第五章设备管理通道缓冲技术
精选第五章设备管理-通道缓冲技术
5.6 缓 冲 技术
1 缓冲的引入
在OS中，引入缓冲技术的主要原因有： 缓和CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾 减少对CPU的中断频率，放宽对中断响应时间的限制 （见下页图） 提高CPU和I/O设备之间的并行性 所以，为了提高I/O速度和设备利用率，许多计算机系 统通过设置缓冲区采用了缓冲技术来实现。
除了上述外，缓冲池还具有如下的工作缓冲区：
①用于收容输入数据的工作缓冲区； ②用于提取输入数据的工作缓冲区； ③用于收容输出数据的工作缓冲区； ④用于提取输出数据的工作缓冲区；
用户程序
三、缓冲区的工作方式
收容输入
hin
提取输出
sout
sin hout
提取输入 收容输出
①收容输入工作方式
输入数据时, 调用Getbuf(emq) 装满数据后, 调用Putbuf(inq, hin)
用户进程 用户区
操作系统
传送
缓冲区1
传送
缓冲区2
输入 I/O设备
输出 I/O设备
输入 I/O设备1
输出 I/O设备2
5.3.4 缓冲池(Buffer Pool)
目前广泛流行的公用缓冲池，由于可供多个进程共享， 可提高缓冲区的利用率。 一、缓冲池(Buffer Pool)的组成
对于可用于I/O的缓冲池，包含的缓冲区类型有： ①空（闲）缓冲区； ②装满输入数据的缓冲区； ③装满输出数据的缓冲区。 对应的有以下三个缓冲队列： ①空缓冲队列emq。由空缓冲区所链成的队列 ②输入队列inq。由装满输入数据的缓冲区所链成的 队列 ③输出队列outq。由装满输出数据的缓冲区所链成的 队列
操作系统第五章答案
第五章设备管理1、试说明设备控制器的组成。
P163答：设备控制器的组成由设置控制器与处理机的接口；设备控制器与设备的接口；I/O 逻辑。
2、为了实现CPU与设备控制器间的通信，设备控制器应具备哪些功能？P162-P163 答：基本功能：接收和识别命令；数据交换；标识和报告设备的状态；地址识别；数据缓冲；差错控制。
3、什么是字节多路通道？什么是数组选择通道和数组多路通道？P164-P165 答：1、字节多路通道：这是一种按字节交叉方式工作的通道。
它通常都含有许多非分配型子通道，其数量可从几十到数百个，每个子通道连接一台I/O 设备，并控制该设备的I/O 操作。
这些子通道按时间片轮转方式共享主通道。
只要字节多路通道扫描每个子通道的速率足够快，而连接到子通道上的设备的速率不是太高时，便不致丢失信息。
2、数组选择通道：字节多路通道不适于连接高速设备，这推动了按数组方式进行数据传送的数组选择通道的形成。
3、数组多路通道：数组选择通道虽有很高的传输速率，但它却每次只允许一个设备数据。
数组多路通道是将数组选择通道传输速率高和字节多路通道能使各子通道（设备）分时并行操作的优点相结合而形成的一种新通道。
它含有多个非分配型子通道，因而这种通道既具有很多高的数据传输速率，又能获得令人满意的通道利用率。
4、如何解决因通道不足而产生的瓶颈问题？P166答：解决“瓶颈”问题的最有效的方法，便是增加设备到主机间的通路而不增加通道，就是把一个设备连接到多个控制器上，而一个控制器又连接到多个通道上。
多通路方式不仅解决了“瓶颈”问题。
而且提高了系统的可靠性，因为个别通道或控制器的故障不会使设备和存储器之间没有通路。
5、试对VESA及PCI两种总线进行比较。
P167答：1、VESA 该总线的设计思想是以低价位迅速点领市场。
VESA 总线的带宽为32 位，最高传输速率为132Mb/s。
VESA 总线仍存在较严重的缺点，它所能连接的设备数仅为2—4 台，在控制器中无缓冲，故难于适应处理器速度的不断提高，也不能支持后来出现的Pentium 微机。
计算机操作系统第五章设备管理复习资料
第五章设备管理（一）简答题1、为什么要在设备管理中引入缓冲技术？解：缓冲技术是用来在两种不同速度的设备之间传输信息时平滑传输过程的常用手段。
在OS的设备管理中，引入缓冲技术的主要原因可归结为以下几点。
（1）缓和CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾。
一般情况下，程序的运行过程是时而进行计算，时而进行输入或输出。
以打印机输出为例，如果没有缓冲，则程序在输出时，必然由于打印机的速度跟不上而使CPU停下来等待；然而在计算阶段，打印机又无事可做。
如果设置一个缓冲区，程序可以将待输出的数据先输出到缓冲区中，然后继续执行；而打印机则可以从缓冲区取出数据慢慢打印。
