第九章設備管理計算機外部設備：在計算機系統中除CPU和內存儲外所有的設備和裝置稱為計算機外部設備（外圍設備、I/O設備）。一、I/O系統的組成1、I/O系統的結構微機型IO系統主機IO系統

IO通道四級結構：IO設備、設備控制器、IO通道、計算機IO設備概述按交互對象分類，大體分為三類：

1）

人可讀的（人機交互設備）：視頻顯示設備、鍵盤、鼠標、打印機

2）

機可讀的（與計算機或其他電子設備交互的設備）：磁盤、磁帶、傳感器、控制器

3）

通信：網卡、調制解調器

按設備的使用特性分類

1）

輸入設備：計算機用以感受或接觸外部信息的設備。

2）

輸出設備：產生人可感知的信息，或輸出信息用以影響或控制其它外部裝置的信息。

3）

交互式設備：用戶命令信息通過各種輸入設備進入計算機系統，系統同步的在顯示器上顯示用戶的命令信息以及執行命林后所得到的處理結果。

4）

存儲設備：保存信息的裝置

按照傳輸速率分

1）

低速設備

2）

中速設備

3）

高速設備

按照信息交換的單位分

1）

塊設備：磁盤、磁帶、光盤等以字符快為單位組織和處理信息的設備能夠隨時讀寫其中的任何一塊而與所有別的快無關，外存設備都是塊設備。

2）

字符設備：鍵盤、終端、打印機等以字符為單位組織和處理信息的設備字符設備傳遞或接受一連串的字符，不考慮任何塊結構。它不尋址，并且沒有查找操作，這樣，終端、鼠標、鍵盤、打印機、網絡接口都是字符設備。

從資源分配角度分

1）

獨占設備：打印機、磁帶機

2）

共享設備：磁盤

3）虛擬設備3、設備控制器（io設備的硬件部分）

IO設備通常有電子和機械兩部分組成，電子部分稱作設備控制器或適配卡.（DeviceController或Adapter）就是大家常見的各種接口卡，插入到計算機內部。控制卡上通常有一個可插接的控制器，通過電纜與設備內部相連。機械部分是設備本身。設備控制器是CPU和IO設備之間的接口，接收CPU傳來的io命令，控制io設備工作。它通常具有以下功能：

1）

接收和識別命令

2）

數據交換

3）

設備狀態的了解和報告

4）

地址識別4、IO通道在計算機中，io通道是一種特殊的處理器，專門負責輸入/輸出，控制設備于內存直接進行數據交換，通道有自己的指令系統（一般只有數據傳送指令、設備控制指令等），通道沒有自己的內存，它所執行的程序是存放在主機內存的，與cpu共享內存。

目的：建立獨立的io操作，不僅數據的傳送能獨立于cpu，而且也希望有關io操作的組織、管理及結束也盡量獨立，保證cpu有更多的時間處理數據。或者說將原來由cpu處理的io任務轉由通道來承擔，把cpu從繁雜的io任務重解脫出來。

1）

字節多路通道數據傳輸以字節為單位，主要用于連接大量低速設備，如打印機。該通道含有許多非分配型子通道，每個子通道連接一個設備，采用時間片輪轉方式共享主通道。以字節為單位交叉傳輸，當一臺傳送一個字節后，騰出主通道，讓另一個子通道使用主通道，立即轉去為另一臺傳送字節。

2）

數組選擇通道用來連接多個高速設備，但只有一個分配型子通道，一段時間只能執行一個通道程序，控制一個設備進行數據傳送，效率比較低。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。這種通道以組方式工作，每次傳送一批數據。主要連接磁盤，磁帶等高速I/O設備。選擇通道3）

數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分時并行操作的優點，數據傳送以塊為單位。通道所連接的幾個設備可并行工作。先選擇一臺傳送一批數據，再選擇另一臺，即幾臺設備的通道程序都在執行中，它相當于多道程序設計技術在通道中的應用。

