操作系統第9章

1第九章、設備管理9.1、引言9.2、數據傳送方式9.3、中斷技術9.4、緩沖技術9.5、設備分配9.6、I/O進程控制29.1、引言存儲設備： 用來存放各種信息的設備稱為存儲設備 軟盤、硬盤、光盤和磁帶等；I/O設備： 用來向計算機輸入和輸出信息的設備,

鍵盤、鼠標、顯示器、打印機等。3外部設備特性1.速度 傳輸速度的差別大，如鍵盤的傳輸速度不過幾十，上百個字符，而磁盤的傳輸速度則是幾十萬字節/每秒。2.傳輸單位 字節：鍵盤、打印機、顯示器；LPT1、LPT2

字符塊：軟盤、硬盤、磁帶等； 位：個人計算機中的串口，COM1、COM2,USB接口3.操作特性 設備完成的操作種類各不相同，如打印機只允許寫操作，鍵盤只能做讀操作，而磁盤既可讀，也可寫。4.出錯條件 不同的設備，其出錯條件也不相同，即數據傳輸失敗的原因各種各樣，如打印機有缺紙錯，磁盤I/O有奇偶校驗錯等。4設備管理：對計算機輸入輸出系統的管理。一、實現任務：

1、為用戶提供方便、友好的、透明的接口；

2、選擇并分配任務給外設，以進行數據傳輸；

3、控制外設和CPU之間傳遞信息；

4、提高并行程度，提高系統資源的利用率。5二、設備管理功能：1、提供與進程管理系統的接口；9.62、進行設備分配；9.53、實現輸入輸出（I/O）操作； 數據傳送方式9.2、緩沖技術9.4、驅動9.74、通過各種技術實現CPU與外設、外設之間的并行、均衡操作。（通道、中斷、緩沖）9.2、9.36三、設備的分類使 存儲設備用 輸入/輸出設備特 終端設備性 脫機設備從 系統設備屬關系 用戶設備資 獨享設備源 共享設備分 虛擬設備配 （SPOOLing技術用硬盤模擬輸入輸出設備。）

信 字符設備息

組

織 塊設備7虛擬設備技術－Spooling系統

指通過共享設備來模擬獨占型設備的動作，使獨占型設備成為共享設備，從而提高了設備利用率和系統的效率的技術。實現虛擬設備技術的硬件和軟件系統稱為Spooling系統（假脫機系統）。

是對脫機輸入、輸出工作的模擬，它必須有高速隨機外存的支持，這通常是采用磁盤。

特點：

1、提高了I/O速度；

2、將獨占設備改造為共享設備；

3、實現了虛擬設備功能。8輸入井和輸出井：磁盤上的存儲空間，模擬脫機輸入和輸出時的磁盤。輸入緩沖區和輸出緩沖區：這兩個緩沖區是在內存中開辟的，輸入緩沖區用于暫存由輸入設備送來的數據，以后再傳送到輸入井。輸出緩沖區用于暫存從輸出井送來的數據，以后再傳送給輸出設備。輸入進程SPi和輸出進程SPo：模擬脫機輸入和輸出時的外圍控制機。Spooling系統主要有以下三部分：9例：進程要求打印機；在某共享設備上的輸出SPOOL存儲區中為其分配一塊存儲空間；并為該進程的輸出數據建立一個文件——相當于虛擬的行式打印機。各進程的輸出都以文件形式暫時存放在輸出SPOOL存儲區中并形成了一個輸出隊列。輸出SPOOL控制打印機進程，依次將輸出隊列中的各進程的輸出文件最后實際地打印出來。10特點

1、用戶進程并未真正分得打印機，即打印機未分給某個進程獨占；

2、用戶進程實際被分得的是共享設備中的一個存儲區（或文件），即虛擬設備。實際的打印機由SPOOL調度依次逐個地打印SPOOL存儲區中的數據。

3、獨享設備使用效率提高了，因而系統效率也提高了。11設備獨立性

用戶在編制程序時，使用邏輯設備名，由系統實現邏輯設備到物理設備（實際設備）的轉換，用戶能獨立于具體物理設備而方便使用。1.一個程序應獨立于分配給它的某類設備的具體設備。即在用戶程序中只指明I/O使用的設備類型即可。如在系統中配備了兩臺打印機，用戶要打印時只要告訴系統要將信息送到打印機即可。程序要盡可能地與它使用的設備類型無關。即在用戶程序中只要指出要輸入或輸出信息，至于信息輸入或輸出使用的設備不需用戶指明。如果打印機、顯示器和文件。3.

