37/37第4章設(shè)備治理4.1設(shè)備治理概述4.2輸入輸出系統(tǒng)4.3設(shè)備分配與回收4.4設(shè)備處理4.5設(shè)備治理采納的技術(shù)本章結(jié)束！4.1設(shè)備治理概述4.1.1設(shè)備治理的要緊任務設(shè)備是指計算機系統(tǒng)中的外部設(shè)備，它包括外存、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備（I/O設(shè)備）。外存的治理和使用，請參考文件治理一章。設(shè)備治理的要緊任務是完成用戶提出的輸入輸出請求，為用戶分配輸入輸出設(shè)備，提高CPU與輸入輸出設(shè)備的利用率，提高輸入輸出設(shè)備的速度，方便用戶使用輸入輸出設(shè)備。第4章設(shè)備治理4.1設(shè)備治理概述4.1.2設(shè)備治理的要緊功能1.緩沖治理它是治理好各種類型的緩沖區(qū)，協(xié)調(diào)各類設(shè)備的工作速度，提高系統(tǒng)的使用效率。它通過單緩沖區(qū)、雙緩沖區(qū)或緩沖池等機制來實現(xiàn)。2.設(shè)備分配與回收它是依照用戶提出的輸入輸出請求，為其分配所需要的設(shè)備，用戶使用完后，回收分配的設(shè)備。它通過設(shè)備操縱表、操縱器操縱表、通道操縱表和系統(tǒng)設(shè)備表記錄設(shè)備的使用情況，實現(xiàn)設(shè)備的分配與回收。第4章設(shè)備治理4.1設(shè)備治理概述4.1.2設(shè)備治理的要緊功能3.設(shè)備處理它是實現(xiàn)CPU和設(shè)備操縱器之間的通信。它通過相應的設(shè)備處理程序來實現(xiàn)。4.虛擬設(shè)備它是把每次只同意一個進程使用的物理設(shè)備，改造為能同時供多個進程共享的設(shè)備。第4章設(shè)備治理4.1設(shè)備治理概述4.1.3設(shè)備的分類1．按設(shè)備的從屬關(guān)系分類(1)系統(tǒng)設(shè)備。系統(tǒng)設(shè)備是指操作系統(tǒng)生成時差不多登記在操作系統(tǒng)中的標準設(shè)備，如鍵盤、顯示器、打印機等。(2)用戶設(shè)備。用戶設(shè)備是指操作系統(tǒng)生成時未登記在操作系統(tǒng)中的非標準設(shè)備，如繪圖儀、掃描儀等。2．按操作特性分類(1)存儲設(shè)備。存儲設(shè)備是指用來存放信息的設(shè)備，如磁盤、磁帶等。(2)輸入輸出設(shè)備。輸入輸出設(shè)備是指向CPU傳輸信息和輸出加工處理信息的設(shè)備，如鍵盤、顯示器、打印機等。第4章設(shè)備治理4.1設(shè)備治理概述4.1.3設(shè)備的分類3．按設(shè)備共享屬性分類(1)獨享設(shè)備。獨享設(shè)備是指在一段時刻內(nèi)只同意一個進程訪問的設(shè)備。系統(tǒng)一旦把這種設(shè)備分配給一個進程后，便由該進程獨占，直到用完釋放，其他進程才能使用。多數(shù)低速設(shè)備都屬于此類設(shè)備，如打印機。(2)共享設(shè)備。共享設(shè)備是指在一段時刻內(nèi)同意多個進程訪問的設(shè)備，如磁盤。(3)虛擬設(shè)備。虛擬設(shè)備是指通過虛擬技術(shù)將一臺獨占設(shè)備變換為若干臺邏輯設(shè)備，供若干個進程同時使用的設(shè)備，如虛擬打印機。第4章設(shè)備治理4.1設(shè)備治理概述4.1.3設(shè)備的分類4．按信息交換單位分類(1)塊設(shè)備。塊設(shè)備是指處理信息的差不多單位是字符塊。一般塊的大小為512B～4KB，如磁盤、磁帶等。(2)字符設(shè)備。字符設(shè)備是指處理信息的差不多單位是字符，如鍵盤、顯示器、打印機等。第4章設(shè)備治理返回4.2輸入輸出系統(tǒng)4.2.1輸入輸出系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)關(guān)于不同規(guī)模的計算機系統(tǒng)，其輸入輸出系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也有差異。通常把輸入輸出系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分成兩大類：微機輸入輸出系統(tǒng)和主機輸入輸出系統(tǒng)。1．微機輸入輸出系統(tǒng)微機輸入輸出系統(tǒng)一般采納總線輸入輸出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖4-1所示。