設(shè)備管理一第六章

設(shè)備管理一第六章第6章設(shè)備管理“設(shè)備”泛指計算機系統(tǒng)中的外部設(shè)備，即除主機以外的其他所有設(shè)備。在多道程序設(shè)計環(huán)境下，計算機系統(tǒng)允許多個用戶作業(yè)同時在內(nèi)存，它們的運行勢必涉及到I/O設(shè)備。于是，對于設(shè)備本身，有一個如何有效利用的問題；對于設(shè)備和CPU，有一個如何發(fā)揮并行工作能力的問題；對于設(shè)備和用戶，有一個如何方便使用的問題。2025/5/27設(shè)備管理的任務(wù)是完成用戶提出的I/O請求，為用戶分配I/O設(shè)備，提高CPU與I/O設(shè)備的利用率，提高I/O設(shè)備的速度，方便用戶使用I/O設(shè)備。2025/5/27系統(tǒng)的基本功能方便用戶使用I/O設(shè)備隱藏物理設(shè)備的細節(jié)與設(shè)備的無關(guān)性提高CPU和I/O設(shè)備的利用率提高CPU和I/O設(shè)備的利用率對I/O設(shè)備進行控制為用戶的共享設(shè)備時提供方便確保對設(shè)備的正確共享錯誤處理2025/5/276.1.2I/O系統(tǒng)的層次和結(jié)構(gòu)模型I/O層次結(jié)構(gòu)用戶層I/O軟件設(shè)備獨立性軟件設(shè)備驅(qū)動程序中斷處理程序2025/5/272025/5/27I/O層次結(jié)構(gòu)

用戶層軟件設(shè)備獨立性軟件設(shè)備驅(qū)動程序中斷處理程序硬件實現(xiàn)與用戶交互的接口，產(chǎn)生I/O請求負責(zé)實現(xiàn)與設(shè)備驅(qū)動器的統(tǒng)一接口、設(shè)備命名，設(shè)備的保護，設(shè)備的分配與釋放，緩沖等。與硬件直接相關(guān)，負責(zé)具體實現(xiàn)系統(tǒng)對設(shè)備發(fā)出的操作指令，驅(qū)動I/O設(shè)備工作的驅(qū)動程序保護環(huán)境，轉(zhuǎn)入相應(yīng)處理程序，恢復(fù)現(xiàn)場等執(zhí)行I/O操作2025/5/272025/5/27操作系統(tǒng)的I/O子系統(tǒng)通常由四個層次組成，每一層明確定義了與鄰近層次的接口。其合理的層次組織排列順序是(2012)A.用戶級I/O軟件、設(shè)備無關(guān)軟件、設(shè)備驅(qū)動程序、中斷處理程序B、用戶級I/O軟件、設(shè)備無關(guān)軟件、中斷處理程序、設(shè)備驅(qū)動程序C、用戶級I/O軟件、設(shè)備驅(qū)動程序、設(shè)備無關(guān)軟件、中斷處理程序D、用戶級I/O軟件、中斷處理程序、設(shè)備無關(guān)軟件、設(shè)備驅(qū)動程序用戶程序發(fā)出磁盤I/O請求后，系統(tǒng)的處理流程是：用戶程序-系統(tǒng)調(diào)用處理程序-設(shè)備驅(qū)動程序-中斷處理程序。其中，計算數(shù)據(jù)所在磁盤的柱面號、磁頭號、扇區(qū)號的程序是（2011,2013）A、用戶程序B、系統(tǒng)調(diào)用處理程序C、設(shè)備驅(qū)動程序D、中斷處理程序2025/5/272025/5/27I/O層次視圖

用戶層軟件設(shè)備獨立性軟件設(shè)備驅(qū)動程序中斷處理程序硬件I/O系統(tǒng)接口RW/HW接口2025/5/276.1.3I/O系統(tǒng)接口塊設(shè)備接口塊設(shè)備：數(shù)據(jù)的存取和傳輸都是以數(shù)據(jù)塊為單位的設(shè)備。特點：傳輸速率高，可尋址，DMA控制方式隱藏了磁盤的二維結(jié)構(gòu)將抽象命令映射為低層操作流設(shè)備接口字符設(shè)備。特點：傳輸速率低，不可尋址，中斷驅(qū)動方式Get操作和put操作In-control指令網(wǎng)絡(luò)接口2025/5/276.2I/O設(shè)備和設(shè)備控制器

I/O設(shè)備由執(zhí)行I/O操作的機械部分和執(zhí)行控制I/O的電子部件（設(shè)備控制器）組成。2025/5/276.2.1I/O設(shè)備1、I/O設(shè)備的類型按使用特性分存儲設(shè)備：用以存儲信息的主要設(shè)備輸入輸出設(shè)備：輸入設(shè)備,輸出設(shè)備,交互式設(shè)備2025/5/27I/O設(shè)備的分類按傳輸速率分低速設(shè)備：每秒幾個到數(shù)百字節(jié)。如鍵盤、鼠標中速設(shè)備：每秒數(shù)千到數(shù)萬字節(jié)。如打印機高速設(shè)備：每秒數(shù)百K到數(shù)兆。如磁盤、磁帶2025/5/27按信息交換的單位分類塊設(shè)備

