1、計算機設備管理知識培訓5.1 輸入輸出管理概念一、設備管理的目的：1 1）合理地利用外部設備）合理地利用外部設備: :提高設備的并行性和均衡性提高設備的并行性和均衡性。2 2）方便用戶：）方便用戶：對各種不同的設備都使用同一界面對各種不同的設備都使用同一界面。二、設備管理的功能 根據各類設備的特點確定相應的分配策略。（根據各類設備的特點確定相應的分配策略。（包括：設備包括：設備分配策略，分配的方式，分配技術和選擇用戶的算法分配策略，分配的方式，分配技術和選擇用戶的算法。）。） 啟動設備完成實際的輸入輸出操作。啟動設備完成實際的輸入輸出操作。 向用戶提供統一、友好的使用界面。（設備獨立性）向用戶

2、提供統一、友好的使用界面。（設備獨立性） 優化設備的調度、提高設備的利用率。優化設備的調度、提高設備的利用率。外部設備：除除CPUCPU、主存之外的其它設備。、主存之外的其它設備。2 2三、設備的分類 計算機的計算機的I/OI/O設備種類很多，結構也較復雜，管理起來較困難，設備種類很多，結構也較復雜，管理起來較困難，為了管理上的方便。通常按不同的觀點從不同的角度對設備進行分為了管理上的方便。通常按不同的觀點從不同的角度對設備進行分類。類。1按所屬關系分類1 1）系統設備。指在操作系統生成時已登記于系統中的標準設備。如系統設備。指在操作系統生成時已登記于系統中的標準設備。如鍵盤、打印機、磁盤等。

3、鍵盤、打印機、磁盤等。2 2）用戶設備。指在系統生成時未登記于系統中的非標準設備。用戶設備。指在系統生成時未登記于系統中的非標準設備。用戶必須用某種方式把這類設備交給系統統一管理，如繪圖用戶必須用某種方式把這類設備交給系統統一管理，如繪圖機、掃描儀等，機、掃描儀等，3 32從設備的共享屬性（資源分配角度）分類1 1）獨占設備。指在在一段時間內只允許一個用戶（進程）訪問獨占設備。指在在一段時間內只允許一個用戶（進程）訪問的設備，如打印機、卡片輸入機等。系統一旦將這類設備分配給的設備，如打印機、卡片輸入機等。系統一旦將這類設備分配給某一作業，就在作業整個運行期間都為它獨占。某一作業，就在作業整個運

4、行期間都為它獨占。2 2）共享設備。指允許若干個用戶同時共享使用的設備，如磁盤、磁帶共享設備。指允許若干個用戶同時共享使用的設備，如磁盤、磁帶等。等。3 3）虛擬設備。為提高設備的利用率，通過虛擬設備。為提高設備的利用率，通過Spooling技術把一臺獨技術把一臺獨占設備變換為若干臺邏輯設備，供若干個用戶（進程）同時使用，占設備變換為若干臺邏輯設備，供若干個用戶（進程）同時使用，用來模擬獨占設備的那部分共享設備稱為虛擬設備。用來模擬獨占設備的那部分共享設備稱為虛擬設備。4 43從設備的使用特性分類1 1） 存儲設備。指計算機用來存儲信息的設備：如磁盤、磁帶等。存儲設備。指計算機用來存儲信息的設

5、備：如磁盤、磁帶等。2 2） 輸入輸出設備。包括輸入設備和輸出設備兩大類。輸入輸出設備。包括輸入設備和輸出設備兩大類。輸入設備：是將外部世界來的信息輸送給計算機，如鍵盤、鼠標器、掃輸入設備：是將外部世界來的信息輸送給計算機，如鍵盤、鼠標器、掃描儀等。描儀等。輸出設備：是將計算機處理或加工好的信息輸出給外部世界，如打印輸出設備：是將計算機處理或加工好的信息輸出給外部世界，如打印機、顯示器、繪圖機等。機、顯示器、繪圖機等。5 54按信息交換（單位）方式分類1 1）塊設備。指計算機的主存和外設之間的信息交換是以塊為單）塊設備。指計算機的主存和外設之間的信息交換是以塊為單位進行的設備。一塊通常是位進行

6、的設備。一塊通常是512512個字節或個字節或1K1K字節，由于信息交換字節，由于信息交換以塊為單位進行，所以這類設備有較高的存取速度；如磁盤、磁以塊為單位進行，所以這類設備有較高的存取速度；如磁盤、磁帶等。帶等。2 2）字符設備。指計算機的主存與設備之間的信息交換是以字）字符設備。指計算機的主存與設備之間的信息交換是以字符為單位進行的設備，由于每次只能傳送一個字符的信息，所符為單位進行的設備，由于每次只能傳送一個字符的信息，所以這類設備的速度較低，如鍵盤、顯示器、打印機、卡片輸入以這類設備的速度較低，如鍵盤、顯示器、打印機、卡片輸入機等。機等。6 6 計算機系統的輸入輸出設備種類、型號、規格

7、繁多，所以必計算機系統的輸入輸出設備種類、型號、規格繁多，所以必須屏蔽設備的物理特性，向用戶提供一個統一、簡便的使用接口，須屏蔽設備的物理特性，向用戶提供一個統一、簡便的使用接口，實現所謂的與設備無關性（設備獨立性）。實現所謂的與設備無關性（設備獨立性）。 所謂方便，是指用戶能擺脫具體物理設備的繁瑣規定的束所謂方便，是指用戶能擺脫具體物理設備的繁瑣規定的束縛而方便靈活地使用設備?？`而方便靈活地使用設備。 所謂統一所謂統一，是指對各種不同的設備都使用同一界面。例如，在是指對各種不同的設備都使用同一界面。例如，在UNIXUNIX系統中從各種輸入設備輸入信息都使用系統調用系統中從各種輸入設備輸入信息