第4章設(shè)備治理4.2輸入輸出系統(tǒng)4.2.1輸入輸出系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)1．微機輸入輸出系統(tǒng)CPU和主存是直接連接到總線上的。輸入輸出設(shè)備是通過設(shè)備操縱器連接到總線上。CPU并不直接與輸入輸出設(shè)備進行通信，而是與設(shè)備操縱器進行通信，并通過它去操縱相應的設(shè)備。因此，設(shè)備操縱器是處理器和設(shè)備之間的接口。應依照設(shè)備的類型，給設(shè)備配置與之相應的操縱器，如磁盤操縱器、打印機操縱器等。第4章設(shè)備治理4.2輸入輸出系統(tǒng)4.2.1輸入輸出系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)2．主機輸入輸出系統(tǒng)當主機所配置的輸入輸出設(shè)備較多時，特不是配有較多的高速外設(shè)時，采納總線型輸入輸出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)會加重CPU與總線的負擔。因此，在如此的輸入輸出系統(tǒng)中不宜采納單總線結(jié)構(gòu)，而是增加一級輸入輸出通道，用來代替CPU與各設(shè)備操縱器進行通信，實現(xiàn)對操縱器的操縱。具有通道的輸入輸出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4-2所示。第4章設(shè)備治理4.2輸入輸出系統(tǒng)4.2.2設(shè)備操縱器1．設(shè)備操縱器的概念設(shè)備操縱器是CPU與外圍設(shè)備之間的接口，是一個可編址設(shè)備，每一個地址對應一個設(shè)備。它接收從CPU發(fā)來的命令，并去操縱輸入輸出設(shè)備的工作，使CPU從繁雜的設(shè)備操縱事務中解脫出來，提高CPU的使用效率。設(shè)備操縱器一般分成兩大類：一類是用于操縱字符設(shè)備的操縱器；另一類是用于操縱塊設(shè)備的操縱器。第4章設(shè)備治理4.2輸入輸出系統(tǒng)4.2.2設(shè)備操縱器2．設(shè)備操縱器的功能。設(shè)備操縱器實現(xiàn)設(shè)備與CPU的通信，一般功能：（1）接收和識不命令。接收和識不由CPU發(fā)送來的各種命令，并對這些命令進行譯碼。為此，在操縱器中應設(shè)置相應的操縱寄存器，用來存放接收的命令和參數(shù)，并對所接收的命令進行譯碼。（2）交換數(shù)據(jù)。實現(xiàn)CPU與操縱器、操縱器與設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換。關(guān)于前者，是通過數(shù)據(jù)總線，由CPU并行地把數(shù)據(jù)寫入操縱器，或從操縱器中并行地讀出數(shù)據(jù)；關(guān)于后者是設(shè)備將數(shù)據(jù)輸入到操縱器，或從操縱器傳送給設(shè)備。為此，在操縱器中需要設(shè)置數(shù)據(jù)寄存器。第4章設(shè)備治理4.2輸入輸出系統(tǒng)4.2.2設(shè)備操縱器2．設(shè)備操縱器的功能。（3）了解和報告設(shè)備狀態(tài)。在操縱器中應設(shè)立一個狀態(tài)寄存器用于記錄設(shè)備的各種狀態(tài)，以供CPU使用。例如，僅當該設(shè)備處于發(fā)送就緒狀態(tài)時，CPU才能啟動操縱器從設(shè)備中讀出數(shù)據(jù)。為此，在操縱器中應設(shè)置一個狀態(tài)寄存器，用其中的每一位來反映設(shè)備的某一種狀態(tài)。當CPU將該寄存器的內(nèi)容讀入后，便能夠了解該設(shè)備的狀態(tài)。（4）識不地址。系統(tǒng)為每個設(shè)備配置一個地址，設(shè)備操縱器要能識不這些地址。此外，為使CPU能向寄存器中寫入數(shù)據(jù)，或從寄存器中讀取數(shù)據(jù)，這些寄存器應具有惟一的地址。第4章設(shè)備治理4.2輸入輸出系統(tǒng)4.2.2設(shè)備操縱器3．設(shè)備操縱器的組成由于設(shè)備操縱器處于CPU與設(shè)備之間，它既要與CPU通信，又要與設(shè)備通信，還應具有按照CPU發(fā)來的命令去操縱設(shè)備工作的功能。因此，現(xiàn)有的大多數(shù)操縱器差不多上由以下三部分組成的，如圖4-3所示。第4章設(shè)備治理4.2輸入輸出系統(tǒng)4.2.2設(shè)備操縱器3．設(shè)備操縱器的組成（1）CPU與設(shè)備操縱器的接口。該接口用于實現(xiàn)CPU與設(shè)備操縱器之間的通信。