在UNIX系統中，把設備與文件統一處理。12設備獨立性的優點1.方便用戶編程2.使用程序運行不受具體的機器環境的限制3.便于程序移植13外圍接口

計算機主機與I/O設備之間設置的邏輯控制部件，CPU與外設之間的接口，接受CPU發來的I/O命令，由它去控制外設工作。功能：1、實現數據的緩沖，使主機與外設的工作速度達到匹配；2、實現數據格式的變換；3、實現CPU與I/O設備之間的通信控制。組成：1、寄存器集合2、控制邏輯線路3、鏈接主機與接口、接口與外設的總線14控制流程 1、通過控制線接收和識別CPU發來的命令，控制I/O設備按CPU命令工作；

2、用狀態控制寄存器記錄設備的狀態；

3、把計算機的數據格式轉換成I/O設備所要求的格式或反之；

4、通過數據線和數據緩沖寄存器實現CPU與控制器之間的數據交換，為I/O設備提供數據緩沖；

5、發送中斷請求并接受處理機發來的中斷響應回答；159.2、數據傳送方式四種方式：

1、程序直接控制方式

2、中斷控制方式

3、DMA方式

4、通道方式選擇和衡量的原則：

1、數據傳送速度高，安全；

2、系統開銷小，處理控制程序少；

3、提高系統利用率。16一、程序直接控制方式

由用戶進程或CPU直接控制CPU或內存與外設之間的數據傳遞。NYI/O控制器17程序直接控制方式優點：

控制簡單，不需要額外的硬件支持。缺點：

1、CPU與外設之間串行，CPU測試等待外設，利用率低；

2、不能實現外設之間的并行工作，設備利用率低；

3、測試設備標志觸發器狀態，無法發現并修正外設或硬件產生的錯誤。CGZ－是否忙，CJS－是否完成適用于：

CPU速度慢、外設少的系統。18二、中斷控制方式并行設備控制器控制狀態寄存器中斷允許位CPU與設備控制器之間的中斷請求線1920中斷控制方式優點：

1、提高CPU利用率；

2、提高系統并行工作程度。缺點：

1、中斷頻繁發生時耗去CPU大量處理時間；

2、對高速外存，可能由于CPU來不及響應中斷造成數據丟失。21三、DMA方式（直接存取DirectMemoryAccess)

在外設與內存之間開辟直接的數據交換通路，減少CPU的介入。22DMA控制器由三部分組成：主機與DMA控制器的接口；DMA控制器與塊設備的接口；I/O控制邏輯；命令/狀態寄存器CR內存地址寄存器MAR

數據寄存器DR

數據計數器DC23周期竊取24關于周期竊取1、CPU頻繁訪問內存，數據總線歸CPU所有，傳輸一次需要一個總線周期；2、有DMA請求時，CPU暫停一下，把現行總線周期的下一個總線周期借給DMA請求者使用，CPU在該周期可進行除訪問內存之外的其他操作；3、DMA控制器利用借來的總線周期，控制進行數據傳送，傳完后把總線使用權歸還給CPU。25中斷請求與DMA請求比較對CPU的打擾程度響應時刻優先級中斷請求

讓CPU停下來執行中斷服務程序，保護斷點、進行I/O傳送；

在一條指令執行完后的最后一個周期采樣；低DMA請求CPU暫停一下轉讓總線使用權，不現場保護和傳送，DMA只借用CPU時間，CPU可以進行其它的操作；

每條指令執行的各階段的周期末采樣，有DMA請求，把下一個讀寫周期讓給DMA使用；高26DMA方式中斷方式：數據傳送過程由CPU控制，一批數據可中斷多次；DMA方式：CPU發啟動指令做預置工作，數據傳完的善后工作；優點：

