操作系統(tǒng)講義-第五章

第五章設(shè)備管理2023年2月6日1操作系統(tǒng)講義主要內(nèi)容

5.1I/O系統(tǒng)

5.2I/O控制方式

5.3緩沖管理

5.4I/O軟件

5.5設(shè)備分配5.6磁盤存儲(chǔ)器的管理2023年2月6日2第五章設(shè)備管理設(shè)備管理概述在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，除了需要一個(gè)或多個(gè)處理機(jī)，一個(gè)或多個(gè)存儲(chǔ)器模塊外，還需要用于實(shí)現(xiàn)信息輸入、輸出和存儲(chǔ)的設(shè)備。設(shè)備管理程序便是用于對(duì)這類設(shè)備進(jìn)行控制和管理的一組程序。由于I/O設(shè)備不僅種類繁多，而且它們的特性和操作方式，往往相差甚大，所以使得設(shè)備管理成為操作系統(tǒng)中最繁雜且與硬件緊密相關(guān)的部分。主要對(duì)象：I/O設(shè)備，以及設(shè)備控制器和通道。

2023年2月6日3第五章設(shè)備管理設(shè)備管理概述緩沖管理設(shè)備分配設(shè)備處理虛擬設(shè)備實(shí)現(xiàn)設(shè)備獨(dú)立性設(shè)備管理的主要功能包括：設(shè)備管理的主要任務(wù)：完成用戶提出的I/O請(qǐng)求，提高I/O

速率以及提高I/O設(shè)備的利用率。

2023年2月6日4第五章設(shè)備管理5.1I/O系統(tǒng)

