第六章 輸入輸出系統(tǒng)

第六章輸入輸出系統(tǒng)6.1

I/O系統(tǒng)的功能、模型和接口6.2

I/O設(shè)備和設(shè)備控制器6.3

中斷機構(gòu)和中斷處理程序6.4

設(shè)備驅(qū)動程序6.5

與設(shè)備無關(guān)的I/O軟件6.6

用戶層I/O軟件6.7緩沖區(qū)管理6.8磁盤存儲器的性能和調(diào)度6.1

I/O系的功能、模型和接口6.1.1I/O系統(tǒng)的基本功能1）隱藏物理設(shè)備的細節(jié)2）與設(shè)備無關(guān)性

用戶命令只需提供邏輯設(shè)備名3）提高處理機和I/O設(shè)備的利用率

盡可能讓CPU和I/O設(shè)備并行操作4）對I/O設(shè)備進行控制可編程I/O,中斷I/O,DMA,通道I/O5）確保對設(shè)備的正確共享

獨占設(shè)備、共享設(shè)備6）錯誤處理

臨時性錯誤：重新操作永久性錯誤：向上層軟件報告1.方便用戶使用I/O設(shè)備2.提高CPU和I/O設(shè)備利用率3.方便用戶共享設(shè)備

6.1.2I/O系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)和模型I/O軟件的目標：

1)解決由于外部設(shè)備與CPU速度不匹配所引起的問題，提高主機和外設(shè)的并行工作能力，提高系統(tǒng)效率2)方便用戶對設(shè)備的操作和管理1.I/O軟件的層次結(jié)構(gòu)(1)用戶層軟件：實現(xiàn)與用戶交互的接口，用戶可直接調(diào)用在用戶層提供的、與I/O操作有關(guān)的庫函數(shù)，對設(shè)備進行操作。

(2)設(shè)備獨立性軟件：負責實現(xiàn)與設(shè)備驅(qū)動器的統(tǒng)一接口、設(shè)備命名、設(shè)備的保護以及設(shè)備的分配與釋放等，同時為設(shè)備管理和數(shù)據(jù)傳送提供必要的存儲空間。(3)設(shè)備驅(qū)動程序：與硬件直接相關(guān)，負責具體實現(xiàn)系統(tǒng)對設(shè)備發(fā)出的操作指令，驅(qū)動I/O設(shè)備工作的驅(qū)動程序。(4)中斷處理程序：用于保存被中斷進程的CPU環(huán)境，轉(zhuǎn)入相應(yīng)的中斷處理程序進行處理，處理完后再恢復(fù)被中斷進程的現(xiàn)場后返回到被中斷進程。2.I/O系統(tǒng)中各種模塊之間的層次視圖1）I/O系統(tǒng)的上下接口

(1)I/O系統(tǒng)接口(2)軟硬件接口

2）I/O系統(tǒng)分層6.1.3I/O系統(tǒng)接口1.塊設(shè)備接口1）塊設(shè)備：數(shù)據(jù)的存取和傳輸以數(shù)據(jù)塊為單位，速度快可尋址2）隱藏磁盤二維結(jié)構(gòu)

塊接口將磁盤扇區(qū)從0到n-1編號3）將抽象命令映射為低層操作2.流設(shè)備接口

1）字符設(shè)備：數(shù)據(jù)的存取和傳輸以字符為單位，速度低不可尋址，多是獨占設(shè)備需互斥共享

2）用put,get操作進行順序存取

3）采用統(tǒng)一的in-control指令來管理字符設(shè)備3.網(wǎng)絡(luò)通信接口6.2I/O設(shè)備和設(shè)備控制器6.2.1

I/O設(shè)備1．I/O設(shè)備的類型

I/O設(shè)備的性能指標:設(shè)備使用特性、數(shù)據(jù)傳輸速率、數(shù)據(jù)的傳輸單位、設(shè)備共享屬性等。

1)按設(shè)備的使用特性分類第一類:存儲設(shè)備(外存）：存取速度慢，容量大價格便宜。

第二類：輸入/輸出設(shè)備：

輸入設(shè)備：用來接收外部信息，如鍵盤、鼠標、掃描儀等。

輸出設(shè)備：用于將計算機加工處理后的信息送向外部的設(shè)備，如打印機、繪圖儀等。

交互式設(shè)備：集成上述兩類設(shè)備，如顯示器

2)按傳輸速率分類

低速設(shè)備：幾個字節(jié)至數(shù)百個字節(jié)/S。如鍵盤、鼠標器、語音的輸入和輸出等設(shè)備。

中速設(shè)備：數(shù)千個字節(jié)至數(shù)十萬個字節(jié)/S。如行式打印機、

激光打印機等。

高速設(shè)備：數(shù)百個千字節(jié)至千兆字節(jié)/Ｓ。如磁帶機、磁盤機、光盤機等。

2．設(shè)備與控制器之間的接口1)數(shù)據(jù)信號線

用于在設(shè)備和設(shè)備控制器之間傳送數(shù)據(jù)信號。2)控制信號線

由設(shè)備控制器向I/O設(shè)備發(fā)送控制信號時的通路。

規(guī)定了設(shè)備將要執(zhí)行的操作，如讀操作(指由設(shè)備向控制器傳送數(shù)據(jù))或?qū)懖僮?從控制器接收數(shù)據(jù))，或執(zhí)行磁頭移動等操作。3)狀態(tài)信號線用于傳送指示設(shè)備當前狀態(tài)的信號。

設(shè)備的當前狀態(tài)有正在讀(或?qū)?；設(shè)備已讀(寫)完成，并準備好新的數(shù)據(jù)傳送。

6.2.2設(shè)備控制器1．設(shè)備控制器的基本功能

1)接收和識別命令

CPU可以向控制器發(fā)送多種不同的命令，設(shè)備控制器應(yīng)能接收并識別這些命令?？刂萍拇嫫鳎河脕泶娣沤邮盏拿詈蛥?shù)，并對其命令進行譯碼。2)數(shù)據(jù)交換

CPU與控制器之間、控制器與設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換。在控制器中須設(shè)置數(shù)據(jù)寄存器。