進一步提高CPU的利用率。缺點：

1、高速外設增多，配置多個DMA控制器，開銷大；

2、CPU仍要進行預置和中斷處理。

27四、通道方式

一個獨立于CPU的專門進行輸入輸出控制的處理機，控制外設與內存之間的數據交換； 有用于傳送的通道指令，只在傳送開始前受CPU啟動，傳送結束后向CPU發中斷信號。

I/O處理機： 由運算和控制邏輯，累加器，寄存器構成，有指令系統，由通道程序控制。

28

通道指令： 在進程要求傳送數據時由系統自動生成，存放在內存；

包含：被交換數據在內存或外設的地址、傳送方向、數據塊長度、外設的特征信息。

通道程序：由通道指令組成；其在內存中的起始地址通知I/O處理機：大型機：主存中一固定單元——通道地址字CAW；微型機：CPU與IO處理機通信區；每一條通道指令稱為通道命令字CCW。

通道狀態字CSW：

IO處理機的狀態，包含有該通道及與之相連的控制器和設備的狀態。29通道運算控制部件通道地址字CAW：記錄通道程序在內存中的地址通道命令字CCW：保存正在執行的通道指令通道狀態字CSW：存放通道執行后的返回結果通道數據字CDW：存放傳輸數據命令格式一般包括： 操作碼、數據傳輸內存地址、特征位、計數器30通道控制方式的傳送過程1、進程要求傳遞數據時，CPU發Start指令啟動通道，指明I/O操作、設備號、對應通道；CPU隨后調度另一個進程執行；2、通道被啟動后，從內存讀取通道指令，設置對應外設的I/O控制器中的控制狀態寄存器；3、設備根據指令要求傳送數據；4、傳送完畢，I/O控制器通過中斷請求線發出中斷信號請求CPU進行中斷處理；5、中斷處理完后CPU返回段點繼續執行。31CPU與通道的配合目態（目態程序）管態（I/O管理程序）通道（運行通道程序）請求I/O轉管指令編制通道程序啟動通道組織I/O操作I/O操作結束向CPU發出中斷請求響應I/O中斷請求登記或例外情況處理32CPU管理程序保護現場組織通道程序保存通道程序的始址于CAW啟動I/O指令分析條件碼啟動成功使P阻塞,另選程序q運行保護程序q的現場分析中斷原因處理I/O中斷選擇可運行程序請求啟動程序程序q程序P用戶程序判斷狀態執行通道程序控制I/O設備操作,執行情況記錄在CSW出現中斷事件CSW=>主存通道號,設備號送特定寄存器通道程序執行規定的操作設備控制器和設備123456I/O的操作全過程33通道的實現和管理－大型機

專門用來負責I/O工作的處理機，比CPU功能弱，速度慢，價格便宜，多個。I/O處理機和CPU共享內存。為各IO處理機和CPU規定不同優先次序；發生競爭時，存儲器控制邏輯按優先次序予以響應；IO處理機從CPU那里“挪用”存儲周期。34通道的實現和管理－微型機

芯片組中專門I/O處理的芯片，稱為IOP(IOProcessor)，發揮通道的作用。 與DMA控制器或I/O控制器相連設備的單純數據傳輸通路。

IO處理器和CPU共享總線：CPU控制總線使用權；當CPU響應某IO處理機發出的請求總線信號，把總線使用權暫時轉讓給IO處理器—“挪用”總線周期。

35與DMA方式比較與DMA方式相同之處： 外設與內存間直接開辟數據傳送通道，不用CPU介入；與DMA方式不同之處：

DMA：硬件控制，一個DMA控制器只控制一臺(類)外設；

通道：軟件控制，一個通道可控制多臺不同類型的外設。36與中斷方式的比較中斷方式：

CPU執行程序控制傳送，在此期間CPU不能做其他事；通道方式： 通道執行通道指令，與CPU無關，CPU執行正常程序，與通道程序并行。37通道的類型傳送方式傳送單位適用于字節多路通道多個子通道輪流傳送以字節為單位交叉傳送低速外設（打印機）選擇通道一個外設以獨占方式成塊傳送以塊位單位傳送高速外設（磁盤）數組多路通道多個子通道，子通道之間輪流傳送，每個子通道上設備獨占傳送以塊為單位交叉傳送中速外設（磁帶）383940通道方式優點：

