計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)-第四版-湯小丹-梁紅兵-哲鳳屏-第6章(2016-2017-1)

計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)-第四版-湯小丹-梁紅兵-哲鳳屏-第6章(2016-2017-1)第一頁(yè)，共67頁(yè)。6.1I/O系統(tǒng)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(xì)節(jié)I/O系統(tǒng)必須通過(guò)對(duì)設(shè)備加以適當(dāng)?shù)某橄?，以隱藏物理設(shè)備的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，僅向上層進(jìn)程提供少量的、抽象的讀/寫命令。2.與設(shè)備的無(wú)關(guān)性方便用戶對(duì)設(shè)備的使用。一方面，用戶不僅可以使用抽象的I/O命令，還可使用抽象的邏輯設(shè)備名來(lái)使用設(shè)備；另一方面，可有效提高OS的可移植性和易適應(yīng)性。第二頁(yè)，共67頁(yè)。6.1.1I/O系統(tǒng)的基本功能3.提高處理機(jī)和I/O設(shè)備的利用率該功能盡可能讓處理機(jī)和I/O設(shè)備并行操作。處理機(jī)應(yīng)能快速響應(yīng)用戶的I/O請(qǐng)求；減少在每個(gè)I/O設(shè)備運(yùn)行時(shí)處理機(jī)的干預(yù)時(shí)間。4.對(duì)I/O設(shè)備進(jìn)行控制有四種控制方式：①采用輪詢的可編程I/O方式；②采用中斷的可編程I/O方式；③直接存儲(chǔ)器方式；④I/O通道方式。具體采用何種控制方式，與I/O設(shè)備的傳輸速率、傳輸?shù)臄?shù)據(jù)單位等因素有關(guān)。第三頁(yè)，共67頁(yè)。6.1.1I/O系統(tǒng)的基本功能5.確保對(duì)設(shè)備的正確共享(1)獨(dú)占設(shè)備，進(jìn)程互斥地訪問(wèn)這類設(shè)備，即系統(tǒng)一旦把這類設(shè)備分配給某進(jìn)程后，便由該進(jìn)程獨(dú)占，直至用完釋放。(2)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(wèn)的設(shè)備。6.錯(cuò)誤處理臨時(shí)性錯(cuò)誤和持久性錯(cuò)誤。對(duì)于臨時(shí)性錯(cuò)誤，可通過(guò)重試操作來(lái)糾正；對(duì)于持久性錯(cuò)誤，向上層報(bào)告。第四頁(yè)，共67頁(yè)。6.1.2I/O系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)和模型I/O軟件涉及的面很寬，向下與硬件有密切關(guān)系，向上與文件系統(tǒng)、虛擬存儲(chǔ)器系統(tǒng)和用戶直接交互。1.I/O軟件的層次結(jié)構(gòu)：通常把I/O軟件組織成四個(gè)層次：第五頁(yè)，共67頁(yè)。2.I/O系統(tǒng)中各種模塊之間的層次視圖第六頁(yè)，共67頁(yè)。6.1.2I/O系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)和模型2.I/O系統(tǒng)的分層(1)中斷處理程序。處于I/O系統(tǒng)的底層，直接與硬件進(jìn)行交互。當(dāng)有I/O設(shè)備發(fā)來(lái)中斷請(qǐng)求信號(hào)時(shí)，在中斷硬件做了初步處理后，便轉(zhuǎn)向中斷處理程序。(2)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。處于I/O系統(tǒng)的次底層，是進(jìn)程和設(shè)備控制器之間的通信程序。將上層發(fā)來(lái)的抽象I/O請(qǐng)求轉(zhuǎn)換為對(duì)I/O設(shè)備的具體命令和參數(shù)，并把它裝入到設(shè)備控制器中的命令和參數(shù)寄存器中，或者相反。(3)設(shè)備獨(dú)立性軟件。I/O軟件獨(dú)立于具體使用的物理設(shè)備。第七頁(yè)，共67頁(yè)。6.1.3I/O系統(tǒng)接口1.塊設(shè)備接口塊設(shè)備指數(shù)據(jù)的存取和傳輸都是以數(shù)據(jù)塊為單位的設(shè)備。塊設(shè)備特征：傳輸速率較高；可尋址，即能指定數(shù)據(jù)的輸入源地址及輸出的目標(biāo)地址，可隨機(jī)地讀/寫磁盤中任一塊。將抽象命令映射為低層操作。將上層發(fā)來(lái)的對(duì)文件或設(shè)備的打開(kāi)、讀、寫和關(guān)閉等抽象命令映射為設(shè)備能識(shí)別的較低層具體操作。隱藏了磁盤的二維結(jié)構(gòu)。塊設(shè)備接口將磁盤上的所有扇區(qū)從0到n-1依次編號(hào)，則將磁盤的二維結(jié)構(gòu)改為一種線性序列。塊設(shè)備管理程序與高層之間的接口。第八頁(yè)，共67頁(yè)。6.1.3I/O系統(tǒng)接口2.流設(shè)備接口又稱字符設(shè)備接口，反映了字符設(shè)備的本質(zhì)特征。字符設(shè)備。指數(shù)據(jù)的存取和傳輸是以字符為單位的設(shè)備，其傳輸率較低、不可尋址。常采用中斷驅(qū)動(dòng)方式。get和put操作。字符設(shè)備采取順序存取方式。通常為字符設(shè)備建立一個(gè)字符緩沖區(qū)，設(shè)備的I/O字符流順序地進(jìn)入字符緩沖區(qū)，或從字符緩沖區(qū)順序地送出到設(shè)備。in-control指令。該指令包含了許多參數(shù)，每個(gè)參數(shù)表示一個(gè)與具體設(shè)備相關(guān)的特定功能。第九頁(yè)，共67頁(yè)。6.2I/O設(shè)備和設(shè)備控制器6.2.1I/O設(shè)備1.I/O設(shè)備的類型2)按傳輸速率分類，I/O設(shè)備分為三類：低速設(shè)備、中速設(shè)備、高速設(shè)備。I/O設(shè)備由執(zhí)行I/O操作的機(jī)械部分和執(zhí)行控制I/O的電子部件組成。執(zhí)行I/O操作的機(jī)械部分是一般的I/O設(shè)備；執(zhí)行控制I/O的電子部件稱為設(shè)備控制器或適配器(adapter)。1)按使用特性分類，I/O設(shè)備分為存儲(chǔ)設(shè)備、I/O設(shè)備。第十頁(yè)，共67頁(yè)。2.設(shè)備與控制器之間的接口控制信號(hào)線：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，

