設(shè)置對應(yīng)設(shè)備的I/O控制器中的控制狀態(tài)寄存器。(3) 設(shè)備根據(jù)通道指令的要求，把數(shù)據(jù)送往內(nèi)存中指定區(qū)域。(4) 若數(shù)據(jù)傳送結(jié)束，I/O控制器通過中斷請求線發(fā)中斷信號請求CPU做中斷處理。第5步與DMA方式時(shí)相同，即中斷處理結(jié)束后CPU返回被中斷進(jìn)程處繼續(xù)執(zhí)行。圖圖9.7 通道方式的數(shù)據(jù)傳送結(jié)構(gòu)通道方式的數(shù)據(jù)傳送結(jié)構(gòu)通道分類通道分類按信息交換方式和連接的外設(shè)類型不同，通道可分為三種類型：（1）字節(jié)多路通道：以字節(jié)為單位傳送數(shù)據(jù)，它主要用來連接大量的低速設(shè)備，如終端、打印機(jī)等。當(dāng)一臺設(shè)備

15、傳送一個(gè)字節(jié)后，立即轉(zhuǎn)去為另一設(shè)備傳送一個(gè)字節(jié)。（2）選擇通道：它用于連接磁帶、磁鼓和磁盤等設(shè)備，以塊為單位成批傳送數(shù)據(jù)，但一次只能執(zhí)行一道通道程序，控制一臺設(shè)備進(jìn)行I/O操作，當(dāng)一個(gè)I/O請求操作完成后，再選擇與通道相連的另一設(shè)備。（3）數(shù)組多路通道：它先為一臺設(shè)備執(zhí)行一條通道命令，然后自動轉(zhuǎn)換，為另一臺設(shè)備執(zhí)行一條通道命令。數(shù)組多路通道的實(shí)質(zhì)是：對通道程序采用多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)的硬件實(shí)現(xiàn)。解決通道不足的問題解決通道不足的問題 n為了解決通道不足的矛盾，使設(shè)備能得到充分利用，較經(jīng)濟(jì)的方法是：減少使用通道的時(shí)間；增加通路，提高通道的靈活性。幾個(gè)基本概念n 通道命令通道命令 數(shù)據(jù)傳輸通道具有自己的

16、指令系統(tǒng)。我們把通道的指令稱為通道命令。n 通道程序通道程序 用通道命令編寫的程序稱為通道程序，也叫數(shù)據(jù)傳輸程序。 編制好的通道程序是存放在主存儲器中的，為了使通道能取到通道命令去執(zhí)行，必須把存放通道程序的首地址告訴通道。n 通道地址字通道地址字 用來存放通道程序首地址的主存固定單元稱通道地址字CAW(Channel Address Word)。9.3 中斷技術(shù) n1.什么是中斷？什么是中斷？ 指計(jì)算機(jī)在執(zhí)行期間，系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生任何非尋常的或非預(yù)期的急需處理事件，使得CPU暫時(shí)中斷當(dāng)前正在執(zhí)行的程序而轉(zhuǎn)去執(zhí)行相應(yīng)的事件處理程序，待處理完畢后又返回原來被中斷處繼續(xù)執(zhí)行或調(diào)度新的進(jìn)程執(zhí)行的過程。n2.

17、什么中斷源什么中斷源 引起中斷發(fā)生的事件n3.什么中斷請求什么中斷請求 中斷源向CPU發(fā)出的請求中斷處理信號 n4.什么中斷響應(yīng)什么中斷響應(yīng) CPU收到中斷請求后轉(zhuǎn)相應(yīng)的事件處理程序n5.什么是中斷屏蔽？什么是中斷屏蔽？ 在中斷請求產(chǎn)生之后，系統(tǒng)用軟件方式有選擇地封鎖部分中斷而允許其余部分的中斷仍能得到響應(yīng)外設(shè)的啟動和外設(shè)的啟動和I/O中斷處理中斷處理 要啟動外設(shè)進(jìn)行輸入輸出操作，首先要根據(jù)設(shè)備的特性編制復(fù)雜且繁瑣的輸入輸出程序，然后用啟動I/O的指令才能啟動外設(shè)工作。 1. I/O設(shè)備的啟動設(shè)備的啟動 (1) 啟動控制外設(shè)啟動控制外設(shè)I/O的功能的功能 根據(jù)要求組織好通道程序，且把通道程序的