8、都使用系統調用read,read,向各種輸向各種輸出設備傳送信息都使用系統調用出設備傳送信息都使用系統調用write.write.四、設備獨立性(設備無關性)邏輯設備名：用戶自己指定的設備名（設備類邏輯設備名：用戶自己指定的設備名（設備類相對號）。相對號）。物理設備名：系統提供的設備標準名稱（絕對號）。物理設備名：系統提供的設備標準名稱（絕對號）。( (一一) )設備獨立性：用戶在編制程序時使用的設備與實際使用的設備設備獨立性：用戶在編制程序時使用的設備與實際使用的設備無關，用戶程序中使用的是邏輯設備。無關，用戶程序中使用的是邏輯設備。7 71 1、一個程序應該獨立于分配給它的某種類型的具體設

9、備。、一個程序應該獨立于分配給它的某種類型的具體設備。 1 1）保護程序不會因為某一臺物理設備發生故障或已分配）保護程序不會因為某一臺物理設備發生故障或已分配給其它程序而失效；給其它程序而失效； 2 2）使操作系統根據當時總的設備配置情況自由地分配適當類型）使操作系統根據當時總的設備配置情況自由地分配適當類型的設備。的設備。2 2、一個程序應該盡可能與它所使用的、一個程序應該盡可能與它所使用的I/OI/O設備類型無關。設備類型無關。 指在指在I/OI/O信息時，可以從不同類型的設備上信息時，可以從不同類型的設備上I/OI/O，若要改變設備的類，若要改變設備的類型，程序只需做很少的修改。型，程序

10、只需做很少的修改。(二)設備獨立性的類型：邏輯設備名邏輯設備名物理設備名物理設備名設備管理設備管理8 8(三)設備管理分為兩層：1 1）輸入輸出控制系統）輸入輸出控制系統 它與用戶相互交互，完成設備的分配、調度并向程序員它與用戶相互交互，完成設備的分配、調度并向程序員提供一個統一的編程接口，實現了邏輯設備向物理設備的轉換。提供一個統一的編程接口，實現了邏輯設備向物理設備的轉換。2 2）設備驅動程序）設備驅動程序 它直接與設備打交道，控制設備控制器，完成具體的輸它直接與設備打交道，控制設備控制器，完成具體的輸入輸出。入輸出。 實現設備無關性的一個好辦法就是采用分層思想，逐層抽象。實現設備無關性的

11、一個好辦法就是采用分層思想，逐層抽象。9 95.2 數據傳輸控制方式一、IO控制方式1 1）循環測試）循環測試I/OI/O方式；方式；2 2）I/OI/O中斷方式；中斷方式；3 3）DMADMA方式；方式；4 4）通道方式。）通道方式。設備（I/O）控制器： 是是CPUCPU與與I/OI/O設備之間的接口，設備不直接與設備之間的接口，設備不直接與CPUCPU進行通信，進行通信，設備控制器接收從設備控制器接收從CPUCPU發來的命令，去控制發來的命令，去控制I/OI/O設備工作，包設備工作，包括控制括控制/ /狀態寄存器和數據緩沖寄存器。狀態寄存器和數據緩沖寄存器。1010 CPU CPU與外設

12、的活動本質上是異步的，為了實現與外設的活動本質上是異步的，為了實現CPUCPU與外設間的信息傳與外設間的信息傳送，送，CPUCPU必須重復測試外設的狀態；僅當外設是處在準備好的狀態時，必須重復測試外設的狀態；僅當外設是處在準備好的狀態時，CPUCPU才能與外設交換信息。才能與外設交換信息。問題：問題：1 1）CPUCPU的大量時間消耗在等待輸入輸出的循環檢測上，使的大量時間消耗在等待輸入輸出的循環檢測上，使CPUCPU與外與外設串行工作，嚴重影響了設串行工作，嚴重影響了CPUCPU的使用效率；的使用效率；2 2）外設的使用也不合理）外設的使用也不合理( (諸外設不能并行工作諸外設不能并行工作)

13、 )；3 3）無法支持多道程序并發執行，整個系統效率很低。）無法支持多道程序并發執行，整個系統效率很低。 在早期計算機或現代一些簡單的微型計算機系統中采用循環在早期計算機或現代一些簡單的微型計算機系統中采用循環測試傳送方式。循環測試傳送是一種用程序直接控制測試傳送方式。循環測試傳送是一種用程序直接控制I IO O操作的操作的方式。方式。1. 循環測試I/O方式；11112. IO中斷方式； 引入中斷技術后，每當設備完成引入中斷技術后，每當設備完成I IO O操作時，便向操作時，便向CPUCPU發發出中斷請求信號，通知出中斷請求信號，通知CPUCPU進行進行I/OI/O中斷處理。中斷處理。 這樣

14、，這樣，CPUCPU一旦啟動一旦啟動1 1O O設備后便可執行其它程序，僅在收設備后便可執行其它程序，僅在收到到I IO O中斷請求時才執行其中斷服務程序，進行中斷請求時才執行其中斷服務程序，進行I IO O處理。處理。 例如例如, ,行式打印機每打印一行約需行式打印機每打印一行約需60ms,60ms,在循環測試傳送方式中，在循環測試傳送方式中，大約有大約有59.99ms CPU59.99ms CPU都處于循環測試中，在程序中斷都處于循環測試中，在程序中斷I IO O方式中，方式中，CPUCPU僅用僅用0.1ms0.1ms時間處理打印機的中斷服務程序。其余的時間處理打印機的中斷服務程序。其余的

15、59.9ms59.9ms可以可以處理其它任務。處理其它任務。1212優點：優點：1 1）程序中斷傳送方式改善了）程序中斷傳送方式改善了CPUCPU的利用率；的利用率；2 2）使）使CPUCPU與外設并行操作。與外設并行操作。缺點：缺點： 采用中斷驅動采用中斷驅動I IO O方式時，每傳送一個數據方式時，每傳送一個數據CPUCPU都要做一次都要做一次中斷處理，每次中斷處理都要保護中斷處理，每次中斷處理都要保護CPUCPU現場，處理結束時又要恢現場，處理結束時又要恢復復CPUCPU現場，若管理的現場，若管理的I/OI/O設備較多，設備較多，CPUCPU會陷入這些會陷入這些I/OI/O中斷處中斷處理