該信號(hào)規(guī)定了設(shè)備要執(zhí)行的操作。狀態(tài)信號(hào)線：傳送指示設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)的信號(hào)。6.2.1I/O設(shè)備11.23+第十一頁(yè)，共67頁(yè)。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(shí)別命令，能接收并識(shí)別處理機(jī)發(fā)來(lái)的多種命令。2)數(shù)據(jù)交換。數(shù)據(jù)寄存器3)標(biāo)識(shí)和報(bào)告設(shè)備的狀態(tài)。狀態(tài)寄存器4)地址識(shí)別。識(shí)別控制的每個(gè)設(shè)備的地址，配置地址譯碼器5)數(shù)據(jù)緩沖。在輸出時(shí)，緩沖區(qū)暫存由主機(jī)高速傳來(lái)的數(shù)據(jù)；在輸入時(shí)，緩沖區(qū)暫存從設(shè)備送來(lái)的數(shù)據(jù)。6)差錯(cuò)控制。控制一個(gè)或多個(gè)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。第十二頁(yè)，共67頁(yè)。2.設(shè)備控制器的組成圖6-4設(shè)備控制器的組成6.2.2設(shè)備控制器11.25？第十三頁(yè)，共67頁(yè)。6.2.4I/O通道1.I/O通道設(shè)備的引入I/O通道是一種特殊的處理機(jī)，它建立了獨(dú)立的I/O操作，承擔(dān)了原來(lái)由CPU處理的I/O任務(wù)。I/O通道具有執(zhí)行I/O指令的能力，并通過(guò)執(zhí)行通道(I/O)程序來(lái)控制I/O操作。