3)標識和報告設(shè)備的狀態(tài)控制器應(yīng)記下設(shè)備的狀態(tài)供CPU了解。狀態(tài)寄存器：反映設(shè)備的某一種狀態(tài)。4)地址識別系統(tǒng)中的每一個設(shè)備都有一個地址，設(shè)備控制器必須能夠識別它所控制的每個設(shè)備的地址。

在控制器中應(yīng)配置地址譯碼器。

5)數(shù)據(jù)緩沖

I/O設(shè)備的速率較低而CPU和內(nèi)存的速率高，故在控制器中必須設(shè)置一緩沖器。

輸出:緩沖器暫存由主機高速傳來的數(shù)據(jù)；

輸入:暫存從I/O設(shè)備送來的數(shù)據(jù)，待接收到一批數(shù)據(jù)后，再高速地傳送給主機。6)差錯控制

對由I/O設(shè)備傳送來的數(shù)據(jù)進行差錯檢測。

若發(fā)現(xiàn)傳送中出現(xiàn)了錯誤，CPU報告，重新傳送。2．設(shè)備控制器的組成

1)設(shè)備控制器與處理機的接口

用于實現(xiàn)CPU與設(shè)備控制器之間的通信。

共有三類信號線:數(shù)據(jù)線、地址線和控制線。數(shù)據(jù)線:傳輸數(shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)信息地址線：傳送給I/O邏輯進行地址譯碼控制線：傳送控制命令2)設(shè)備控制器與設(shè)備的接口

在一個設(shè)備控制器上可以連接一個或多個設(shè)備?？刂破髦斜阌幸粋€或多個設(shè)備接口，一個接口連接一臺設(shè)備。

每個接口中都存在數(shù)據(jù)、控制和狀態(tài)三種類型的信號。

控制器中的I/O邏輯根據(jù)處理機發(fā)來的地址信號去選擇一個設(shè)備接口。

3)I/O邏輯

用于實現(xiàn)對設(shè)備的控制。

通過一組控制線與處理機交互：

(1)處理機利用該邏輯向控制器發(fā)送I/O命令；(2)I/O邏輯對收到的命令進行譯碼。6.2.3內(nèi)存映像I/O6.2.4

I/O通道

1．I/O通道(I/OChannel)設(shè)備的引入

在CPU和設(shè)備控制器之間又增設(shè)了通道其主要目的：建立獨立的I/O操作，使一些原來由CPU處理的I/O任務(wù)轉(zhuǎn)由通道來承擔進一步把CPU從繁雜的I/O任務(wù)中解脫出來。設(shè)置了通道后，CPU只需向通道發(fā)送一條I/O指令。通道在收到該指令后，便從內(nèi)存中取出本次要執(zhí)行的通道程序，然后執(zhí)行該通道程序，僅當通道完成了規(guī)定的I/O任務(wù)后，才向CPU發(fā)中斷信號。

I/O通道是一種特殊的處理機：能執(zhí)行I/O指令，并通過通道(I/O)程序來控制I/O操作。

但I/O通道又與一般的處理機不同:

1.指令類型單一，主要局限于與I/O操作有關(guān)的指令；

2.通道沒有自己的內(nèi)存，通道與CPU共享內(nèi)存。2．通道類型

1)字節(jié)多路通道(ByteMultiplexorChannel)按字節(jié)交叉方式工作，通常含有許多非分配型子通道，這些子通道按時間片輪轉(zhuǎn)方式共享主通道。不適于連接高速設(shè)備。

2)數(shù)組選擇通道(BlockSelectorChannel)

數(shù)據(jù)傳送是按數(shù)組方式進行。

用于連接多臺高速設(shè)備，但只含有一個分配型子通道：在一段時間內(nèi)只能執(zhí)行一道通道程序，某臺設(shè)備占用了該通道后，便一直由它獨占，即使是它無數(shù)據(jù)傳送，通道被閑置，也不允許其它設(shè)備使用該通道，直至該設(shè)備傳送完畢釋放該通道。通道利用率很低。3)數(shù)組多路通道(BlockMultiplexorChannel)

采用多路復(fù)用技術(shù)，含有多個非分配型子通道，既具有很高的數(shù)據(jù)傳輸速率，又能獲得令人滿意的通道利用率。

廣泛地用于連接多臺高、中速的外圍設(shè)備。

3．“瓶頸”問題解決“瓶頸”問題的最有效的方法：增加設(shè)備到主機間的通路而不增加通道6.3中斷機構(gòu)和中斷處理程序6.3.1中斷簡介1.中斷和陷入

1）中斷：CPU對I/O設(shè)備發(fā)來的中斷信號的一種響應(yīng)。是由外部設(shè)備引起的，又稱外中斷。

2）陷入：由CPU內(nèi)部事件引起的中斷如非法指令、地址越界等。又稱內(nèi)中斷。2.中斷向量表和中斷優(yōu)先級

1）中斷向量表：記錄中斷號及對應(yīng)的中斷處理程序入口地址

2）中斷優(yōu)先級：磁盤中斷，打印機，鍵盤3.對多中斷源處理方式

1）屏蔽中斷2）嵌套中斷6.3.2中斷處理程序

1．測試是否有未響應(yīng)的中斷信號

CPU執(zhí)行完當前指令后要測試是否有未響應(yīng)的中斷信號，若無則執(zhí)行下個指令，否則停止當前進程執(zhí)行轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷處理程序。

2.保護被中斷進程的CPU環(huán)境

由硬件自動將處理機狀態(tài)字PSW和程序計數(shù)器(PC)中的內(nèi)容，保存在中斷保留區(qū)(棧)中。3．轉(zhuǎn)入相應(yīng)的設(shè)備處理程序

由處理機對各個中斷源進行測試，以確定引起本次中斷的I/O設(shè)備，然后將相應(yīng)的設(shè)備中斷處理程序的入口地址裝入到程序計數(shù)器中，轉(zhuǎn)向中斷處理程序。4．中斷處理