I/O系統(tǒng)是用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入、輸出及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的系統(tǒng)。1.I/O設(shè)備按設(shè)備的使用特性可以分成：存儲(chǔ)設(shè)備，如外存；輸入/輸出設(shè)備，如鍵盤、鼠標(biāo)、掃描儀和打印機(jī)等等。按傳輸速率可以分成：低速設(shè)備：每秒幾個(gè)字節(jié)到數(shù)百個(gè)字節(jié)，如鍵盤、鼠標(biāo)等；中速設(shè)備：每秒數(shù)千個(gè)字節(jié)到數(shù)十萬個(gè)字節(jié)，如打印機(jī)；高速設(shè)備，每秒數(shù)十萬字節(jié)到千兆字節(jié)，如磁帶機(jī)、磁盤機(jī)等。2023年2月6日5第五章設(shè)備管理5.1I/O系統(tǒng)1.I/O設(shè)備按信息交換的單位可以分成：塊設(shè)備，如磁盤；字符設(shè)備，如打印機(jī)。按設(shè)備的共享屬性可以分成：獨(dú)占設(shè)備：一段時(shí)間只允許一個(gè)用戶訪問，如打印機(jī)；共享設(shè)備：一段時(shí)間內(nèi)允許多個(gè)進(jìn)程同時(shí)訪問，如磁盤；虛擬設(shè)備：將一臺(tái)獨(dú)占設(shè)備變成若干臺(tái)邏輯設(shè)備，如虛擬內(nèi)存。2023年2月6日6第五章設(shè)備管理5.1I/O系統(tǒng)1.I/O設(shè)備設(shè)備與控制器的接口：設(shè)備不直接與CPU進(jìn)行通信，而是與設(shè)備控制器通信，有三種類型的信號(hào)：數(shù)據(jù)信號(hào)線：用于在設(shè)備和設(shè)備控制器之間傳送數(shù)據(jù)信號(hào)；控制信號(hào)線：作為由設(shè)備控制器向I/O設(shè)備發(fā)送控制信號(hào)時(shí)的通路；狀態(tài)信號(hào)線：用于傳送指示設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)的信號(hào)。I/O設(shè)備緩沖轉(zhuǎn)換器控制邏輯信號(hào)數(shù)據(jù)至設(shè)備控制器數(shù)據(jù)信號(hào)線狀態(tài)信號(hào)線控制信號(hào)線2023年2月6日7第五章設(shè)備管理5.1I/O系統(tǒng)2.設(shè)備控制器設(shè)備控制器的基本功能接收和識(shí)別命令：CPU可以向控制器發(fā)送不同的命令，設(shè)備控制器負(fù)責(zé)接收并識(shí)別這些命令；數(shù)據(jù)交換：實(shí)現(xiàn)CPU與控制器間、控制器與設(shè)備間的數(shù)據(jù)交換；標(biāo)識(shí)和報(bào)告設(shè)備狀態(tài)：控制器應(yīng)記下設(shè)備的狀態(tài)供CPU了解；地址識(shí)別：系統(tǒng)中的每個(gè)設(shè)備也有一個(gè)地址，設(shè)備控制器必須能夠識(shí)別它所控制的每個(gè)設(shè)備的地址；數(shù)據(jù)緩沖：I/O設(shè)備的速率較低而CPU和內(nèi)存的速率很高，所以控制器中必須設(shè)置緩沖器，輸出時(shí)，緩沖器暫存由主機(jī)高速傳來的數(shù)據(jù)，然后以I/O設(shè)備具有的速率將緩沖器中的數(shù)據(jù)傳送給I/O設(shè)備，輸入時(shí)相反；差錯(cuò)控制：對(duì)由I/O設(shè)備傳送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行差錯(cuò)檢測(cè)，若發(fā)現(xiàn)傳送中出現(xiàn)了錯(cuò)誤，通常還要向CPU報(bào)告，CPU將本次傳送來的數(shù)據(jù)作廢，重新進(jìn)行傳送。主要職責(zé)是控制I/O設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)I/O設(shè)備和計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換。2023年2月6日8第五章設(shè)備管理5.1I/O系統(tǒng)2.設(shè)備控制器設(shè)備控制器的組成設(shè)備控制器與處理機(jī)的接口：實(shí)現(xiàn)CPU與設(shè)備控制器之間的通信；設(shè)備控制器與設(shè)備的接口：控制器中有一個(gè)或者多個(gè)設(shè)備接口，每個(gè)接口連接一個(gè)設(shè)備；I/O邏輯：用于實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的控制。CPU與控制器接口數(shù)據(jù)寄存器控制/狀態(tài)寄存器數(shù)據(jù)狀態(tài)控制數(shù)據(jù)線地址線控制線I/O邏輯控制器與設(shè)備接口1控制器與設(shè)備接口i……數(shù)據(jù)狀態(tài)控制控制器與設(shè)備接口2023年2月6日9第五章設(shè)備管理5.1I/O系統(tǒng)3.I/O通道I/O通道設(shè)備的引入設(shè)備控制器能大大減少CPU對(duì)I/O的干預(yù)，但是當(dāng)主機(jī)配置的外設(shè)很多時(shí)，CPU的負(fù)擔(dān)仍然很重，所以在CPU和設(shè)備控制器之間設(shè)置通道，其目的是為了建立獨(dú)立的I/O操作，不僅使數(shù)據(jù)的傳送能獨(dú)立于CPU，而且能對(duì)I/O操作的組織、管理和結(jié)束處理盡量獨(dú)立，使得CPU有更多的時(shí)間去進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。2023年2月6日10第五章設(shè)備管理5.1I/O系統(tǒng)3.I/O通道通道的類型字節(jié)多路通道：按字節(jié)交叉方式工作的通道，其數(shù)量在幾十到數(shù)百個(gè)，每個(gè)子通道連接一臺(tái)I/O設(shè)備，并控制該設(shè)備的I/O操作；數(shù)組選擇通道：字節(jié)多路通道不適于連接高速設(shè)備，這推動(dòng)了按數(shù)組方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的數(shù)組選擇通道，這種通道可以連接多臺(tái)高速設(shè)備，但是它只含有一個(gè)分配型子通道，一段時(shí)間只能控制一臺(tái)設(shè)備，所以通道利用率仍然很低；數(shù)組多路通道：將數(shù)組選擇通道傳輸速率高和字節(jié)多路通道能使各子通道分時(shí)并行操作的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合形成，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。2023年2月6日11第五章設(shè)備管理5.1I/O系統(tǒng)3.I/O通道瓶頸問題

存儲(chǔ)器通道1通道2控制器1控制器2控制器3控制器4設(shè)備1設(shè)備2設(shè)備3設(shè)備4設(shè)備5設(shè)備6設(shè)備7存儲(chǔ)器通道1通道2控制器1控制器2I/O設(shè)備I/O設(shè)備I/O設(shè)備I/O設(shè)備2023年2月6日12第五章設(shè)備管理5.1I/O系統(tǒng)4.總線系統(tǒng)ISA和EISA總線ISA總線：1984年推出的80286型微機(jī)的總線結(jié)構(gòu)，帶寬8位，最高傳輸速率2Mb/s。EISA總線：20世紀(jì)80年代末推出，帶寬32位，傳輸速率32Mb/s，可連接12臺(tái)外部設(shè)備。局部總線（LocalBus）VESA總線；低價(jià)位占領(lǐng)市場(chǎng)，帶寬32位，最高傳輸速率132Mb/s，廣泛應(yīng)用于486微機(jī)；缺點(diǎn)：只能連接2-4臺(tái)設(shè)備，無緩沖；PCI總線：支持Pentium系列芯片，1992和1995分別提出PCI總線的V1.0和V2.1規(guī)范，后者支持64位系統(tǒng)，有數(shù)據(jù)緩沖，能連接10種外設(shè)，最大傳輸速率132Mb/s。CPU磁盤控制器存儲(chǔ)器打印機(jī)控制器其它控制器…磁盤控制器打印機(jī)系統(tǒng)總線2023年2月6日13第五章設(shè)備管理5.2