I/O通道與一般的處理機(jī)不同：一、指令類型單一，主要局限于與I/O操作有關(guān)的指令；二、通道沒(méi)有自己的內(nèi)存，其所執(zhí)行的通道程序是放在主機(jī)的內(nèi)存中的。第十四頁(yè)，共67頁(yè)。2.通道類型1)字節(jié)多路通道(ByteMultiplexorChannel)圖6-6字節(jié)多路通道的工作原理6.2.4I/O通道第十五頁(yè)，共67頁(yè)。2)數(shù)組選擇通道(BlockSelectorChannel)數(shù)組選擇通道按數(shù)組方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，可以連接多臺(tái)高速設(shè)備。然而，它只含有一個(gè)分配型子通道，在一段時(shí)間內(nèi)只能執(zhí)行一道通道程序，控制一臺(tái)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，其利用率很低。6.2.4I/O通道3)數(shù)組多路通道(BlockMultiplexorChannel)

數(shù)組多路通道將數(shù)組選擇通道傳輸速率高和字節(jié)多路通道相結(jié)合，使得各子通道分時(shí)并行操作。它含有多個(gè)非分配型子通道。第十六頁(yè)，共67頁(yè)。3.“瓶頸”問(wèn)題6.2.4I/O通道圖6-8多通路I/O系統(tǒng)圖6-7單通路I/O系統(tǒng)第十七頁(yè)，共67頁(yè)。6.3中斷機(jī)構(gòu)和中斷處理程序6.3.1中斷簡(jiǎn)介1.中斷和陷入中斷指CPU對(duì)I/O設(shè)備發(fā)來(lái)的中斷信號(hào)的一種響應(yīng)。CPU暫停正在執(zhí)行的程序，保留CPU環(huán)境后，自動(dòng)轉(zhuǎn)去執(zhí)行該I/O設(shè)備的中斷處理程序。執(zhí)行完后，再回到斷點(diǎn)，繼續(xù)執(zhí)行原來(lái)的程序。中斷是由外部設(shè)備引起的，稱外中斷；由CPU內(nèi)部事件所引起的中斷，稱為內(nèi)中斷或陷入。中斷是多道程序得以實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，也是設(shè)備管理的基礎(chǔ)。第十八頁(yè)，共67頁(yè)。6.3.1中斷簡(jiǎn)介2.中斷向量表和中斷優(yōu)先級(jí)每種設(shè)備配以相應(yīng)的中斷服務(wù)程序，中斷服務(wù)程序入口地址的偏移量與段基值構(gòu)成中斷向量。所有中斷向量的集合按順序存放到存儲(chǔ)器的某一區(qū)域內(nèi)，這個(gè)存儲(chǔ)區(qū)稱為中斷向量表。每一個(gè)設(shè)備的中斷請(qǐng)求規(guī)定一個(gè)中斷號(hào)。當(dāng)有多個(gè)中斷信號(hào)源，系統(tǒng)需根據(jù)它們規(guī)定的中斷優(yōu)先級(jí)確定響應(yīng)。對(duì)于多中斷信號(hào)源的情況，當(dāng)處理機(jī)正在處理一個(gè)中斷時(shí)，又來(lái)了一個(gè)新的中斷請(qǐng)求時(shí)，有兩種處理方式：屏蔽（禁止）中斷與嵌套中斷。第十九頁(yè)，共67頁(yè)。6.3.2中斷處理程序當(dāng)一個(gè)進(jìn)程請(qǐng)求I/O操作時(shí)，該進(jìn)程將被掛起，直到I/O設(shè)備完成I/O操作后，設(shè)備控制器便向CPU發(fā)送一個(gè)中斷請(qǐng)求，CPU響應(yīng)后便轉(zhuǎn)向中斷處理程序，執(zhí)行相應(yīng)的處理，處理完后解除相應(yīng)進(jìn)程的阻塞狀態(tài)，整個(gè)處理過(guò)程有以下幾個(gè)步驟:(1)測(cè)定是否有未響應(yīng)的中斷信號(hào)；（2）保護(hù)被中斷進(jìn)程的CPU環(huán)境；（3）轉(zhuǎn)入相應(yīng)的設(shè)備處理程序；（4）中斷處理；（5）恢復(fù)CPU的現(xiàn)場(chǎng)并退出中斷。第二十頁(yè)，共67頁(yè)。圖6-10中斷現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)示意圖