共有三類信號線：數(shù)據(jù)線、地址線和操縱線。（2）設(shè)備操縱器與設(shè)備的接口。操縱器中的輸入輸出邏輯依照處理器發(fā)送來的地址信號，去選擇一個設(shè)備接口。一個設(shè)備接口連接一臺設(shè)備。（3）輸入輸出邏輯。輸入輸出邏輯用于實現(xiàn)對輸入輸出設(shè)備的操縱。第4章設(shè)備治理4.2輸入輸出系統(tǒng)4.2.3輸入輸出通道1．輸入輸出通道的概念輸入輸出通道是指專門負責輸入輸出工作的處理器。它有自己的指令系統(tǒng)（包含數(shù)據(jù)傳送指令和設(shè)備操縱指令），能按照指定的要求獨立地完成輸入輸出操作。中央處理器能夠做相應的計算操作，從而使系統(tǒng)獲得CPU與外設(shè)的并行處理能力。第4章設(shè)備治理4.2輸入輸出系統(tǒng)4.2.3輸入輸出通道2．輸入輸出通道的分類輸入輸出通道是用于操縱外圍設(shè)備的。依照信息交換方式的不同，把通道分成三種類型：(1)字節(jié)多路通道。通常都含有許多非分配型子通道，其數(shù)量能夠從幾十到數(shù)百個，每一個子通道連接一臺輸入輸出設(shè)備，這些子通道按時刻片輪轉(zhuǎn)方式共享主通道。如圖4-4所示。字節(jié)多路通道連接低速或中速設(shè)備時，可不能丟失信息。第4章設(shè)備治理4.2輸入輸出系統(tǒng)4.2.3輸入輸出通道2．輸入輸出通道的分類(2)數(shù)據(jù)選擇通道。能夠連接多臺高速設(shè)備，然而，由于它只含有一個分配型子通道，在一段時刻內(nèi)只能執(zhí)行一個通道程序，操縱一臺設(shè)備進行數(shù)據(jù)傳送，致使當某臺設(shè)備占用了該通道后，便一直由它獨占，（即使許多據(jù)傳送，通道被閑置也不同意其他設(shè)備利用）直至該設(shè)備傳送完畢后釋放該通道。數(shù)據(jù)選擇通道盡管有專門高的傳輸速率，然而，它每次只同意一個設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)。因此，這種通道利用率專門低。第4章設(shè)備治理4.2輸入輸出系統(tǒng)4.2.3輸入輸出通道2．輸入輸出通道的分類(3)數(shù)組多路通道。將數(shù)據(jù)選擇通道傳輸速率高和字節(jié)多路通道能使各子通道（設(shè)備）分時并行操作的優(yōu)點相結(jié)合，而形成的一種新通道。它含有多個非分配型子通道，因而這種通道既具有專門高的數(shù)據(jù)傳輸速率，又能獲得令人中意的通道利用率。該通道被廣泛地用于連接多臺高、中速的外圍設(shè)備，其數(shù)據(jù)傳送是按數(shù)組方式進行的。第4章設(shè)備治理4.2輸入輸出系統(tǒng)4.2.4輸入輸出系統(tǒng)的操縱方式1．程序直接操縱方式程序直接操縱方式也稱為“忙—等待”方式，即在一個設(shè)備的操作沒有完成時，操縱程序一直檢測設(shè)備的狀態(tài)，直到該操作完成，才能進行下一個操作。步驟為：(1)當用戶需要輸入數(shù)據(jù)時，由處理器向設(shè)備操縱器發(fā)出一條輸入輸出指令，啟動設(shè)備進行輸入。(2)當用戶進程需要向設(shè)備輸出數(shù)據(jù)時，也必須同樣發(fā)出啟動命令啟動設(shè)備輸出，并等待輸出操作完成。特點：工作過程簡單，CPU的利用率低。程序直接操縱方式適用于早期的無中斷的計算機系統(tǒng)。第4章設(shè)備治理4.2輸入輸出系統(tǒng)4.2.4輸入輸出系統(tǒng)的操縱方式2．中斷操縱方式中斷操縱是指計算機在執(zhí)行期間，系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生任何非平常的或非預期的急需處理事件，使得CPU臨時中止當前正在執(zhí)行的程序而轉(zhuǎn)去執(zhí)行相應的事件處理程序，待處理完畢后又返回原來被中止處接著執(zhí)行或調(diào)度新的進程執(zhí)行的過程。特點：中斷操縱方式比程序直接操縱方式提高了CPU的利用率。每輸入輸出一個數(shù)據(jù)都會發(fā)生中斷，傳輸一組數(shù)據(jù)需要多次中斷，白費了CPU的處理時刻。中斷操縱方式應用于現(xiàn)代計算機系統(tǒng)中。第4章設(shè)備治理4.2輸入輸出系統(tǒng)4.2.4輸入輸出系統(tǒng)的操縱方式3．直接存儲器存取操縱方式（DMA）直接存儲器存取方式是指對輸入輸出設(shè)備的操縱由DMA操縱器完成，在DMA操縱器的作用下，設(shè)備和主存之間能夠成批地進行數(shù)據(jù)交換，而不用CPU的干涉。