：

I/O傳輸?shù)膯挝皇菈K，如磁盤、磁帶。特征：速率高（幾兆）、可尋址（可隨機訪問任一塊）、DMA方式驅(qū)動。

字符設(shè)備：I/O傳輸?shù)膯挝皇亲止?jié)，如打印機、modem等。特征：速率較低、不可尋址、中斷驅(qū)動。2025/5/27

按設(shè)備共享屬性分類獨占型設(shè)備：在任一段時間內(nèi)最多有一個進程占用它，字符設(shè)備及磁帶機屬獨占型設(shè)備。即臨界資源。共享型設(shè)備：多個進程對它的訪問可以交叉進行，除磁帶機外的塊設(shè)備屬共享設(shè)備虛擬設(shè)備：在一類設(shè)備上模擬另一類設(shè)備，常用共享設(shè)備模擬獨占設(shè)備，用高速設(shè)備模擬低速設(shè)備，被模擬的設(shè)備稱為虛擬設(shè)備2025/5/272、設(shè)備與控制器之間的接口通常，設(shè)備不是直接與CPU進行通信，而是與設(shè)備控制器通信，因此在I/O設(shè)備中應(yīng)含有與設(shè)備控制器間的接口，在該接口中有三種類型的信號，各對應(yīng)一條信號線2025/5/272、設(shè)備與控制器之間的接口數(shù)據(jù)信號線用于在設(shè)備和設(shè)備控制器之間傳送數(shù)據(jù)信號?？刂菩盘柧€作為由設(shè)備控制器向I/O設(shè)備發(fā)送控制信號時的通路。狀態(tài)信號線用于傳送指示設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)的信號。2025/5/27設(shè)備控制器設(shè)備控制器主要負責(zé)控制一個或多個I/O設(shè)備，以實現(xiàn)I/O設(shè)備和計算機之間的數(shù)據(jù)交換。它是CPU與I/O設(shè)備之間的接口，接收從CPU發(fā)來的命令，并控制I/O設(shè)備工作，以使CPU從繁雜的設(shè)備控制事務(wù)中解脫出來。是一個可編址設(shè)備，每一個地址對應(yīng)一個設(shè)備。設(shè)備控制器可分為兩類，一類用于控制字符設(shè)備的控制器，另一類是用于控制塊設(shè)備的控制器。在微型機中的控制器，常做成印刷電路卡，因而也常稱為接口卡2025/5/27設(shè)備控制器的基本功能接收和識別命令數(shù)據(jù)交換標識和報告設(shè)備的狀態(tài)地址識別數(shù)據(jù)緩沖差錯控制2025/5/27設(shè)備控制器的組成由于設(shè)備控制器位于CPU與設(shè)備之間，它既要與CPU通信，又要與設(shè)備通信，還應(yīng)具有按照CPU所發(fā)來的命令去控制設(shè)備的工作的功能，因此現(xiàn)有的大多數(shù)控制器都是由三部分組成設(shè)備控制器與處理機的接口設(shè)備控制器與設(shè)備的接口I/O邏輯2025/5/27設(shè)備控制器的組成2025/5/27內(nèi)存映像I/O2025/5/27內(nèi)存映像I/O2025/5/27I/O通道 雖然在CPU與I/O設(shè)備之間增加了設(shè)備控制器后，已能大大減少CPU對I/O的干預(yù)，但當(dāng)一個系統(tǒng)配置的設(shè)備較多時，I/O操作較為頻繁的情況下，CPU可能完全陷入I/O處理，這樣會大大地降低計算機系統(tǒng)的效率，解決的方法就是用到通道技術(shù)。

2025/5/27 通道方式的目的使一些原來由CPU處理的I/O任務(wù)轉(zhuǎn)由通道來承擔(dān)，從而使CPU徹底從I/O中解放出來。當(dāng)用戶發(fā)出I/O請求后，CPU就把該請求全部交由通道去完成。通道在整個I/O任務(wù)結(jié)束后，才發(fā)出中斷信號，請求CPU進行善后處理。不僅數(shù)據(jù)傳輸獨立于CPU,而且I/O操作的組織管理也獨立于CPU。I/O通道的引入：2025/5/27 為使中央處理機從繁忙的I/O處理中擺脫出來，現(xiàn)代大、中型計算機系統(tǒng)中設(shè)置了專門的處理I/O操作的處理機，并把這種處理機稱為通道。通道在CPU的控制下獨立地執(zhí)行通道程序，對外部設(shè)備的I/O操作進行控制，以實現(xiàn)內(nèi)存與外設(shè)之間成批的數(shù)據(jù)交換。 通道=I/O處理機