第二十一頁(yè)，共67頁(yè)。圖6-11中斷處理流程

第二十二頁(yè)，共67頁(yè)。6.4設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是I/O系統(tǒng)的高層與設(shè)備控制器之間的通信程序，其主要任務(wù)是接收上層軟件發(fā)來(lái)的抽象I/O要求，再把它轉(zhuǎn)換為具體要求后，發(fā)送給設(shè)備控制器，啟動(dòng)設(shè)備去執(zhí)行；反之，它也將由設(shè)備控制器發(fā)來(lái)的信號(hào)傳送給上層軟件。第二十三頁(yè)，共67頁(yè)。6.4.1設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序概述1.設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的功能接收由與設(shè)備無(wú)關(guān)的軟件發(fā)來(lái)的命令和參數(shù)，并將命令中的抽象要求轉(zhuǎn)換為與設(shè)備相關(guān)的低層操作序列。檢查用戶I/O請(qǐng)求的合法性，了解I/O設(shè)備的工作狀態(tài)，傳遞與I/O設(shè)備操作有關(guān)的參數(shù)，設(shè)置設(shè)備的工作方式.發(fā)出I/O命令。如果設(shè)備空閑，便立即啟動(dòng)I/O設(shè)備，完成指定的I/O操作；反之，則將請(qǐng)求者的請(qǐng)求塊掛在設(shè)備隊(duì)列上等待。及時(shí)響應(yīng)由設(shè)備控制器發(fā)來(lái)的中斷請(qǐng)求，并根據(jù)其中斷類型，調(diào)用相應(yīng)的中斷處理程序進(jìn)行處理。第二十四頁(yè)，共67頁(yè)。6.4.1設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序概述2.設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的特點(diǎn)(1)驅(qū)動(dòng)程序?qū)⑦M(jìn)程的I/O請(qǐng)求經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換后，傳送給控制器；把控制器中所記錄的設(shè)備狀態(tài)和I/O操作完成情況及時(shí)地反映給請(qǐng)求I/O的進(jìn)程；(2)對(duì)不同類型的設(shè)備應(yīng)配置不同的驅(qū)動(dòng)程序；(3)驅(qū)動(dòng)程序與I/O設(shè)備所采用的I/O控制方式緊密相關(guān)；(4)由于驅(qū)動(dòng)程序與硬件緊密相關(guān)，因而其中的一部分必須用匯編語(yǔ)言書寫；(5)驅(qū)動(dòng)程序應(yīng)允許可重入。第二十五頁(yè)，共67頁(yè)。6.4.1設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序概述3.設(shè)備處理方式為每一類設(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；在整個(gè)系統(tǒng)中設(shè)置一個(gè)I/O進(jìn)程，專門用于執(zhí)行系統(tǒng)中所有各類設(shè)備的I/O操作；不設(shè)置專門的設(shè)備處理進(jìn)程，而只為各類設(shè)備設(shè)置相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，供用戶或系統(tǒng)進(jìn)程調(diào)用。在不同的操作系統(tǒng)中，所采用的設(shè)備處理方式不同：第二十六頁(yè)，共67頁(yè)。6.4.2設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的處理過(guò)程設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的主要任務(wù)是啟動(dòng)指定設(shè)備，完成上層指定的I/O工作。其處理過(guò)程：將抽象要求轉(zhuǎn)換為具體要求。對(duì)服務(wù)請(qǐng)求進(jìn)行校驗(yàn)。驅(qū)動(dòng)程序在啟動(dòng)I/O設(shè)備之前，檢查用戶的I/O請(qǐng)求是不是該設(shè)備能夠執(zhí)行的。(3)檢查設(shè)備的狀態(tài)。檢查設(shè)備是否處于就緒狀態(tài)。(4)傳送必要的參數(shù)。(5)啟動(dòng)I/O設(shè)備。驅(qū)動(dòng)程序向控制器中的命令寄存器傳送相應(yīng)的控制命令。第二十七頁(yè)，共67頁(yè)。6.4.3對(duì)I/O設(shè)備的控制方式在處理機(jī)向控制器發(fā)出一條I/O指令，啟動(dòng)輸入設(shè)備輸入數(shù)據(jù)時(shí)，同時(shí)將狀態(tài)寄存器中的忙/閑busy標(biāo)志置為1，然后不斷循環(huán)測(cè)試busy。當(dāng)busy=1時(shí)，表示輸入機(jī)尚未輸完一個(gè)字，處理機(jī)繼續(xù)對(duì)該標(biāo)志進(jìn)行測(cè)試，直至busy=0，表明輸入機(jī)已將輸入數(shù)據(jù)送入控制器的數(shù)據(jù)寄存器中。