（2）减少中断CPU的次数。
例如，假定设备只用一位二进制数接收从系统外传来的数据，则设备每接收到一位二进制数就要中断CPU一次，如果数据通信速率为9.6Kb/s，则中断CPU的频率也是9.6KHz，即每100us就要中断CPU一次，若设置一个具有8位的缓冲寄存器，则可使CPU被中断的次数降低为前者的1/8。
（3）提高CPU和I/O设备之间的并行性。
由于在CPU和设备之间引入了缓冲区，CPU可以从缓冲区中读取或向缓冲区写入信息，相应地设备也可以向缓冲区写入或从缓冲区读取信息。
在CPU工作的同时，设备也能进行输入输出操作，这样，CPU和I/O设备就可以并行工作。
2、引入缓冲的主要原因是什么？P155【解】引入缓冲的主要原因是：●缓和CPU和I/O设备速度不匹配的矛盾；●减少对CPU的中断频率，放宽对中断响应时间的限制●提高CPU和I/O设备之间的并行性。
3、请简述为什么要在核心I/O子系统中要引入缓冲机制（Buffering）。
答：引入缓冲的主要原因：（1）缓和CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾。
（2）减少对CPU的中断频率，放宽对中断响应时间的限制。
（3）提高CPU与I/O设备之间的并行性。
4、简述SPOOLing（斯普林）系统的工作原理。
解：多道程序并发执行后，可利用其中的一道程序来模拟脱机输入时外围控制机的功能，将低速I/O设备上的数据传送到高速磁盘上；再利用另一道程序来模拟脱机输出时外围控制机的功能，将高速磁盘上的数据传送到输出设备上，这样就可以在主机的直接控制下，实现脱机输入、输出操作，这时外围操作与CPU对数据的执行同时进行。
第五章 设备管理答案
第五章设备管理一、单项选择题1、在操作系统中，用户在使用I/O设备时，通常采用（B ）。
A.物理设备名B.逻辑设备名C.虚拟设备名D.设备牌号2、操作系统中采用缓冲技术的目的是为了增强系统（D）的能力。
A.串行操作B. 控制操作C.重执操作D.并行操作3、操作系统采用缓冲技术，能够减少对CPU的（ A ）次数，从而提高资源的利用率。
A. 中断B.访问C. 控制D. 依赖4、CPU输出数据的速度远远高于打印机的打印速度，为了解决这一矛盾，可采用（C ）。
A.并行技术B.通道技术C.缓冲技术D.虚存技术5、缓冲技术用于（C ）。
A.提高主机和设备交换信息的速度 B 提供主、辅存接口C提高设备利用率D扩充相对地址空间6、通道是一种（ C ）。
A.I/O端口B.数据通道C.I/O专用处理机D.软件工具7、设备管理的主要程序之一是设备分配程序，当进程请求在内存和外设之间传送信息时，设备分配程序分配设备的过程通常是（A ）。
A、先分配设备，再分配控制器，最后分配通道B、先分配控制器，再分配设备，最后分配通道C、先分配通道，再分配设备，最后分配控制器D、先分配通道，再分配控制器，最后分配设备8、下列描述中，不是设备管理的功能的是（ C ）。
A．实现外围设备的分配与回收B．缓冲管理与地址转换C．实现按名存取D．实现I/O操作9、用户编制的程序与实际使用的物理设备无关是由（ D ）功能实现的。
A．设备分配B．设备驱动C．虚拟设备D．设备独立性10、SPOOLing技术利用于（B ）。
A.外设概念B.虚拟设备概念C.磁带概念D.存储概念11、采用SPOOLing技术的目的是（A ）。
A.提高独占设备的利用率B.提高主机效率C.减轻用户编程负担D.提高程序的运行速度12、采用假脱机技术的目的是（A ）。
A、提高外设和主机的利用率B、提高内存和主机效率C、减轻用户编程负担D、提高程序的运行速度13、假脱机技术一般不适用于（C ）。
计算机操作系统(第四版)第五章缓冲管理、设备分配
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设备的分配
设备独立性带来以下两方面的好处： 设备分配时的灵活性：当进程以逻辑设备名请求某类 设备时，如果一台设备已经分配给其它进程或正在检修， 此时系统可以将其它几台相同的空闲设备中的任一台分 配给该进程，只有当此类设备全部被分配完时，进程才 会被阻塞。 设备分配适应性强 , 易于实现 I/O 重定向：所谓重定向 是指用于I/O操作的设备可以更换，而不必改变应用程序。
7
R：空缓冲区；
G：装满数据的缓冲区；
C：正在使用的缓冲区；
Nex ti R 1 G G 6 5 4 G 2 3 R G Nex tg G G 6 5 4 G Nex tg R 1 2 3 R C curren t Nex ti