單通道I/O系統“瓶頸”問題：目前要使用設備4，就必須用到通道1和控制器2，但如果這個通道或者這個控制器已經給其他的設備占用，則無法啟動設備4。

“瓶頸”問題：由于通道的數量比較少，因而在運行的過程中會產生瓶頸問題，導致系統的吞吐量下降。解決辦法：1、提高I／O設備的獨立性，以減少占用通道的時間

2、增加通路

增加設備到主機之間的通路，是解決“瓶頸”問題最有效的方法，即可把一個設備連接到多個控制器上，而一個控制器又被連接到多個通道上

多通道I/O系統二、IO控制方式1程序io方式當用戶進程需要輸入數據時，由處理器向設備控制器發出一條io指令啟動io設備進行輸入，在設備輸入數據期間，處理器通過循環執行測試指令不間斷的測試設備狀態寄存器的值，當狀態寄存器的值顯示設備輸入完成時，處理器將數據寄存器的數據取出，送入內存制定單元，在啟動設備去讀下一個數據。優點：控制簡單，不需要硬件支持缺點：cpu利用率低，因為cpu執行指令的速度高出io設備幾個數量級，循環測試過程中，浪費了大量的cpu時減。CPU和外設只能串行工作；CPU在同一時間內只能和一臺外設交換數據；只適合于與外設速度慢的設備。2中斷驅動io方式處理器給模塊發送io指令，然后繼續作其他一些有用的工作，當io模塊準備好與處理器交換數據時，它將打斷處理器并請求服務。處理器和前面一樣執行數據傳送，然后恢復它以前的處理。優點：在外設進行數據處理時，CPU不必等待，可以繼續執行該程序或其他程序。缺點：a.I/O控制寄存器的數據寄存器小，對大量數據傳輸中斷次數較多，耗去CPU大量時間；b.不適合于高速I/O設備。也就是說外設將數據送入數據寄存器發出中斷請求后，CPU有足夠的時間將數據取走，否則可能造成CPU來不及取走數據而造成數據的丟失。3直接存貯器存取方式又稱存儲器直接存取方式，它是在內存和外設之間開辟直接的數據交換通路，由DMA控制器完成數據交換。DMA控制器的組成命令/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DCDMA工作過程（以磁盤數據讀入為例）1）CPU向磁盤控制器發送一條讀命令到CR中，目標起始地址到MAR中，數據字節數到DC中，磁盤中的源地址到控制器的控制邏輯上；2）啟動DMA控制器進行數據傳送（竊用總線周期），此后，CPU可以執行其它任務；3）DMA控制器按照命令每傳送一個字節，修改并檢查DC中的數值；4）若DC中的值不為0，則繼續傳送下一個字節；為0，則發出一個中斷請求。DMA模塊可以由系統總線中一個獨立的模塊執行，也可以并入一個io模塊中。由DMA模塊直接從存儲器中或者往存儲器中傳送整個數據塊，每次傳送一個字，傳送結束，DMA模塊給處理器發一個中斷信號，因此只有在開始傳送和結束傳送的時候用到處理器。有時會有總線競爭的情況發生，處理器用總線時可能稍作等待，不會引起中斷，不引起程序上下文的保存，通常過程只有一個總線周期

優點：CPU只需干預I/O操作的開始和結束，而其中的一批數據讀寫無需CPU控制，適于高速設備。

特點：p129DMA方式與中斷方式的不同?1）中斷方式是在數據緩沖寄存區滿后，發中斷請求，CPU進行中斷處理?

2）DMA方式則是在所要求傳送的數據塊全部傳送結束時要求CPU進行中斷處理,大大減少了CPU進行中斷處理的次數?

3）中斷方式的數據傳送是由CPU控制完成的，而DMA方式則是在DMA控制器的控制下不經過CPU控制完成的4io通道方式獨立于中央處理器，專門負責數據I/O傳輸的處理機–

它對外設實現統一管理–

代替CPU對I/O操作進行控制–

使CPU和外設可以并行工作

引入通道的目的：為了使CPU從I/O事務中解脫出來，同時為了提高CPU與設備、設備與設備之間的并行度。通道又稱I/O處理機。它也是完成內存與外設之間的直接的數據交換。采用通道技術后，不僅能實現CPU與通道之間的并行操作，而且通道與通道之間、各通道上連接的外設之間都能實現并行操作。