1.使用輪詢的可編程I/O方式在程序I/O方式中，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)。第二十八頁(yè)，共67頁(yè)。2.使用中斷的可編程I/O方式

在I/O設(shè)備輸入每個(gè)數(shù)據(jù)的過(guò)程中，由于無(wú)須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CPU花費(fèi)極短的時(shí)間去做些中斷處理。可見(jiàn)，這樣可使CPU和I/O設(shè)備都處于忙碌狀態(tài)，從而提高了整個(gè)系統(tǒng)的資源利用率及吞吐量。

當(dāng)某進(jìn)程要啟動(dòng)某個(gè)I/O設(shè)備工作時(shí)，便由CPU向相應(yīng)的設(shè)備控制器發(fā)出一條I/O命令，然后立即返回繼續(xù)執(zhí)行原來(lái)的任務(wù)。6.4.3對(duì)I/O設(shè)備的控制方式第二十九頁(yè)，共67頁(yè)。圖5-7程序I/O和中斷驅(qū)動(dòng)方式的流程第三十頁(yè)，共67頁(yè)。3.直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)方式1)DMA(DirectMemoryAccess)方式的引入該方式的特點(diǎn)是：①數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕締挝皇菙?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(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)塊的開(kāi)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。6.4.3對(duì)I/O設(shè)備的控制方式采用中斷驅(qū)動(dòng)I/O方式時(shí)，CPU以字節(jié)為單位進(jìn)行干預(yù)。第三十一頁(yè)，共67頁(yè)。2)DMA控制器的組成3.直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)方式命令/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第三十二頁(yè)，共67頁(yè)。3)DMA工作過(guò)程圖6-15DMA方式的工作流程3.直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)方式第三十三頁(yè)，共67頁(yè)。6.4.3對(duì)I/O設(shè)備的控制方式1)I/O通道控制方式的引入I/O通道方式是DMA方式的發(fā)展，可實(shí)現(xiàn)CPU、通道和I/O設(shè)備三者的并行操作，更有效地提高整個(gè)系統(tǒng)的資源利用率。4.I/O通道控制方式例如，當(dāng)CPU要完成一組相關(guān)的讀(或?qū)?操作及有關(guān)控制時(shí)，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(wèn)的I/O設(shè)備，通道接到該指令后，通過(guò)執(zhí)行通道程序便可完成CPU指定的I/O任務(wù)。第三十四頁(yè)，共67頁(yè)。操作PR計(jì)數(shù)內(nèi)存地址WRITE0080813WRITE001401034WRITE01605830WRITE013002000WRITE002501850WRITE112507204.I/O通道控制方式2)通道程序操作碼。(2)內(nèi)存地址。(3)計(jì)數(shù)。(4)通道程序結(jié)束位P。(5)記錄結(jié)束標(biāo)志R。第三十五頁(yè)，共67頁(yè)。為了實(shí)現(xiàn)設(shè)備獨(dú)立性(DeviceIndependence)，在設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序之上設(shè)置一層軟件，稱為與設(shè)備無(wú)關(guān)的I/O軟件，或設(shè)備獨(dú)立性軟件。其基本含義是:應(yīng)用程序獨(dú)立于具體使用的物理設(shè)備。