8
（4）缓冲池（Buffer Pool）
10
一组缓冲仅适用于某个特定的I/O进程和计算进程,当系统 配置较多的设备时，使用专用缓冲区就要消耗大量的内存空间， 且其利用率不高。为了提高缓冲区的利用率，目前广泛使用公 用缓冲池，池中的缓冲区可供多个进程共享。 对于同时用于输入/输出的公用缓冲池，至少含有三种类型 的缓冲区：空缓冲区、装满输入数据的缓冲区和装满输出数据 的缓冲区。为了管理上的方便，可将相同类型的缓冲区链成一 个队列，于是就形成三个队列：空缓冲区队列、输入缓冲区队 列和输出缓冲区队列。 空缓冲区队列(emq)：由空缓冲区所链成的队列。 输入缓冲区队列(inq)：由装满输入数据的缓冲区所链成的队列. 输出缓冲区队列(outq)：由装满输出数据的缓冲区所链成的队 列。
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设备独立性（Device Independence ）
为了提高OS的可适应性和可扩展性，目前几乎所有的 OS都实现了设备的独立性（也称为设备无关性）。 其基本思想是：用户程序不直接使用物理设备名（或 设备的物理地址），而只能使用逻辑设备名；而系统在实 际执行时，将逻辑设备名转换为某个具体的物理设备名， 实施I/O操作。
设备管理概述(PDF 150页)
本章要点
•设备管理的功能、模型•I/O子系统的组成
•I/O控制
•设备的分配
•设备的类型
•I/O缓冲技术
•虚拟设备和SPOOLING系统•磁盘的管理
5.0 引言
•计算机的外围设备分为两类：
•存储型设备：作为主存的扩充，以存储大量持久性信息和快速
检索为目标
•I/O型设备：把外界信息输入计算机，把计算结果输出，完成人机交互
5.0 引言（续）
•设备管理的主要功能在于克服设备和CPU速度不匹配•设备中断处理
•设备的分配和去配
•设备驱动调度
•缓冲区管理
•虚拟设备及其实现
•设备管理的基本手段在于系统将所有设备都定义为文件
5.1 I/O 硬件原理I/O 系统
I/O 控制方式
设备控制器
5.1.1 I/O系统
•I/O系统：
•I/O设备及其接口线路、控制部件、通道和管理软件的总称•I/O操作：
•计算机的主存和外围设备的介质之间的信息传送操作
5.1.1：分类
•按照I/O特性,I/O设备划分为：
•输入型设备
•输出型设备
•存储型设备
•顺序存取存储设备：顺序存取存储设备严格依赖信息的物理位置
进行定位和读写，如磁带
•直接存取存储设备：直接存取存储设备的重要特性是存取任何一
个物理块所需的时间几乎不依赖于此信息的位置，如磁盘。
操作系统第5章设备管理
第5章 设备管理
5.1 概述 5.2 I/O控制 5.3 I/O软件层次 5.4 缓冲管理 5.5 设备分配 5.6 磁盘调度和管理
操作系统第5章设备管理
5.1 概述
5.1.1 设备分类 5.1.2 设备控制器 5.1.3 设备通道
操作系统第5章设备管理
设备的种类和数量越来越多，结构也越来越复杂， 为了管理上的方便，通常按不同的观点，从不同的角 度对设备进行分类。
1
300
2000
0
250
1850
1
250
720
操作系统第5章设备管理
3．通道方式处理过程
⑴ 当进程要求设备输入数据时，CPU发出启动指令， 并指明要进行的I/O操作、使用设备的设备号和对应的 通道。
⑵ 通道接收到CPU发来的启动指令后，把存放在内 存的通道处理程序取出，开始执行通道指令。
⑶ 执行一条通道指令，设置对应设备控制器中的控 制状态寄存器。
操作系统第5章设备管理
第5章 设备管理
5.1 概述 5.2 I/O控制 5.3 I/O软件层次 5.4 缓冲管理 5.5 设备分配 5.6 磁盘调度和管理
操作系统第5章设备管理
5.3 I/O软件层次
5.3.1 I/O软件的目标 5.3.2 I/O中断处理程序 5.3.3 I/O设备驱动程序 5.3.4 与设备无关的I/O软件 5.3.5 用户空间的I/O软件
操作系统第5章设备管理
2. 局部总线(Local Bus) 1) VESA(Video Electronic Standard Association)总线 2) 2) PCI(Peripheral Component Interface)总线
第五章 设备管理讲解
例题精讲自：1、典型的高速设备有（）。
A、磁带机、磁盘机、光盘机B、磁带机、磁盘机、键盘C、式打印机、激光打印机、鼠标D、键盘、鼠标、语音输入输出设备2、下面的四个选项中，不属于设备管理的功能的是（）。