18、首地址存放到通道地址字中。 中央處理機(jī)執(zhí)行啟動I/O指令啟動通道工作，啟動成功后，通道逐條執(zhí)行通道程序中的通道命令，控制設(shè)備實(shí)現(xiàn)輸入輸出操作。通道完成輸入輸出操作后，向中央處理機(jī)報(bào)告執(zhí)行情況，中央處理機(jī)處理來自通道的中斷。 (2)通道狀態(tài)字及其內(nèi)容通道狀態(tài)字及其內(nèi)容 把通道和設(shè)備執(zhí)行操作的情況隨時(shí)記錄下來，把執(zhí)行的情況匯聚在一個(gè)主存固定單元中，這個(gè)固定單元稱通道狀態(tài)字CSW（Channel Status Word）。 通道狀態(tài)字中有控制器結(jié)束、設(shè)備結(jié)束、通道結(jié)束、設(shè)備出錯、設(shè)備特殊等情況時(shí)，就形成I/O中斷。啟動輸入輸出操作過程圖啟動輸入輸出操作過程圖 幾個(gè)重要概念 禁止中斷：盡管產(chǎn)生了中斷源

19、和發(fā)出了中斷請求，但CPU內(nèi)部的處理機(jī)狀態(tài)字PSW的中斷允許位已被清除，從而不允許CPU響應(yīng)中斷（關(guān)中斷 ） 開中斷：PSW的中斷允許位的設(shè)置。 中斷屏蔽：指在中斷請求產(chǎn)生之后，系統(tǒng)用軟件方式有選擇地封鎖部分中斷而允許其余部分的中斷仍能得到響應(yīng)。9.3.2 中斷的分類與優(yōu)先級 根據(jù)中斷源產(chǎn)生的條件，可把中斷分為外中斷和內(nèi)中斷。 外中斷指來自處理機(jī)和內(nèi)存外部的中斷，包括I/O設(shè)備發(fā)出的I/O中斷、外部信號中斷(例如用戶鍵入ESC鍵)、各種定時(shí)器引起的時(shí)鐘中斷以及調(diào)試程序中設(shè)置的斷點(diǎn)等引起的調(diào)試中斷等。 內(nèi)中斷主要指在處理機(jī)和內(nèi)存內(nèi)部產(chǎn)生的中斷。內(nèi)中斷一般稱為陷阱(trap)。它包括程序運(yùn)算引起的

20、各種錯誤，如地址非法、校驗(yàn)錯、頁面失效、存取訪問控制錯、算術(shù)操作溢出、數(shù)據(jù)格式非法、除數(shù)為零、非法指令、用戶程序執(zhí)行特權(quán)指令、分時(shí)系統(tǒng)中的時(shí)間片中斷以及從用戶態(tài)到核心態(tài)的切換等都是陷阱的例子。中斷和陷阱還有如下主要區(qū)別: (1) 陷阱通常由處理機(jī)正在執(zhí)行的現(xiàn)行指令引起，而中斷則是由與現(xiàn)行指令無關(guān)的中斷源引起的。(2) 陷阱處理程序提供的服務(wù)為當(dāng)前進(jìn)程所用，而中斷處理程序提供的服務(wù)則不是為了當(dāng)前進(jìn)程的。(3) CPU在執(zhí)行完一條指令之后，下一條指令開始之前響應(yīng)中斷，而在一條指令執(zhí)行中也可以響應(yīng)陷阱。例如執(zhí)行指令非法時(shí)，盡管被執(zhí)行的非法指令不能執(zhí)行結(jié)束，但CPU仍可對其進(jìn)行處理。9.3.3 軟中斷