通道概念2025/5/27

I/O通道與一般的處理機不同，主要表現(xiàn)在以下兩個方面：指令類型單一，這是由于通道硬件比較簡單，其所能執(zhí)行的命令，主要局限于與I/O操作有關(guān)的指令；通道沒有自己的內(nèi)存，通道所執(zhí)行的通道程序是放在主機的內(nèi)存中的，換言之，是通道與CPU共享內(nèi)存。2025/5/27I/O通道I/O通道的分類字節(jié)多路通道數(shù)據(jù)選擇通道數(shù)組多路通道2025/5/27通道的種類字節(jié)多路通道：字節(jié)多路通道是以字節(jié)為基本傳輸單位，通常含有許多非分配型子通道，其數(shù)量從幾十到數(shù)百個，每一個子通道連接一臺I/O設(shè)備，并控制該設(shè)備的I/O操作。這些子通道按時間片輪轉(zhuǎn)主式共享主通道。當(dāng)一個子通道控制的某臺外設(shè)交換了一個字節(jié)后，就轉(zhuǎn)向下一個子通道，以控制下一臺設(shè)備傳送一個字節(jié)。這就實現(xiàn)了子通道的循環(huán)輪轉(zhuǎn)，以達到多路控制的目的，字節(jié)多路通道主要用來控制低速、并且以字節(jié)為基本傳送單位的設(shè)備。如打印機。2025/5/272025/5/27數(shù)組選擇通道：字節(jié)多路通道不適于連接高速設(shè)備，這推動了按數(shù)組方式進行數(shù)據(jù)傳送的數(shù)組選擇通道的形成。這種通道雖然可以連接多臺高速設(shè)備，但由于它只含有一個分配型子通道，在一段時間內(nèi)只能執(zhí)行一道通道程序，控制一臺設(shè)備進行數(shù)據(jù)傳送，致使當(dāng)某臺設(shè)備占用了該通道后，便一直由它獨占，即使是它無數(shù)據(jù)傳送，通道被閑置，也不允許其它設(shè)備使用該通道，直至該設(shè)備傳送完畢釋放該通道。它的優(yōu)點是傳輸速度高，缺點是一次只能控制一臺設(shè)備進行I/O操作，利用率低。它主要用來控制高速外設(shè)。如磁盤選擇通道2025/5/27

數(shù)組多路通道：

這種通道是上述兩種通道的折中，可以分時的方式執(zhí)行多道程序，每道程序可傳送一組數(shù)據(jù)。因而這種通道既具有很高的數(shù)據(jù)傳輸速率，又能獲得令人滿意的通道利用率。也正因此，才使該通道能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。

在一大型系統(tǒng)中可以同時存在這三種類型的通道以便控制各種不同類型的設(shè)備。2025/5/27通道

I/O系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 在大型計算機系統(tǒng)中較為典型的I/O系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是主機、通道、控制器和外部設(shè)備。2025/5/27“瓶頸”問題

圖5-4單通路I/O系統(tǒng)2025/5/27圖5-5多通路I/O系統(tǒng)解決“瓶頸”問題的最有效方法就是增加設(shè)備到主機間的通路而不增加通道

2025/5/27練習(xí)通道是I/O處理機，它用于實現(xiàn)______之間的信息傳輸；____用作連接大量的低速或中速設(shè)備；A、數(shù)據(jù)選擇通道B、字節(jié)多路通道C、數(shù)據(jù)多路通道按_____分類可將設(shè)備分為塊設(shè)備和字符設(shè)備。A、從屬關(guān)系B、操作特性C、共享屬性D、信息交換單位2025/5/27練習(xí)硬盤屬于(

)

A、字符型設(shè)備

B、獨占型設(shè)備

C、塊設(shè)備

D、虛擬設(shè)備

所有的塊型設(shè)備都是共享設(shè)備。(

)打印機是一類典型的塊設(shè)備。（）選擇通道主要用于連接低速設(shè)備.

（）2025/5/276.3中斷機構(gòu)和中斷處理程序中斷的簡介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，再繼續(xù)運行被中止進程的過程。在這里引起中斷的事件稱為中斷源。中斷事件通常由硬件發(fā)現(xiàn)中斷的處理對出現(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2025/5/27中斷的簡介2025/5/27中斷的簡介