I/O控制方式用于早期的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，無中斷機(jī)構(gòu)，處理機(jī)對(duì)設(shè)備的控制采取忙-等待方式，由于CPU的高速性和I/O設(shè)備的低速性，致使CPU的絕大部分時(shí)間都處于等待I/O設(shè)備完成數(shù)據(jù)I/O的循環(huán)測(cè)試中，造成對(duì)CPU的極大浪費(fèi)，造成這種浪費(fèi)的原因就是CPU無中斷機(jī)構(gòu)。1.程序I/O方式在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，毫無例外地引入了中斷機(jī)構(gòu)，當(dāng)某進(jìn)程要啟動(dòng)某個(gè)I/O設(shè)備時(shí)，便由CPU向相應(yīng)的設(shè)備控制器發(fā)出一條I/O命令，然后立即返回執(zhí)行原來的任務(wù)，此時(shí)設(shè)備控制器按照該命令的要求去控制指定的I/O設(shè)備，CPU和I/O設(shè)備并行地工作。在I/O設(shè)備輸入每個(gè)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(dāng)輸完一個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，才需要CPU花費(fèi)極短的時(shí)間去做些中斷處理，所以這種方式可以使CPU和I/O設(shè)備同時(shí)處于忙碌狀態(tài)，從而提高了整個(gè)系統(tǒng)的資源利用率和吞吐量。2.中斷驅(qū)動(dòng)I/O方式2023年2月6日14第五章設(shè)備管理5.2

I/O控制方式程序I/O方式中斷驅(qū)動(dòng)I/O方式向I/O控制器發(fā)讀指令讀I/O控制器的狀態(tài)從I/O控制器中讀入字向存儲(chǔ)器中寫字檢查狀態(tài)？傳送完成？下一條指令完成CPU->內(nèi)存I/O->CPU出錯(cuò)I/O->CPUCPU->I/O就緒未就緒未完向I/O控制器發(fā)讀指令讀I/O控制器的狀態(tài)從I/O控制器中讀入字向存儲(chǔ)器中寫字檢查狀態(tài)？傳送完成？下一條指令完成CPU->內(nèi)存I/O->CPU出錯(cuò)I/O->CPUCPU->I/O就緒未完CPU做其它事中斷2023年2月6日15第五章設(shè)備管理5.2I/O控制方式DMA方式（DirectMemoryAccess）的引入針對(duì)中斷驅(qū)動(dòng)I/O方式以字（節(jié)）為單位進(jìn)行I/O的，每當(dāng)完成一個(gè)字（節(jié)）的I/O時(shí)，控制器就要向CPU請(qǐng)求一次中斷，這種方式應(yīng)用于塊設(shè)備是極其低效的。

3.直接存儲(chǔ)器訪問（DMA）I/O控制方式DMA方式的特點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕締挝皇菙?shù)據(jù)塊；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；僅在傳送一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)塊的開始和結(jié)束時(shí)，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。DMA方式的優(yōu)點(diǎn)較之中斷驅(qū)動(dòng)方式，成百倍地減少了CPU對(duì)I/O的干預(yù)，進(jìn)一步提高了CPU和I/O設(shè)備的并行操作度。向I/O控制器發(fā)布讀塊命令下一條指令讀DMA控制器的狀態(tài)DMA->CPUCPU->DMACPU做其它事中斷2023年2月6日16第五章設(shè)備管理5.2I/O控制方式DMA控制器的組成主機(jī)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

3.直接存儲(chǔ)器訪問DMA方式DMA控制器設(shè)置如下四類寄存器：

命令/狀態(tài)寄存器CR

內(nèi)存地址寄存器MAR

數(shù)據(jù)寄存器DR

數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)器DC系統(tǒng)總線CPU內(nèi)存主機(jī)-控制器接口命令DRMARDCCRI/O控制邏輯…控制器-塊設(shè)備接口countDMA控制器2023年2月6日17第五章設(shè)備管理5.2I/O控制方式DMA的工作過程當(dāng)CPU從磁盤讀入一個(gè)數(shù)據(jù)塊時(shí)，便向磁盤控制器發(fā)送讀指令，該命令被送到其中的命令寄存器，同時(shí)，還須發(fā)送本次要將數(shù)據(jù)讀入的內(nèi)存起始地址，將地址讀入內(nèi)存地址寄存器MAR中，本次要讀數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)讀入數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)器DC，將磁盤中的源地址送到DMA控制器的I/O控制邏輯上，啟動(dòng)DMA控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，CPU可以去處理其他任務(wù)。

3.直接存儲(chǔ)器訪問DMA方式設(shè)置MAR和DC初值啟動(dòng)DMA傳送命令挪用存儲(chǔ)器周期傳送數(shù)據(jù)字存儲(chǔ)器地址增1字計(jì)數(shù)寄存器減1DC=0？請(qǐng)求中斷否是在繼續(xù)執(zhí)行用戶程序的同時(shí)，準(zhǔn)備下一次傳送2023年2月6日18第五章設(shè)備管理5.2I/O控制方式I/O通道控制方式的引入