21、n中斷和陷阱要通過硬件產(chǎn)生相應(yīng)的中斷請求，所以是硬中斷n軟中斷：是通信進(jìn)程之間用來模擬硬中斷的一種信號通信方式n軟中斷與硬中斷相同點(diǎn)：其中斷源發(fā)中斷請求或軟中斷信號后，CPU或接收進(jìn)程在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)自動進(jìn)行中斷處理或完成軟中斷信號所對應(yīng)的功能。n在有些系統(tǒng)中，大部分的陷阱是轉(zhuǎn)化為軟中斷處理的9.3.4 中斷處理過程 一旦CPU響應(yīng)中斷，轉(zhuǎn)入中斷處理程序，系統(tǒng)就開始進(jìn)行中斷處理。下面說明中斷處理過程: (1) 首先，CPU檢查響應(yīng)中斷的條件是否滿足。CPU響應(yīng)中斷的條件是: 有來自于中斷源的中斷請求、CPU允許中斷。(2) 如果CPU響應(yīng)中斷，則CPU關(guān)中斷，使其進(jìn)入不可再次響應(yīng)中斷的狀態(tài)。(3)

22、 保存被中斷進(jìn)程現(xiàn)場。為了在中斷處理結(jié)束后能使進(jìn)程正確地返回到中斷點(diǎn)，系統(tǒng)必須保存當(dāng)前處理機(jī)狀態(tài)字PSW和程序計(jì)數(shù)器PC等的值。這些值一般保存在特定堆?；蛴布拇嫫髦?。 (4) 分析中斷原因，調(diào)用中斷處理子程序。在多個(gè)中斷請求同時(shí)發(fā)生時(shí)，處理優(yōu)先級最高的。(5) 執(zhí)行中斷處理子程序。I/O中斷事件的處理中斷事件的處理 I/O中斷是通道和中央處理機(jī)協(xié)調(diào)工作的一種手段。通道借助I/O中斷請求中央處理機(jī)進(jìn)行干預(yù)，中央處理機(jī)根據(jù)產(chǎn)生的I/O中斷事件了解輸入輸出操作的執(zhí)行情況。I/O中斷事件由于通道程序的執(zhí)行引起，或由于外界的原因引起。操作正常結(jié)束操作正常結(jié)束 含義：含義： 當(dāng)通道狀態(tài)字中的設(shè)備狀態(tài)字節(jié)

23、僅有通道結(jié)束、設(shè)備結(jié)束、控制器結(jié)束時(shí)表示完成了通道程序所規(guī)定的操作，中央處理機(jī)啟動的本次輸入輸出操作正常結(jié)束。 處理過程處理過程 ：（1）操作正常結(jié)束，表示該進(jìn)程已經(jīng)得到了指定設(shè)備傳來的信息，或者已經(jīng)把信息傳送到指定的設(shè)備，應(yīng)使該進(jìn)程的狀態(tài)從阻塞變成就緒。（2）對可共享的設(shè)備來說，當(dāng)一個(gè)進(jìn)程A請求該設(shè)備執(zhí)行輸入輸出操作時(shí)，若該設(shè)備沒有為其它進(jìn)程服務(wù)，那么，立即能啟動該設(shè)備工作；若設(shè)備正在為另一進(jìn)程B服務(wù)，那么進(jìn)程A不能立即啟動該設(shè)備，而處于等待訪問設(shè)備的阻塞狀態(tài)。 操作異常結(jié)束操作異常結(jié)束含義：含義： 當(dāng)輸入輸出操作執(zhí)行時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)有硬件的故障或發(fā)生一些設(shè)備特殊事件，就要形成操作異常結(jié)束中斷。