不同設(shè)備有不同的中斷處理程序。首先判別中斷是正常完成中斷還是異常結(jié)束中斷。

若是前者，中斷程序便進行結(jié)束處理；

若是異常結(jié)束中斷，則根據(jù)發(fā)生異常的原因做相應(yīng)的處理。

5．恢復(fù)被中斷進程的現(xiàn)場

將保存在中斷棧中的被中斷進程的現(xiàn)場信息取出，并裝入到相應(yīng)的寄存器中，包括該程序下一次要執(zhí)行的指令的地址N+1、處理機狀態(tài)字PSW。

處理機再執(zhí)行本程序時，便從N+1處開始，最終返回到被中斷的程序。6.4設(shè)備驅(qū)動程序6.4.1設(shè)備驅(qū)動程序概述（設(shè)備處理程序）是I/O進程與設(shè)備控制器之間的通信程序，常以進程的形式存在，故簡稱設(shè)備驅(qū)動進程。主要任務(wù)：

1.接收上層軟件發(fā)來的抽象I/O要求，轉(zhuǎn)換為具體要求后發(fā)送給設(shè)備控制器，啟動設(shè)備去執(zhí)行；

2.將由設(shè)備控制器發(fā)來的信號傳送給上層軟件。

1.設(shè)備驅(qū)動程序的功能

(1)接收由設(shè)備獨立性軟件發(fā)來的命令和參數(shù)，并將命令中的抽象要求轉(zhuǎn)換為具體要求，例如，將磁盤塊號轉(zhuǎn)換為磁盤的盤面、磁道號及扇區(qū)號。

(2)檢查用戶I/O請求的合法性，了解I/O設(shè)備的狀態(tài)，傳遞有關(guān)參數(shù)，設(shè)置設(shè)備的工作方式。

(3)發(fā)出I/O命令。若設(shè)備空閑立即啟動完成操作；若忙則將請求者的請求塊掛在設(shè)備隊列上等待。

(4)及時響應(yīng)由控制器或通道發(fā)來的中斷請求，并根據(jù)其中斷類型調(diào)用相應(yīng)的中斷處理程序進行處理。

補：(5)對于設(shè)置有通道的計算機系統(tǒng)，驅(qū)動程序還應(yīng)能夠根據(jù)用戶的I/O請求，自動地構(gòu)成通道程序。2.設(shè)備驅(qū)動程序的特點（了）3.設(shè)備處理方式（了）

1）為每一類設(shè)備設(shè)置一個進程，專門執(zhí)行這一類設(shè)備的I/O操作

2）整個系統(tǒng)設(shè)置一個I/O進程，專門執(zhí)行所有各類設(shè)備的I/O操作

3）只為各類設(shè)備設(shè)置相應(yīng)驅(qū)動程序6.4．2設(shè)備驅(qū)動程序的處理過程

不同類型的設(shè)備應(yīng)有不同的設(shè)備驅(qū)動程序。

大體上分成兩部分：

1）驅(qū)動I/O設(shè)備工作的驅(qū)動程序；

2）設(shè)備中斷處理程序，以處理I/O完成后的工作。設(shè)備驅(qū)動程序的主要任務(wù)是啟動指定設(shè)備。但在啟動之前，還必須完成必要的準備工作，如檢測設(shè)備狀態(tài)是否為“忙”等。在完成所有的準備工作后，才最后向設(shè)備控制器發(fā)送一條啟動命令。

1)將抽象要求轉(zhuǎn)換為具體要求通常在每個設(shè)備控制器中都含有若干個寄存器，分別用于暫存命令、數(shù)據(jù)和參數(shù)等。

例如，將抽象要求中的盤塊號轉(zhuǎn)換為磁盤的盤面、

磁道號及扇區(qū)。這一轉(zhuǎn)換工作只能由驅(qū)動程序來完成，

在OS中只有驅(qū)動程序才同時了解抽象要求和設(shè)備控制器中的寄存器情況；也只有它才知道命令、

數(shù)據(jù)和參數(shù)應(yīng)分別送往哪個寄存器。

2)檢查I/O請求的合法性對于任何輸入設(shè)備，都是只能完成一組特定的功能，若該設(shè)備不支持這次的I/O請求，則認為這次I/O請求非法。系統(tǒng)應(yīng)予以拒絕。3)讀出和檢查設(shè)備的狀態(tài)在啟動某個設(shè)備進行I/O操作時，其前提條件應(yīng)是該設(shè)備正處于空閑狀態(tài)。否則只能等待。

4)傳送必要的參數(shù)

例如在啟動磁盤進行讀/寫之前，應(yīng)先將本次要傳送的字節(jié)數(shù)和數(shù)據(jù)應(yīng)到達的主存始址，送入控制器的相應(yīng)寄存器中。

5)工作方式的設(shè)置有些設(shè)備可具有多種工作方式，典型情況是利用RS-232接口進行異步通信。在啟動該接口之前，應(yīng)先按通信規(guī)程設(shè)定參數(shù)：波特率、奇偶校驗方式、停止位數(shù)目及數(shù)據(jù)字節(jié)長度等。

6)啟動I/O設(shè)備在完成上述各項準備工作之后，驅(qū)動程序可以向控制器中的命令寄存器傳送相應(yīng)的控制命令。驅(qū)動程序發(fā)出I/O命令后，基本的I/O操作是在設(shè)備控制器的控制下進行的。

此時驅(qū)動(程序)進程把自己阻塞起來，直到中斷到來時才將它喚醒。6.4.3

I/O控制方式

1.程序I/O方式

早期無中斷機構(gòu)，處理機對I/O設(shè)備的控制采取程序I/O方式，或稱為忙—等待方式:處理機向控制器發(fā)出一條I/O指令啟動輸入設(shè)備輸入數(shù)據(jù)時，把狀態(tài)寄存器中的忙/閑標志busy置為1，然后不斷地循環(huán)測試busy。

當busy=1時，表示輸入機尚未輸完一個字(符)，處理機應(yīng)繼續(xù)對該標志進行測試;