A、实现外围设备的启动B、实现对磁盘的驱动调度C、存储空间的分配与回收D、处理外围设备的中断事件3、（）是CPU与I/O设备之间的接口，它接收从CPU发来的命令，并去控制I/O设备工作，使处理器从繁杂的设备控制事务中解脱出来。
A、中断装置B、通道C、逻辑D、设备控制器4、设备与CPU之间数据传送控制方式有四种，下面的四个选项中不属于这四种的是（）。
A、程序直接控制方式B、设备控制方式C、直接内存访问（DMA）方式D、通道控制方式5、根据使用方式，可将缓冲区设置成（）。
A、专用缓冲区和特殊缓冲区B、单缓冲区和多缓冲区C、专用缓冲区和通用缓冲区D、多缓冲区和缓冲池6、（）的基本含义是指应用程序独立于具体使用的物理设备。
A、设备独立性B、逻辑设备表C、物理设备表D、设备共享性7、下面关于独立设备和共享设备的说法中不正确的是（）。
A、打印机、扫描仪等属于独占设备B、对独占设备往往采用静态分配方式C、共享设备中的“同时使用”的含义指一个作业尚未撤离，另一作业即可使用，但每一时刻仍只有一个作业启动磁盘，允许它们交替启动D、对共享设备往往采用静态分配方式8、通道，按其传送数据的情况，分为三种类型：（）A、字节多路通道、字多路通道、数组多路通道B、字多路通道、选择通道、数组多路通道C、字节多路通道、字多路通道、选择通道D、字节多路通道、选择通道、数组多路通道9、通道程序是由一系列的（）构成的。
A、函数B、通道命令C、子程序D、过程10、下面四个选项中不属于SPOOLing系统的特点的是（）。
A、提高了内存的利用率B、提高了I/O操作的速度C、将独占设备改造为共享设备D、实现了虚拟设备功能填空题1、逻辑设备是（）属性的表示，它并不指某个具体的设备，而是对应于一批设备。
5.设备管理
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2. 通道类型 1) 字节多路通道 字节多路通道(Byte Multiplexor Channel) 2) 数组选择通道 数组选择通道(Block Selector Channel) 3) 数组多路通道 数组多路通道(Block Multiplexor Channel)
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I /O设备通道连接方式 设备通道连接方式 处理机 内存
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2. DMA控制器的组成 控制器的组成
CPU 内存 主机—控制器接口 控制器与块设备接口 DR count MAR DC
I/O
数据寄存器DR。 数据寄存器 。用于暂存从设备到内 存，或从内存到设备的数据 内存地址寄存器MAR。在输入时，它 内存地址寄存器 。在输入时， 命令 系统总线 存放把数据从设备传送到内存的起始目 数据计数器DC。 ， 数据计数器 。 存放本次CPU要读或 要读或 标地址；在输出时，它存放由内存到设 标地址；在输出时存放本次 命令/状态寄存器 节用于接收从CPU 状态寄存器CR。 )数 命令 状态寄存器 。用于接收从 写的字(节 数 写的字 备的内存源地址 发来的I/O命令或有关控制信息， 或设 命令或有关控制信息， 发来的 命令或有关控制信息 备的状态
(2) 内存地址 (4) 通道程序结束位P 通道程序结束位
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5.3 缓冲管理
5.3.1 缓冲的引入
(1) 缓和 缓和CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾。 设备间速度不匹配的矛盾。 与 设备间速度不匹配的矛盾 (2) 减少对 减少对CPU的中断频率， 放宽对 的中断频率， 的中断频率 放宽对CPU中断响应时间 中断响应时间 的限制。 的限制。 (3) 提高CPU和I/O设备之间的并行性。 提高 和 设备之间的并行性。 设备之间的并行性
操作系统课后答案——第五章
第五章设备管理3. 什么是字节多路通道？什么是数组选择通道和数组多路通道？a.字节多路通道含有许多非分配型子通道分别连接在低、中速I/O设备上，子通道按时间片轮转方式共享主通道，按字节方式进行数据传送。
当第一个子通道控制其I/O设备完成一个字节的交换后，便立即腾出字节多路通道（主通道），让给第二个子通道使用；当第二个子通道也交换完一个字节后，又依样把主通道让给第三个子通道使用，以此类推。