2025/5/27中斷的處理中斷處理過程①測定是否有未響應(yīng)的中斷信號。②保護被中斷進程的CPU環(huán)境。③轉(zhuǎn)入相應(yīng)的設(shè)備處理程序。④中斷處理。⑤恢復(fù)現(xiàn)場，退出中斷。2025/5/27圖6-10中斷現(xiàn)場保護示意圖2025/5/27圖6-11中斷處理流程2025/5/276.4設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)備處理程序通常又稱為設(shè)備驅(qū)動程序，它是I/O進程與設(shè)備控制器之間的通信程序，又由于它常以進程的形式存在，所以簡稱之為設(shè)備驅(qū)動進程主要任務(wù)：接收上層軟件發(fā)來的抽象要求，把它轉(zhuǎn)換為具體要求后，發(fā)送給設(shè)備控制器，啟動設(shè)備去執(zhí)行。也將由設(shè)備控制器發(fā)來的信號傳送給上層軟件。通常，每一類設(shè)備配置一種驅(qū)動程序。2025/5/27設(shè)備驅(qū)動程序的功能和特點設(shè)備驅(qū)動程序的功能一是接收設(shè)備獨立性軟件發(fā)來的命令和參數(shù)，把抽象要求轉(zhuǎn)化為具體要求。二是檢查用戶I/O請求的合法性，了解I/O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I/O命令，啟動分配到的I/O設(shè)備，完成指定的I/O操作。四是及時響應(yīng)由控制器或通道發(fā)來的中斷請求，并根據(jù)其中斷類型調(diào)用相應(yīng)的中斷處理程序進行處理。2025/5/27設(shè)備驅(qū)動程序的功能和特點設(shè)備驅(qū)動程序的特點一是驅(qū)動程序主要是在請求I/O的進程與設(shè)備控制器之間的一個通信程序。二是驅(qū)動程序與I/O設(shè)備的特性密切相關(guān)。三是驅(qū)動程序與I/O控制方式緊密相關(guān)。四是驅(qū)動程序與硬件緊密相關(guān)，其部分被固化在ROM中。五是驅(qū)動程序應(yīng)允許可重入六是驅(qū)動程序不允許系統(tǒng)調(diào)用。2025/5/27設(shè)備驅(qū)動程序的功能和特點設(shè)備處理的方式一是為每一類設(shè)備設(shè)置一個進程，它專門執(zhí)行這類設(shè)備的I/O操作。二是在整個系統(tǒng)中設(shè)置一個I/O進程，專門負責(zé)對系統(tǒng)中所有各類設(shè)備的I/O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(yīng)的設(shè)備處理程序，供用戶進程或系統(tǒng)進程調(diào)用。2025/5/27設(shè)備驅(qū)動程序的處理過程主要任務(wù)：啟動指定設(shè)備將抽象要求轉(zhuǎn)化為具體要求檢查I/O請求的合法性讀出和檢查設(shè)備的狀態(tài)傳送必要的參數(shù)設(shè)置工作方式啟動I/O設(shè)備2025/5/27練習(xí)設(shè)備驅(qū)動程序與（）密切相關(guān)，如果計算機中配置有一個光盤，一個軟盤，一個硬盤，此時應(yīng)為它們配置（）種外存設(shè)備驅(qū)動程序。如果系統(tǒng)中連接有四個相同的終端設(shè)備，此時應(yīng)為它們配置（）個終端設(shè)備驅(qū)動程序2025/5/276.4.3對I/O設(shè)備控制方式輪詢的可編程I/O方式I/O中斷方式DMA方式通道方式中斷DMA通道2025/5/271程序I/O方式早期，I/O控制器是OS同硬件之間的接口p(147)。它有兩個寄存器：數(shù)據(jù)緩沖寄存器、控制/狀態(tài)寄存器。狀態(tài)控制寄存器有一個標志忙/閑的標志位busy。CPU外部設(shè)備控制邏輯電路控制寄存器I/O控制器數(shù)據(jù)寄存器2025/5/27工作過程以輸入為例1、把busy置12、反復(fù)測試busy，為1表示輸入機尚未輸完一個字，處理機應(yīng)繼續(xù)對該標志進行測試，轉(zhuǎn)2，為0表示輸入機已將輸入數(shù)據(jù)送入控制器的數(shù)據(jù)寄存器中，轉(zhuǎn)33、把數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中讀走，并置busy為1。所謂“程序循環(huán)測試”的數(shù)據(jù)傳輸方式，就是指用戶進程使用啟動設(shè)備后，不斷地執(zhí)行測試指令，去測試所啟動設(shè)備的狀態(tài)寄存器。只有在狀態(tài)寄存器出現(xiàn)了所需要的狀態(tài)后，才停止測試工作，完成輸入/輸出。忙----等待方式2025/5/27

在程序I/O方式中，由于CPU的高速性和I/O設(shè)備的低速性，致使CPU的絕大部分時間都處于等待I/O設(shè)備完成數(shù)據(jù)I/O的循環(huán)測試中，造成對CPU的極大浪費。在該方式中，CPU之所以要不斷地測試I/O設(shè)備的狀態(tài)，就是因為在CPU中無中斷機構(gòu)，使I/O設(shè)備無法向CPU報告它已完成了一個字符的輸入操作。2025/5/272I/O中斷方式I/O控制器能發(fā)中斷。工作過程：1、發(fā)出啟動某設(shè)備的命令，本進程（A）變?yōu)榈却隣顟B(tài)，轉(zhuǎn)進程調(diào)度，調(diào)度另一進程B。2、輸入完成時，控制器發(fā)出中斷，中斷B，通過中斷進入中斷處理程序。3、在中斷處理程序中把數(shù)據(jù)緩沖寄存器中的數(shù)取走，放入內(nèi)存特定位置M，喚醒等待進程A，中斷返回到B的斷點繼續(xù)執(zhí)行。4、在以后的某個時刻OS調(diào)度要求輸入的進程A。A從M取數(shù)處理。