當busy=0，表明輸入機已將輸入數(shù)據(jù)送入控制器的數(shù)據(jù)寄存器中。2中斷驅(qū)動I/O控制方式

現(xiàn)代計算機系統(tǒng)中，廣泛采用中斷驅(qū)動(InterruptDriven)方式：當某進程要啟動某個I/O設(shè)備工作時，便由CPU向相應(yīng)的設(shè)備控制器發(fā)出一條I/O命令，然后立即返回繼續(xù)執(zhí)行原來的任務(wù)。設(shè)備控制器于是按照該命令的要求去控制指定I/O設(shè)備。此時，CPU與I/O設(shè)備并行操作。

一旦數(shù)據(jù)進入數(shù)據(jù)寄存器，控制器便通過控制線向CPU發(fā)送中斷信號，由CPU檢查輸入過程中是否出錯，若無錯，便向控制器發(fā)送取走數(shù)據(jù)的信號，然后再通過控制器及數(shù)據(jù)線將數(shù)據(jù)寫入內(nèi)存指定單元中。

在I/O設(shè)備輸入每個數(shù)據(jù)的過程中，由于無需CPU干預(yù)，因而可使CPU與I/O設(shè)備并行工作。僅當輸完一個數(shù)據(jù)時，才需CPU花費極短的時間去做些中斷處理。CPU和I/O設(shè)備都處于忙碌狀態(tài)，從而提高了整個系統(tǒng)的資源利用率及吞吐量。3.直接存儲器訪問(DMA)I/O控制方式

1)DMA(DirectMemoryAccess)控制方式的引入雖然中斷驅(qū)動I/O比程序I/O方式更有效，但須注意，它仍是以字(節(jié))為單位進行I/O的，每當完成一個字(節(jié))的I/O時，控制器便要向CPU請求一次中斷。

中斷驅(qū)動I/O方式時的CPU是以字(節(jié))為單位進行干預(yù)的。如果將這種方式用于塊設(shè)備的I/O，顯然是極其低效的。例如，為了從磁盤中讀出1KB的數(shù)據(jù)塊，需要中斷CPU1K次。為了進一步減少CPU對I/O的干預(yù)而引入了直接存儲器訪問方式。該方式的特點是：

(1)數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕締挝皇菙?shù)據(jù)塊，即在CPU與I/O設(shè)備之間，每次傳送至少一個數(shù)據(jù)塊；

(2)所傳送的數(shù)據(jù)是從設(shè)備直接送入內(nèi)存的，或者相反；

(3)僅在傳送一個或多個數(shù)據(jù)塊的開始和結(jié)束時，才需CPU干預(yù)，整塊數(shù)據(jù)的傳送是在控制器的控制下完成的。可見，DMA方式較之中斷驅(qū)動方式，又是成百倍地減少了CPU對I/O的干預(yù)，進一步提高了CPU與I/O設(shè)備的并行操作程度。

2)DMA控制器的組成

DMA控制器由三部分組成：主機與DMA控制器的接口；DMA控制器與塊設(shè)備的接口；I/O控制邏輯。

主要介紹主機與控制器之間的接口。四類寄存器：(1)命令/狀態(tài)寄存器(CR)：接收CPU發(fā)來的I/O命令，或有關(guān)控制信息，或設(shè)備的狀態(tài)。(2)內(nèi)存地址寄存器(MAR)。在輸入時，它存放把數(shù)據(jù)從設(shè)備傳送到內(nèi)存的起始目標地址；在輸出時，它存放由內(nèi)存到設(shè)備的內(nèi)存源地址。

(3)數(shù)據(jù)寄存器(DR)：暫存從設(shè)備到內(nèi)存，或從內(nèi)存到設(shè)備的數(shù)據(jù)。(4)數(shù)據(jù)計數(shù)器(DC)。存放本次CPU要讀或?qū)懙淖?節(jié))數(shù)。

3)DMA工作過程以從磁盤讀入數(shù)據(jù)為例

CPU向磁盤控制器發(fā)送一條讀命令；

該命令被送到其中的命令寄存器(CR)中；

數(shù)據(jù)讀入的內(nèi)存起始目標地址送入內(nèi)存地址寄存器（MAR）中；

要讀數(shù)據(jù)的字(節(jié))數(shù)則送入數(shù)據(jù)計數(shù)器(DC)中；

將磁盤中的源地址送至DMA控制器的I/O控制邏輯；

啟動DMA控制器進行數(shù)據(jù)傳送；

此后，整個數(shù)據(jù)傳送過程便由DMA控制器進行控制。

當DMA控制器已從磁盤中讀入一個字(節(jié))的數(shù)據(jù)并送入數(shù)據(jù)寄存器(DR)后，再挪用一個存儲器周期，將該字(節(jié))傳送到MAR所指示的內(nèi)存單元中。接著便對MAR內(nèi)容加1，將DC內(nèi)容減1。若減1后DC內(nèi)容不為0，表示傳送未完，便繼續(xù)傳送下一個字(節(jié))；否則，由DMA控制器發(fā)出中斷請求。圖5-9是DMA方式的工作流程。4.I/O通道控制方式

1）I/O通道控制方式的引入雖然DMA方式比起中斷方式來已經(jīng)顯著地減少了CPU的干預(yù)，即已由以字(節(jié))為單位的干預(yù)減少到以數(shù)據(jù)塊為單位的干預(yù)，但CPU每發(fā)出一條I/O指令，也只能去讀(或?qū)?一個連續(xù)的數(shù)據(jù)塊。而當我們需要一次去讀多個數(shù)據(jù)塊且將它們分別傳送到不同的內(nèi)存區(qū)域，或者相反時，則須由CPU分別發(fā)出多條I/O指令及進行多次中斷處理才能完成。

I/O通道方式是DMA方式的發(fā)展，它可進一步減少CPU的干預(yù)，即把對一個數(shù)據(jù)塊的讀(或?qū)?為單位的干預(yù)減少為對一組數(shù)據(jù)塊的讀(或?qū)?及有關(guān)的控制和管理為單位的干預(yù)。同時，又可實現(xiàn)CPU、通道和I/O設(shè)備三者的并行操作，從而更有效地提高整個系統(tǒng)的資源利用率。例如，當CPU要完成一組相關(guān)的讀(或?qū)?操作及有關(guān)控制時，只需向I/O通道發(fā)送一條I/O指令，以給出其所要執(zhí)行的通道程序的首址和要訪問的I/O設(shè)備，通道接到該指令后，通過執(zhí)行通道程序便可完成CPU指定的I/O任務(wù)。