1、減少CPU的介入，提高了CPU的利用率；

2、開銷較DMA方式小，軟件控制更獨立、靈活；

3、并行程度高：

CPU與通道并行 通道之間并行 設備之間并行

41四種數據傳送方式比較以CPU為中心以內存為中心程序直接控制方式中斷方式DMA方式通道方式CPU連續介入準備和傳送過程主機和外設不能并行接口少CPU在數據準備好外設中斷請求時介入傳送過程免去連續介入中斷控制器CPU進行啟動和收尾工作，不介入傳送過程大多數時間并行，CPU利用率高DMA控制器硬件實現開銷大通道指令軟件實現開銷較小429.3、中斷技術一、基本概念：

1、中斷

2、中斷源、中斷請求、中斷響應、中斷優先級

3、開中斷與關中斷

4、中斷屏蔽

5、外中斷與內中斷

6、硬中斷與軟中斷43中斷

在進程執行期間，由于系統內發生非尋常或非預期的急需處理的事件，使CPU暫停當前進程的執行，轉而去執行針對發生事件的處理程序，處理完后又返回被中斷的進程繼續執行或調度新進程執行。44中斷源：

引起中斷發生的事件（設備、部件、條件）。中斷請求： 中斷源向CPU發出的請求中斷服務信號。中斷響應：

CPU收到中斷請求信號后轉入對應處理程序的執行。中斷優先級：

根據中斷源的輕重緩急設定，同時發生比較后選擇高優先級的先響應。 注意，中斷優先級要高于當前進程PSW中的優先級才響應。45開中斷與關中斷開中斷：

對PSW中的中斷允許位置1，表示允許當前進程被中斷。關中斷：

對PSW中的中斷允許位置0，表示不允許當前進程在執行期間被中斷，保證其“原子性”。46中斷屏蔽

用軟件方式有選擇地封鎖部分中斷，沒有被屏蔽的中斷仍能得到響應； 方式：在每類中斷源設置一個中斷屏蔽觸發器，其狀態決定其能否發出中斷請求或得到中斷響應，1—可以，0—不行；

47外中斷與內中斷外中斷（狹義中斷）：

來自CPU和內存之外的中斷，由與現行進程無關的中斷源引起，不為當前進程服務，在兩條指令之間響應，在系統級上下文中進行中斷處理。內中斷（陷入/異常）：

CPU和內存內部產生的中斷，由當前進程執行中發生的錯誤引起為當前進程服務，在一條指令的執行期間響應，在進程級上下文中進行陷入處理。48硬中斷與軟中斷硬中斷：

由CPU以外的I/O設備產生的中斷，硬件中斷可分為不可屏蔽中斷NMI和可屏蔽中斷INTR：NMI用于緊急情況的故障處理，如掉電、RAM奇偶校驗錯等INTR則用于外部依靠中斷來工作的硬件設備

軟中斷： 由程序員事先安排，在通信進程之間用軟件模擬硬中斷的一種信號通信方式，收到軟中斷信號的進程在獲得CPU后再進行中斷響應。49二、

中

斷

處

理

過

程中斷請求判斷是否響應關中斷中斷優先級判斷保護被中斷進程現場執行中斷處理子程序恢復現場開中斷返回中斷點509.4、緩沖技術緩沖器：在CPU與外設之間起緩沖作用的存儲設備或內存區。一、緩沖的引入：

1、緩和CPU與外設速度不匹配的矛盾；

2、減少中斷次數，放寬對中斷響應速度的要求；

3、提高CPU、通道和外設之間的并行程度，提高數據傳送率。51二、緩沖的種類緩沖器的設置：

硬件緩沖器：I/O控制器中數據緩沖器

軟件緩沖器：在內存劃出若干單元作緩沖區根據緩沖單元的個數：

單緩沖：放數取數不能并行。

雙緩沖：向其中一個放數時，同時從另一個取數。

多緩沖：一部分用于輸入，一部分用于輸出。

緩沖池：多個緩沖區統一管理，緩沖區可被進程共享， 用于輸入和輸出。52環形緩沖

在系統中設置若干緩沖區，并把這些緩沖區鏈接起來，這樣若干個緩沖區就形成了一個環，故稱環形緩沖區。53環形緩沖技術的使用

系統初始時，strat=in=out。 輸入時，in與out若相等，則等待。否則，將信息送入in指向的緩沖區，填滿后，in指向下一個緩沖區。

輸出時，in與out若相等，則等待（意味著系統中沒有數據可?。?。否則，取出緩沖區中的信息，next指向下一個緩沖區。54三、緩沖池的管理1、緩沖池的結構：由多個緩沖區組成