與DMA方式類似，也是一種以內存為中心，實現設備與內存直接交換數據的控制方式。不同于DMA的是，通道有自己的通道指令，并設有通道控制器和自己的指令執行機構。只要CPU發出通道啟動指令，指出通道相應的操作和I/O設備，該指令就可啟動通道并使通道從內存調出相應的通道指令執行。優點：執行一個通道程序可以完成幾批I/O操作。

總結:簡單對比四種io控制方式程序控制方式：忙-等方式，即在處理器向設備控制器發出一條io指令時，要不斷循環測試，以測試的方式等待設備操作完畢，cpu花費大量的時間用在設備io的等待上，cpu利用率較低。中斷驅動io控制方式：通過中斷方式來驅動，當進程需要啟動io外設時，向外部設備發出一條io指令后，立即返回繼續執行后續任務，設備控制器按照要求控制外部設備，當io操作完成后，設備控制器向cpu發出中斷請求，讓cpu進行處理。這種方式每傳送完一項數據中斷cpu一次，對cpu的干擾還是相當頻繁的。DMA方式：這種方式一次可以傳送一個連續區域的數據，每傳送完一個連續區域就像cpu發出一次中斷，與前兩種方式相比，該方式對cpu的干擾比較少。Io通道方式：由通道程序控制，可以一次傳送多個不連續的區域的數據，當程序執行結束時，也就是將控制的所有數據傳送完畢后才向cpu發送中斷。所以是效率最高的方式，主要用于大中型計算機系統中。三、緩沖管理1、緩沖的引入1）緩和cpu和io設備間速度不匹配的矛盾2）減少中斷cpu的次數，放寬對中斷響應的要求3）提高cpu、通道和io設備之間的并行性

2、緩沖區及其管理緩沖的實現方式有兩種：一種是采用硬件緩沖器實現，譬如說在io控制器中的數據緩沖寄存器；另一種是在內存中劃出一塊存儲區，專門用來臨時存放輸入、輸出數據，這個數據叫做緩沖區。1）單緩沖

用戶進程工作區緩沖區I/O設備輸入傳送設備和處理器之間設置一個緩沖區，CPU和外設輪流使用，一方處理完之后接著等待對方處理。

Io設備和處理機交換數據時，先把被交換的數據寫入緩沖區，然后，需要數據的設備或處理機從緩沖區取走數據。由于緩沖區屬于臨界資源，也就是不允許多個進程同時對一個緩沖區進行操作，因此，盡管單緩沖可以匹配設備和處理機的處理速度，但是不能通過單緩沖達到并行的目的。

2）雙緩沖

用戶進程工作區緩沖區I/O設備緩沖區兩個緩沖區，CPU和外設都可以連續處理而無需等待對方。要求CPU和外設的速度相近。

在雙緩沖方案中，具體的做法是為輸入或輸出操作設置兩個緩沖區buffer1和buffer2。輸入時，輸入設備先將數據送入第一緩沖區，裝滿后轉向第二緩沖區，此時os可以從第一緩沖區中溢出數據送用戶進程區。

雙緩沖方式和單緩沖方式相比，雖然雙緩沖方式能進一步提高CPU和外設的并行程度，并能使輸入設備和輸出設備并行工作，但是在實際系統中很少采用這一方式，這是因為在計算機系統中的外設很多，又有大量的輸入和輸出，同時雙緩沖很難匹配設備和CPU的處理速度。因此現代計算機系統中一般使用環形緩沖或緩沖池結構。

3）環形緩沖(circularbuffer)：多個緩沖區，CPU和外設的處理速度可以相差較大。

環形緩沖技術是在主存中分配一組大小相等的存儲區作為緩沖區，并將這些緩沖區鏈接起來，每個緩沖區中有一個指向下一個緩沖的指針，最后一個緩沖區的指針指向第一個緩沖區，這樣n個緩沖區就成了一個環形。