2．通道程序通道是通過執(zhí)行通道程序，并與設(shè)備控制器共同實現(xiàn)對I/O設(shè)備的控制的。通道程序是由一系列通道指令(或稱為通道命令)所構(gòu)成的。通道指令與一般的機器指令不同，在它的每條指令中都包含下列諸信息：

(1)操作碼。操作碼規(guī)定了指令所執(zhí)行的操作，如讀、寫、控制等操作。

(2)內(nèi)存地址。內(nèi)存地址標明字符送入內(nèi)存(讀操作)和從內(nèi)存取出(寫操作)時的內(nèi)存首址。

(3)計數(shù)。該信息表示本條指令所要讀(或?qū)?數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)。

(4)通道程序結(jié)束位P。該位用于表示通道程序是否結(jié)束。P=1表示本條指令是通道程序的最后一條指令。

(5)記錄結(jié)束標志R。R=0表示本通道指令與下一條指令所處理的數(shù)據(jù)是同屬于一個記錄；R=1表示這是處理某記錄的最后一條指令。

下面示出了一個由六條通道指令所構(gòu)成的簡單的通道程序。該程序的功能是將內(nèi)存中不同地址的數(shù)據(jù)寫成多個記錄。其中，前三條指令是分別將813～892單元中的80個字符和1034～1173單元中的140個字符及5830～5889單元中的60個字符寫成一個記錄；第4條指令是單獨寫一個具有300個字符的記錄；第5、6條指令共寫含500個字符的記錄。6.5與設(shè)備無關(guān)的I/O軟件為了提高OS的可適應(yīng)性和可擴展性，在現(xiàn)代OS中都毫無例外地實現(xiàn)了設(shè)備獨立性，也稱為設(shè)備無關(guān)性。6.5.1與設(shè)備無關(guān)軟件的基本概念

1.早期以物理設(shè)備名使用設(shè)備

2.引入邏輯設(shè)備名

邏輯設(shè)備、物理設(shè)備

使用邏輯設(shè)備名的優(yōu)點：1)設(shè)備分配時的靈活性

2)易于實現(xiàn)I/O重定向3.邏輯設(shè)備名到物理設(shè)備名的轉(zhuǎn)換（LUT表）6.5.2與設(shè)備無關(guān)的軟件

為了實現(xiàn)設(shè)備獨立性，必須再在驅(qū)動程序之上設(shè)置一層軟件，稱為設(shè)備獨立性軟件。

設(shè)備獨立性軟件的主要功能：執(zhí)行所有設(shè)備公有操作。

①向用戶層(或文件層)軟件提供統(tǒng)一接口。無論何種設(shè)備，它們向用戶所提供的接口應(yīng)該是相同的。例如，對各種設(shè)備的讀操作，在應(yīng)用程序中都使用read；而對各種設(shè)備的寫操作，也都使用write。②緩沖管理③差錯控制：暫時性錯誤、永久性錯誤。由于在I/O操作中的絕大多數(shù)錯誤都與設(shè)備無關(guān)，故主要由設(shè)備驅(qū)動程序處理，而設(shè)備獨立性軟件只處理那些設(shè)備驅(qū)動程序無法處理的錯誤；④對獨立設(shè)備的分配與回收；⑤提供獨立于設(shè)備的邏輯塊6.5.3設(shè)

備

分

配

1.設(shè)備分配中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

1）設(shè)備控制表(DCT)系統(tǒng)為每一個設(shè)備都配置了一張設(shè)備控制表，用于記錄本設(shè)備的情況。

(1)設(shè)備隊列隊首指針。凡因請求本設(shè)備而未得到滿足的進程，其PCB都應(yīng)按照一定的策略排成一個隊列，稱該隊列為設(shè)備請求隊列或簡稱設(shè)備隊列。其隊首指針指向隊首PCB。在有的系統(tǒng)中還設(shè)置了隊尾指針。

(2)設(shè)備狀態(tài)。當設(shè)備自身正處于使用狀態(tài)時，應(yīng)將設(shè)備的忙/閑標志置“1”。若與該設(shè)備相連接的控制器或通道正忙，也不能啟動該設(shè)備，此時則應(yīng)將設(shè)備的等待標志置“1”。

(3)與設(shè)備連接的控制器表指針。該指針指向該設(shè)備所連接的控制器的控制表。在設(shè)備到主機之間具有多條通路的情況下，一個設(shè)備將與多個控制器相連接。此時，在DCT中還應(yīng)設(shè)置多個控制器表指針。

(4)重復(fù)執(zhí)行次數(shù)。由于外部設(shè)備在傳送數(shù)據(jù)時，較易發(fā)生數(shù)據(jù)傳送錯誤，因而在許多系統(tǒng)中，如果發(fā)生傳送錯誤，并不立即認為傳送失敗，而是令它重新傳送，并由系統(tǒng)規(guī)定設(shè)備在工作中發(fā)生錯誤時應(yīng)重復(fù)執(zhí)行的次數(shù)。在重復(fù)執(zhí)行時，若能恢復(fù)正常傳送，則仍認為傳送成功。僅當屢次失敗，致使重復(fù)執(zhí)行次數(shù)達到規(guī)定值而傳送仍不成功時，才認為傳送失敗。

2）控制器控制表、通道控制表和系統(tǒng)設(shè)備表

(1)控制器控制表(COCT)。

(2)通道控制表(CHCT)。

(3)系統(tǒng)設(shè)備表(SDT)系統(tǒng)范圍的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其中記錄了系統(tǒng)中全部設(shè)備的情況。2.設(shè)備分配時應(yīng)考慮的因素