DMA方式相比中斷方式顯著減少了CPU的干預(yù)，并且以數(shù)據(jù)塊為傳送單位，但CPU每發(fā)出一條I/O指令，也只能讀/寫一個(gè)連續(xù)的數(shù)據(jù)塊，如果需要一次去讀多個(gè)數(shù)據(jù)塊，并且分別傳送到不同的內(nèi)存區(qū)，必須由CPU分別發(fā)出多條I/O指令，并且進(jìn)行多次中斷處理才能完成。為此，引入通道方式，可以進(jìn)一步減少CPU的干預(yù)，可以實(shí)現(xiàn)CPU、通道和I/O設(shè)備的并行操作，從而更有效地提高整個(gè)系統(tǒng)的資源利用率。

4.I/O通道控制方式2023年2月6日19第五章設(shè)備管理5.2I/O控制方式

4.I/O通道控制方式通道程序通道通過執(zhí)行通道程序，并與設(shè)備控制器共同實(shí)現(xiàn)對(duì)I/O設(shè)備的控制。通道程序是由一系列通道指令（通道命令）所構(gòu)成，通道指令包含以下信息：操作碼：規(guī)定了指令所執(zhí)行的操作，如讀、寫、控制等等；內(nèi)存地址：標(biāo)明字符送入內(nèi)存（讀操作）和從內(nèi)存取出（寫操作）時(shí)的內(nèi)存首址；計(jì)數(shù)：表示本條指令所要讀（或?qū)懀?shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)；通道程序結(jié)束位P：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；記錄結(jié)束標(biāo)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)是同屬于一條記錄。2023年2月6日20第五章設(shè)備管理5.3

緩沖管理

1.緩沖的引入緩和CPU與I/O設(shè)備間速度不匹配的矛盾凡是數(shù)據(jù)到達(dá)速率與其離去速率不同的地方，都可以設(shè)置緩沖區(qū)。減少對(duì)CPU的中斷頻率，放寬對(duì)CPU中斷響應(yīng)時(shí)間的限制提高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)備間的并行操作度，提高系統(tǒng)的吞吐量和設(shè)備的利用率。9.6kb/s1位緩沖(a)(a)9.6kb/s送內(nèi)存(b)8位緩沖寄存器9.6kb/s送內(nèi)存(c)8位緩沖寄存器2023年2月6日21第五章設(shè)備管理5.3

緩沖管理

2.單緩沖和雙緩沖單緩沖凡是數(shù)據(jù)到達(dá)速率與其離去速率不同的地方，都可以設(shè)置緩沖區(qū)。雙緩沖設(shè)備輸入時(shí)，先將數(shù)據(jù)送入第一個(gè)緩沖區(qū)，裝滿后再轉(zhuǎn)向第二個(gè)緩沖區(qū)，此時(shí)操作系統(tǒng)可以從第一個(gè)緩沖區(qū)移出數(shù)據(jù)，送入用戶進(jìn)程，接著由CPU對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。工作區(qū)用戶進(jìn)程緩沖區(qū)1操作系統(tǒng)緩沖區(qū)2I/O設(shè)備工作區(qū)用戶進(jìn)程緩沖區(qū)I/O設(shè)備輸入(T)傳送(M)處理(C)2023年2月6日22第五章設(shè)備管理5.3

緩沖管理

3.循環(huán)緩沖循環(huán)緩沖的組成（1）多個(gè)緩沖區(qū)：用于裝輸入數(shù)據(jù)的空緩沖區(qū)R，已裝滿數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)G以及計(jì)算進(jìn)程正在使用的現(xiàn)行工作緩沖區(qū)C。（2）多個(gè)指針：用于指示計(jì)算進(jìn)程下一個(gè)可用緩沖區(qū)的指針Nextg，指示輸入進(jìn)程下次可用的空緩沖區(qū)R的指針Nexti，以及用于指示計(jì)算進(jìn)程正在使用的緩沖區(qū)C的指針Current。循環(huán)緩沖的使用（1）Getbuf過程：將指針Nextg所指示的緩沖區(qū)給進(jìn)程，把它改為現(xiàn)行工作緩沖區(qū)，Nextg移向下一個(gè)G緩沖區(qū)；（2）Releasebuf過程：計(jì)算進(jìn)程把C緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)提取完畢時(shí)，調(diào)用Releasebuf釋放緩沖區(qū)，將當(dāng)前工作緩沖區(qū)C改為空緩沖區(qū)。進(jìn)程同步（1）Nexti指針追上Nextg：輸入進(jìn)程輸入數(shù)據(jù)速度大于計(jì)算進(jìn)程處理數(shù)據(jù)速度，緩沖區(qū)已裝滿，輸入進(jìn)程應(yīng)阻塞，直到計(jì)算進(jìn)程把某個(gè)緩沖區(qū)數(shù)據(jù)全部提取完；（2）Nextg指針追趕上Nexti指針：意味著輸入進(jìn)程的速度低于計(jì)算進(jìn)程處理數(shù)據(jù)的速度，緩沖區(qū)都被抽空，計(jì)算進(jìn)程應(yīng)阻塞，直至輸入進(jìn)程又裝滿某個(gè)緩沖區(qū)。2023年2月6日23第五章設(shè)備管理5.3

