21central_操作系统 第五章设备管理

2．缓冲池的工作方式 缓冲区可以在收容输入、提取输入、收容输出和提
取输出四种方式下工作。
收容输入：输入进程需要输入数据时，从空缓冲区队列的队首摘下一空
缓冲区，把它作为收容输入工作缓冲区。数据输入后把它挂在输入队列 上。
提取输入：计算进程需要输入数据时，从输入缓冲区队列的队首摘下一
缓冲区，把它作为提取输入工作缓冲区。计算进程提取数据后把它挂在 空缓冲队列上。
收容输出：输入进程需要输出数据时，从空缓冲区队列的队首摘下一空
缓冲区，把它作为收容输出工作缓冲区。装满数据后把它挂在输出队列 上。
提取输出：计算进程从输出缓冲区队列的队首摘下一装满输出数据的缓
冲区，把它作为提取输出工作缓冲区。计算进程提取数据后把它挂在空 缓冲队列上。
缓冲池的工作缓冲区
第四节、 设备分配
二、设备与控制器之间的接口 数据信号；控制信号；状态信号
5.1．3 设备控制器
一、设备控制器的功能 1．接收和识别命令 2．数据交换 3．设备状态的了解和报告
二、设备控制器的组成 1．设备控制器与处理机的接口 2．设备控制器与设备的接口 3．I/O逻辑
5.1．4 I/O通道
1． DMA控制方式的引入 2． DMA控制器的组成
（1）设备驱动程序的功能和特点 （2）设备驱动程序的处理过程 （3）中断处理程序的处理过程
设备驱动程序的功能
1、将接收到的抽象要求转换为具体要求； 2、检查用户I/O请求的合法性，了解I/O设备的状态，传递
有关参数，设置设备的工作方式； 3、发出I/O命令，启动分配到的I／O设备，完成指定的I／
O操作； 4、及时响应由控制器或通道发来的中断请求，并根据其
DMA方式的特点是： （1）数据传送的基本单位是数据块。 （2）所传送的数据是从设备送内存，或者相反。 （3）仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时，才需中断
CPU，请求干预，整块数据的传送是在DMA控制器控制下完成的。
DMA控制器与其他部件的关系
四、I/O通道控制方式
1． I/O通道控制方式的引入
第五章 设备管理
第一节 I/O系统组成 第二节 I/O控制方式 第三节 缓冲管理 第四节 设备分配 第五节 设备处理
第一节、I/O系统组成 （学生自行阅读）
5.1．1 I/O系统的结构
一、微型机I/O系统——总线I/O系统结构 二、 主机I/O系统——通道I/O系统结构
5.1．2 I/O设备
一、I/O设备的类型 1．按传输速率分 低速设备——几个～数百个 B/S 中速设备——数K～数十KB/S 高速设备——数百K～数MB/S 2．按信息交换的单位分类 块设备——用于存储信息，信息的存取以数据块为单位。特征：传输速率较高 可寻址；采用DMA方式 字符设备——用于数据的输入和输出，基本单位是字符。特征：传输速率较低 不可寻址；采用中断驱动方式。 3．按设备的共享属性分类 独占设备——一段时间内只允许一个用户（进程）访问的设备。 共享设备——一段时间内允许多个进程同时访问的设备。 虚拟设备——通过虚拟技术将一台独占设备变换为若干台逻辑设备。
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干预。同时，又 可实现CPU、通道和I/O设备三者的并行操作。
2． 通道程序组成： 1、操作码：规定了指令所执行的操作（读、 写、控制）
2、内存地址：标明字符存取内存首地址 3、计数：表示本条指令所要读写数据的字节
第三节、缓冲管理
为了缓和CPU与I/O 设备速度不匹配 的矛盾，提高CPU和I/O设备的并行性， 将采用缓冲区。缓冲管理的主要职责是 组织好这些缓冲，并提供获得和释放缓 冲区的手段。
缓冲的引入
引入缓冲的主要目的有以下几点。 1．缓和处理机和I/O设备间速度不匹配
的矛盾 2．减少对CPU的中断次数 3．提高CPU和I/O设备之间的并行性
单缓冲