為了實(shí)現(xiàn)設(shè)備獨(dú)立性而引入了邏輯設(shè)備和物理設(shè)備這兩個(gè)概念。在應(yīng)用程序中，使用邏輯設(shè)備名稱來(lái)請(qǐng)求使用某類設(shè)備；而系統(tǒng)在實(shí)際執(zhí)行時(shí)，還必須使用物理設(shè)備名稱。因此，系統(tǒng)須具有將邏輯設(shè)備名稱轉(zhuǎn)換為某物理設(shè)備名稱的功能。6.5與設(shè)備無(wú)關(guān)的I/O軟件第三十六頁(yè)，共67頁(yè)。①設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的統(tǒng)一接口。一方面，每個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序與OS之間都有著相同的接口；另一方面，將抽象的設(shè)備名映射到適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)程序上。對(duì)設(shè)備進(jìn)行保護(hù)，禁止用戶直接訪問(wèn)設(shè)備，防止無(wú)權(quán)訪問(wèn)的用戶使用；②緩沖管理。對(duì)字符設(shè)備和塊設(shè)備的緩沖區(qū)進(jìn)行管理，以提高I/O的效率；③差錯(cuò)控制。暫時(shí)性錯(cuò)誤、持久性錯(cuò)誤④對(duì)獨(dú)立設(shè)備的分配與回收。⑤獨(dú)立于設(shè)備的邏輯數(shù)據(jù)塊

6.5.2與設(shè)備無(wú)關(guān)的軟件與設(shè)備無(wú)關(guān)的軟件執(zhí)行所有設(shè)備的公有操作：第三十七頁(yè)，共67頁(yè)。6.5.3設(shè)備分配1.設(shè)備分配中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)第三十八頁(yè)，共67頁(yè)。2.設(shè)備分配時(shí)應(yīng)考慮的因素設(shè)備的固有屬性獨(dú)占設(shè)備、共享設(shè)備、虛擬設(shè)備6.5.3設(shè)備分配2)設(shè)備分配算法先來(lái)先服務(wù)、優(yōu)先級(jí)高者優(yōu)先3)設(shè)備分配中的安全性安全分配方式：破壞造成死鎖的必要條件之一不安全分配方式：得到設(shè)備后不阻塞，繼續(xù)運(yùn)行可能造成死鎖第三十九頁(yè)，共67頁(yè)。

1.邏輯設(shè)備表LUT(LogicalUnitTable)

邏輯設(shè)備表用于將應(yīng)用程序中所使用的邏輯設(shè)備名映射為物理設(shè)備名。在該表的每個(gè)表目中包含了三項(xiàng)：邏輯設(shè)備名、物理設(shè)備名和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的入口地址。6.5.4邏輯設(shè)備名到物理設(shè)備名映射的實(shí)現(xiàn)第四十頁(yè)，共67頁(yè)。

當(dāng)進(jìn)程用邏輯設(shè)備名請(qǐng)求分配I/O設(shè)備時(shí)，系統(tǒng)為它分配相應(yīng)的物理設(shè)備，并在LUT上建立一個(gè)表目，填上應(yīng)用程序中使用的邏輯設(shè)備名和系統(tǒng)分配的物理設(shè)備名，以及該設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的入口地址。當(dāng)以后進(jìn)程再利用該邏輯設(shè)備名請(qǐng)求I/O操作時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)查找LUT，便可找到物理設(shè)備和驅(qū)動(dòng)程序。

系統(tǒng)有兩種方式設(shè)置邏輯設(shè)備表：一種方式是在整個(gè)系統(tǒng)中只設(shè)置一張LUT；另一種方式為每個(gè)用戶設(shè)置一張LUT。6.5.4邏輯設(shè)備名到物理設(shè)備名映射的實(shí)現(xiàn)第四十一頁(yè)，共67頁(yè)。

用戶層軟件必須通過(guò)一組系統(tǒng)調(diào)用來(lái)取得操作系統(tǒng)服務(wù)。在現(xiàn)代的高級(jí)語(yǔ)言以及C語(yǔ)言中，通常提供了與各系統(tǒng)調(diào)用一一對(duì)應(yīng)的庫(kù)函數(shù)，用戶程序通過(guò)調(diào)用對(duì)應(yīng)的庫(kù)函數(shù)使用系統(tǒng)調(diào)用。這些庫(kù)函數(shù)與調(diào)用程序連接在一起，包含在運(yùn)行時(shí)裝入在內(nèi)存的二進(jìn)制程序中，如C語(yǔ)言中的庫(kù)函數(shù)write等，顯然這些庫(kù)函數(shù)的集合也是I/O系統(tǒng)的組成部分。但在許多現(xiàn)代操作系統(tǒng)中，系統(tǒng)調(diào)用本身已經(jīng)采用C語(yǔ)言編寫，并以函數(shù)形式提供，所以在使用C語(yǔ)言編寫的用戶程序中，可以直接使用這些系統(tǒng)調(diào)用。6.6用戶層的I/O軟件6.6.1系統(tǒng)調(diào)用與庫(kù)函數(shù)第四十二頁(yè)，共67頁(yè)。6.6.2SPOOling技術(shù)1.假脫機(jī)（SPOOLing）技術(shù)