4）緩沖池由多個大小相等的緩沖區組成，與環形緩沖不同的是池中每個緩沖區可供多個進程共享，且既能用于輸入，也能用戶輸出。

1）緩沖池的結構

系統把各緩沖區按其使用狀況分成三個隊列：

a.空白緩沖隊列em,其隊首、隊尾指針為F(em)、L(em);b.裝滿輸入數據的輸入緩沖隊列in,隊首隊尾指針F(in)、L(in);c.裝滿輸出數據的輸出緩沖隊列out,隊首隊尾指針F(out)、L(out).在緩沖池中有4種工作緩沖區：

a.用于收容設備輸入數據的收容輸入緩沖區hin;b.用于提取設備輸入數據的提取輸入緩沖區sin;c.用于收容CPU輸出數據的收容輸出緩沖區hout;d.用于提取CPU輸出數據的提取輸出緩沖區sout。緩

沖

池收容輸入

提取輸入提取輸出

收容輸出hinsinsouthout用戶程序常用的兩個操作：

Getbuf(type,number)申請使用type型隊列的緩沖區，區號為numberPutbuf（type，work_buf），將workbuf這種工作緩沖區放到type類型的隊列中輸入過程：

從空緩沖區隊列F(em)取得一個空緩沖區作為hin,外設將其裝滿數據后放入輸入緩沖隊列F(in),從輸入緩沖隊列F(in)取得一個裝滿數據的緩沖區作為工作緩沖區的輸入緩沖區sin,CPU讀取其中的數據，讀完，將緩沖區放入空緩沖隊列F(em)。輸出過程：

從空緩沖隊列F(em)取得一個空緩沖區作為工作緩沖區的輸出緩沖區hout,CPU將其裝滿數據后放入輸出緩沖隊列F(out),從輸出緩沖隊列F(out)取得一個裝滿數據的緩沖區作為工作緩沖區的輸出緩沖區sout,外設讀取其中的數據，讀完，將緩沖區放入空緩沖區隊列F(em)。四、設備分配

設備分配的任務是按照規定的策略為申請設備的進程分配合適的設備、控制器和通道。1、設備分配中的數據結構設備控制表（ＤＣＴ）每個設備一個DCT表

設備類型

設備標識

設備忙/閑標記

COCT指針

等待隊列首指針等待隊列尾指針………………系統為每個io設備都配置了一張用于記錄本設備情況的設備控制表，反映了設備的特性、設備和控制器的連接情況。控制器表（ＣＯＣＴ）每個控制器一個控制器標識控制器忙/閑標識CHCT指針控制器等待隊列首指針控制器等待隊列尾指針……………….每個控制器有一張COCT，反映io控制器的使用狀態以及和通道的連接情況等。（DMA方式時，沒有通道的連接情況這個項）通道表（ＣHＣＴ）每個通道一個通道標識通道忙/閑標識COCT指針通道等待隊列首指針通道等待隊列尾指針……………….在通道控制方式的系統中存在，每個通道一張系統設備表（ＳＤＴ）整個系統一個表目1表目i………………設備類型設備標識獲得設備的進程DCT指針………….SDT

記錄系統中所有物理設備的情況，每個物理設備占了一個表項。SDT表的主要意義在于反映系統中設備資源的狀態，即系統中有多少設備，有多少是空閑的，又有多少已經分配給了哪些進程。2、設備分配策略（1）設備的固有屬性1）獨占分配2）共享分配3）虛擬分配

（2）io設備的分配算法1）先來先服務2）優先級高者先分配（3）設備分配的安全性1）安全分配方式2）不安全分配方式3、設備獨立性（設備無關性）用戶程序獨立與具體使用的物理設備，也就是說除了直接與設備打交道的低層軟件之外，其他部分的軟件并不依賴與硬件。邏輯設備表LUT用于將邏輯設備映射到物理設備，表9－14、獨占設備分配方法分配設備―――分配控制器―――分配通道5、SPOOLing技術

1）什么是SPOOLing技術

多道程序設計中處理獨占io設備的一種技術，它可以提高設備利用率并縮短單個程序的響應時間。它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，從而提高設備利用率和系統的效率，也成為假脫機技術。–

SPOOLing程序和外設進行數據交換，可以稱為“實際I/O”。一方面，SPOOLing程序預先從外設輸入數據并加以緩沖，在以后需要的時候輸入到應用程序；另一方面，SPOOLing程序接受應用程序的輸出數據并加以緩沖，在以后適當的時候輸出到外設。–