转轮一周后，重又返回由第一个子通道去使用主通道。
b.数组选择通道只含有一个分配型子通道，一段时间内只能执行一道通道程序、控制一台设备按数组方式进行数据传送。
通道被某台设备占用后，便一直处于独占状态，直至设备数据传输完毕释放该通道，故而通道利用率较低，主要用于连接多台高速设备。
c. 数组多路通道是将数组选择通道传输速率高和字节多路通道能使各子通道分时并行操作的优点相结合而形成的一种新通道。
其含有多个非分配型子通道分别连接在高、中速I/O设备上，子通道按时间片轮转方式共享主通道，按数组方式进行数据传送，因而既具有很高的数据传输速率，又能获得令人满意的通道利用率。
4. 如何解决因通道不足而产生的瓶颈问题？解决因通道不足而产生的瓶颈问题的最有效方法是增加设备到主机间的通路而不是增加通道。
换言之，就是把一个设备连接到多个控制器上，而一个控制器又连接到多个通道上。
这种多通路方式不仅可以解决该瓶颈问题，而且能够提高系统的可靠性，也即不会因为个别通道或控制器的故障而使设备与存储器之间无法建立通路进行数据传输。
6. 试说明I/O控制发展的主要推动因素是什么？促使I/O控制不断发展的几个主要因素如下：a.尽量减少CPU对I/O控制的干预，把CPU从繁杂的I/O控制中解脱出来，以便更多地去完成数据处理任务。
b.缓和CPU的高速性和设备的低速性之间速度不匹配的矛盾，以提高CPU的利用率和系统的吞吐量。
c.提高CPU和I/O设备操作的并行程度，使CPU和I/O设备都处于忙碌状态，从而提高整个系统的资源利用率和系统吞吐量。
操作系统 第五章 设备管理
第1-8页
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I/O设备分类
1) 按设备的使用特性分类
2) 按传输速率分类
3) 按信息交换的单位分类
4) 按设备的共享属性分类
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1）按设备的使用特性分类
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计算机外围设备的分类
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5.1.3 设备控制器
设备控制器：是CPU和I/O设备之间的接口， 接收从CPU发来的命令，并去控制I/O设备 工作，以使CPU从繁琐的设备控制事务中 解脱出来。 可控制一个或多个I/O设备。
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DMA控制器中设置的寄存器
(1) 命令/状态寄存器(CR)：接收从CPU发来的I/O命 令，或有关控制信息，或设备的状态。 (2) 内存地址寄存器(MAR)：
输入时，存放把数据从设备传送到内存的起始目标地址； 输出时，存放由内存到设备的内存源地址。
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5.2.3直接存储器访问(DMA)I/O控制方式
直接存储器访问控制方式（Direct Memory Access control ）：
数据传输的基本单位是数据块； 外围设备和内存之间开辟直接的数据交换通道; 仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时， 才，需要CPU干预，整块数据的传送在DMA控制 器的控制下完成。
传送 完成？ 完成 下一条指令
读D 控制 MA 器的状态
下一条指令 (c) DMA 方式
第5章-设备管理-习题
第5章设备管理5.4习题5.4.1 基本题一．判断题(正确的在括号中记√,错误的记×)1.磁盘比磁鼓更适合用作分页设备。
( )2.当平均队列较小时,所有磁盘调度算法都退化为FCFS算法。
( )3.与CPU相比,通道处理I/O的功能较强,但价格较高。
( )4.在SPOOLing系统中,对用户进程的设备申请,系统将物理字符设备按时间片方式分配给用户进程使用。
( )5.磁盘是共享设备,所以每一时刻可有若干个进程同时与它交换信息。
( )6.一个盘块的物理地址由三个参数唯一确定的,它们是柱面号、盘面号和扇区号。
( )7.公用缓冲区方式通常采用缓冲池。
( )8.扇区排队算法只能用于固定头设备。
( )9.设备独立性是指系统具有使用不同设备的能力。
( )10.移臂调度的目标是使磁盘旋转周数最小。