緩沖管理

4.緩沖池緩沖池的組成緩沖池包括三種類型的緩沖區(qū)：空緩沖區(qū)、裝滿輸入數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)以及裝滿輸出數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)；三個(gè)隊(duì)列：空緩沖隊(duì)列emq，輸入隊(duì)列inq，輸出隊(duì)列outg；四個(gè)工作緩沖區(qū)：用于收容輸入數(shù)據(jù)的工作緩沖區(qū)hin，用于提取輸入數(shù)據(jù)的工作緩沖區(qū)sin，用于收容輸出數(shù)據(jù)的工作緩沖區(qū)hout，用于提取輸出數(shù)據(jù)的工作緩沖區(qū)sout。Getbuf過程和Putbuf過程

ProcedureGetbuf(type)beginWait(RS(type));Wait(MS(type));B(number)=Takebuf(type);Signal(MS(type));end

ProcedurePutbuf(type,number)beginWait(MS(type));

Addbuf(type,number);Signal(MS(type));Signal(RS(type));end2023年2月6日24第五章設(shè)備管理5.3

緩沖管理

4.緩沖池緩沖區(qū)的工作方式（1）收容輸入：當(dāng)輸入進(jìn)程需要輸入數(shù)據(jù)時(shí)，調(diào)用Getbuf（emq）過程，把空緩沖隊(duì)列emq的隊(duì)首摘下一空緩沖區(qū)，作為收容輸入的工作緩沖區(qū)hin，裝滿后調(diào)用Putbuf（inq，hin），將緩沖區(qū)掛在輸入隊(duì)列inq上；（2）提取輸入：計(jì)算進(jìn)程需要輸入數(shù)據(jù)時(shí)，調(diào)用Getbuf（inq）過程，從輸入隊(duì)列inq隊(duì)首取得一個(gè)緩沖區(qū)，作為提取輸入的緩沖區(qū)；（3）收容輸出：計(jì)算進(jìn)程需要輸出數(shù)據(jù)時(shí)，調(diào)用Getbuf（emq）過程從空緩沖區(qū)emq的隊(duì)首取得空緩沖區(qū)；（4）提取輸出：由輸出進(jìn)程調(diào)用Getbuf（outq）過程，從輸出隊(duì)列隊(duì)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。用戶程序收容輸入緩沖池hinsoutsinhout提取輸出收容輸出收容輸出提取輸入2023年2月6日25第五章設(shè)備管理5.4

I/O軟件

1.I/O軟件的設(shè)計(jì)目標(biāo)和原則與具體設(shè)備無關(guān)

I/O軟件應(yīng)該屏蔽設(shè)備的具體細(xì)節(jié)，其功能不受具體I/O設(shè)備的影響。緩沖技術(shù)

I/O軟件應(yīng)能屏蔽塊設(shè)備與字符設(shè)備的緩沖差異?？傮w設(shè)計(jì)目標(biāo)是高效率和通用性，前者是確保I/O設(shè)備與CPU的并發(fā)性，以提高資源的利用率；后者是指盡可能地提供簡單抽象、清晰而統(tǒng)一的接口，采用標(biāo)準(zhǔn)的方法，來管理所有設(shè)備以及所需的I/O操作。統(tǒng)一命名對(duì)各類設(shè)備采取預(yù)先設(shè)計(jì)的、統(tǒng)一的邏輯名稱進(jìn)行命名，所有軟件都以邏輯名稱訪問設(shè)備。對(duì)錯(cuò)誤的處理對(duì)于錯(cuò)誤的處理，盡量在接近硬件的層面處理。設(shè)備的分配和釋放

I/O軟件必須能夠同時(shí)妥善解決獨(dú)占設(shè)備和共享設(shè)備帶來的問題。I/O控制方式針對(duì)不同傳輸速率的設(shè)備，綜合系統(tǒng)效率和系統(tǒng)代價(jià)因素，合理選擇I/O控制方式。2023年2月6日26第五章設(shè)備管理5.4

I/O軟件

1.I/O軟件的設(shè)計(jì)目標(biāo)和原則用戶層軟件：實(shí)現(xiàn)和用戶交互的接口。設(shè)備獨(dú)立性軟件：負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)與設(shè)備驅(qū)動(dòng)器的統(tǒng)一接口、設(shè)備命名、保護(hù)以及設(shè)備的分配和釋放。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序：與硬件直接相關(guān)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)指令，驅(qū)動(dòng)I/O設(shè)備工作。中斷處理程序：保存被中斷進(jìn)程的CPU環(huán)境，轉(zhuǎn)入相應(yīng)的中斷處理程序，處理完再恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)并返回被中斷進(jìn)程。