2025/5/272025/5/27在I/O設(shè)備輸入每個數(shù)據(jù)的過程中，由于無須CPU干預(yù)，因而可使CPU與I/O設(shè)備并行工作。僅當(dāng)輸完一個數(shù)據(jù)時，才需CPU花費極短的時間去做些中斷處理?？梢?，這樣可使CPU和I/O設(shè)備都處于忙碌狀態(tài)，從而提高了整個系統(tǒng)的資源利用率及吞吐量。例如，從終端輸入一個字符的時間約為100ms，而將字符送入終端緩沖區(qū)的時間小于0.1ms。若采用程序I/O方式，CPU約有99.9ms的時間處于忙—等待中。采用中斷驅(qū)動方式后，CPU可利用這99.9ms的時間去做其它事情，而僅用0.1ms的時間來處理由控制器發(fā)來的中斷請求?？梢姡袛囹?qū)動方式可以成百倍地提高CPU的利用率。2025/5/27分析同前相比，CPU利用率大大提高。缺點：每臺設(shè)備每輸入輸出一個字節(jié)的數(shù)據(jù)都有一次中斷。如果設(shè)備較多時，中斷次數(shù)會很多，使CPU的計算時間大大減少。為減少中斷對CPU造成的負擔(dān)，可采用DMA方式和通道方式。2025/5/273直接存儲器訪問（DMA）方式直接存儲器存取控制方式的概念是指對I/O設(shè)備的控制由DMA控制器完成，在DMA控制器的作用下，設(shè)備和主存之間可以成批地進行數(shù)據(jù)交換，而不用CPU的干涉。2025/5/275.2.3DMA方式直接存儲器存取控制方式的概念該方式的特點是：①數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕締挝皇菙?shù)據(jù)塊，即在CPU與I/O設(shè)備之間，每次傳送至少一個數(shù)據(jù)塊；②所傳送的數(shù)據(jù)是從設(shè)備直接送入內(nèi)存的，或者相反；③僅在傳送一個或多個數(shù)據(jù)塊的開始和結(jié)束時，才需CPU干預(yù)，整塊數(shù)據(jù)的傳送是在控制器的控制下完成的?？梢?，DMA方式較之中斷驅(qū)動方式，又是成百倍地減少了CPU對I/O的干預(yù)，進一步提高了CPU與I/O設(shè)備的并行操作程度。

2025/5/27DMA方式 控制器功能更強，除有中斷功能外，還有一個DMA控制機構(gòu)。在DMA控制器的控制下，設(shè)備同主存之間可成批交換數(shù)據(jù)，不用CPU干預(yù)。DMA控制器組成：主機與DMA控制器的接口；DMA控制器與塊設(shè)備的接口；I/O控制邏輯2025/5/27DMA方式

DMA控制器組成：主機與DMA控制器的接口；DMA控制器與塊設(shè)備的接口；I/O控制邏輯為了實現(xiàn)在主機與控制器之間的成塊數(shù)據(jù)的直接交換，須在DMA控制器中設(shè)置如下四類寄存器：命令/狀態(tài)寄存器CR；內(nèi)存地址寄存器MAR；數(shù)據(jù)寄存器DR；數(shù)據(jù)計數(shù)器DC。2025/5/27DMA方式工作過程直接存儲器存取控制方式的步驟(P197)①當(dāng)進程要求設(shè)備輸入一批數(shù)據(jù)時，CPU將設(shè)備存放輸入數(shù)據(jù)的內(nèi)存始址以及要傳送的字節(jié)數(shù)分別送入DMA控制器中的地址寄存器MAR和數(shù)據(jù)計數(shù)器DC；另外，還要將磁盤中的源地址直接送至DMA控制器的I/O控制邏輯上。②發(fā)出數(shù)據(jù)要求的進程進入等待狀態(tài)，進程調(diào)度程序調(diào)度其他進程占據(jù)CPU。③輸入設(shè)備不斷從磁盤中讀入一個字的數(shù)據(jù)并送入數(shù)據(jù)寄存器DR中，再挪用一個存儲器周期，將數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)寫入內(nèi)存，MAR+1，DC-1，若DC不為0則繼續(xù)傳下一個字。④DMA控制器在傳送字節(jié)數(shù)完成時，通過中斷請求線發(fā)出中斷信號，CPU收到中斷信號后轉(zhuǎn)中斷處理程序，喚醒等待輸入完成的進程，并返回被中斷的程序。⑤在以后的某個時刻，進程調(diào)度程序選中提出請求輸入的進程，該進程從指定的內(nèi)存始址取出數(shù)據(jù)做進一步處理。2025/5/273.DMA工作過程圖5-9DMA方式的工作流程2025/5/27直接存儲器存取控制直接存儲器存取控制方式的特點I/O數(shù)據(jù)傳輸速度快，CPU負擔(dān)少。在DMA方式下，數(shù)據(jù)的傳送方向、存放數(shù)據(jù)的內(nèi)存始址及傳送數(shù)據(jù)的長度等都由CPU控制。每臺設(shè)備需要配一個DMA控制器。2025/5/27DMA方式與中斷的主要區(qū)別中斷方式是在數(shù)據(jù)緩沖寄存區(qū)滿后，發(fā)中斷請求，CPU進行中斷處理

DMA方式則是在所要求傳送的數(shù)據(jù)塊全部傳送結(jié)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(shù)中斷方式的數(shù)據(jù)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(jīng)過CPU控制完成的2025/5/27實現(xiàn)流程2025/5/274I/O通道控制方式