緩沖區： 緩沖首部（設備號、數據塊號、互斥標志位、 緩沖隊列指針、緩沖器號） 緩沖體（存放數據）

緩沖區類型：

1）空白緩沖區（隊列）： F(em)L(em) 2）裝滿輸入數據的緩沖區（隊列）：F(in)L(in) 3）裝滿輸出數據的緩沖區（隊列）：F(out)L(out)552、緩沖池的操作

采用FIFO方式對隊列中的緩沖區操作，隊首出隊列，隊尾入隊列。F(em)L(em)L(in)F(in)L(out)F(out)I/OI/OCPUCPU56申請和釋放緩沖區的過程get-buf(type,number)BeginP(RS(type))P(S(type))P_buf=take-buf(type,number)V(S(type))Endput-buf(type,number)Begin P(S(type))

add-buf(type,number) V(S(type)) V(RS(type))End57輸入設備輸出設備F(em)L(in)F(in)L(em)L(em)F(out)L(out)F(em)CPUhin區lsout區nsin區mhout區z工作緩沖區收容輸入提取輸入收容輸出提取輸出589.5、設備分配設備分配任務：對進程提出的I/O請求，按一定策略分配資源，忙則等待。一、數據結構系統設備表SDT（系統一張）表目1設備類型設備標識表目i獲得設備的進程DCT指針表目n…設備控制表DCT（每個設備一張）設備類型設備標識設備忙閑狀態設備等待隊列首尾指針COCT指針設備地址/設備號控制器表COCT（控制器一張）控制器標識控制器忙閑狀態CHCT指針控制器等待隊列首尾指針…通道表CHCT（通道一張）通道標識通道忙閑狀態通道等待隊列首尾指針…59二、設備分配1、原則：

1）充分發揮設備使用效率；

2）安全，避免死鎖；

3）用戶程序與具體設備無關。2、方式：

1）靜態分配：作業執行前一次性分配，獨占、安全、低效。

2）動態分配：根據申請進行動態分配。3、策略：

1）先請求先分配策略：

2）優先級高者分配策略：604、設備分配算法從SDT查到DCTP選中？按分配策略選占據設備的進程忙否？檢查分給P是否安全安全？把設備分給進程P從DCT查COCT控制器忙？分配控制器給P從COCT查CHCT通道忙？分配通道給進程P啟動I/O操作進程P發來I/O請求P進程等待TTTTFFFFTF619.7、設備驅動程序

驅動物理設備、DMA控制器、I/O控制器直接進行I/O操作的子程序的集合，是控制設備I/O工作的核心模塊。

設備驅動程序的任務是接收來自與設備無關的上層軟件的抽象請求，并執行這個請求，負責釋放這些命令，并監督它們正確執行。功能：

1、解釋用戶I/O命令；

2、設置和測試I/O控制器中寄存器的值，指定操作類型和數據流向，啟動設備進行I/O操作；

3、接收中斷處理，繼續傳遞數據和狀態。62發出I/O請求操作類型（設備、讀或寫）信息地址傳送的字節數用戶進程輸入輸出控制進程阻塞調用者驗證請求設備分配調用驅動程序校驗狀態喚醒調用者返回調用者初始化I/O傳送數據狀態返回控制進程設備驅動程序63設備驅動進程的狀態

在系統初啟時，系統為每類設備創建一個進程，執行的程序就是該設備的設備驅動程序。每類設備有一個I/O請求隊列，在系統初始化時，將系統中所有設備的I/O請求隊列置為空。設備驅動進程在該隊列上睡眠。 接受到用戶的I/O請求命令后，把用戶的請求轉換成I/O請求塊，掛到相應設備的I/O請求隊列。 一旦有I/O請求塊掛入，喚醒該設備驅動進程。它被調度到時，從隊列中取出一個I/O請求塊，并按該塊的內容執行一次I/O操作，發出I/O完成（或出錯）中斷信號。然后，檢查