層次結(jié)構(gòu)的I/O軟件通?？梢园凑账膫€(gè)層次組織：用戶層軟件設(shè)備獨(dú)立性軟件設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中斷處理程序硬件I/O應(yīng)答I/O請(qǐng)求產(chǎn)生I/O請(qǐng)求、格式化I/O、Spooling映射、保護(hù)、分塊、緩沖、分配設(shè)置設(shè)備寄存器，檢查寄存器狀態(tài)執(zhí)行I/O操作2023年2月6日27第五章設(shè)備管理5.4

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2.中斷處理程序喚醒被阻塞的驅(qū)動(dòng)（程序）進(jìn)程保護(hù)被中斷進(jìn)程的CPU環(huán)境轉(zhuǎn)入相應(yīng)的設(shè)備處理程序中斷處理恢復(fù)被中斷進(jìn)程的現(xiàn)場(chǎng)

中斷處理程序的主要工作包括進(jìn)行進(jìn)程上下文切換，對(duì)處理中斷信號(hào)源進(jìn)行測(cè)試，讀取設(shè)備狀態(tài)和修改進(jìn)程狀態(tài)，它包括如下步驟：喚醒被阻塞的驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)程中斷請(qǐng)求信號(hào)對(duì)被中斷進(jìn)程的CPU環(huán)境進(jìn)行保護(hù)分析中斷原因，轉(zhuǎn)入相應(yīng)的中斷處理程序終端中斷處理程序打印機(jī)中斷處理程序磁盤中斷處理程序…恢復(fù)被中斷進(jìn)程的CPU現(xiàn)場(chǎng)返回被中斷的進(jìn)程，繼續(xù)執(zhí)行2023年2月6日28第五章設(shè)備管理5.4

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3.設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序

設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序又稱為設(shè)備處理程序，它是I/O進(jìn)程與設(shè)備控制器之間的通信程序，其主要任務(wù)是接受上層軟件發(fā)來的抽象I/O請(qǐng)求，把它轉(zhuǎn)換為具體要求，發(fā)給設(shè)備控制器，啟動(dòng)設(shè)備執(zhí)行。設(shè)備處理方式根據(jù)在設(shè)備處理時(shí)是否設(shè)置進(jìn)程及設(shè)置什么樣的進(jìn)程，把設(shè)備處理方式分成：（1）為每一類設(shè)備設(shè)置一個(gè)進(jìn)程，專門用于執(zhí)行這類設(shè)備的I/O操作；（2）在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)置一個(gè)I/O進(jìn)程，專門用于執(zhí)行系統(tǒng)中所有設(shè)備的I/O操作；（3）不設(shè)置專門的設(shè)備處理進(jìn)程，只為各類設(shè)備設(shè)置相應(yīng)的設(shè)備處理程序（模塊）供用戶進(jìn)程或系統(tǒng)進(jìn)程調(diào)用。2023年2月6日29第五章設(shè)備管理5.4

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3.設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的功能（1）接收由設(shè)備獨(dú)立性軟件發(fā)來的命令和參數(shù)，并且將其轉(zhuǎn)化為具體需求；（2）檢查用戶I/O請(qǐng)求的合法性；（3）發(fā)出I/O命令，若I/O設(shè)備空閑，啟動(dòng)；若I/O設(shè)備忙碌，將請(qǐng)求掛在設(shè)備隊(duì)列；（4）及時(shí)響應(yīng)控制器或通道發(fā)來的中斷請(qǐng)求；（5）應(yīng)能夠根據(jù)用戶的I/O請(qǐng)求，自動(dòng)地構(gòu)成通道程序。2023年2月6日30第五章設(shè)備管理5.4

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3.設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的特點(diǎn)（1）它是在請(qǐng)求I/O的進(jìn)程和設(shè)備控制器之間的一個(gè)通信和轉(zhuǎn)換程序；（2）它與設(shè)備控制器和I/O設(shè)備的硬件特性緊密相關(guān)，對(duì)不同類的設(shè)備要配置不同的驅(qū)動(dòng)程序；（3）與I/O設(shè)備所采用的I/O控制方式緊密相關(guān)；（4）與硬件緊密相關(guān)，其中的一部分必須用匯編語言書寫；（5）它應(yīng)該允許可重入；（6）它不允許系統(tǒng)調(diào)用，但可以允許對(duì)某些內(nèi)核過程的調(diào)用。2023年2月6日31第五章設(shè)備管理5.4

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3.設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的處理過程1）將抽象的要求轉(zhuǎn)換為具體要求；