1.I/O通道控制方式的引入

雖然DMA方式比起中斷方式來，已經(jīng)顯著地減少了CPU的干預(yù)，即已由以字(節(jié))為單位的干預(yù)減少到以數(shù)據(jù)塊為單位的干預(yù)，但CPU每發(fā)出一條I/O指令，也只能去讀一個連續(xù)的數(shù)據(jù)塊，要是一次去讀多個數(shù)據(jù)塊且將它們分別傳送到不同的內(nèi)存區(qū)域，則須由CPU發(fā)出多條I/O指令，進行多次中斷。2025/5/275.2.4I/O通道控制方式

1.I/O通道控制方式的引入

I/O通道方式是DMA方式的發(fā)展，它可進一步減少CPU的干預(yù)，即把對一個數(shù)據(jù)塊的讀(或?qū)?為單位的干預(yù)，減少為對一組數(shù)據(jù)塊的讀(或?qū)?及有關(guān)的控制和管理為單位的干預(yù)。同時，又可實現(xiàn)CPU、通道和I/O設(shè)備三者的并行操作，從而更有效地提高整個系統(tǒng)的資源利用率。例如，當(dāng)CPU要完成一組相關(guān)的讀(或?qū)?操作及有關(guān)控制時，只需向I/O通道發(fā)送一條I/O指令，以給出其所要執(zhí)行的通道程序的首址和要訪問的I/O設(shè)備，通道接到該指令后，通過執(zhí)行通道程序便可完成CPU指定的I/O任務(wù)。2025/5/272通道程序通道有它自己的指令系統(tǒng)，用一系列通道指令構(gòu)成的程序叫通道程序。通道通過執(zhí)行通道程序，并與設(shè)備控制器共同實現(xiàn)對I/O設(shè)備的控制。通道只能執(zhí)行通道程序，不可能執(zhí)行用戶進程。

2025/5/27通道有自己的指令系統(tǒng)，它與一般的機器指令不同，在它的每條指令中都包含下列諸信息：操作碼；內(nèi)存地址；計數(shù)；通道程序結(jié)束位P；記錄結(jié)束標志R2025/5/27操作PR計數(shù)內(nèi)存地址WRITE0080813WRITE001401034WRITE01605830WRITE013002000WRITE002501850WRITE112507202025/5/27若干通道命令字構(gòu)成一個“通道程序”，它規(guī)定了設(shè)備應(yīng)該執(zhí)行的各種操作和順序。在CPU啟動通道后，由通道執(zhí)行通道程序，完成CPU所交給的I/O任務(wù)。通常，通道程序存放在通道自己的存儲部件里。當(dāng)通道中沒有存儲部件時，就存放在內(nèi)存儲器里。這時，為了使通道能取到通道程序去執(zhí)行，必須把存放通道程序的內(nèi)存起始地址告訴通道。存放這個起始地址的內(nèi)存固定單元，被稱為“通道地址字”。2025/5/27通道的工作過程某進程在運行過程中，若提出了I/O請求，只需向通道I/O通道發(fā)一條I/O指令，以給出其所要執(zhí)行的通道程序的始址和要訪問的I/O設(shè)備；用戶進程阻塞以等待I/O完成通道則通過執(zhí)行通道程序控制設(shè)備控制器，控制設(shè)備完成指定的I/O任務(wù)。發(fā)出中斷信號通知CPU通道程序已執(zhí)行完成。CPU響應(yīng)中斷，進行善后處理并喚醒被阻塞的用戶進程2025/5/27

通道是一種特殊的（），具有（）能力。主機的CPU與通道可以并行工作，并通過（）實現(xiàn)彼此之間的通信和同步。1、I/O設(shè)備2、設(shè)備控制器3、處理機4、I/O控制器1、執(zhí)行I/O指令集2、執(zhí)行CPU指令集

3、傳輸I/O命令4、運行I/O進程1、I/O指令2、I/O中斷3、I/O指令和I/O中斷4、操作員2025/5/27

在程序I/O方式中，對于輸出設(shè)備，準備就緒就是指1、輸出緩沖區(qū)已空2、輸出緩沖區(qū)已有數(shù)據(jù)