( )二．选择题1.从资源分配角度看,外设可分为若干种,其中不包括_________。
A.虚拟设备B.物理设备C.独占设备D.共享设备2.在一般大型计算机系统中,主机对外围设备的控制可通过通道、控制器和设备三个层次来实现。
下述的叙述中正确的叙述是___________。
A.控制器可控制通道,设备在通道控制下工作。
B.通道控制控制器,设备在控制器控制下工作。
C.通道和控制器分别控制设备。
D.控制器控制通道和设备的工作。
3.引入缓冲的主要目的是________________。
A.改善CPU和I/O设备之间速度不匹配的情况B.节省内存C.提高CPU的利用率D.提高I/O设备的效率4.下面关于设备属性的论述中,正确的论述是________。
A.字符设备的一个基本特征是可寻址的,即能指定输入时的源地址和输出时的目标地址。
B.共享设备必须是可寻址的和随机访问的设备。
C.共享设备是指在同一时刻允许多个进程同时访问的设备。
D.在分配共享设备和独占设备时,都可能引起进程死锁。
5.在I/O设备控制的发展过程中,最主要的推动因素是__________。
第五章设备管理
T1 (b) M1
T2 M2 C1
T3 M3 C2
T4
C3 t
图 5-11 单缓冲工作示意图
第五章 设 备 管 理
2. 双缓冲 双缓冲(Double Buffer)
用户进程 缓冲区 1 (a) 工作区 缓冲区 2 I/O 设备
T1(缓缓1) (b) M1 C1
T2(缓缓2) M2 C2
T3(缓缓3) M3 C3
T4(缓缓4) M4 C4
图 5-12 双缓冲工作示意图
第五章 设 备 管 理
5.3.3 循环缓冲
1. 循环缓冲的组成
Nexti R 1 G G 6 5 4 G 2 3 R G Nextg G G 6 5 4 G Nextg R 1 2 3 R C current Nexti
图 5-14 循环缓冲
第五章 设 备 管 理
3. 缓冲区的工作方式
缓缓缓 收收收收 提提收提
hin sout sin hout
提提收收 收收收提 用用 程程
图 5-15 缓冲区的工作方式
第五章 设 备 管 理
5.4 设 备 分 配
5.4.1 设备分配中的数据结构
1. 设备控制表 设备控制表DCT
设 备 控 制 表 集 合 DCT 1 设备类型 type 设备标识符： deviceid 设备状态：等待/不等待 DCT 2 指向控制器表的指针 重复执行次数或时间 DCT n 设备队列的队首指针 忙/闲
1. I/O通道 通道(I/O Channel)设备的引入 通道 设备的引入
实际上， 通道是一种特殊的处理机 它具有执行I/O 通道是一种特殊的处理机。 实际上，I/O通道是一种特殊的处理机。它具有执行 指令的能力， 通过执行通道(I/O)程序来控制 操作。但 程序来控制I/O操作 指令的能力，并通过执行通道 程序来控制 操作。 I/O通道又与一般的处理机不同， 主要表现在以下两个方面： 通道又与一般的处理机不同，主要表现在以下两个方面： 通道又与一般的处理机不同 一是其指令类型单一， 这是由于通道硬件比较简单， 一是其指令类型单一 ， 这是由于通道硬件比较简单 ， 其所能执行的命令，主要局限于与I/O操作有关的指令 操作有关的指令； 其所能执行的命令， 主要局限于与 操作有关的指令； 通 道与CPU共享内存。 共享内存。 道与 共享内存
多级缓冲_设备管理制度
第一章总则第一条为确保多级缓冲设备的安全、高效运行，提高设备管理水平，根据国家有关法律法规和公司规章制度，特制定本制度。
第二条本制度适用于公司所有使用多级缓冲设备的部门和个人。
第三条多级缓冲设备管理制度应遵循安全第一、预防为主、综合治理的原则。
第二章设备管理职责第四条设备管理部门负责多级缓冲设备的规划、采购、安装、调试、维护、改造和报废等工作。
第五条使用部门负责多级缓冲设备的日常管理和操作，确保设备安全、高效运行。
第六条设备操作人员应经过专业培训，取得操作资格后方可独立操作设备。
第三章设备管理流程第七条设备采购1. 设备管理部门根据生产需求，提出设备采购申请。
2. 经过审批后，设备管理部门负责设备采购。
3. 设备到货后，设备管理部门组织验收，确保设备符合要求。
第八条设备安装与调试1. 设备管理部门负责设备安装，确保安装质量。
2. 安装完成后，设备操作人员与设备供应商共同进行设备调试，确保设备性能符合要求。
第九条设备运行管理1. 设备操作人员应按照操作规程进行操作，确保设备安全运行。
2. 使用部门应定期检查设备运行状况，发现问题及时报告设备管理部门。