特點：數(shù)據(jù)的傳送方向、存放數(shù)據(jù)的主存始址及傳送數(shù)據(jù)的長度等都由CPU操縱，具體的數(shù)據(jù)傳送由DMA操縱器負責，每臺設(shè)備需要配一個DMA操縱器，如此輸入輸出數(shù)據(jù)傳輸速度快，CPU負擔少。直接存儲器存取操縱方式適用于塊設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸。第4章設(shè)備治理4.2輸入輸出系統(tǒng)4.2.4輸入輸出系統(tǒng)的操縱方式4．通道操縱方式通道操縱方式是一種以主存為中心，是設(shè)備與主存直接交換數(shù)據(jù)的操縱方式。CPU只需要發(fā)出啟動指令，指出通道相應的操作和輸入輸出設(shè)備，該指令就能夠啟動通道并使該通道從主存中調(diào)出相應的通道指令執(zhí)行，完成一組數(shù)據(jù)塊的輸入/輸出。特點：通道所需要的CPU干預更少，并能夠?qū)崿F(xiàn)CPU、通道和輸入輸出設(shè)備三者之間的并行操作，從而更有效地提高整個系統(tǒng)資源的利用率。通道操縱方式適用于現(xiàn)代計算機系統(tǒng)中的大量數(shù)據(jù)交換。第4章設(shè)備治理返回4.3設(shè)備分配與回收4.3.1設(shè)備分配中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為了實現(xiàn)對設(shè)備的治理和操縱，需要對每臺設(shè)備、通道、操縱器的情況進行登記。設(shè)備分配要緊采納的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有設(shè)備操縱表、操縱器操縱表、通道操縱表和系統(tǒng)設(shè)備表。如圖4-5所示。第4章設(shè)備治理4.3設(shè)備分配與回收4.3.1設(shè)備分配中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)1．設(shè)備操縱表系統(tǒng)為每臺設(shè)備配置一張設(shè)備操縱表，用于記錄設(shè)備的特性及與輸入輸出操縱器連接的情況。設(shè)備操縱表中包括：設(shè)備標識符、設(shè)備類型、設(shè)備狀態(tài)、設(shè)備等待隊列指針、輸入輸出操縱器指針、設(shè)備相對號、占用作業(yè)名等。設(shè)備標識符也稱為設(shè)備絕對號。它是指計算機系統(tǒng)對每臺設(shè)備的編號。用戶對每類設(shè)備的編號稱為設(shè)備相對號，也稱為設(shè)備類號。第4章設(shè)備治理4.3設(shè)備分配與回收4.3.1設(shè)備分配中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)2．操縱器操縱表系統(tǒng)為每個操縱器配置了一張操縱器操縱表，以反映操縱器的使用狀態(tài)，以及與通道的連接狀況等。其內(nèi)容包括操縱器標識符、操縱器的狀態(tài)、與操縱器連接的通道表指針、操縱器隊列的隊首指針、通道隊列的隊尾指針等。其中與操縱器連接的通道表指針指向該操縱器的通道操縱表。第4章設(shè)備治理4.3設(shè)備分配與回收4.3.1設(shè)備分配中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)3．通道操縱表系統(tǒng)為每個通道配置一張通道操縱表，以反映通道的使用狀態(tài)。其內(nèi)容包括通道標識符、通道狀態(tài)、等待獲得該通道的進程等待隊列指針等。第4章設(shè)備治理4.3設(shè)備分配與回收4.3.1設(shè)備分配中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)4．系統(tǒng)設(shè)備表系統(tǒng)設(shè)備表也稱為設(shè)備類表，整個系統(tǒng)配置一張。它記錄已被連接到系統(tǒng)中的所有物理設(shè)備的情況，每個物理設(shè)備占一個表目，包括設(shè)備類型、擁有設(shè)備臺數(shù)、現(xiàn)存設(shè)備臺數(shù)、設(shè)備操縱表指針等。其中設(shè)備操縱表指針指向該設(shè)備對應的設(shè)備操縱表。這幾張表的關(guān)系：在系統(tǒng)設(shè)備表中有指向設(shè)備操縱表的指針，在設(shè)備操縱表中有指向該設(shè)備操縱器操縱表的指針，在操縱器操縱表中有指向與該操縱器連接的通道操縱表的指針。系統(tǒng)確實是通過這種關(guān)系進行設(shè)備的分配與回收的。第4章設(shè)備治理4.3設(shè)備分配與回收4.3.2設(shè)備分配應考慮的因素1．