24、 處理過程：處理過程： （1）對故障事件，可以組織通道程序重復(fù)執(zhí)行。若經(jīng)多次重復(fù)執(zhí)行后故障仍不能排除，那么就輸出錯誤信息，請操作人員進(jìn)行人工排除。 （2）對設(shè)備特殊事件，操作系統(tǒng)分析發(fā)生的特殊事件，分別情況處理。當(dāng)操作員排除了故障或處理完特殊事件后，操作員必需打入一條命令通知操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)繼續(xù)控制程序的執(zhí)行。 9.4.1 緩沖的引入 引入緩沖的主要目的有以下幾點(diǎn)。引入緩沖的主要目的有以下幾點(diǎn)。1緩和處理機(jī)和緩和處理機(jī)和I/O設(shè)備間速度不匹配的矛盾設(shè)備間速度不匹配的矛盾2減少對減少對CPU的中斷次數(shù)的中斷次數(shù)3提高提高CPU和和I/O設(shè)備之間的并行性設(shè)備之間的并行性9.4 緩緩 沖沖 技技

25、術(shù)術(shù)緩沖技術(shù)的基本思想： 緩沖技術(shù)好比水庫緩沖技術(shù)好比水庫 在在CPU和外設(shè)之間設(shè)立緩沖區(qū)，用以暫存和外設(shè)之間設(shè)立緩沖區(qū)，用以暫存CPU和外設(shè)之間交和外設(shè)之間交換的數(shù)據(jù)，從而緩和換的數(shù)據(jù)，從而緩和CPU與外設(shè)速度不匹配所產(chǎn)生的矛盾。與外設(shè)速度不匹配所產(chǎn)生的矛盾。 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)。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)。在在操作系統(tǒng)中采用緩沖是為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的操作系統(tǒng)中采用緩沖是為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的I/O操作，以緩解操作，以緩解CPU與外與外部設(shè)備之間速度不匹配的矛盾，提高資源利用率。部設(shè)備之間速度不匹配的矛盾，提高資源利用率。（1）改善）改善CPU與與I

26、/O設(shè)備間速度不匹配設(shè)備間速度不匹配的的矛盾矛盾例如，通常的程序都是時(shí)而輸入時(shí)而輸出。若沒有緩沖，則例如，通常的程序都是時(shí)而輸入時(shí)而輸出。若沒有緩沖，則程序在輸出數(shù)據(jù)時(shí)，必然會由于打印機(jī)的速度跟不上程序在輸出數(shù)據(jù)時(shí)，必然會由于打印機(jī)的速度跟不上CPU，而使得而使得CPU長時(shí)間地等待。長時(shí)間地等待。 在計(jì)算階段，打印機(jī)又空閑無事。在計(jì)算階段，打印機(jī)又空閑無事。 在打印機(jī)或控制區(qū)中設(shè)置一緩沖區(qū)，用來快速暫存程在打印機(jī)或控制區(qū)中設(shè)置一緩沖區(qū)，用來快速暫存程序輸出的數(shù)據(jù)，以后再由打印機(jī)慢慢的從中取出數(shù)據(jù)打印。序輸出的數(shù)據(jù)，以后再由打印機(jī)慢慢的從中取出數(shù)據(jù)打印。 這樣就實(shí)現(xiàn)了這樣就實(shí)現(xiàn)了CPU與與I/O