3. 设备管理部门应定期对设备进行维护保养，确保设备处于良好状态。
第十条设备维修与改造1. 设备出现故障时，设备操作人员应立即停止使用，并及时报告设备管理部门。
2. 设备管理部门组织维修，确保设备尽快恢复正常运行。
3. 对于设备老化、性能不达标等问题，设备管理部门负责设备的改造或更新。
第十一条设备报废1. 设备达到报废标准或因事故等原因无法修复时，设备管理部门负责设备报废手续。
2. 报废设备应进行技术鉴定，确保报废程序合法合规。
第四章设备安全管理第十二条设备操作人员必须严格遵守安全操作规程，确保人身和设备安全。
第十三条设备管理部门应定期对设备进行安全检查，发现问题及时整改。
第十四条设备操作人员应定期接受安全教育和培训，提高安全意识。
第十五条设备管理部门应制定应急预案，应对突发事件。
第五章-设备管理2010
（3）按设备的共享属性分类 独占设备：临界资源 共享设备：如磁盘 虚拟设备：利用虚拟技术将一台独占设备变换为若干台 逻辑设备
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第五章 设 备 管 理
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第五章 设 备 管 理
I/O软件的组成
• 基本思想：按分层的思想构建，较低层 的软件为较高层的软件服务，使较高层 的软件独立于硬件，为用户服务提供统 一的接口。
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第五章 设 备 管 理
I/O系统分层
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为了加快输入和输出速度,提高设备利用率,人们又 引进了双缓冲区机制,也称为缓冲对换。在设备输 入时,先将数据送入第一缓冲区,装满后便转向第 二缓冲区。
（a）
用户进程 工作区
缓冲区1 缓冲区2
I管 理
（a）
用户进程 工作区
缓冲区1 缓冲区2
I/O设备
（b）T1(缓冲1)
G
G6
Next i
R 1
2R
2021图/4/95-14 循环缓冲
G5
3 4 G
Next g
Current
C
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第五章 设 备 管 理
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第五章 设 备 管 理
5.3.4 缓冲池（Buffer Pool） 上述的缓冲区仅适用于某特定的I/O进程和计算进程， 属于专用缓冲，为了提高缓冲区的利用率，目前广泛 流行共用缓冲池，在池中设置了多个可供若干个进程 共享的缓冲区。
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缓冲区设置分为
硬缓冲：在设备中设置缓冲区，由硬件实现 软缓冲：在内存中开辟一个空间，用作缓冲区
2 单缓冲和双缓冲
1. 单缓冲(Single Buffer)
是OS提供的最简单的一种缓冲形式。
用户进程
操作系统
用户区
传送
传送
缓冲区
输入 I/O设备
址 通道命令字CCW：保存正在执行的通道指令 通道状态字CSW： 存放通道执行后的返回结果 通道数据字CDW：存放传输数据 通道和CPU共用内存，通过周期窃取方式取得
I／O通道控制方式
2) 通道命令及格式 通道程序是由一系列的通道指令(或称为通道
命令)所构成。 每条通道指令中应包含下列诸信息： (1)命令码：它规定了外围设备所执行的操作。
说明：由于只有一个缓冲区，读卡机和打印机是 串行工作的。即读卡机将数据读入缓冲区时，打印 机空闲，打印机工作时，读卡机空闲。
为了能让两者更好地工作，引入了双缓冲区。
单机缓冲系统
2. 双缓冲(Double Buffer)
用户进程 用户区
操作系统
传送
缓冲区1
传送
缓冲区1 缓冲区2
输出
下面通过数学方式说明单缓冲的作用。 对于块设备输入（出），设从磁盘把一块数据输入到缓冲 区（或从缓冲区把一块数据输出到磁盘）所需的时间为T，将 缓冲区的数据传送到用户区的时间为M，CPU计算数据的时间 为C，则系统对每整块数据的处理时间为：max(C,T)+M
(M<<T or C) 如果没有缓冲区，则系统对每整块数据的处理时间为：
(2)数据主存地址：标明数据送入内存(读)和从 内存取出(写)时的内存首址。或是控制信息；或是 转移地址