单缓冲是操作系统提供的最简单的 一种缓冲形式。每当一个进程发出一个 I/O请求时，操作系统便在主存中为之分 配一缓冲区，该缓冲区用来临时存放输 入/输出数据。
双缓冲
解决外设之间并行工作的最简单的办法是设置双缓冲。 在双缓冲方案中，具体的做法是为输入或输出操作设 置两个缓冲区buffer1和buffer2。
（2）设备并没有分配给任何进程。在输入井或输出 井中，分配给进程的是一存储区和建立一张I/O请 求表。
（3）实现了虚拟设备功能。多个进程同时使用一独 享设备，而对每一进程而言，都认为自己独占这 一设备，不过，该设备是逻辑上的设备。
第五节、设备处理
设备处理程序通常又称为设备驱动程序，它是输入/输出进程与设 备控制器之间的通信程序。
中断类型调用相应的中断处理程序进行处理； 5、对于设置有通道的计算机系统，驱动程序还应能够根
据用户的I/O请求，自动地构成通道程序. 归纳起来有两点：
（1）实现逻辑设备到物理设备的转换。 （2）发出I/O命令，启动相应的I/O设备，完成相
应的I/O操作。
设备驱动程序的特点
驱动程序主要是在请求I／O的进程与设备控制 器之间的一个通信程序。
虚拟设备的分配与假脱机技术
1．虚拟设备的分配 2．假脱机技术 3．假脱机系统的组成 4．假脱机系统的特点
1 ．虚拟设备的分配
所谓虚拟设备是指代替独享设备的那部分 存储空间及有关的控制结构。对虚拟设备采用 的是虚拟分配，其过程是：当进程中请求独享 设备时，系统将共享设备的一部分存储空间分 配给它。进程与设备交换信息时，系统把要交 换的信息存放在这部分存储空间，在适当的时 候对信息作相应的处理。如打印时，把要打印 的信息送到某个存储空间中，在打印机空闲时 将存储空间上的信息送到打印机上打印出来。
第二节、I/O控制方式
（学生自行阅读，着重介绍通道方式）
一、程序I/O方式
程序直接控制方式是指由程序直接控制内存或 CPU和外围设备之间进行信息传送的方式。通 常又称为“忙—等”方式或循环测试方式。
在数据传送过程中，必不可少的一个硬件设备 是I/O控制器，它是操作系统软件和硬件设备之 间的接口，它接收CPU的命令，并控制I/O设 备进行实际的操作。
0
140
1034
1
60
5830
1
300
2000
0
250
1850
1
250
720
上述给出了由六条通道指令所构成的通道程序。其中，前
三条指令是分别将813～892单元中的80个字符和1034～1173单 元中的140个字符及5830～5889单元中的60个字符写成一条记 录；第4条指令是单独写一个具有300个字符的记录；第5、6条 指令共写含500个字符的记录。
（4）设备独立性
独享设备的分配
所谓独享设备是指这类设备被分配给一个 作业后，被这个作业所独占使用，其他的任何 作业不能使用，直到该作业释放该设备为止。 常见的独享设备有行打印机、光电输入机等。 针对独享设备，系统一般采用静态分配方式。 即在一个作业执行前，将它所需要使用的这类 设备分配给它，当作业结束撤离时，才将分配 给它的独享设备收回。
三、 直接存储器访问DMA控 制方式
1． DMA控制方式的引入 2． DMA控制器的组成 命令/状态寄存器CR、内存地址寄存器MAR、
数据寄存器DR、数据计数器DC 3． DMA工作过程
DMA方式又称直接存储器访问（Direct Memory Access）方式。 其基本思想是在外设和主存之间开辟直接的数据交换通路。
2．假脱机技术
通过共享设备来模拟独享设备所采用的操 作是假脱机操作，即在联机情况下外部设备同 时操作。
3．假脱机系统的组成
输入井和输出井 输入缓冲区和输出缓冲区 输入进程和输出进程
假脱机系统的组成
4．假脱机系统的特点
（1）提高了I/O速度。从对低速I/O设备进行的I/O操 作变为对输入井或输出井的操作，如同脱机操作 一样，提高了I/O速度，缓和了CPU与低速I/O设备 速度不匹配的矛盾。
双缓冲方式和单缓冲方式相比，虽然双缓冲方式能进 一步提高CPU和外设的并行程度，并能使输入设备和 输出设备并行工作，但是在实际系统中很少采用这一 方式，这是因为在计算机系统中的外设很多，又有大 量的输入和输出，同时双缓冲很难匹配设备和CPU的 处理速度。因此现代计算机系统中一般使用环形缓冲 或缓冲池结构。