為了緩和CPU的高速性與I/O設(shè)備低速性間的矛盾而引入了脫機(jī)輸入、脫機(jī)輸出技術(shù)。該技術(shù)是利用專門的外圍控制機(jī)，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。這樣，便可在主機(jī)的直接控制下，實(shí)現(xiàn)脫機(jī)輸入、輸出功能。此時(shí)的外圍操作與CPU對(duì)數(shù)據(jù)的處理同時(shí)進(jìn)行，這種在聯(lián)機(jī)情況下實(shí)現(xiàn)的同時(shí)外圍操作稱為SPOOLing(SimultaneausPeriphernalOperatingOn-Line)，或稱為假脫機(jī)操作。第四十三頁(yè)，共67頁(yè)。2.SPOOLing系統(tǒng)的組成SPOOLing系統(tǒng)主要由四部分構(gòu)成：（1）輸入井和輸出井在磁盤上開(kāi)辟出來(lái)的兩個(gè)存儲(chǔ)區(qū)域；（2）輸入緩沖區(qū)和輸出緩沖區(qū)在內(nèi)存開(kāi)辟的兩個(gè)緩沖區(qū)；（3）輸入進(jìn)程和輸出進(jìn)程；（4）井管理程序。6.6.2SPOOling技術(shù)第四十四頁(yè)，共67頁(yè)。3.SPOOLing系統(tǒng)的特點(diǎn)提高了I/O的速度。對(duì)數(shù)據(jù)所執(zhí)行的I/O操作，已從對(duì)低速I/O設(shè)備執(zhí)行的I/O操作演變?yōu)閷?duì)磁盤緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)的存取。(2)將獨(dú)占設(shè)備改造為共享設(shè)備。(3)實(shí)現(xiàn)了虛擬設(shè)備功能。6.6.2SPOOling技術(shù)第四十五頁(yè)，共67頁(yè)。4.假脫機(jī)打印機(jī)系統(tǒng)假脫機(jī)打印系統(tǒng)有三個(gè)部分：磁盤緩沖區(qū)、打印緩沖區(qū)、假脫機(jī)管理進(jìn)程和假脫機(jī)打印進(jìn)程。

當(dāng)用戶進(jìn)程請(qǐng)求打印輸出時(shí)，SPOOLing系統(tǒng)并不真正立即把打印機(jī)分配給該用戶進(jìn)程，而完成兩項(xiàng)工作：①在磁盤緩沖區(qū)中為之申請(qǐng)一個(gè)空閑盤塊，并將要打印的數(shù)據(jù)送入其中暫存；②為用戶進(jìn)程申請(qǐng)一張空白的用戶請(qǐng)求打印表，并將用戶的打印要求填入其中，再將該表掛到假脫機(jī)文件隊(duì)列上。6.6.2SPOOling技術(shù)第四十六頁(yè)，共67頁(yè)。6.7緩沖區(qū)管理6.7.1緩沖的引入緩和CPU與I/O設(shè)備間速度不匹配的矛盾。(2)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。(3)解決數(shù)據(jù)粒度不匹配的問(wèn)題(4)提高CPU和I/O設(shè)備之間的并行性第四十七頁(yè)，共67頁(yè)。6.7.2單緩沖區(qū)和雙緩沖區(qū)1.單緩沖區(qū)(SingleBuffer)第四十八頁(yè)，共67頁(yè)。2.雙緩沖區(qū)(DoubleBuffer)6.7.2單緩沖區(qū)和雙緩沖區(qū)第四十九頁(yè)，共67頁(yè)。圖5-13雙機(jī)通信時(shí)緩沖區(qū)的設(shè)置6.7.2單緩沖區(qū)和雙緩沖區(qū)第五十頁(yè)，共67頁(yè)。6.7.3環(huán)形緩沖區(qū)1.環(huán)形緩沖區(qū)的組成圖