(3)传送字节个数：表示本条指令所要读(或写) 数据的字节数。
(5) 标志码R：
R=1表示本通道程序尚未结束 R=0表示通道程序的最后 一条指令，通道程序结束
返回
I／O通道控制方式
3) 工作原理 CPU：执行用户程序，当遇到I/O请求时，可根据该
(1)它的指令类型单一。即：通道硬件简单，所 执行的指令主要局限于与I/O操作有关的指令。
(2)它没有自己的内存，通道所执行的通道程序 是存放在内存中的。即：通道与CPU共享内存。 返 回
主机I／O系统
由于主机所配置的I/O设备较多，为减轻CPU 和总线的负担，采用的是具有通道的I/O系统结构。 如图所示
除了上述外，缓冲池还具有如下的工作缓冲区：
①用于收容输入数据的工作缓冲区； ②用于提取输入数据的工作缓冲区； ③用于收容输出数据的工作缓冲区； ④用于提取输出数据的工作缓冲区；
请求生成通道程序放入内存（也可事先编好放入内存）， 并将该通道程序的首地址放入CAW中；之后执行“启动I/O” 指令，启动通道工作
通道：接收到“启动I/O”指令后，从CAW中取出通道 程序的首地址，并根据首地址取出第一条指令放入CCW中， 同时向CPU发回答信号，使CPU可继续执行其他程序，而 通道则开始执行通道程序，完成传输工作。
计算机
I/O通道1 I/O通道2
控制器1 控制器2 控制器3 控制器4
设备 设备
设备 设备
图 具有通道的I/O系统结构
返回
I／O通道控制方式
1. 引入
I/O通道方式是DMA方式的发展，它可进一步 减少CPU的干预。即把对一个数据块的读（写）为 单位的干预，减少为对一组数据块的读（写）及有 关的控制和管理为单位的干预，同时又可实现CPU、 通道和I/O设备三者的并行工作，从而更有效地提 高了整个系统的资源利用率。
通道：执行通道程序，向控制器发出命令，并
具有向CPU发中断信号的功能。 一旦CPU发出指令，
启动通道，则通道独立于CPU工作。由前面知，一
个通道可连接多个控制器，一个控制器可连接多个
设备，形成树形交叉连接。
返回
I／O通道控制方式
2. 通道程序 通道是通过执行通道程序，并与设备控制器一
起共同实现对I／O设备的控制。 1）通道运算控制部件 通道地址字CAW：记录通道程序在内存中的地
通道程序完成实际I/O，启动I/O设备，执行完毕后， 如果还有下一条指令，则继续执行, 否则表示传输完成，向 CPU发I/O中断，并且通道停止工作。CPU接收中断信号， 从CSW中取得有关信息，决定下一步做什么。
5.6 缓 冲 技术
1 缓冲的引入
在OS中，引入缓冲技术的主要原因有： 缓和CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾 减少对CPU的中断频率，放宽对中断响应时间的限制 （见下页图） 提高CPU和I/O设备之间的并行性 所以，为了提高I/O速度和设备利用率，许多计算机系 统通过设置缓冲区采用了缓冲技术来实现。
I／O通道
（通道的引入）
硬件连接结构
I／O通道
（通道的引入）
引入通道的主要目的：是使一些原来由 CPU处 理的I/O任务转由通道来承担，从而把CPU从繁杂的 I/O任务中解脱出来，以保证CPU有更多的时间去进 行数据的处理。
I/O通道的特点： I/O通道是一种特殊的处理机， 与一般的处理机的区别主要表现在：
T+C
用户进程
a)
处 理(C) 工作区
传 送(M)
缓冲区
输 入(T)
I/O设 备
T1
T2
T3
T4
b)
M1
M2
M3
C1
C2
C3
t
用户进程
操作系统
传送
用户区
传送
缓冲区
输入
I/O设备
输出
对于字符设备输入（出），缓冲区是暂存用户 输入（出）的一行数据。
例：把一叠卡片读入并打印出来。设读卡机和打 印机的速度分别是600张/m、600行/m，则每读入并 打印出一张卡片上的记录需时为200ms。
用户进程 用户区
操作系统
传送
缓冲区1
传送
缓冲区2
输入 I/O设备
输出 I/O设备
输入 I/O设备1
输出 I/O设备2
5.3.4 缓冲池(Buffer Pool)
目前广泛流行的公用缓冲池，由于可供多个进程共享， 可提高缓冲区的利用率。 一、缓冲池(Buffer Pool)的组成
对于可用于I/O的缓冲池，包含的缓冲区类型有： ①空（闲）缓冲区； ②装满输入数据的缓冲区； ③装满输出数据的缓冲区。 对应的有以下三个缓冲队列： ①空缓冲队列emq。由空缓冲区所链成的队列 ②输入队列inq。由装满输入数据的缓冲区所链成的 队列 ③输出队列outq。由装满输出数据的缓冲区所链成的 队列