2）檢查I/O請(qǐng)求的合法性；

3）讀出和檢查設(shè)備的狀態(tài)；

4）傳送必要的參數(shù)；

5）工作方式的設(shè)置；

6）啟動(dòng)I/O設(shè)備。2023年2月6日32第五章設(shè)備管理5.4

I/O軟件

4.設(shè)備獨(dú)立性設(shè)備分配時(shí)的靈活性當(dāng)程序（進(jìn)程）以物理設(shè)備名稱來請(qǐng)求指定設(shè)備時(shí)，如果設(shè)備已經(jīng)分配或正在檢修，則會(huì)阻塞進(jìn)程；如果采用邏輯設(shè)備名稱來訪問，系統(tǒng)會(huì)給它分配另一臺(tái)設(shè)備。易于實(shí)現(xiàn)I/O重定向是指用于I/O操作的設(shè)備可以更換（即重定向），而不必改變應(yīng)用程序。又稱為設(shè)備無關(guān)性，其含義：應(yīng)用程序獨(dú)立于具體使用的物理設(shè)備。2023年2月6日33第五章設(shè)備管理5.4

I/O軟件

4.設(shè)備獨(dú)立性設(shè)備獨(dú)立性軟件的功能（1）執(zhí)行所有設(shè)備公有操作：對(duì)獨(dú)立設(shè)備的分配和回收；邏輯設(shè)備到物理設(shè)備的映射；設(shè)備保護(hù)；緩沖管理；差錯(cuò)控制；提供獨(dú)立于設(shè)備的邏輯塊。（2）向用戶層（文件層）軟件提供統(tǒng)一的接口。

5.設(shè)備獨(dú)立性軟件邏輯設(shè)備名到物理設(shè)備名映射的實(shí)現(xiàn)通過邏輯設(shè)備表LUT的設(shè)置來實(shí)現(xiàn)。是指在用戶層的一小部分I/O軟件，包括與用戶程序鏈接在一起的庫函數(shù)，以及完全運(yùn)行于內(nèi)核之外的一些程序。2023年2月6日34第五章設(shè)備管理5.5

設(shè)備分配

1.設(shè)備分配中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)控制器控制表、通道控制表和系統(tǒng)設(shè)備表設(shè)備控制表DCTＤＣＴ１設(shè)備控制表集合ＤＣＴ２ＤＣＴｎ設(shè)備類型：type設(shè)備標(biāo)志符：deviceid設(shè)備狀態(tài)：等待/不等待忙/閑指向控制器表的指針重復(fù)執(zhí)行次數(shù)或時(shí)間設(shè)備隊(duì)列的隊(duì)首指針控制器標(biāo)識(shí)符：controllerid控制器狀態(tài)：忙/閑與控制器連接的通道表指針控制器隊(duì)列的隊(duì)首指針控制器隊(duì)列的隊(duì)尾指針（a）控制器表COCT通道標(biāo)識(shí)符：channelid通道狀態(tài)：忙/閑與通道連接的控制器表指針通道隊(duì)列的隊(duì)首指針通道隊(duì)列的隊(duì)尾指針（b）通道表CHCT設(shè)備類設(shè)備標(biāo)識(shí)符DCT驅(qū)動(dòng)程序入口表目1…表目i…（c）系統(tǒng)設(shè)備表SDT2023年2月6日35第五章設(shè)備管理5.5

設(shè)備分配

2.設(shè)備分配時(shí)應(yīng)考慮的因素三種設(shè)備分配策略獨(dú)占設(shè)備：采用獨(dú)享分配策略，即將一個(gè)設(shè)備分配給某進(jìn)程后，便由該進(jìn)程獨(dú)占，直到該進(jìn)程完成或釋放該設(shè)備；共享設(shè)備：可同時(shí)分配給多個(gè)進(jìn)程使用，但必須合理調(diào)度；可虛擬設(shè)備：一臺(tái)可虛擬設(shè)備是可共享的，可以把它同時(shí)分配給多個(gè)進(jìn)程使用，并且對(duì)訪問該物理設(shè)備的先后次序進(jìn)行控制。2023年2月6日36第五章設(shè)備管理5.5

設(shè)備分配

2.設(shè)備分配時(shí)應(yīng)考慮的因素設(shè)備分配算法（1）先來先服務(wù)：根據(jù)諸進(jìn)程對(duì)某設(shè)備提出請(qǐng)求的先后順序。（2）優(yōu)先級(jí)高者優(yōu)先：優(yōu)先滿足進(jìn)程提出的優(yōu)先權(quán)高的I/O請(qǐng)求。設(shè)備分配的安全性（1）安全分配方式這種分配方式中，每當(dāng)進(jìn)程發(fā)出I/O請(qǐng)求后，便進(jìn)入阻塞狀態(tài)，直到I/O操作完成時(shí)才被喚醒，這樣就摒棄了死鎖的四個(gè)必要條件之一“請(qǐng)求和保持”條件，從而使得設(shè)備分配是安全的；（2）不安全分配方式這種分配方式中，進(jìn)程發(fā)出I/O請(qǐng)求后繼續(xù)運(yùn)行，需要時(shí)又發(fā)出第二個(gè)I/O請(qǐng)求、第三個(gè)I/O請(qǐng)求等等，只有當(dāng)請(qǐng)求的設(shè)備被其它進(jìn)程占用時(shí)才會(huì)阻塞。2023年2月6日37第五章設(shè)備管理5.5