設(shè)備的使用性質(zhì)按照設(shè)備自身的使用性質(zhì)，能夠采納以下三種不同的分配方式：獨享分配、共享分配、虛擬分配。獨享分配適用于大多數(shù)低速設(shè)備，如打印機。共享分配適應于高速設(shè)備，如磁盤。虛擬分配適應于虛擬設(shè)備。依照設(shè)備的使用性質(zhì)來決定一臺設(shè)備能夠分給幾個進程。第4章設(shè)備治理4.3設(shè)備分配與回收4.3.2設(shè)備分配應考慮的因素2．設(shè)備的分配算法設(shè)備的分配算法要緊是確定把設(shè)備先分給哪個進程。設(shè)備的分配算法有先來先服務和優(yōu)先權(quán)兩種。先來先服務算法是依照進程發(fā)出請求的先后順序，把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)備分配給隊首進程。優(yōu)先權(quán)算法是按照進程的優(yōu)先權(quán)的高低進行設(shè)備分配，誰的優(yōu)先權(quán)高就先把設(shè)備分給誰，對優(yōu)先權(quán)相同的按照先請求先服務的算法排隊。第4章設(shè)備治理4.3設(shè)備分配與回收4.3.2設(shè)備分配應考慮的因素3．設(shè)備分配的安全性設(shè)備分配的安全性是指在設(shè)備分配中應防止發(fā)生進程的死鎖。設(shè)備分配的安全性采納的方法有靜態(tài)分配策略和動態(tài)分配策略，它們能夠防止進程死鎖。（1）靜態(tài)分配策略。靜態(tài)分配策略是在作業(yè)級進行的，用戶作業(yè)開始執(zhí)行前，由系統(tǒng)一次分配給該作業(yè)所要求的全部設(shè)備、操縱器和通道，直到該作業(yè)撤消為止。靜態(tài)分配可不能出現(xiàn)死鎖，然而，設(shè)備利用率低。（2）動態(tài)分配策略。動態(tài)分配策略是在進程執(zhí)行過程中，依照執(zhí)行的需要所進行的設(shè)備分配。動態(tài)分配提高了設(shè)備的利用率，然而分配不當，會造成進程的死鎖。第4章設(shè)備治理4.3設(shè)備分配與回收4.3.2設(shè)備分配應考慮的因素4．設(shè)備的獨立性設(shè)備的獨立性是指用戶在編制程序時所使用的設(shè)備與實際使用的設(shè)備無關(guān)。為此，要求用戶程序?qū)斎胼敵鲈O(shè)備的請求采納邏輯設(shè)備名，而在程序?qū)嶋H執(zhí)行時使用物理設(shè)備名，它們之間的關(guān)系類似存儲治理中的邏輯地址和物理地址的關(guān)系。第4章設(shè)備治理4.3設(shè)備分配與回收4.3.3設(shè)備分配在并發(fā)進程環(huán)境中，設(shè)備分配是由系統(tǒng)完成的，以防止并發(fā)進程對設(shè)備的無序競爭。當進程提出設(shè)備請求時，系統(tǒng)啟動設(shè)備分配程序，按照一定的算法為進程分配設(shè)備、設(shè)備操縱器和通道。在這三種資源中，通道是最緊缺的資源，設(shè)備是最充足的資源，因此，設(shè)備分配的步驟是：先分配設(shè)備，再分配設(shè)備操縱器，最后分配通道。1．分配設(shè)備分配設(shè)備的過程如圖4-6所示。第4章設(shè)備治理4.3設(shè)備分配與回收4.3.3設(shè)備分配1．分配設(shè)備依照進程提出的設(shè)備名查找系統(tǒng)設(shè)備表，若沒有找到，則顯示出錯信息，并結(jié)束分配；否則，從中找到該設(shè)備的設(shè)備操縱表，查看設(shè)備操縱表中的設(shè)備狀態(tài)字段。若該設(shè)備處于忙狀態(tài)，則將進程插入到該設(shè)備的等待隊列；若設(shè)備空閑，便按照一定的算法來計算本次設(shè)備分配的安全性。若分配可不能引起死鎖則進行設(shè)備分配，修改設(shè)備操縱表，把狀態(tài)字段的值由“0”改為進程名，并修改系統(tǒng)設(shè)備表，使“現(xiàn)存設(shè)備臺數(shù)”減少分配的臺數(shù)；否則，將該進程插入到該設(shè)備的等待隊列。第4章設(shè)備治理4.3設(shè)備分配與回收4.3.3設(shè)備分配2．分配設(shè)備操縱器分配設(shè)備操縱器的過程如圖4-7所示。在系統(tǒng)把設(shè)備分配給請求輸入輸出的進程后，再到設(shè)備操縱表中找到與該設(shè)備相連的操縱器操縱表，從該表的狀態(tài)字段中可知該操縱器是否忙碌。若操縱器忙，則將進程插入到等待該操縱器的隊列；否則，將該操縱器分配給進程，即修改操縱器操縱表，把狀態(tài)字段的值由“0”改為進程名。