27、設(shè)備之間的并行工作。設(shè)備之間的并行工作。(2)減少對減少對CPU的中斷頻率，放寬對中斷響應(yīng)的中斷頻率，放寬對中斷響應(yīng)時(shí)間的限制時(shí)間的限制 如果如果I/O操作每傳送操作每傳送1B就要產(chǎn)生一次中斷，那么設(shè)置了就要產(chǎn)生一次中斷，那么設(shè)置了n個(gè)字節(jié)的個(gè)字節(jié)的緩沖區(qū)后，則可以等到緩沖區(qū)滿才產(chǎn)生中斷，這樣中斷次數(shù)就減少到緩沖區(qū)后，則可以等到緩沖區(qū)滿才產(chǎn)生中斷，這樣中斷次數(shù)就減少到1/n，而且中斷響應(yīng)的時(shí)間也可以相應(yīng)地放寬。，而且中斷響應(yīng)的時(shí)間也可以相應(yīng)地放寬。(3)提高提高CPU和和I/O設(shè)備之間的并行性設(shè)備之間的并行性 緩沖的引入可顯著提高緩沖的引入可顯著提高CPU和設(shè)備的并行操作程度，提高系統(tǒng)的和設(shè)備

28、的并行操作程度，提高系統(tǒng)的吞吐量和設(shè)備的利用率吞吐量和設(shè)備的利用率 9.4.2 緩沖的分類 n緩沖有硬件緩沖和軟件緩沖之分。緩沖有硬件緩沖和軟件緩沖之分。 n根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置的緩沖區(qū)個(gè)數(shù)，可以將緩沖根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置的緩沖區(qū)個(gè)數(shù)，可以將緩沖技術(shù)分為：技術(shù)分為：n單緩沖、雙緩沖、環(huán)形緩沖和緩沖池。單緩沖、雙緩沖、環(huán)形緩沖和緩沖池。 1.單緩沖 單緩沖是操作系統(tǒng)提供的最簡單的一單緩沖是操作系統(tǒng)提供的最簡單的一種緩沖形式。每當(dāng)一個(gè)進(jìn)程發(fā)出一個(gè)種緩沖形式。每當(dāng)一個(gè)進(jìn)程發(fā)出一個(gè)I/O請求時(shí)，操作系統(tǒng)便在主存中為之分配一請求時(shí)，操作系統(tǒng)便在主存中為之分配一緩沖區(qū)，該緩沖區(qū)用來臨時(shí)存放輸入緩沖區(qū)，該緩沖區(qū)用來臨時(shí)存放

29、輸入/輸輸出數(shù)據(jù)。出數(shù)據(jù)。2. 雙緩沖 n解決外設(shè)之間并行工作的最簡單的辦法是設(shè)置雙緩沖。在雙緩沖方案中，具體的做法是為輸入或輸出操作設(shè)置兩個(gè)緩沖區(qū)buffer1和buffer2。n雙緩沖方式和單緩沖方式相比，雖然雙緩沖方式能進(jìn)一步提高CPU和外設(shè)的并行程度，并能使輸入設(shè)備和輸出設(shè)備并行工作，但是在實(shí)際系統(tǒng)中很少采用這一方式，這是因?yàn)樵谟?jì)算機(jī)系統(tǒng)中的外設(shè)很多，又有大量的輸入和輸出，同時(shí)雙緩沖很難匹配設(shè)備和CPU的處理速度。因此現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中一般使用環(huán)形緩沖或緩沖池結(jié)構(gòu)。3. 環(huán)形緩沖n環(huán)形緩沖技術(shù)是在主存中分配一組大小相等的存儲區(qū)作為緩沖區(qū)，并將這些緩沖區(qū)鏈接起來，每個(gè)緩沖區(qū)中有一個(gè)指向下一