設(shè)備分配

3.獨(dú)占設(shè)備的分配程序設(shè)備分配程序的改進(jìn)（1）增加設(shè)備的獨(dú)立性為了獲得設(shè)備獨(dú)立性，進(jìn)程應(yīng)使用邏輯設(shè)備名請(qǐng)求I/O；（2）考慮多通路情況為了防止I/O系統(tǒng)中出現(xiàn)“瓶頸”現(xiàn)象，采用多通路的I/O系統(tǒng)結(jié)構(gòu)?；镜脑O(shè)備分配程序分配設(shè)備：根據(jù)I/O請(qǐng)求中的物理設(shè)備名，通過查找系統(tǒng)設(shè)備表SDT，找到該設(shè)備的DCT，選擇空閑的同時(shí)不會(huì)使系統(tǒng)進(jìn)入不安全狀態(tài)的設(shè)備分配給請(qǐng)求進(jìn)程；分配控制器：在DCT中找出與該設(shè)備連接的控制器的COCT，如不忙，則分配；分配通道：在COCT中找到與該控制器連接的通道的CHCT，如不忙，則分配。2023年2月6日38第五章設(shè)備管理5.5

設(shè)備分配

4.SPOOLING技術(shù)為了緩和CPU的高速性與I/O設(shè)備的低速性間的矛盾引入的脫機(jī)輸入、脫機(jī)輸出技術(shù)。該技術(shù)利用專門的外圍控制機(jī)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在低速I/O設(shè)備和高速磁盤之間的數(shù)據(jù)傳送，此時(shí)外圍操作可以與CPU對(duì)數(shù)據(jù)的處理同時(shí)進(jìn)行，這種聯(lián)機(jī)情況下的同時(shí)外圍操作稱作SPOOLING（SimultaneousPeriphernalOperatingOnLine），或稱為假脫機(jī)操作。SPOOLING系統(tǒng)的特點(diǎn)（1）提高了I/O的速度；（2）將獨(dú)占設(shè)備改造成共享設(shè)備；（3）實(shí)現(xiàn)了虛擬設(shè)備功能。2023年2月6日39第五章設(shè)備管理5.5

設(shè)備分配SPOOLING系統(tǒng)的組成（1）輸入井和輸出井；（2）輸入緩沖區(qū)和輸出緩沖區(qū)；（3）輸入進(jìn)程SPi和輸出進(jìn)程SPo。磁盤輸入緩沖區(qū)Bi輸出緩沖區(qū)Bo輸入井輸出井輸入進(jìn)程SPi輸出進(jìn)程SPo輸入設(shè)備輸出設(shè)備

4.SPOOLING技術(shù)2023年2月6日40第五章設(shè)備管理5.6

磁盤存儲(chǔ)器的管理數(shù)據(jù)的組織和格式磁盤設(shè)備可包括一或多個(gè)物理盤片；每個(gè)盤片分一個(gè)或兩個(gè)存儲(chǔ)面；每個(gè)存儲(chǔ)面分成若干個(gè)磁道；每條磁道被劃分成若干個(gè)扇區(qū)。磁盤的類型（1）固定頭磁盤：每條磁道上都有一讀/寫磁頭，所有磁頭裝在一個(gè)剛性磁臂中。（2）移動(dòng)頭磁盤：每個(gè)盤面僅配有一個(gè)磁頭，也被裝入磁臂中。

1.磁盤的概述磁盤的訪問時(shí)間（1）尋道時(shí)間Ts=m×n+s，其中s為啟動(dòng)磁臂的時(shí)間，m是常數(shù)；（2）旋轉(zhuǎn)延遲時(shí)間：指定扇區(qū)移動(dòng)到磁頭下面所經(jīng)歷的時(shí)間；（3）傳輸時(shí)間（了解）：從磁盤讀出數(shù)據(jù)或向磁盤寫入數(shù)據(jù)所經(jīng)歷的時(shí)間；扇區(qū)磁道磁道間隔扇區(qū)間隔2023年2月6日41第五章設(shè)備管理5.6

磁盤存儲(chǔ)器的管理先來先服務(wù)FCFS

2.磁盤調(diào)度最短尋道時(shí)間優(yōu)先SSTF（從100號(hào)磁道開始）被訪問的下一個(gè)磁道號(hào)移動(dòng)距離（磁道數(shù)）5545583391918219072160701501038112184146