16、中，無法進行其他工作。理中，無法進行其他工作。13133. DMA傳送方式（直接內存存取） 為了進一步減少為了進一步減少CPUCPU對對I IO O的干預而引入了直接存儲器訪問方式。的干預而引入了直接存儲器訪問方式。設備設備主存主存直接傳送直接傳送不用不用CPUCPU干涉干涉 I/O I/O控制器增添了控制器增添了DMADMA控制機構，在控制機構，在DMADMA控制器控制下，外設直接與控制器控制下，外設直接與內存交換成批數據而不用內存交換成批數據而不用CPUCPU干預。干預。 為了實現控制器與主機之間成批數據的直接交換，必須在為了實現控制器與主機之間成批數據的直接交換，必須在DMADMA控制器

17、中設置四類寄存器：控制器中設置四類寄存器：(1)(1)命令狀態寄存器命令狀態寄存器CRCR；(2)(2)數據緩沖寄存器數據緩沖寄存器DR;DR;(3)(3)內存地址寄存器內存地址寄存器MAR;MAR;(4)(4)數據計數器數據計數器DCDC。1414以從磁盤讀入數據為例說明以從磁盤讀入數據為例說明DMADMA方式的工作流程：方式的工作流程：1 1）當）當CPUCPU要從磁盤讀入一數據塊時，便向磁盤控制器發送一條要從磁盤讀入一數據塊時，便向磁盤控制器發送一條讀命令，該命令被送入命令寄存器讀命令，該命令被送入命令寄存器CR;CR;2 2）同時發送本次要將數據讀入內存的起始地址到）同時發送本次要將數

18、據讀入內存的起始地址到MARMAR中中; ;3 3）本次要讀的數據的字節）本次要讀的數據的字節( (符符) )數送至數送至DRDR中中; ;4 4）將磁盤源地址直接送至）將磁盤源地址直接送至DMADMA控制器的控制器的I/OI/O控制邏輯上；控制邏輯上；5 5）然后啟動）然后啟動DMADMA控制器進行數據傳送?？刂破鬟M行數據傳送。 以后以后,CPU,CPU便可去處理其他任務。此后的整個數據傳送便由便可去處理其他任務。此后的整個數據傳送便由DMADMA控制控制器進行控制。器進行控制。1515 采用采用DMADMA方式時，不僅允許方式時，不僅允許CPUCPU控制地址線，進行控制地址線，進行CPUC

19、PU與主存與主存貯器的數據交換，而且允許貯器的數據交換，而且允許DMADMA控制器接管地址線的控制權，直控制器接管地址線的控制權，直接控制接控制DMADMA控制器與主存的數據交換?？刂破髋c主存的數據交換。 當當DMADMA硬件控制磁盤與存貯器之間進行信息交換時，每當磁硬件控制磁盤與存貯器之間進行信息交換時，每當磁盤把一個數據讀入控制器的數據緩沖區時，盤把一個數據讀入控制器的數據緩沖區時，DMADMA控制器取代控制器取代CPU,CPU,接管地址總線的控制權，并按照接管地址總線的控制權，并按照DMADMA控制器中的存貯器地址寄存控制器中的存貯器地址寄存器內容器內容, ,把數據送入相應的存貯器單元中

20、。然后，把數據送入相應的存貯器單元中。然后，DMADMA硬件自動地硬件自動地把傳送的字節計數器減把傳送的字節計數器減1 1，把地址寄存器加，把地址寄存器加1 1，并恢復，并恢復CPUCPU對主存對主存貯器的控制權，貯器的控制權，DMADMA控制器對每一個傳送的數據重復上述過程，控制器對每一個傳送的數據重復上述過程，直到傳送字節計數器為直到傳送字節計數器為“0”“0”時，向時，向CPUCPU產生一個中斷信號。產生一個中斷信號。1616DMA方式的問題：1 1）DMADMA方式仍存在一定的局限性，如數據傳送的方向、存放數據的方式仍存在一定的局限性，如數據傳送的方向、存放數據的內存始址、傳送數據的長

21、度都需要內存始址、傳送數據的長度都需要CPUCPU控制；控制；2 2）每臺設備都需要配置一個）每臺設備都需要配置一個DMADMA控制器，當設備較多時，成本太高?？刂破?，當設備較多時，成本太高。該方式的特點： 數據傳輸的基本單位是數據塊；所傳送的數據是從設備直接進入內數據傳輸的基本單位是數據塊；所傳送的數據是從設備直接進入內存的存的, ,或者相反，僅在傳送一個或多個數據塊的開始或結束時才需或者相反，僅在傳送一個或多個數據塊的開始或結束時才需CPUCPU干干預，整塊數據的傳送是在控制器的控制下完成的。預，整塊數據的傳送是在控制器的控制下完成的。 DMA DMA方式較之中斷驅動方式，又是成百倍地減少

22、了方式較之中斷驅動方式，又是成百倍地減少了CPUCPU對對I IO O的干預，進一步提高了的干預，進一步提高了CPUCPU與與I/OI/O設備的并行程度。設備的并行程度。1717通道：專門負責通道：專門負責I IO O控制的處理機?？刂频奶幚頇C。它接收它接收CPU的委托，獨立的委托，獨立地執行自己的通道程序，管理和控制輸入輸出操作，實現主存貯地執行自己的通道程序，管理和控制輸入輸出操作，實現主存貯器與外圍設備之間的成批數據傳送。器與外圍設備之間的成批數據傳送。 在大中型和高檔小型計算機系統中，大多采用通道技術。通道有在大中型和高檔小型計算機系統中，大多采用通道技術。通道有自己的簡單指令系統，數

23、據傳送指令和設備控制指令等。通道執行的自己的簡單指令系統，數據傳送指令和設備控制指令等。通道執行的程序稱為通道程序。程序稱為通道程序。 與與DMADMA方式相比，通道有更強的方式相比，通道有更強的I IO O處理能力。處理能力。4. 通道方式 當當CPUCPU委托的委托的I IO O任務完成后，通道發出中斷信號，請求任務完成后，通道發出中斷信號，請求CPUCPU處理。處理。使使CPUCPU擺脫了繁瑣的輸入輸出控制工作，提高了擺脫了繁瑣的輸入輸出控制工作，提高了CPUCPU與外圍設備工作的并與外圍設備工作的并行程度。多通道之間可實現了并行操作，各通道控制的外圍設備也實現行程度。多通道之間可實現了