3、輸出設(shè)備已開始工作4、輸出設(shè)備已收到I/O指令不使用中斷機制的I/O控制方式是_____如果I/O設(shè)備與存儲設(shè)備進行數(shù)據(jù)交換不經(jīng)過CPU來完成，這種數(shù)據(jù)交換方式是_____。A、程序查詢B、中斷方式C、DMA方式在中斷驅(qū)動方式中，CPU是以______為單位對I/O進行干預(yù)的；DMA方式時，是以______為單位進行干預(yù)的；I/O通道方式是以______為單位進行干預(yù)的。2025/5/276.5設(shè)備無關(guān)的I/O軟件設(shè)備獨立性概念（設(shè)備無關(guān)性）應(yīng)用程序中所使用的設(shè)備，不局限于使用某個具體的物理設(shè)備。應(yīng)用程序獨立于具體使用的物理設(shè)備。在應(yīng)用程序中，使用邏輯設(shè)備名稱來請求使用某類設(shè)備。系統(tǒng)在實際執(zhí)行時，必須使用物理設(shè)備名稱2025/5/27設(shè)備獨立性設(shè)備獨立性好處（設(shè)備無關(guān)性）設(shè)備分配時的靈活性。如果一個系統(tǒng)中有若干臺相同的設(shè)備，用戶編程時不指定使用哪一個具體的設(shè)備，而僅說明要使用哪一類設(shè)備，系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前這一類設(shè)備的具體狀況給用戶分配一臺具體的設(shè)備。易于實現(xiàn)I/O重定向。用于I/O操作的設(shè)備可以更換（重定向），而不必改變應(yīng)用程序。例如有一程序要求輸入信息，可以從各種不同類型的輸入設(shè)備上給程序輸入數(shù)據(jù)，則稱該程序是獨立于不同類型的輸入設(shè)備的。2025/5/27設(shè)備獨立性邏輯設(shè)備名到物理設(shè)備名映射的實現(xiàn)邏輯設(shè)備表LUT將應(yīng)用程序中所使用的邏輯設(shè)備名映射為物理設(shè)備名。2025/5/27設(shè)備獨立性設(shè)備獨立性軟件驅(qū)動程序是一個與硬件緊密相關(guān)的軟件，為了實現(xiàn)設(shè)備獨立性，必須在其上設(shè)置一層軟件稱為設(shè)備獨立性軟件。其功能有執(zhí)行所有設(shè)備的公有操作這些公有操作包括：①設(shè)備驅(qū)動程序的統(tǒng)一接口，無論何種設(shè)備，它們向用戶所提供的接口應(yīng)該是相同的。例如，對各種設(shè)備的讀操作，在應(yīng)用程序中都使用read;而對各種設(shè)備的寫操作，也都使用write；并將邏輯設(shè)備名映射為物理設(shè)備名，進一步可以找到相應(yīng)物理設(shè)備的驅(qū)動程序；對設(shè)備進行保護，禁止用戶直接訪問設(shè)備；②緩沖管理，即對字符設(shè)備和塊設(shè)備的緩沖區(qū)進行有效的管理，以提高I/O的效率；③差錯控制。設(shè)備獨立性軟件只處理那些設(shè)備驅(qū)動程序無法處理的錯誤。④對獨立設(shè)備的分配與回收；⑤提供獨立于設(shè)備的邏輯塊。向用戶層(或文件層)軟件提供統(tǒng)一接口

2025/5/27程序員利用系統(tǒng)調(diào)用打開I/O設(shè)備時，通常使用的設(shè)備標識是（2009）A.邏輯設(shè)備名B.物理設(shè)備名C.主設(shè)備號D.從設(shè)備號本地用戶通過鍵盤登陸系統(tǒng)是，首先獲得鍵盤輸入信息的程序是()。（2010）A.命令解釋程序B.中斷處理程序 C.系統(tǒng)調(diào)用程序 D.用戶登錄程序2025/5/276.5.3設(shè)

備

分

配在多道程序環(huán)境下，系統(tǒng)中的設(shè)備供所有進程共享，為防止諸進程對系統(tǒng)資源的無序競爭，特規(guī)定系統(tǒng)設(shè)備不允許用戶自行使用，必須由系統(tǒng)統(tǒng)一分配。每當(dāng)進程向系統(tǒng)提出請求時，只要是可能和安全的，按一定策略分配為了實現(xiàn)獨占設(shè)備分配，必須在系統(tǒng)中設(shè)置相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)2025/5/27設(shè)備分配中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)從前面所學(xué)內(nèi)容中我們知道，創(chuàng)建一個進程時，開辟一個進程控制塊PCB，以便隨時記錄進程的信息；在把一個作業(yè)提交給系統(tǒng)時，系統(tǒng)也是開辟一個作業(yè)控制塊JCB，以便隨時記錄作業(yè)的信息。為了管理系統(tǒng)中的外部設(shè)備，操作系統(tǒng)仍然采用這種老辦法：為每一臺設(shè)備開辟一個存儲區(qū)，隨時記錄系統(tǒng)中每一個設(shè)備的基本信息，這個存儲區(qū)被稱為“設(shè)備控制表DCT（DeviceControlTable）”。2025/5/27設(shè)備分配中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)備控制表（DCT）系統(tǒng)為每個設(shè)備配置一張設(shè)備控制表，用于記錄設(shè)備的特性及I/O控制器連接的情況。

控制器控制表（COCT）每個控制器配置一張表，它反映控制器的使用情況等。

通道控制表（CHCT）為每個通道配置一張表，它反映通道的使用狀態(tài)。系統(tǒng)設(shè)備表（SDT）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。整個系統(tǒng)配置一張。