①

設(shè)備的固有屬性；②

設(shè)備分配算法；③

設(shè)備分配時的安全性；④

設(shè)備獨立性。1）設(shè)備的固有屬性第一種獨占性：采用獨享分配策略

第二種共享性：可同時分配給多個進程使用，此時須注意對這些進程訪問該設(shè)備的先后次序進行合理的調(diào)度。

第三種可虛擬設(shè)備：一臺可虛擬設(shè)備是可共享的設(shè)備，可以將它同時分配給多個進程使用，并對這些訪問該(物理)設(shè)備的先后次序進行控制。

2）設(shè)備分配算法

(1)先來先服務(wù)。將這些進程排成一個設(shè)備請求隊列，設(shè)備分配程序總是把設(shè)備首先分配給隊首進程。

(2)優(yōu)先級高者優(yōu)先。將優(yōu)先權(quán)高的進程排在設(shè)備隊列前面，對于優(yōu)先級相同的I/O請求，則按先來先服務(wù)原則排隊。

3）設(shè)備分配中的安全性

1)安全分配方式每當進程發(fā)出I/O請求后，便進入阻塞狀態(tài)，直到其I/O操作完成時才被喚醒。這種分配方式已經(jīng)摒棄了造成死鎖的四個必要條件之一的“請求和保持”條件，從而使設(shè)備分配是安全的。其缺點是進程進展緩慢，即CPU與I/O設(shè)備是串行工作的。

2)不安全分配方式進程在發(fā)出I/O請求后仍繼續(xù)運行，需要時又發(fā)出第二個I/O請求、

第三個I/O請求等。僅當進程所請求的設(shè)備已被另一進程占用時，請求進程才進入阻塞狀態(tài)。3.獨占設(shè)備的分配程序

1）基本的設(shè)備分配程序

（1)分配設(shè)備首先根據(jù)I/O請求中的物理設(shè)備名，查找系統(tǒng)設(shè)備表(SDT)，從中找出該設(shè)備的DCT，再根據(jù)DCT中的設(shè)備狀態(tài)字段，可知該設(shè)備是否正忙。若忙，便將請求I/O進程的PCB掛在設(shè)備隊列上；否則，便按照一定的算法來計算本次設(shè)備分配的安全性。如果不會導(dǎo)致系統(tǒng)進入不安全狀態(tài)，便將設(shè)備分配給請求進程；否則，仍將其PCB插入設(shè)備等待隊列。

（2)分配控制器在系統(tǒng)把設(shè)備分配給請求I/O的進程后，再到其DCT中找出與該設(shè)備連接的控制器的COCT，從COCT的狀態(tài)字段中可知該控制器是否忙碌。若忙，便將請求I/O進程的PCB掛在該控制器的等待隊列上；否則，便將該控制器分配給進程。

（3)分配通道在該COCT中又可找到與該控制器連接的通道的CHCT，再根據(jù)CHCT內(nèi)的狀態(tài)信息，可知該通道是否忙碌。若忙，便將請求I/O的進程掛在該通道的等待隊列上；否則，將該通道分配給進程。只有在設(shè)備、

控制器和通道三者都分配成功時，這次的設(shè)備分配才算成功。然后，便可啟動該I/O設(shè)備進行數(shù)據(jù)傳送。

2．設(shè)備分配程序的改進

設(shè)備分配程序缺點：

①

進程是以物理設(shè)備名來提出I/O請求的；

②

采用的是單通路的I/O系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，容易產(chǎn)生“瓶頸”。為此，應(yīng)從以下兩方面對基本的設(shè)備分配程序加以改進。

1)增加設(shè)備的獨立性進程應(yīng)使用邏輯設(shè)備名請求I/O。2)考慮多通路情況采用多通路的I/O系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。只要有一個控制器(通道)可用，系統(tǒng)便可將它分配給進程。

6.5.4邏輯設(shè)備名到物理設(shè)備名映射的實現(xiàn)

1.邏輯設(shè)備表LUT

用于將應(yīng)用程序使用的邏輯設(shè)備名映射為物理設(shè)備名。每個表目中包含了三項：邏輯設(shè)備名、物理設(shè)備名和設(shè)備驅(qū)動程序的入口地址。

2.LUT的設(shè)置問題

LUT的設(shè)置可采取兩種方式：

第一種方式是在整個系統(tǒng)中只設(shè)置一張LUT。

由于系統(tǒng)中所有進程的設(shè)備分配情況都記錄在同一張LUT中，因而不允許在LUT中具有相同的邏輯設(shè)備名，這就要求所有用戶都不使用相同的邏輯設(shè)備名。

這種方式主要用于單用戶系統(tǒng)中。

第二種方式是為每個用戶設(shè)置一張LUT。故此時的邏輯設(shè)備表可以采用上圖

(b)中的格式。

6.6用戶層的I/O軟件6.6.1系統(tǒng)調(diào)用與庫函數(shù)

一般而言，大部分的I/O軟件都在操作系統(tǒng)內(nèi)部，但仍有一小部分在用戶層，包括與用戶程序鏈接在一起的庫函數(shù)。

用戶層軟件必須通過一組系統(tǒng)調(diào)用來取得操作系統(tǒng)服務(wù)。

用戶程序通過調(diào)用對應(yīng)的庫函數(shù)使用系統(tǒng)調(diào)用。庫函數(shù)與調(diào)用程序連接在一起，包含在運行時裝入在內(nèi)存的二進制程序中，如C語言中的庫函數(shù)write等，這些庫函數(shù)的集合也是I/O系統(tǒng)的組成部分。6.6.2

假脫機系統(tǒng)

1．假脫機技術(shù)

早期：脫機輸入、脫機輸出技術(shù)：利用專門的外圍控制機，將低速I/O設(shè)備上的數(shù)據(jù)傳送到高速磁盤上；或者相反?，F(xiàn)在：利用多道程序其中的一道程序，來模擬脫機輸入時的外圍控制機功能，把低速I/O設(shè)備上的數(shù)據(jù)傳送到高速磁盤上；再用另一道程序來模擬脫機輸出時外圍控制機的功能，把數(shù)據(jù)從磁盤傳送到低速輸出設(shè)備上。