24、并行操作，各通道控制的外圍設備也實現了并行操作，從而提高整個系統的處理效率。了并行操作，從而提高整個系統的處理效率。 1818 按照信息的交換方式和控制設備的種類，通道可以分為三種類型：1）字節多路通道 字節多路通道以字節為單位傳輸信息，它可以以字節交字節多路通道以字節為單位傳輸信息，它可以以字節交叉方式執行多個通道程序。當一個通道程序控制某臺設備傳叉方式執行多個通道程序。當一個通道程序控制某臺設備傳送一個字節后，通道硬件就控制轉去執行另一個通道程序，送一個字節后，通道硬件就控制轉去執行另一個通道程序，控制另一臺設備傳送信息。控制另一臺設備傳送信息。 字節多路通道主要用來連接大量慢速的字符設備

25、，如紙帶輸入字節多路通道主要用來連接大量慢速的字符設備，如紙帶輸入出機，卡片輸入出機、打印機、終端等等。在出機，卡片輸入出機、打印機、終端等等。在IBM370IBM370系統中，這樣系統中，這樣的通道可連接的通道可連接256256臺設備。臺設備。19192）選擇通道 選擇通道每次選擇一臺設備，執行一個通道程序，傳送一選擇通道每次選擇一臺設備，執行一個通道程序，傳送一批數據，當這臺設備數據傳輸完成后，再選擇與通道連接的另批數據，當這臺設備數據傳輸完成后，再選擇與通道連接的另一臺設備，執行它的相應的通道程序。選擇通道在一段時間內一臺設備，執行它的相應的通道程序。選擇通道在一段時間內只允許一臺設備進

26、行數據傳輸，傳送速度很高，但在設備傳輸只允許一臺設備進行數據傳輸，傳送速度很高，但在設備傳輸未完成之前，由它獨占通道。由于選擇通道能控制設備高速連未完成之前，由它獨占通道。由于選擇通道能控制設備高速連續地傳送一批數據，因此常用它連接高速的塊設備。如磁盤、續地傳送一批數據，因此常用它連接高速的塊設備。如磁盤、磁鼓等。磁鼓等。 2020 3成(數）組多路通道 成組多路通道結合了選擇通道傳送速度高和字節多路通成組多路通道結合了選擇通道傳送速度高和字節多路通道能進行并行操作的優點，采用分時輪轉同時控制多臺設備。道能進行并行操作的優點，采用分時輪轉同時控制多臺設備。它先為一臺設備執行一條通道指令然后自動

27、轉接，為另一它先為一臺設備執行一條通道指令然后自動轉接，為另一臺設備執行一條通道指令。因此常用它連接中速的塊設備。臺設備執行一條通道指令。因此常用它連接中速的塊設備。如磁帶等。如磁帶等。 2121主存主存CPUCPU 字節字節多路通道多路通道 選擇選擇 通道通道 成組成組多路通道多路通道CPUCPU總線總線磁盤磁盤磁帶磁帶I/OI/O控制控制I/OI/O控制控制I/OI/O控制控制I/OI/O控制控制I/OI/O控制控制I/OI/O控制控制I/OI/O控制控制I/OI/O控制控制I/OI/O控制控制 采用通道方式的計算機系統結構采用通道方式的計算機系統結構22221.1.中斷：一進程占有處理機

28、執行期間系統發生各種事件需要處中斷：一進程占有處理機執行期間系統發生各種事件需要處理機來處理，從而使得處理機暫停當前進程的執行而轉去執行理機來處理，從而使得處理機暫停當前進程的執行而轉去執行相應的中斷處理程序，待事件處理完畢后再返回原來被中斷處相應的中斷處理程序，待事件處理完畢后再返回原來被中斷處繼續執行的過程。繼續執行的過程。5.3 中斷技術一、中斷的基本概念2.2.中斷源：引起中斷發生的事件。中斷源：引起中斷發生的事件。3.3.中斷請求：中斷源向處理機發出的請求中斷處理的信號。中斷請求：中斷源向處理機發出的請求中斷處理的信號。4.4.中斷處理程序：對中斷事件進行相應處理的操作系統程序。中斷

29、處理程序：對中斷事件進行相應處理的操作系統程序。23231.1.強迫性中斷事件（非運行進程所期望的）強迫性中斷事件（非運行進程所期望的）二、中斷事件的類型2.2.自愿性中斷事件（運行進程所要求的）自愿性中斷事件（運行進程所要求的）硬件故障中斷（電源掉電、讀硬件故障中斷（電源掉電、讀/ /寫錯等）寫錯等）程序性中斷（數據溢出、訪問溢出等）程序性中斷（數據溢出、訪問溢出等）外部中斷（鍵盤輸入命令）外部中斷（鍵盤輸入命令）輸入輸出中斷（外部設備故障）輸入輸出中斷（外部設備故障）訪管中斷（執行一條訪管中斷（執行一條“訪管指令訪管指令”請求系統調用）。請求系統調用）。2424 中斷碼存入中斷碼存入PSW

30、PSW寄存器的中斷碼位寄存器的中斷碼位 將舊將舊PSW PSW 將新將新PSWPSW保存到主存保存到主存 送到送到PSWPSW寄存器。寄存器。 CPU CPU收到中斷請求后轉相應的中斷處理程序的過程稱為中斷響應。收到中斷請求后轉相應的中斷處理程序的過程稱為中斷響應。三、中斷響應 PSW寄存器寄存器1.1.保存被中斷進保存被中斷進程的現場程的現場2.2.執行中斷處理執行中斷處理程序程序 四、中斷處理過程 應用應用 程序程序 交換交換PSWPSW 執行中斷執行中斷 處理程序處理程序 PSW PSW寄存器寄存器CPU 1. 1. 發現和識別中斷事件發現和識別中斷事件: :硬件設有中斷裝置發現和識別中