環(huán)形緩沖區(qū)第五十一頁(yè)，共67頁(yè)。2.環(huán)形緩沖區(qū)的使用Getbuf過(guò)程。(2)Releasebuf過(guò)程。6.7.3環(huán)形緩沖區(qū)3.進(jìn)程之間的同步問(wèn)題Nexti指針追趕上Nextg指針。(2)Nextg指針追趕上Nexti指針。第五十二頁(yè)，共67頁(yè)。6.7.4緩沖池(BufferPool)1.緩沖池的組成對(duì)于既可用于輸入又可用于輸出的公用緩沖池，其中至少應(yīng)含有以下三種類型的緩沖區(qū)：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)。

為了管理上的方便，可將相同類型的緩沖區(qū)鏈成一個(gè)隊(duì)列，于是可形成以下三個(gè)隊(duì)列：(1)空緩沖隊(duì)列emq。

(2)輸入隊(duì)列inq。

(3)輸出隊(duì)列outq。第五十三頁(yè)，共67頁(yè)。2.Getbuf過(guò)程和Putbuf過(guò)程ProcedureGetbuf(type){Wait(RS(type));Wait(MS(type));B(number)=Takebuf(type);Signal(MS(type));}6.7.4緩沖池(BufferPool)voidPutbuf(type,number){Wait(MS(type));Addbuf(type,number);Signal(MS(type));Signal(RS(type));}第五十四頁(yè)，共67頁(yè)。3.緩沖區(qū)的工作方式圖5-15緩沖區(qū)的工作方式6.7.4緩沖池(BufferPool)收容輸入：Getbuf(emq)->Putbuf(inq,hin)提取輸入：Getbuf(inq)->Putbuf(emq,sin)提取輸出：Getbuf(outq)->Putbuf(emq,sout)收容輸出：Getbuf(emq)->Putbuf(outq,hout)第五十五頁(yè)，共67頁(yè)。思考一I/O軟件一般分為用戶層軟件、設(shè)備獨(dú)立性軟件、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和終端處理程序這四個(gè)層次。請(qǐng)說(shuō)明下列工作分別是在哪一層完成的？（1）向設(shè)備寄存器寫命令。（2）檢查用戶是否有權(quán)使用設(shè)備。（3）將二進(jìn)制整數(shù)轉(zhuǎn)換成ASCII碼的格式打印。（4）緩沖管理。12.1S第五十六頁(yè)，共67頁(yè)。6.8磁盤存儲(chǔ)器的性能和調(diào)度磁盤存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中最重要的存儲(chǔ)設(shè)備。改善磁盤系統(tǒng)性能的途徑：（1）通過(guò)選擇好的磁盤調(diào)度算法，以減少磁盤的尋道時(shí)間；（2）提高磁盤I/O速度，以提高對(duì)文件的訪問(wèn)速度；（3）采取冗余技術(shù)，提高磁盤系統(tǒng)的可靠性。第五十七頁(yè)，共67頁(yè)。6.8.1磁盤性能簡(jiǎn)述1.數(shù)據(jù)的組織和格式圖5-22磁盤的格式化第五十八頁(yè)，共67頁(yè)。2.磁盤的類型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(guò)這些磁頭可訪問(wèn)所有各磁道，并進(jìn)行并行讀/寫，有效地提高了磁盤的I/O速度。這種結(jié)構(gòu)的磁盤主要用于大容量磁盤上。

2)移動(dòng)頭磁盤每一個(gè)盤面僅配有一個(gè)磁頭，也被裝入磁臂中。為能訪問(wèn)該盤面上的所有磁道，該磁頭必須能移動(dòng)以進(jìn)行尋道?？梢?jiàn)，移動(dòng)磁頭僅能以串行方式讀/寫，致使其I/O速度較慢；但由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，故仍廣泛應(yīng)用于中小型磁盤設(shè)備中。6.8.1磁盤性能簡(jiǎn)述第五十九頁(yè)，共67頁(yè)。3.磁盤訪問(wèn)時(shí)間1)尋道時(shí)間Ts這是指把磁臂(磁