第4章設(shè)備治理4.3設(shè)備分配與回收4.3.3設(shè)備分配3．分配通道分配通道的過程如圖4-8所示。在分配完設(shè)備操縱器后，從操縱器操縱表中找到與該操縱器相連的通道操縱表，從該表的狀態(tài)字段中可知該通道是否忙碌。若通道處于忙碌狀態(tài)，則將該進程插入到等待該通道的隊列；否則，將該通道分配給進程，即修改通道操縱表，把狀態(tài)字段的值由“0”改為進程名。第4章設(shè)備治理4.3設(shè)備分配與回收4.3.4設(shè)備回收當進程撤消或設(shè)備使用完畢后，要進行設(shè)備的回收，設(shè)備回收的過程如圖4-9所示。設(shè)備回收的步驟：（1）系統(tǒng)依照進程名在設(shè)備分配表中找到相應的記錄，把設(shè)備狀態(tài)修改為“0”表示未分配，若該設(shè)備的等待隊列不空，則喚醒隊首進程，進行設(shè)備分配；（2）到該設(shè)備的操縱器操縱表中，把其狀態(tài)由進程名改為“0”，若該操縱器的等待隊列不空，則喚醒隊首進程，進行操縱器分配；（3）到該操縱器的通道操縱表中，把其狀態(tài)由進程名改為“0”，若該通道的等待隊列不空，則喚醒隊首進程，進行通道分配；（4）在系統(tǒng)設(shè)備表中，把回收設(shè)備臺數(shù)添加到“現(xiàn)存設(shè)備臺數(shù)”中。第4章設(shè)備治理4.3設(shè)備分配與回收4.3.5對設(shè)備分配程序的改進以上設(shè)備分配程序有兩個特點，一是，進程是以物理設(shè)備名來提出輸入輸出請求的。二是，系統(tǒng)采納的是單通路的輸入輸出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。如此的系統(tǒng)容易產(chǎn)生“瓶頸”現(xiàn)象。為此，對設(shè)備分配程序做以下改進：（1）增加設(shè)備的獨立性。進程應以邏輯設(shè)備名請求輸入輸出。系統(tǒng)首先依照系統(tǒng)設(shè)備表找到第一個該類設(shè)備的設(shè)備分配表，若該設(shè)備忙，則查找第二個該類設(shè)備的設(shè)備分配表，僅當所有該類設(shè)備都忙時，才把進程掛在該類設(shè)備的等待隊列上。如此通過增加設(shè)備的獨立性，提高了設(shè)備分配的安全性。第4章設(shè)備治理4.3設(shè)備分配與回收4.3.5對設(shè)備分配程序的改進（2）考慮多通路情況。系統(tǒng)采納多通路的輸入輸出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖4-10所示。即一個設(shè)備能夠由多個操縱器操縱，一個操縱器能夠由多個通道操縱（即增加圖4-10中的虛線部分）。如此，能夠防止系統(tǒng)出現(xiàn)“瓶頸”現(xiàn)象。也確實是對操縱器和通道的分配，同樣通過幾次反復，只要有一個操縱器或通道可用，系統(tǒng)就能夠把它分配給進程。如此，就增加了分配操縱器和通道的可能性，提高了設(shè)備分配的效率。第4章設(shè)備治理返回4.4設(shè)備處理設(shè)備處理的任務是把上層軟件的抽象要求變?yōu)榫唧w要求發(fā)送給設(shè)備操縱器，啟動設(shè)備；將設(shè)備操縱器發(fā)來的信號傳送給上層軟件。它要緊由設(shè)備處理程序完成。設(shè)備處理程序也稱為設(shè)備驅(qū)動程序，它是輸入輸出進程與設(shè)備操縱器之間的通信程序。4.4.1設(shè)備驅(qū)動程序的功能和特點1．設(shè)備驅(qū)動程序的功能一是把抽象要求轉(zhuǎn)化為具體要求。二是檢查用戶輸入輸出請求的合法性，了解輸入輸出設(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。三是發(fā)出輸入輸出命令，啟動分配到的輸入輸出設(shè)備，完成指定的輸入輸出操作。四是及時響應由操縱器或通道發(fā)來的中斷請求，并依照其中斷類型調(diào)用相應的中斷處理程序進行處理。五是對設(shè)置有通道的計算機系統(tǒng)，驅(qū)動程序還應依照用戶的輸入輸出請求，自動地構(gòu)成通道程序。第4章設(shè)備治理4.4設(shè)備處理4.4.1設(shè)備驅(qū)動程序的功能和特點2．設(shè)備處理的方式設(shè)備處理方式有三類：一是為每一類設(shè)備設(shè)置一個進程，專門執(zhí)行這類設(shè)備的輸入輸出操作。二是在整個系統(tǒng)中設(shè)置一個輸入輸出進程，專門負責對系統(tǒng)中所有各類設(shè)備的輸入輸出操作。