31、斷硬件設有中斷裝置發現和識別中斷事件。事件。2. 2. 交換交換PSWPSW2525五、中斷處理的原則硬件故障中斷硬件故障中斷輸出事件的性質。輸出事件的性質。程序性中斷程序性中斷輸出進程名，程序斷點，事件性質。輸出進程名，程序斷點，事件性質。外部中斷外部中斷接收外部請求后轉例行子程序。接收外部請求后轉例行子程序。 正常情況，釋放等待進程。正常情況，釋放等待進程。輸入輸出中斷輸入輸出中斷 異常情況，告知出錯信息。異常情況，告知出錯信息。訪管中斷訪管中斷根據訪管指令中的功能號轉對應的系統調用。根據訪管指令中的功能號轉對應的系統調用。2626中斷優先級順序：中斷優先級順序： 硬件故障中斷自愿性中斷程

32、序性中斷外部中斷輸入輸出硬件故障中斷自愿性中斷程序性中斷外部中斷輸入輸出中斷中斷。七、中斷屏蔽 中斷請求產生之后，系統用軟件的方法有選擇地封鎖部中斷請求產生之后，系統用軟件的方法有選擇地封鎖部分中斷而響應其余中斷。分中斷而響應其余中斷。六、中斷優先級 當多個中斷事件同時發生時，中斷裝置按預先定好的順序當多個中斷事件同時發生時，中斷裝置按預先定好的順序響應同時出現的中斷事件，這個預先定好的順序稱為中斷優先響應同時出現的中斷事件，這個預先定好的順序稱為中斷優先級。級。27275.4 緩沖技術一、概述引入緩沖技術的目的：引入緩沖技術的目的：1 1）改善）改善CPUCPU與外圍設備之間速度不匹配的矛盾

33、；與外圍設備之間速度不匹配的矛盾；2 2）減少中斷減少中斷CPU的次數，放寬的次數，放寬CPU對中斷的響應時間。對中斷的響應時間。3 3）減少占用通道的時間，使通道的瓶頸現象得以緩和，從而減少占用通道的時間，使通道的瓶頸現象得以緩和，從而顯著提高顯著提高CPU、通道、通道、I/O設備間的并行操作程度。設備間的并行操作程度。緩沖技術實現的基本思想：緩沖技術實現的基本思想： 當一個進程執行寫操作輸出數據時，先向系統申請一個主存區當一個進程執行寫操作輸出數據時，先向系統申請一個主存區域域緩沖區，然后，將數據高速送到緩沖區。若為順序寫請求，則緩沖區，然后，將數據高速送到緩沖區。若為順序寫請求，則不斷把

34、數據填到緩沖區，直到它被裝滿為止。此后，進程可以繼續它不斷把數據填到緩沖區，直到它被裝滿為止。此后，進程可以繼續它的計算，同時，系統將緩沖區內容寫到的計算，同時，系統將緩沖區內容寫到I IO O設備上。設備上。2828 在輸出數據時，只有在系統還來不及騰空緩沖區之前，進在輸出數據時，只有在系統還來不及騰空緩沖區之前，進程又欲輸出信息時，它才需要等待；在輸入數據時，僅當緩沖程又欲輸出信息時，它才需要等待；在輸入數據時，僅當緩沖區空而進程又要從中讀取數據時，它才被迫等待。其它時間可區空而進程又要從中讀取數據時，它才被迫等待。其它時間可以進一步提高以進一步提高CPUCPU和和I IO O設備的并行性

35、，以及設備的并行性，以及I IO O設備和設備和I IO O設備設備之間的并行性，從而，提高之間的并行性，從而，提高整個系統的效率。整個系統的效率。緩沖的類型緩沖的類型 單緩沖單緩沖雙緩沖雙緩沖多緩沖（環形緩沖）多緩沖（環形緩沖）緩沖池（緩沖池（UNIXUNIX操作系統）操作系統）1 1）硬緩沖）硬緩沖寄存器寄存器2 2）軟緩沖）軟緩沖在主存中開辟一片區域充當緩沖區，并設置在主存中開辟一片區域充當緩沖區，并設置 I/OI/O指針。指針。 根據系統設置緩存器的數目可把緩沖的類型分為：根據系統設置緩存器的數目可把緩沖的類型分為：29292.雙緩沖 兩個緩沖區交替使用，使兩個緩沖區交替使用，使CPU

36、CPU和和I IO O設備的并行性進一步設備的并行性進一步提高，僅當兩個緩沖區都取空，進程還要提取數據時，它再被提高，僅當兩個緩沖區都取空，進程還要提取數據時，它再被迫等待。迫等待。 緩沖區緩沖區1 1 取出取出 緩沖區緩沖區2 2 放入放入 1.單緩沖 緩沖區緩沖區 放入放入 取出取出 放數據和取數據以串行方式工作，一般說，每次讀寫操作放數據和取數據以串行方式工作，一般說，每次讀寫操作都要轉入進程調度，所以，采用單緩沖技術，都要轉入進程調度，所以，采用單緩沖技術，I/OI/O設備并行性差，設備并行性差，系統效率低。系統效率低。30303.環形緩沖技術 環形緩沖技術是在主存中分配一組大小相等的

37、存貯區作為環形緩沖技術是在主存中分配一組大小相等的存貯區作為緩沖區，并將這些緩沖區鏈接起來，系統中有個緩沖區鏈首指緩沖區，并將這些緩沖區鏈接起來，系統中有個緩沖區鏈首指針指向第一個緩沖區，每個緩沖區中有一個指向下一個緩沖區針指向第一個緩沖區，每個緩沖區中有一個指向下一個緩沖區的指針，最后一個緩沖區中的指針指向第一個緩沖區，從而形的指針，最后一個緩沖區中的指針指向第一個緩沖區，從而形成環形緩沖區鏈，系統可循環使用這些緩沖區。成環形緩沖區鏈，系統可循環使用這些緩沖區。 環形緩沖區用于輸入環形緩沖區用于輸入( (輸出輸出) )時，還要有兩個指針時，還要有兩個指針1N1N和和0UT0UT，ININ指向