2025/5/27下圖左側(cè)的“DCT”，表示系統(tǒng)中所有外部設(shè)備的DCT的集合；中間是對其中的第i個設(shè)備的DCT放大，給出了DCT中可能有的一些表項。不難理解，隨著系統(tǒng)的不同，DCT中所含的內(nèi)容也不同。DCT2025/5/27DCTDCT1DCTiDCTnDCTi圖：設(shè)備控制表及設(shè)備請求隊列忙/閑等待/不等待與設(shè)備連接的控制器表指針重復(fù)執(zhí)行次數(shù)（出錯時重新傳送的次數(shù)）2025/5/27DCT由于設(shè)備控制表DCT中存放的是一臺具體設(shè)備的有關(guān)信息，找到一個設(shè)備的DCT，就得到了該設(shè)備的特性、各種參數(shù)、使用情況等，所以DCT是設(shè)備管理中最重要的一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。2025/5/27控制器控制表和通道控制表2025/5/27為了管理設(shè)備，系統(tǒng)除了為每個設(shè)備設(shè)置DCT外，整個系統(tǒng)還要有一張所謂的“系統(tǒng)設(shè)備表（SDT—SystemDeviceTable）”。系統(tǒng)初啟時，每一個標準的以及用戶提供的外部設(shè)備，在該表中都有一個表目，表目內(nèi)容可以有該外部設(shè)備的標識、所屬的類型以及它的設(shè)備控制表DCT的指針（即DCT所在的起始地址），如下圖所示。2025/5/272025/5/27設(shè)備分配應(yīng)考慮的因素設(shè)備的固有屬性設(shè)備的分配算法設(shè)備分配的安全性2025/5/27設(shè)備分配應(yīng)考慮的因素設(shè)備的固有屬性獨占性：在使用上具有排它性的設(shè)備。當(dāng)一個作業(yè)進程在使用某種設(shè)備時，別的作業(yè)進程就只能等到該進程使用完畢后才能用，那么這種設(shè)備就是獨享設(shè)備。鍵盤輸入機、磁帶機和打印機等都是典型的獨享設(shè)備。獨占設(shè)備：采用獨享分配策略，即將一個設(shè)備分配給某進程后，便由該進程獨占，直至該進程完成或釋放該設(shè)備。缺點：設(shè)備得不到充分利用，可能引起死鎖2025/5/27設(shè)備分配應(yīng)考慮的因素設(shè)備的固有屬性共享性：允許多個進程共同時共享。軟硬盤、光盤等塊設(shè)備都是共享設(shè)備共享設(shè)備：同時分配給多個進程使用，須注意對這些進程訪問該設(shè)備的先后次序進行合理調(diào)度。2025/5/27設(shè)備分配應(yīng)考慮的因素設(shè)備的固有屬性虛擬性：本身雖是獨占設(shè)備，但經(jīng)過某種技術(shù)處理，可以把它改造成虛擬設(shè)備。將一臺打印機虛擬成多臺打印機虛擬設(shè)備：一臺可虛擬設(shè)備是可共享的設(shè)備，可以將它同時分配給多個進程使用，并對這些訪問該（物理設(shè)備）的先后次序進行控制2025/5/27設(shè)備分配應(yīng)考慮的因素設(shè)備分配算法先來先服務(wù)：當(dāng)有多個進程對同一個設(shè)備提出I/O請求時，該算法根據(jù)諸進程對某設(shè)備提出請求的先后次序，將這些進程排成一個設(shè)備請求隊列，總是把設(shè)備首先分配給隊首進程優(yōu)先級高者優(yōu)先：將優(yōu)先權(quán)高的進程排在設(shè)備隊列前面，對于優(yōu)先級相同的I/O請求，則按先來先服務(wù)原則排隊2025/5/27設(shè)備分配應(yīng)考慮的因素設(shè)備分配的安全性安全分配方式：每當(dāng)進程發(fā)出I/O請求后，便進入阻塞狀態(tài)，直到其I/O操作完成時才被喚醒。一旦獲得某種設(shè)備后便阻塞,使該進程不可能再請求任何資源,在它運行時又不保持任何資源。摒棄了“請求和保持”不安全分配方式：進程在發(fā)出I/O請求后仍繼續(xù)運行，需要時又發(fā)出第二個I/O請求、第三個。僅當(dāng)進程所請求的設(shè)備已被另一進程占用時，請求進程才進入阻塞狀態(tài)。可能造成死鎖。須進行安全性計算.2025/5/27獨占設(shè)備的分配程序步驟：分配設(shè)備分配控制器分配通道只有在設(shè)備、控制器和通道三者都分配成功時，這次的設(shè)備分配才算成功。才可啟動該I/O設(shè)備進行數(shù)據(jù)傳送。2025/5/27獨占設(shè)備的分配程序改進：基本分配程序的缺點：進程是以物理設(shè)備名來提出I/O請求的；采用的是單通路的I/O系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，容易產(chǎn)生“瓶頸”現(xiàn)象改進方法增加設(shè)備獨立性：進程使用邏輯設(shè)備名請求I/O考慮多通路情況2025/5/27設(shè)備獨立性邏輯設(shè)備名到物理設(shè)備名映射的實現(xiàn)邏輯設(shè)備表LUT

LUT設(shè)置可采用兩種方式：整個系統(tǒng)中只設(shè)置一張LUT為每個用戶設(shè)置一張LUT2025/5/27獨占設(shè)備的分配程序改進：2025/5/276.6用戶層的I/O軟件大部分的I/O軟件都在操作系統(tǒng)內(nèi)部，但仍有一小部分在用戶層，包括與用戶程序鏈接在一起的庫函數(shù)，以及完全運行于內(nèi)核之外