可在主機的直接控制下，實現(xiàn)脫機輸入、輸出功能。這種在聯(lián)機情況下實現(xiàn)的同時外圍操作稱為SPOOLing，或稱為假脫機操作。

2．SPOOLing系統(tǒng)的組成

SPOOLing系統(tǒng)主要有以下三部分：

(1)輸入井和輸出井。磁盤輸入井：暫存I/O設(shè)備輸入的數(shù)據(jù)；輸出井：暫存用戶程序的輸出數(shù)據(jù)。

(2)輸入緩沖區(qū)和輸出緩沖區(qū)。內(nèi)存

輸入緩沖區(qū)：暫存輸入數(shù)據(jù)，以后再傳送到輸入井。

輸出緩沖區(qū)：暫存輸出數(shù)據(jù)，以后再傳送給輸出設(shè)備。

(3)輸入進程SPi和輸出進程SPo。利用兩個進程來模擬脫機I/O時的外圍控制機。

進程SPi模擬脫機輸入時的外圍控制機：將用戶要求的數(shù)據(jù)從輸入機通過輸入緩沖區(qū)再送到輸入井，當CPU需要輸入數(shù)據(jù)時，從輸入井讀入內(nèi)存；

進程SPo模擬脫機輸出時的外圍控制機：把用戶要求輸出的數(shù)據(jù)先從內(nèi)存送到輸出井，待輸出設(shè)備空閑時，再將輸出井中的數(shù)據(jù)經(jīng)過輸出緩沖區(qū)送到輸出設(shè)備上。

3．SPOOLing系統(tǒng)的特點

SPOOLing系統(tǒng)具有如下主要特點：

(1)提高了I/O的速度。

(2)將獨占設(shè)備改造為共享設(shè)備。

(3)實現(xiàn)了虛擬設(shè)備功能。

4．假脫機打印機系統(tǒng)打印機屬于獨占設(shè)備，利用SPOOLing技術(shù)可改為共享設(shè)備，從而提高設(shè)備的利用率，也方便了用戶。

當用戶進程請求打印輸出時，SPOOLing系統(tǒng)并不真正立即把打印機分配給該用戶進程，而是做兩件事：

①

由輸出進程在輸出井中為之申請一個空閑磁盤塊區(qū)，并將要打印的數(shù)據(jù)送入其中；

②

輸出進程再為用戶進程申請一張空白的用戶請求打印表，并將用戶的打印要求填入其中，再將該表掛到請求打印隊列上。

如果還有進程要求打印輸出，系統(tǒng)仍可接受該請求，也同樣為該進程做上述兩件事。

6.7緩

沖

管

理

6.7.1緩沖的引入

(1)緩和CPU與I/O設(shè)備間速度不匹配的矛盾。

事實上，凡在數(shù)據(jù)到達速率與其離去速率不同的地方，都可設(shè)置緩沖區(qū)，以緩和它們之間速率不匹配的矛盾。

眾所周知，CPU的運算速率遠遠高于I/O設(shè)備的速率。

(2)減少對CPU中斷頻率，放寬對CPU中斷響應(yīng)時間的限制。

(3)提高CPU和I/O設(shè)備之間的并行性。緩沖的引入可顯著地提高CPU和I/O設(shè)備間的并行操作程度，提高系統(tǒng)的吞吐量和設(shè)備的利用率。例如，在CPU和打印機之間設(shè)置了緩沖區(qū)后，便可使CPU與打印機并行工作。

6.7.2單緩沖和雙緩沖

1．單緩沖(SingleBuffer)在單緩沖情況下，每當用戶進程發(fā)出一I/O請求時，操作系統(tǒng)便在主存中為之分配一緩沖區(qū)，假定從磁盤把一塊數(shù)據(jù)輸入到緩沖區(qū)的時間為T，操作系統(tǒng)將該緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)傳送到用戶區(qū)的時間為M，而CPU對這一塊數(shù)據(jù)處理(計算)的時間為C。系統(tǒng)對每一塊數(shù)據(jù)的處理時間表示為Max(C，T)+M。

2．雙緩沖(DoubleBuffer)

也稱為緩沖對換(BufferSwapping)。在設(shè)備輸入時，先將數(shù)據(jù)送入第一緩沖區(qū)，裝滿后便轉(zhuǎn)向第二緩沖區(qū)。6.7.3循環(huán)緩沖

1．循環(huán)緩沖的組成

(1)多個緩沖區(qū)，每個緩沖區(qū)的大小相同。分為三種類型空緩沖區(qū)R：裝輸入數(shù)據(jù)；滿緩沖區(qū)G；現(xiàn)行工作緩沖區(qū)C；

(2)多個指針。作為輸入的緩沖區(qū)可設(shè)置三個指針：用于指示計算進程下一個可用緩沖區(qū)G的指針Nextg、指示輸入進程下次可用的空緩沖區(qū)R的指針Nexti，以及用于指示計算進程正在使用的緩沖區(qū)C的指針Current。

2．循環(huán)緩沖區(qū)的使用

(1)Getbuf過程。(2)Releasebuf過程。當計算進程把C緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)提取完畢時，便調(diào)用Releasebuf過程，將緩沖區(qū)C釋放。此時，把該緩沖區(qū)由當前(現(xiàn)行)工作緩沖區(qū)C改為空緩沖區(qū)R。類似地，當輸入進程把緩沖區(qū)裝滿時，也應(yīng)調(diào)用Releasebuf過程，將該緩沖區(qū)釋放，并改為G緩沖區(qū)。

3．進程同步使用輸入循環(huán)緩沖，可使輸入進程和計算進程并行執(zhí)行。相應(yīng)地，指針Nexti和指針Nextg將不斷地沿著順時針方向移動，這樣就可能出現(xiàn)下述兩種情況:

(1)Nexti指針追趕上Nextg指針。

輸入數(shù)據(jù)的速度大于計算進程處理數(shù)據(jù)的速度，稱為系統(tǒng)受計算限制。

(2)Nextg指針追趕上Nexti指針。

輸入數(shù)據(jù)的速度低于計算進程處理數(shù)據(jù)的速度稱為系統(tǒng)受I/O限制。

6.7.4緩沖池

1．緩沖池的組成

①空(閑)緩沖區(qū)；②裝滿輸入數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)；③

裝滿輸出數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)。三個隊列:

(1)空緩沖隊列emq。由空緩沖區(qū)所鏈成的隊列。

(2)輸入隊列inq。由裝滿輸入數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)所鏈成的隊列(3)輸出隊列outq。由裝滿輸出數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)鏈成的隊列四種工作緩沖區(qū)：

①

用于收容輸入數(shù)據(jù)的工作緩沖區(qū)；②

用于提取輸入數(shù)據(jù)的工作緩沖區(qū)；

③

用于收容輸出數(shù)據(jù)的工作緩沖區(qū)；

④

用于提取輸出數(shù)據(jù)的工作緩沖區(qū)。

2．Getbuf過程和Putbuf過程

(1)Addbuf(type，number)過程。該過程用于將由參數(shù)number所指示的緩沖區(qū)B掛在type隊列上。

(2)Takebuf(type)過程。該過程用于從type所指示的隊列的隊首摘下一個緩沖區(qū)。為使諸進程能互斥地訪問緩沖池隊列，可為每一隊列設(shè)置一個互斥信號量MS(type)。此外，為了保證諸進程同步地使用緩沖區(qū)，又為每個緩沖隊列設(shè)置了一個資源信號量RS(type)。既可實現(xiàn)互斥又可保證同步的Getbuf過程和Putbuf過程

3．緩沖區(qū)的工作方式緩沖區(qū)可以工作在收容輸入、提取輸入、收容輸出和提取輸出四種工作方式下，如圖5-15所示。

(1)收容輸入。在輸入進程需要輸入數(shù)據(jù)時，便調(diào)用Getbuf(emq)過程，從空緩沖隊列emq的隊首摘下一空緩沖區(qū)，把它作為收容輸入工作緩沖區(qū)hin。然后，把數(shù)據(jù)輸入其中，裝滿后再調(diào)用Putbuf(inq，hin)過程，將該緩沖區(qū)掛在輸入隊列inq上。

(2)提取輸入。當計算進程需要輸入數(shù)據(jù)時，調(diào)用Getbuf(inq)過程，從輸入隊列inq的隊首取得一個緩沖區(qū)，作為提取輸入工作緩沖區(qū)(sin)，計算進程從中提取數(shù)據(jù)。計算進程用完該數(shù)據(jù)后，再調(diào)用Putbuf(emq，sin)過程，將該緩沖區(qū)掛到空緩沖隊列emq上。

(3)收容輸出。當計算進程需要輸出時，調(diào)用Getbuf(emq)過程從空緩沖隊列emq的隊首取得一個空緩沖區(qū)，作為收容輸出工作緩沖區(qū)hout。當其中裝滿輸出數(shù)據(jù)后，又調(diào)用Putbuf(outq，hout)過程，將該緩沖區(qū)掛在outq末尾。

(4)提取輸出。由輸出進程調(diào)用Getbuf(outq)過程，從輸出隊列的隊首取得一裝滿輸出數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)，作為提取輸出工作緩沖區(qū)sout。在數(shù)據(jù)提取完后，再調(diào)用Putbuf(emq，sout)過程，將該緩沖區(qū)掛在空緩沖隊列末尾。

6.8磁盤存儲器的管理

6.8.1磁盤性能簡述

1．數(shù)據(jù)的組織和格式物理盤片、存儲面（surface）、磁道(track)、扇區(qū)(sectors)又叫盤塊(或數(shù)據(jù)塊)一個10GB容量的磁盤，有8個雙面可存儲盤片，共16個存儲面(盤面)，每面有16383個磁道(也稱柱面)，63個扇區(qū)。

為了在磁盤上存儲數(shù)據(jù)，必須先將磁盤低級格式化。每條磁道含有30個固定大小的扇區(qū)，每個扇區(qū)容量為600個字節(jié)，其中512個字節(jié)存放數(shù)據(jù)，其余的用于存放控制信息。每個扇區(qū)包括兩個字段：

(1)標識符字段，其中一個字節(jié)的SYNCH具有特定的位圖像，作為該字段的定界符，利用磁道號、磁頭號及扇區(qū)號三者來標識一個扇區(qū)；CRC字段用于段校驗。

(2)數(shù)據(jù)字段，其中可存放512個字節(jié)的數(shù)據(jù)。

2．磁盤的類型

硬盤和軟盤、單片盤和多片盤、固定頭磁盤和活動頭(移動頭)磁盤等。

1)固定頭磁盤這種磁盤在每條磁道上都有一讀/寫磁頭，所有的磁頭都被裝在一剛性磁臂中。

通過這些磁頭可進行并行讀/寫，主要用于大容量磁盤上。

2)移動頭磁盤

每一個盤面僅配有一個磁頭，也被裝入磁臂中。

磁頭必須能移動以進行尋道，僅能以串行方式讀/寫，I/O速度較慢，廣泛應(yīng)用于中小型磁盤設(shè)備中。

在微型機上配置的溫盤和軟盤都采用移動磁頭結(jié)構(gòu)。

3．磁盤訪問時間

1)尋道時間Ts指把磁臂(磁頭)移動到指定磁道上所經(jīng)歷的時間。是啟動磁臂的時間s與磁頭移動n條磁道花費時間之和，即

Ts=m×n+s

其中，m是一常數(shù)，與磁盤驅(qū)動器的速度有關(guān)。對于一般磁盤，m=0.2；對于高速磁盤，m≤0.1。

2)旋轉(zhuǎn)延遲時間Tr指定扇區(qū)移動到磁頭下面所經(jīng)歷的時間。

不同的磁盤類型旋轉(zhuǎn)速度至少相差一個數(shù)量級，如軟盤為300r/min，硬盤一般為7200～15000r/min，甚至更高。

磁盤旋轉(zhuǎn)延遲時間：如旋轉(zhuǎn)速度為15000r/min，每轉(zhuǎn)需時4ms，則平均旋轉(zhuǎn)延遲時間Tr為2ms。

3)傳輸時間Tt

把數(shù)據(jù)從磁盤讀出或向磁盤寫入