38、可接收數據的空閉緩沖區的首址，指向可接收數據的空閉緩沖區的首址，OUTOUT指針指向裝好數指針指向裝好數據且未取走的緩沖區首址。據且未取走的緩沖區首址。313132324.緩沖池 緩沖池由內存中一組大小相等的緩沖區組成，池中各緩沖區的緩沖池由內存中一組大小相等的緩沖區組成，池中各緩沖區的大小與用于大小與用于I I0 0設備的基本信息單位相似，緩沖池屬系統資源，由設備的基本信息單位相似，緩沖池屬系統資源，由系統進行管理。緩沖池中各緩沖區可用于輸出輸入信息，并可根據系統進行管理。緩沖池中各緩沖區可用于輸出輸入信息，并可根據需要組成各種緩沖區隊列。需要組成各種緩沖區隊列。 緩沖池中的緩沖區一般有以下

39、三種類型：空閑緩沖區、裝輸緩沖池中的緩沖區一般有以下三種類型：空閑緩沖區、裝輸入數據的緩沖區和裝輸出數據的緩沖區。入數據的緩沖區和裝輸出數據的緩沖區。 1.緩沖池結構緩沖池結構 緩沖池由多個緩存區組成。緩沖池由多個緩存區組成。 緩沖首部：緩沖區的說明信息。緩沖首部：緩沖區的說明信息。緩沖區由兩部分組成緩沖區由兩部分組成 緩沖體：存放數據的區域。緩沖體：存放數據的區域。3333緩沖區隊列緩沖區隊列:空白緩沖隊列空白緩沖隊列em，隊首指針，隊首指針F（em），隊尾指針），隊尾指針L（em）。輸）。輸入緩沖隊列入緩沖隊列in，隊首指針，隊首指針F（in），隊尾指針），隊尾指針L（in）。）。輸出緩沖

40、隊列輸出緩沖隊列out，隊首指針，隊首指針F（out），隊尾指針），隊尾指針L（out）緩沖區隊列緩沖區緩沖區隊列緩沖區2.2.工作緩沖區工作緩沖區: :收容輸入緩沖區收容輸入緩沖區hin hin 提取輸入緩沖區提取輸入緩沖區sinsin收容輸出緩沖區收容輸出緩沖區hout hout 提取輸出緩沖區提取輸出緩沖區soutsout34343.3.緩沖池管理緩沖池管理（1 1）從緩沖區隊列取出一個緩沖區的過程：）從緩沖區隊列取出一個緩沖區的過程： take-buf take-buf（typetype）；）；（2 2）將一個緩沖區插入緩沖區隊列的過程：）將一個緩沖區插入緩沖區隊列的過程： add-b

41、uf add-buf（typetype，numbernumber）；）；（3 3）進程申請一個緩沖區用的過程：）進程申請一個緩沖區用的過程： get-buf get-buf（typetype，numbernumber）；）；（4 4）進程釋放一個緩沖區用的過程：）進程釋放一個緩沖區用的過程： put-buf put-buf（typetype，work-bufwork-buf）。）。 其中：參數其中：參數typetype表示緩沖區隊列；表示緩沖區隊列； 參數參數numbernumber為緩沖區號；為緩沖區號； 參數參數work-bufwork-buf為工作緩沖區類型。為工作緩沖區類型。35354

42、.4.緩沖池的工作過程緩沖池的工作過程收容輸入：收容輸入： 收容輸出：收容輸出：get-bufget-buf（emem，numbernumber）；）； get-buf get-buf（emem，numbernumber）；）；設備放入輸入數據；設備放入輸入數據； 進程放入輸出數據；進程放入輸出數據；put-bufput-buf（inin，hinhin） put-buf put-buf（outout，houthout）提取輸入：提取輸入： 提取輸出：提取輸出：get-bufget-buf（inin，numbernumber）；）； get-buf get-buf（outout，numbernu

43、mber）；）；進程取出輸入數據；進程取出輸入數據； 設備取出輸出數據；設備取出輸出數據；put-bufput-buf（emem，sinsin） put-buf put-buf（emem，soutsout）。）。5.5.特點：既可以用于輸入又可以用于輸出。特點：既可以用于輸入又可以用于輸出。3636 當進程向系統提出當進程向系統提出I/OI/O請求后，由設備分配程序按照一定的策略請求后，由設備分配程序按照一定的策略把所要求的設備分配給該進程，為確保把所要求的設備分配給該進程，為確保CPUCPU與設備之間能進行通信，與設備之間能進行通信，還應分配相應的控制器和通道。還應分配相應的控制器和通道。5

44、.5 設備的分配一、設備分配的功能一、設備分配的功能系統設備表（系統設備表（SDT）整個系統一張，每個設備占一個表項，整個系統一張，每個設備占一個表項，記錄了系統中所有設備的情況。記錄了系統中所有設備的情況。 設備控制表（設備控制表（DCT）每個設備一張，記錄了設備特性以及每個設備一張，記錄了設備特性以及設備和設備和I/O控制器的連接情況。控制器的連接情況?？刂破鞅恚刂破鞅恚–OCT）每個控制器一張，記錄了控制器的使每個控制器一張，記錄了控制器的使用狀態以及和通道的連接情況。用狀態以及和通道的連接情況。通道控制表（通道控制表（CHCT）每個通道一張，記錄了通道的情況。每個通道一張，記錄了通道

45、的情況。二、設備分配的數據結構二、設備分配的數據結構3737 系統必須具有一種合理的設備分配策略，該策略與下述的四個因素系統必須具有一種合理的設備分配策略，該策略與下述的四個因素有關；有關；1 1）I IO O設備的固有屬性，該設備僅適合于某進程獨占或可供幾個設備的固有屬性，該設備僅適合于某進程獨占或可供幾個進程共享（設備的分配方式）；進程共享（設備的分配方式）；三、設備分配原則2 2）系統采用的分配算法，是采用先請求先分配方式，還是按優）系統采用的分配算法，是采用先請求先分配方式，還是按優先級最高者優先分配的方式（設備的分配策略）；先級最高者優先分配的方式（設備的分配策略）；3 3）設備分配