30、個(gè)緩沖的指針，最后一個(gè)緩沖區(qū)的指針指向第一個(gè)緩沖區(qū)，這樣n個(gè)緩沖區(qū)就成了一個(gè)環(huán)形。此外，系統(tǒng)中有個(gè)緩沖區(qū)鏈?zhǔn)字羔樦赶虻谝粋€(gè)緩沖區(qū)。環(huán)形緩沖區(qū)結(jié)構(gòu)如圖9.3所示。圖圖9.3 環(huán)形緩沖區(qū)結(jié)構(gòu)環(huán)形緩沖區(qū)結(jié)構(gòu)4. 緩沖池從自由主存中分配一組緩沖區(qū)即可構(gòu)成緩沖池。 1緩沖池的組成緩沖池的組成 緩沖池中的緩沖區(qū)一般有以下三種類型：空閑緩沖區(qū)、裝輸入數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)和裝輸出數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)。 2緩沖池的工作方式緩沖池的工作方式 緩沖區(qū)可以在收容輸入、提取輸入、收容輸出和提取輸出四種方式下工作。 圖圖9.4 緩沖區(qū)隊(duì)列緩沖區(qū)緩沖區(qū)隊(duì)列緩沖區(qū)圖圖9.5 緩沖池的工作緩沖區(qū)緩沖池的工作緩沖區(qū)9.5.1設(shè)備分配用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

31、設(shè)備分配程序的主要功能是: 當(dāng)某進(jìn)程向系統(tǒng)提出I/O請求后，設(shè)備分配程序按照一定的策略和設(shè)備分配算法，把所要求的設(shè)備分配給它。 1.設(shè)備控制表設(shè)備控制表DCT（Device Control Table） 設(shè)備控制表DCT反映設(shè)備的特性、設(shè)備和I/O控制器的連接情況。系統(tǒng)中為每一I/O設(shè)備都設(shè)置了一張用以記錄該設(shè)備情況的設(shè)備控制表DCT，表中的內(nèi)容則根據(jù)系統(tǒng)執(zhí)行情況而被動態(tài)的修改。包括設(shè)備標(biāo)識、使用狀態(tài)和等待使用該設(shè)備的進(jìn)程隊(duì)列等。DCT組成組成 （1）設(shè)備標(biāo)識符，設(shè)備標(biāo)識符用來區(qū)別設(shè)備。 （2）設(shè)備類型，反映設(shè)備的特性，如塊設(shè)備或字符設(shè)備等。 （3）指向控制器COCT的指針。 (4)等待隊(duì)列的

32、隊(duì)首、隊(duì)尾指針，凡因請求本設(shè)備未得到滿足的進(jìn)程，將其PCB按一定的策略排成一隊(duì)列。(5)重復(fù)執(zhí)行次數(shù)或時(shí)間。(6)設(shè)備狀態(tài)。2. 系統(tǒng)設(shè)備表SDT(System Device Table) 系統(tǒng)設(shè)備表SDT整個(gè)系統(tǒng)一張，它記錄已被連接到系統(tǒng)中的所有物理設(shè)備的情況，并為每個(gè)物理設(shè)備設(shè)一表項(xiàng)。 SDT表目組成表目組成 其中每個(gè)表目包括：設(shè)備類型、設(shè)備標(biāo)識符、進(jìn)程標(biāo)識符（正在使用該設(shè)備的進(jìn)程的標(biāo)識符）、DCT指針（指向設(shè)備的控制表）等。3. 控制器表COCT(COntroler Control Table) COCT也是每個(gè)控制器一張，它反映I/O控制器的使用狀態(tài)以及和通道的連接情況等(在DMA方式

33、時(shí)，該項(xiàng)是沒有的)。4. 通道控制表CHCT(CHannel Control Table) 該表只在通道控制方式的系統(tǒng)中存在，也是每個(gè)通道一張。CHCT包括通道標(biāo)識符、通道忙/閑標(biāo)識、等待獲得該通道的進(jìn)程等待隊(duì)列的隊(duì)首指針與隊(duì)尾指針等。圖圖9.12 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表9.5.2 設(shè)備分配原則1.設(shè)備分配原則設(shè)備分配原則 設(shè)備分配的原則是根據(jù)設(shè)備特性、用戶要求和系統(tǒng)配制情況決定的。 設(shè)備分配的總原則設(shè)備分配的總原則 （1）要充分發(fā)揮設(shè)備的使用效率，盡可能的讓設(shè)備忙，但又要避免不合理的分配方法造成進(jìn)程死鎖； （2）還要做到把用戶程序和具體物理設(shè)備隔離開來。 靜態(tài)分配靜態(tài)分配 （1）在用戶作業(yè)開始