三是不設(shè)置專門的設(shè)備處理進程，只為各類設(shè)備設(shè)置相應的設(shè)備處理程序，供用戶進程或系統(tǒng)進程調(diào)用。第4章設(shè)備治理4.4設(shè)備處理4.4.1設(shè)備驅(qū)動程序的功能和特點3．設(shè)備驅(qū)動程序的特點(1)驅(qū)動程序要緊是在請求輸入輸出的進程與設(shè)備操縱器之間的一個通信程序。(2)驅(qū)動程序與輸入輸出設(shè)備的特性緊密相關(guān)。(3)驅(qū)動程序與輸入輸出操縱方式緊密相關(guān)。(4)驅(qū)動程序與硬件緊密相關(guān)，其部分被固化在ROM中。第4章設(shè)備治理4.4設(shè)備處理4.4.2設(shè)備驅(qū)動程序的處理過程1．將抽象要求轉(zhuǎn)化為具體要求用戶及上層軟件對設(shè)備操縱器的具體情況毫無了解，只能向它們發(fā)出抽象的要求，借助設(shè)備驅(qū)動程序，轉(zhuǎn)化為具體的要求傳送給設(shè)備操縱器。如將盤塊號轉(zhuǎn)換為磁盤的盤面、磁道號及扇區(qū)號。2．檢查輸入輸出請求的合法性任何輸入設(shè)備都只能完成一組特定的功能，如該設(shè)備不支持這次輸入輸出請求，則認為這次輸入輸出請求非法，又如用戶試圖讓打印機輸入數(shù)據(jù)。3．讀出和檢查設(shè)備的狀態(tài)要啟動某個設(shè)備進行輸入輸出操作，其前提條件是該設(shè)備正處于空閑狀態(tài)。因此在啟動設(shè)備之前，要從設(shè)備操縱器的狀態(tài)寄存器中，讀出設(shè)備的狀態(tài)。第4章設(shè)備治理4.4設(shè)備處理4.4.2設(shè)備驅(qū)動程序的處理過程4．傳送必要的參數(shù)有許多設(shè)備，特不是塊設(shè)備，除必須向其操縱器發(fā)出啟動命令外，還需要傳送必要的參數(shù)。例如，在啟動磁盤進行讀／寫之前，應先將本次要傳送的字節(jié)數(shù)、數(shù)據(jù)應到達的主存始址送入操縱器的相應寄存器中。5．設(shè)置工作方式有些設(shè)備有多種工作方式，在啟動時應選定某種方式，給出必要的數(shù)據(jù)。在啟動該接口之前，應先按通信規(guī)程設(shè)定下述參數(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．啟動輸入輸出設(shè)備在完成上述五個工作后，驅(qū)動程序能夠向操縱器的命令寄存器傳送相應的操縱命令，啟動輸入輸出設(shè)備。差不多的輸入輸出操作是在操縱器的操縱下進行的。第4章設(shè)備治理返回4.5設(shè)備治理采納的技術(shù)4.5.1緩沖技術(shù)為了提高輸入輸出設(shè)備的速度和利用率，在輸入輸出設(shè)備與處理器交換數(shù)據(jù)時引入了緩沖技術(shù)。緩沖技術(shù)是輸入輸出設(shè)備在與主存交換數(shù)據(jù)時使用緩沖區(qū)的技術(shù)。緩沖治理的要緊功能是組織好緩沖區(qū)，并提供獲得和釋放緩沖區(qū)的手段。1．緩沖的引入（1）緩和CPU與輸入輸出設(shè)備間速度不匹配的矛盾。（2）減少對CPU的中斷頻率，放寬對中斷響應時刻的限制。（3）提高CPU與輸入輸出設(shè)備間的并行性。第4章設(shè)備治理4.5設(shè)備治理采納的技術(shù)4.5.1緩沖技術(shù)2．單緩沖單緩沖是指在設(shè)備和處理器之間設(shè)置一個緩沖區(qū)，用于數(shù)據(jù)的傳輸。單緩沖的工作原理如圖4-11所示。特點是：在主存中只有一個緩沖區(qū)。關(guān)于塊設(shè)備，該緩沖區(qū)能夠存放一塊數(shù)據(jù)，關(guān)于字符設(shè)備，該緩沖區(qū)能夠存放一行數(shù)據(jù)。設(shè)備和處理器對緩沖區(qū)的操作是串行的，傳輸速度慢。在任一時刻，只能進行單向的數(shù)據(jù)傳輸，同時傳輸數(shù)據(jù)量較少。第4章設(shè)備治理4.5設(shè)備治理采納的技術(shù)4.5.1緩沖技術(shù)3．雙緩沖雙緩沖是指在設(shè)備和處理器之間設(shè)置兩個緩沖區(qū)。雙緩沖的工作原理如圖4-12所示。特點是：在主存中設(shè)置兩個緩沖區(qū)，完成數(shù)據(jù)的傳輸。兩個緩沖區(qū)能夠交替使用，提高了處理器和輸入設(shè)備的并行操作能力。在任一時刻，能夠進行雙向的數(shù)據(jù)傳輸。一個緩沖區(qū)用于輸入，另一個用于輸出。適用于輸入/輸出、生產(chǎn)者/消費者速度差不多相匹配的情況。當傳輸數(shù)據(jù)量較大，或者兩者的速度相差較遠時，雙緩沖區(qū)效率較低。第4章設(shè)備治理4.5設(shè)備治理采納的技術(shù)4.5.1緩沖技術(shù)4．