46、的安全性，不合理的設備分配有可能導致死鎖的發生；）設備分配的安全性，不合理的設備分配有可能導致死鎖的發生；4 4）設備的無關性，用戶程序與實際使用的物理設備無關。）設備的無關性，用戶程序與實際使用的物理設備無關。3838（一）設備分配的方式靜態分配：是在作業級進行的，當一個作業運行之前由系統靜態分配：是在作業級進行的，當一個作業運行之前由系統一次分配滿足需要的全部設備，這些設備一直為該作業占用，一次分配滿足需要的全部設備，這些設備一直為該作業占用，直到作業撤消。這種分配不會出現死鎖，但設備的利用效率直到作業撤消。這種分配不會出現死鎖，但設備的利用效率較低。較低。動態分配：是在進程運行的過程中進

47、行的，當進程需要使用設備時，動態分配：是在進程運行的過程中進行的，當進程需要使用設備時，通過系統調用命令向系統提出設備請求，系統按一定的分配策略給通過系統調用命令向系統提出設備請求，系統按一定的分配策略給進程分配所需設備，一旦使用完畢立即釋放。顯然這種分配方式有進程分配所需設備，一旦使用完畢立即釋放。顯然這種分配方式有利于提高設備的使用效率，但會出觀死鎖。利于提高設備的使用效率，但會出觀死鎖。3939（二）I/O設備分配算法1 1先請求先分配：根據進程對某設備提出請求的先后次序，可先請求先分配：根據進程對某設備提出請求的先后次序，可將進程排成一個隊列，設備分配程序總是先把設備分配給隊首將進程排

48、成一個隊列，設備分配程序總是先把設備分配給隊首進程。進程。2 2優先級高者優先分配：本算法總是將設備分配給優先級最高的進程。優先級高者優先分配：本算法總是將設備分配給優先級最高的進程。為此，通常在形成設備隊列時，是將優先級高的進程排在前面；對于為此，通常在形成設備隊列時，是將優先級高的進程排在前面；對于相同優先級的相同優先級的I IO O請求，則按先來先服務原則排隊。請求，則按先來先服務原則排隊。4040（三）設備分配的安全性 從進程運行的安全性上考慮，設備分配有以下兩種方式；從進程運行的安全性上考慮，設備分配有以下兩種方式；1 1安全分配方式安全分配方式( (單請求方式單請求方式) )：在這

49、種分配方式中，每當進程發：在這種分配方式中，每當進程發出出I IO O請求后便進入阻塞狀態，直至請求后便進入阻塞狀態，直至I IO O操作完成時才被喚醒。操作完成時才被喚醒。在此策略中，由于已經避免了造成死鎖的四個必要條件之一的在此策略中，由于已經避免了造成死鎖的四個必要條件之一的“請求和保護請求和保護”條件，因而分配是安全的。其缺點是進程進展緩條件，因而分配是安全的。其缺點是進程進展緩慢、慢、CPUCPU和和1 1O O之間是串行工作的。之間是串行工作的。4141 2 2不安全分配方式不安全分配方式( (多請求方式多請求方式) )：在這種分配方式中，進程發：在這種分配方式中，進程發出出I I

50、O O請求后仍繼續運行，需要時又發出第二個請求后仍繼續運行，需要時又發出第二個I IO O請求、第三請求、第三個個I IO O請求。僅當進程所請求的設備己被另一進程占用時進程請求。僅當進程所請求的設備己被另一進程占用時進程才進入阻塞狀態。才進入阻塞狀態。優點：一個進程可同時操作多個設備，使這些設備能并行工作；優點：一個進程可同時操作多個設備，使這些設備能并行工作；缺點：分配不安全，從而可能形成死鎖。因此在設備分配程序缺點：分配不安全，從而可能形成死鎖。因此在設備分配程序中還應增加一個功能，用于對本次的設備分配是否會形成死鎖中還應增加一個功能，用于對本次的設備分配是否會形成死鎖而進行安全性計算，

51、僅當計算結果說明分配是安全時，方才進而進行安全性計算，僅當計算結果說明分配是安全時，方才進行分配。行分配。（四）設備的無關性42421 1、獨享分配、獨享分配 獨占型設備有行式打印機，鍵盤，顯示器。磁帶機可作為獨占設獨占型設備有行式打印機，鍵盤，顯示器。磁帶機可作為獨占設備，也可作為共享設備。備，也可作為共享設備。 對獨占型設備一般采用靜態分配，即當一個用戶作業申請對獨占型設備一般采用靜態分配，即當一個用戶作業申請獨占設備時，系統把設備分配給這個用戶作業，直到這個作業獨占設備時，系統把設備分配給這個用戶作業，直到這個作業撤銷為止，在這期間設備被這個用戶作業獨占。撤銷為止，在這期間設備被這個用戶

52、作業獨占。2 2、共享分配、共享分配 共亨設備包括磁盤，磁鼓和磁帶。共亨設備包括磁盤，磁鼓和磁帶。 對這類設備的分配是采用動態分配的方式進行的，當一個進程對這類設備的分配是采用動態分配的方式進行的，當一個進程要請求某個設備時，系統按照某種算法立即分配相應的設備給請求要請求某個設備時，系統按照某種算法立即分配相應的設備給請求者，請求者使用完后立即釋放。者，請求者使用完后立即釋放。四、虛擬設備技術43433 3、虛擬設備技術：、虛擬設備技術：為提高計算機系統的效率，提出了在高速共享設備為提高計算機系統的效率，提出了在高速共享設備上模擬低速獨占設備功能的技術。目的是使獨占設備變成可共享的設備。上模擬

53、低速獨占設備功能的技術。目的是使獨占設備變成可共享的設備。操作系統中實現這種技術的功能模塊稱操作系統中實現這種技術的功能模塊稱SpoolingSpooling（即外部設備聯機同（即外部設備聯機同時操作時操作) )系統系統 。虛擬設備：代替獨占設備的那部分存貯空間和相應的控制結構。虛擬設備：代替獨占設備的那部分存貯空間和相應的控制結構。提出虛擬設備的原因提出虛擬設備的原因: 設備的獨占使用影響系統的效率。設備的獨占使用影響系統的效率。系統效率不高的表現：系統效率不高的表現： 1. 1.占用者不是每時每刻在使用獨占的設備；占用者不是每時每刻在使用獨占的設備； 2. 2.欲使用者必須等待這些設備；欲