34、執(zhí)行之前，由系統(tǒng)一次分配該作業(yè)所要求的全部設(shè)備、控制器和通道； （2）一但分配之后就一直為該作業(yè)所占用，直到該作業(yè)被撤消。 動態(tài)分配動態(tài)分配 動態(tài)分配是在進(jìn)程執(zhí)行過程中根據(jù)進(jìn)程的請求，由系統(tǒng)按照一定的策略進(jìn)行分配，用完立即釋放。2. 設(shè)備分配機(jī)制設(shè)備分配機(jī)制設(shè)備分配要考慮的因素設(shè)備分配要考慮的因素 為使系統(tǒng)有條不紊地工作，系統(tǒng)必須具有合理的設(shè)備分配機(jī)制。通常，它與下述四個(gè)因素有關(guān): (1)I/O設(shè)備的固有屬性。該設(shè)備僅適合于某進(jìn)程獨(dú)占還是可供多個(gè)進(jìn)程共享； (2)系統(tǒng)所采用的分配策略。采用先請求先分配方式，還是按優(yōu)先數(shù)最高者優(yōu)先的方式； (3)設(shè)備分配中的安全性，不合理的設(shè)備分配有可能導(dǎo)致死鎖

35、的發(fā)生； (4)與設(shè)備的無關(guān)性。用戶程序與實(shí)際分配的物理設(shè)備無關(guān)。3. 設(shè)備分配技術(shù)設(shè)備分配技術(shù) （1）獨(dú)享分配 由于某些設(shè)備要求人工干預(yù)，有些設(shè)備要求較長的預(yù)操作時(shí)間。對它們采用獨(dú)享分配方式。（2）共享分配磁盤、磁鼓之類的外存儲器，即具有很大的存儲容量，其定位操作的時(shí)間又短，可為若干作業(yè)所共享。（3）虛擬分配采用SPOOLing技術(shù)。把原為獨(dú)享的設(shè)備改造成為可共享的設(shè)備。 9.5.3 設(shè)備分配算法設(shè)備分配算法常見的設(shè)備分配方法有兩種（1）先請求先服務(wù)。當(dāng)有多個(gè)進(jìn)程對同一個(gè)設(shè)備提出I/O請求時(shí)，該算法要求把所有發(fā)出I/O請求的進(jìn)程，按其發(fā)出請求的先后次序排成一個(gè)等待該設(shè)備的隊(duì)列。（2）優(yōu)先權(quán)最

36、高者優(yōu)先。優(yōu)先權(quán)高的進(jìn)程優(yōu)先獲得處理機(jī)，若對它的I/O請求，也賦予高的優(yōu)先權(quán)，如果系統(tǒng)本身也希望使用某I/O設(shè)備而提出I/O請求，它應(yīng)比通常用戶的I/O請求具有更高的優(yōu)先權(quán)。對于優(yōu)先權(quán)相同的I/O請求，則按先請求先分配的原則排隊(duì)。9.6 I/O進(jìn)程控制 9.6.1 用戶進(jìn)程的輸入輸出請求 用戶進(jìn)程的輸入輸出請求包括：申請進(jìn)行I/O操作的邏輯設(shè)備名要求的操作、傳送數(shù)據(jù)的長度和起始地址等。典型的用戶進(jìn)程的輸入輸出請求可通過下述通用的系統(tǒng)調(diào)用命令來實(shí)現(xiàn)： doio(dev,mode,bmount,bddr) 其中：dev表示執(zhí)行I/O的邏輯設(shè)備名；mode表示操作的類型，如讀、寫等；bmount表示