在SPOOLing程序中，需要管理兩級緩沖區：內存緩沖區和快速外存上的緩沖池，后者可以暫存多批I/O操作的較多數據。–

應用程序進行I/O操作時，只是和SPOOLing程序交換數據，可以稱為"虛擬I/O"。這時虛擬I/O實際上是從SPOOLing程序的緩沖池中讀出數據或把數據送入緩沖池，而不是跟實際的外設進行I/O操作。2）SPOOLing系統的組成

（1）輸入井和輸出井（外存）磁盤上開辟的兩個存儲區域。（2）輸入緩沖區和輸出緩沖區（內存）（3）輸入進程SPi和輸出進程SPo3）SPOOLing系統的工作過程

4）共享打印機①由輸出進程在輸出井中為之申請一個空閑磁盤塊區，并將要打印的數據送入其中；②輸出進程再為用戶進程申請一張空白的用戶請求打印表，并將用戶的打印要求填入其中，再將該表掛到請求打印隊列上。五、磁盤IO1、磁盤性能概述

1）固定頭磁盤2）移動頭磁盤

2、數據的組織

柱面號、磁頭號、扇區號

3、磁盤訪問時間1)尋道時間Ts：把磁頭從當前位置移動到指定磁道上所經歷的時間，由啟動磁盤的時間S和磁頭移動n條磁道所經歷的時間。2)旋轉延遲時間Tr：固定扇區轉動到磁頭下面所經歷的時間3)傳輸時間Tt：把數據從磁盤讀出或向磁盤寫入數據所經歷的時間

4、磁盤調度算法1）先來先服務FCFS根據進程請求訪問磁盤的先后次序進行調度優點：公平、簡單；缺點：平均尋道時間可能較長，僅適用于磁盤請求較少的場合。

2）最短尋道時間優先SSTF

選擇要求訪問的磁道與當前磁頭所在的磁道距離最近的進程（磁盤請求），使每次的尋道時間最短。

SSTF算法雖然能獲得較好的尋道性能，

但卻可能導致某個進程發生“饑餓”(Starvation)現象。因為只要不斷有新進程的請求到達，且其所要訪問的磁道與磁頭當前所在磁道的距離較近，這種新進程的I/O請求必須優先滿足。對SSTF算法略加修改后所形成的SCAN算法，即可防止老進程出現“饑餓”現象。

3）掃描算法SCAN

磁頭每次只作單方向移動，直到到達邊緣磁道為止，然后再作反向移動。下一次待訪問的磁道只能在此頭移動的前方，且選擇磁頭移動距離最近的一個磁盤請求響應。又稱為“電梯調度算法”。消除了饑餓現象。

4）掃描CSCAN

磁頭只作由內向外的單方向掃描，到達外邊緣后，則返回最內側的磁道重新進行下一輪掃描。改進了對于邊緣區磁道訪問的不公平。

5）N-Step-SCAN算法

“磁臂粘著”現象：一個或幾個進程對某一磁道有較高的訪問頻率時，造成磁頭的“不移動”現象。

N步掃描：把磁盤訪問請求排成長度為N的多個隊列。系統在處理完一個磁盤請求隊列的工作后，再響應其它隊列的請求。6）FSCAN算法對N步掃描的簡化。只排兩個隊列：當前隊列、等待隊列。

六、IO軟件的組成

IO設備管理軟件結構的基本思想是分層構造，把設備管理軟件組織成一系列的層次，低層與硬件相關，高層則向用戶提供提供一個友好清晰而統一的接口。一般的io軟件分為四層，中斷處理程序、設備驅動程序、與設備無關的操作系統軟件和用戶級軟件。從功能上看，與設備無關層是io管理的主要部分，從代碼量上看，設備驅動層是io管理的主要部分。

1、中斷處理程序

1）中斷的基本概念

CPU對系統發生的某個事件作出的一種反應

CPU暫停正在執行的程序，保留現場后自動轉去執行相應事件的處理程序，處理完成后返回斷點，繼續執行被打斷的程序

特點：

(1)中斷隨機的

(2)中斷是可恢復的

(3)中斷是自動處理的幾個重要概念：中斷源

中斷請求

中斷響應

禁止中斷

開、關中斷

中斷屏蔽

2)中斷的分類和優先級外中斷（中斷）內中斷（陷阱）