54、使用者必須等待這些設備； 3. 3.獨占獨占設備的傳輸效率低（低速的設備的傳輸效率低（低速的I/OI/O設備）。設備）。4444實現虛擬設備的條件實現虛擬設備的條件 : :硬件硬件: : 通道通道 大容量磁盤大容量磁盤: : 輸入井輸入井用于存放作業的原始信息用于存放作業的原始信息 輸出井輸出井用于存放作業的執行結果用于存放作業的執行結果軟件：預輸入程序、井管理程序、緩輸出程序軟件：預輸入程序、井管理程序、緩輸出程序預輸入（程序）：在作業執行前，負責將作業信息通過獨占設備預預輸入（程序）：在作業執行前，負責將作業信息通過獨占設備預先輸入到磁盤輸入井中放好。先輸入到磁盤輸入井中放好。緩輸出（程序

55、）：在作業執行完畢后，負責組織信息輸出。緩輸出（程序）：在作業執行完畢后，負責組織信息輸出。井管理（程序）：控制用戶進程和磁盤井之間的信息交換。井管理（程序）：控制用戶進程和磁盤井之間的信息交換。 作業執行使用數據時不必再啟動獨占設備讀入，而只需從作業執行使用數據時不必再啟動獨占設備讀入，而只需從磁盤磁盤輸入井輸入井上輸入數據。上輸入數據。 作業執行中，不必啟動獨占設備輸出數據，只要將作業輸出數據寫作業執行中，不必啟動獨占設備輸出數據，只要將作業輸出數據寫入磁盤輸出井中放好入磁盤輸出井中放好45454646虛擬分配實現的過程：虛擬分配實現的過程： 當用戶當用戶( (或進程或進程) )申請獨占設

56、備時，系統給它分配共享設備的一申請獨占設備時，系統給它分配共享設備的一部分存儲空間。當進程要與設備交換信息時，系統就把要交換的信息部分存儲空間。當進程要與設備交換信息時，系統就把要交換的信息存放在這部分存儲空間。在適當的時候再將存貯空間的信息傳輸到相存放在這部分存儲空間。在適當的時候再將存貯空間的信息傳輸到相應的設備上去處理。應的設備上去處理。 如系統打印信息時，就把要打印的信息送到某個存貯空如系統打印信息時，就把要打印的信息送到某個存貯空間中去，然后由系統在適當時機把存儲空間上的信息送到打間中去，然后由系統在適當時機把存儲空間上的信息送到打印機上打印。這個時機可能是打印機空閑或打印機完成了一

57、印機上打印。這個時機可能是打印機空閑或打印機完成了一用戶的打印之后。用戶的打印之后。4747虛擬設備技術虛擬設備技術的特點的特點：1 1）提高了）提高了I/OI/O速度。從對低速速度。從對低速I/OI/O設備進行的設備進行的I/OI/O操作變為對輸入操作變為對輸入井或輸出井的操作，如同脫機操作一樣，提高了井或輸出井的操作，如同脫機操作一樣，提高了I/OI/O速度，緩和了速度，緩和了CPUCPU與低速與低速I/OI/O設備速度不匹配的矛盾。設備速度不匹配的矛盾。2 2）設備并沒有分配給任何進程。在輸入井或輸出井中，分配給進程的）設備并沒有分配給任何進程。在輸入井或輸出井中，分配給進程的是一存儲區

58、和建立一張是一存儲區和建立一張I/OI/O請求表。請求表。3 3）實現了虛擬設備功能。多個進程同時使用一獨享設備，而）實現了虛擬設備功能。多個進程同時使用一獨享設備，而對每一進程而言，都認為自己獨占這一設備，不過該設備是對每一進程而言，都認為自己獨占這一設備，不過該設備是邏輯上的設備。邏輯上的設備。48481 1）提高了獨占設備的利用率；）提高了獨占設備的利用率； 2 2）每個用戶都有速度極高的）每個用戶都有速度極高的“輸入機輸入機”和和“打印機打印機”，縮短，縮短 了作了作業執行時間；業執行時間；3 3）能夠多道并行工作）能夠多道并行工作 。實現虛擬設備實現虛擬設備的好處的好處：4949一、

59、什么是一、什么是I/OI/O進程控制進程控制 從用戶進程的輸入輸出請求開始，給用戶進程分配設備和啟動相從用戶進程的輸入輸出請求開始，給用戶進程分配設備和啟動相關設備，進行關設備，進行I/OI/O操作，以及在操作，以及在I/OI/O操作完成以后響應中斷，進行善后操作完成以后響應中斷，進行善后處理為止的整個系統控制過程。處理為止的整個系統控制過程。5.6 5.6 I/OI/O進程控制進程控制二、二、I/OI/O控制的功能控制的功能外設中斷請求外設中斷請求用戶進程用戶進程I/O請求請求中斷原因分析中斷原因分析喚醒喚醒中斷處理程序中斷處理程序I/O請求處理請求處理設備分配程序設備分配程序緩沖區管理緩沖

60、區管理中斷響應中斷響應啟動啟動I/O指令指令設備驅動程序或通道程序設備驅動程序或通道程序I/O控制控制5050一、什么是設備驅動程序一、什么是設備驅動程序 設備驅動程序，是驅動物理設備和設備驅動程序，是驅動物理設備和DMADMA控制器或控制器或I/OI/O控制器等直接進控制器等直接進行行I/OI/O操作的子程序的集合。負責設置設備有關寄存器的值，啟動設備操作的子程序的集合。負責設置設備有關寄存器的值，啟動設備進行進行I/OI/O操作，指定操作的類型和數據流向等。操作，指定操作的類型和數據流向等。二、為何要有設備驅動程序二、為何要有設備驅動程序 設備驅動程序屏蔽了直接對硬件操作的細節，為編程者提