37、傳輸?shù)臄?shù)目；bddr表示數(shù)據(jù)傳送的地址。9.6.2 設(shè)備驅(qū)動程序 1設(shè)備驅(qū)動程序的功能 （1）實(shí)現(xiàn)邏輯設(shè)備到物理設(shè)備的轉(zhuǎn)換。 （2）發(fā)出I/O命令，啟動相應(yīng)的I/O設(shè)備，完成相應(yīng)的I/O操作。 2設(shè)備驅(qū)動程序的處理過程 不同的設(shè)備有不同的設(shè)備驅(qū)動程序，但設(shè)備驅(qū)動程序大都可分為兩部分，除有能驅(qū)動I/O設(shè)備工作的驅(qū)動程序外，還有設(shè)備中斷處理I/O完成后的工作程序。9.6.3 中斷處理程序的處理過程 中斷處理程序的處理過程如下： 1喚醒被阻塞的驅(qū)動程序進(jìn)程 2保護(hù)被中斷進(jìn)程的現(xiàn)場 3分析中斷原因、轉(zhuǎn)入相應(yīng)的設(shè)備中斷處理程序 4進(jìn)行中斷處理 5恢復(fù)被中斷進(jìn)程的現(xiàn)場9.7設(shè)備驅(qū)動程序 對移動臂磁盤,執(zhí)行

38、輸入輸出操作時(shí)必須確定信息在磁盤上的物理位置。任何一個(gè)對磁盤的訪問請求，應(yīng)給出訪問磁盤的存儲空間地址:柱面號、磁頭號、扇區(qū)號。 活動盤執(zhí)行一次活動盤執(zhí)行一次I/O所花時(shí)間所花時(shí)間尋找時(shí)間-磁頭在移動臂帶動下移動到指定柱面所需時(shí)間。延遲時(shí)間-指定扇區(qū)旋轉(zhuǎn)到磁頭位置所需時(shí)間。傳送時(shí)間-由磁頭把扇區(qū)中信息讀到主存儲器或把主存儲器中信息寫到扇區(qū)中所需的時(shí)間。9.8 虛擬設(shè)備9.8.1 問題的提出 9.8.2 SPOOLING的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn) 9.8.3 SPOOLING應(yīng)用例子 9.8.19.8.1問題的提出 n靜態(tài)分配方式是不利于提高系統(tǒng)效率 n采用脫機(jī)外圍設(shè)備操作 n聯(lián)機(jī)同時(shí)外圍設(shè)備操作(又稱作假脫機(jī)

39、操作) 9.8.2 斯普林系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)(1)n“井”是用作緩沖的存儲區(qū)域，采用井的技術(shù)能調(diào)節(jié)供求之間的矛盾，消除人工干預(yù)帶來的損失。n“預(yù)輸入程序”n“緩輸出程序”n“井管理程序” 預(yù)輸入程序作業(yè)1信息作業(yè)n信息輸入井作業(yè)1結(jié)果作業(yè)n結(jié)果輸出井緩輸出程序井管理程序運(yùn)行作業(yè)輸入設(shè)備輸出設(shè)備作業(yè)調(diào)度程序斯普林系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)(2) SPOOLING組成和結(jié)構(gòu) 斯普林系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)(3)輸入井中作業(yè)狀態(tài) 輸入狀態(tài)： 收容收態(tài)： 執(zhí)行狀態(tài)： 完成狀態(tài)：斯普林系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)(4)SPOOLING數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 作業(yè)表：登記進(jìn)入系統(tǒng)的所有作業(yè)的作業(yè)名、狀態(tài)、預(yù)輸入表位置等信息。 預(yù)輸入表：每個(gè)用戶作業(yè)有一張用來登記該作業(yè)的各個(gè)文件的情況，包括設(shè)備類、信息長度及存放位置等。 緩輸出表：每個(gè)用戶作業(yè)擁有一張包括作業(yè)名、作業(yè)狀態(tài)、文件名、設(shè)備類、數(shù)據(jù)起始位置、數(shù)據(jù)當(dāng)前位置等。斯普林系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)(5)井