驱动程序与I／O设备的特性紧密相关。对不同 类型的设备，应配置不同的驱动程序。
驱动程序与I／O控制方式紧密相关。常用I/O 控制方式是中断驱动和DMA方式。
数 4、通道程序结束位P。P＝1表示本条指令是
通道程序的最后一条指令。 5、记录结束标志R。R＝0表示本通道指令与
下一条指令所处的数据是同属于一条记录； R＝1表示这是处理某条记录的最后一条指 令。
操作
P
WRITE
0
WRITE
0
WRITE
0
WRITE
0
WRITE
0
WRITE
1
R
计数
内存地址
0
80
813
在多道程序环境下，系统中的设备供所有 进程共享。为了防止诸进程对系统资源的无序 竞争，特规定系统设备不允许用户自行使用， 必须由系统统一分配。
设备分配时应考虑的若干因素
（1）考虑设备的固有属性 独享设备、共享设备、虚拟设备
（2）设备分配算法： 先来先服务、优先级高者优先
（3）设备分配的安全性 安全分配方式 不安全分配方式
通道方式的数据传送结构
通道控制方式的数据过程如下：
（1）当进程要求设备输入时，CPU发指令指明I/O操作、设 备号和对应通道。 （2）对应通道收到CPU发来的启动指令后，读出内存中的 通道指令程序、设置对应设备的控制状态寄存器的初值。 （3）设备按通道指令的要求，把数据送往内存指定区域。 （4）若传送结束，I/O控制器通过中断请求线发中断信号请 求CPU做中断处理。 （5）中断处理结束后，CPU返回到被中断进程处继续执行。 （6）当进程调度程序选中这个已得到数据的进程后，才能 进行加工处理。
二、中断驱动I/O控制方式
（1）进程需要数据时，将允许启动和允许中断的控制字写入设备控制状态 寄存器中，启动该设备进行输入操作。 （2）该进程放弃处理机，等待输入的完成。操作系统进程调度程序调度其 他就绪进程占用处理机。 （3）当输入完成时，输入设备通过中断请求线向CPU发出中断请求信号。 CPU在接收到中断信号之后，转向中断处理程序。 （4）中断处理程序首先保护现场，然后把输入缓冲寄存器中的数据传送到 某一特定单元中去，同时将等待输入完成的那个进程唤醒，进入就绪状态， 最后恢复现场，并返回到被中断的进程继续执行。 （5）在以后的某一时刻，操作系统进程调度程序选中提出的请求并得到获 取数据的进程，该进程从约定的内存特定单元中取出数据继续工作。
环形缓冲（循环缓冲）
环形缓冲技术是在主存中分配一组大小相 等的存储区作为缓冲区，并将这些缓冲区链接 起来，每个缓冲区中有一个指向下一个缓冲的 指针，最后一个缓冲区的指针指向第一个缓冲 区，这样n个缓冲区就成了一个环形。此外， 系统中有个缓冲区链首指针指向第一个缓冲区。 环形缓冲区结构如图下所示。
环形缓冲区结构
共享设备的分配
所谓共享设备是指允许多个用户共同使用的设 备。如磁盘、磁鼓等设备，可由多个进程同时 进行访问。设备的共享有两层含义：一是指对 设备介质的共享，如磁盘上的各扇区。二是指 对磁盘等驱动器的共享，多个用户访问这些设 备上的信息是通过驱动器来实现的。
对共享设备的分配一般采用动态分配这一方式 。
缓冲池
上述的缓冲区仅适合用于某特定I/O进程和计算进 程。而当系统较大时，将会有许多这样的环形缓冲， 这不仅要消耗大量的内存空间，而且其利用率不高。 为了提高缓冲区的利用率，可使用缓冲池技术。
从自由主存中分配一组缓冲区即可构成缓冲池。 1．缓冲池的组成
缓冲池中的缓冲区一般有以下三种类型： 空闲缓冲区、装输入数据的缓冲区和装输出数 据的缓冲区。
命令/状态寄存器CR、内ห้องสมุดไป่ตู้地址寄存器MAR、数据寄 存器DR、数据计数器DC 3． DMA工作过程
一、通道设备的引入 二、通道类型
1．字节多路通道（Byte Multiplexor Channal） 2．数组选择通道（Block Selector Channal） 3．数组多路通道 三、“瓶颈”问题