循環(huán)緩沖在設(shè)備和處理器之間設(shè)置多個大小相等的緩沖區(qū)。每個緩沖區(qū)中有一個鏈接指針指向下一個緩沖區(qū)，最后一個緩沖區(qū)指針指向第一個緩沖區(qū)，如此構(gòu)成一個環(huán)形緩沖區(qū)。循環(huán)緩沖的工作原理如圖4-13所示。特點是：在主存中設(shè)置多個緩沖區(qū)。讀和寫能夠并行處理，適用于某種特定的輸入輸出進程和計算進程，如輸入/輸出、生產(chǎn)者/消費者速度不相匹配的情況。循環(huán)緩沖區(qū)屬于專用緩沖區(qū)。當系統(tǒng)較大時，使用多個如此的緩沖區(qū)要消耗大量的主存空間，降低緩沖區(qū)的使用效率。第4章設(shè)備治理4.5設(shè)備治理采納的技術(shù)4.5.1緩沖技術(shù)5．緩沖池當系統(tǒng)較大時，能夠利用供多個進程共享的緩沖池來提高緩沖區(qū)的利用率。緩沖池的組成包括空（閑）緩沖區(qū)、裝滿輸入數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)、裝滿輸出數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)，同類緩沖區(qū)以鏈隊的形式存在。另外，還應有四種工作緩沖區(qū)：用于收容輸入數(shù)據(jù)的工作緩沖區(qū)、用于提取輸入數(shù)據(jù)的工作緩沖區(qū)、用于收容輸出數(shù)據(jù)的工作緩沖區(qū)、用于提取輸出數(shù)據(jù)的工作緩沖區(qū)。緩沖池的工作原理如圖4-14所示。特點是：緩沖池結(jié)構(gòu)復雜，在主存中設(shè)置公用緩沖池，在池中設(shè)置多個能夠供多個進程共享的緩沖區(qū)。緩沖區(qū)既能夠用于輸入，又能夠用于輸出（即共享）。緩沖池的設(shè)置，減少了主存空間的消耗，提高了主存的利用率，適應于現(xiàn)代操作系統(tǒng)。第4章設(shè)備治理4.5設(shè)備治理采納的技術(shù)4.5.2中斷技術(shù)1．中斷的概念中斷是由于某些事件的出現(xiàn)，中止現(xiàn)行進程的執(zhí)行，而轉(zhuǎn)去處理出現(xiàn)的事件，中斷事件處理完后，再接著運行被中止進程的過程。在那個地點引起中斷的事件稱為中斷源。中斷事件通常由硬件發(fā)覺。對出現(xiàn)的事件進行處理的程序稱為中斷處理程序。中斷處理程序是由操作系統(tǒng)處理的，屬于操作系統(tǒng)的組成部分。第4章設(shè)備治理4.5設(shè)備治理采納的技術(shù)4.5.2中斷技術(shù)2．中斷類型(1)硬件故障中斷。由機器故障造成的中斷。如電源故障。(2)程序中斷。由程序執(zhí)行到某條機器指令時可能出現(xiàn)的各種問題而引起的中斷。如發(fā)覺定點操作數(shù)溢出、除數(shù)為0等。(3)外部中斷。由各種外部事件引起的中斷。如按壓了中斷鍵、定時時鐘時刻到等。(4)輸入輸出中斷。由輸入輸出操縱系統(tǒng)發(fā)覺外圍設(shè)備完成了輸入輸出操作或在執(zhí)行輸入輸出時通道或外圍設(shè)備產(chǎn)生錯誤而引起的中斷。(5)訪管中斷。正在運行的進程執(zhí)行訪管指令時引起的中斷。如分配一臺外設(shè)。前四類中斷不是運行進程所希望的，故稱為強迫性中斷，而第五種中斷，是進程所希望的，故稱為自愿性中斷。第4章設(shè)備治理4.5設(shè)備治理采納的技術(shù)4.5.2中斷技術(shù)3．中斷響應在處理器執(zhí)行完一條指令后，硬件的中斷裝置就立即檢查有無中斷事件發(fā)生。若無，接著執(zhí)行下一條指令；若有，則停止現(xiàn)行進程，由操作系統(tǒng)中的中斷處理程序占用處理器，這一過程稱為“中斷響應”。4．中斷處理首先介紹與中斷處理有關(guān)的概念：特權(quán)指令和程序狀態(tài)字。特權(quán)指令是不同意用戶程序直接使用的指令。如輸入輸出指令，設(shè)置時鐘的指令。程序狀態(tài)字是用來操縱指令執(zhí)行順序，并保留和指示與程序有關(guān)的系統(tǒng)狀態(tài)。第4章設(shè)備治理4.5設(shè)備治理采納的技術(shù)4.5.2中斷技術(shù)中斷處理過程如圖4-15所示。①當中斷裝置發(fā)覺中斷事件后，先把中斷事件存放到程序狀態(tài)字寄存器中的中斷碼位置。②把程序狀態(tài)字寄存器中的“當前PSW”作為“舊PSW”保存到預先約定的主存的固定單元中。③依照中斷碼，把該類事件處理程序的“新PSW”送入程序狀態(tài)字寄存器。④處理器按新PSW操縱處理該事件的中斷處理程序執(zhí)行。