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1、計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng),制作者：張曉艷 2010年5月,第四章 設(shè)備管理 設(shè)備管理程序的功能： (1)提供和進(jìn)程管理系統(tǒng)的接口。 (2)進(jìn)行設(shè)備分類。按照設(shè)備類型和相應(yīng)的分配算法把設(shè)備和其他有關(guān)的硬件分別給請(qǐng)求該設(shè)備的進(jìn)程，并把未分配到所請(qǐng)求設(shè)備或其他有關(guān)硬件的進(jìn)程放入等待隊(duì)列。 (3)實(shí)現(xiàn)設(shè)備和設(shè)備、設(shè)備和CPU等之間的并行操作。 (4)進(jìn)行緩沖管理，解決低速I/O設(shè)備與高速CPU之間傳送數(shù)據(jù)不匹配問(wèn)題。,4.3 緩沖管理 引入緩沖技術(shù)的目的 改善中央處理器與外圍設(shè)備之間速度不配的矛盾，凡是數(shù)據(jù)到達(dá)和離去速度不匹配的地方均可采用緩沖技術(shù)。 減少對(duì)CPU的中斷頻率，放寬對(duì)CPU中斷響應(yīng)時(shí)間的限制， 提。

2、高CPU和I/O設(shè)備的并行性。,緩沖技術(shù)實(shí)現(xiàn)的基本思想： 進(jìn)程執(zhí)行寫(xiě)操作輸出數(shù)據(jù)時(shí)，向系統(tǒng)申請(qǐng)一個(gè)緩沖區(qū)，若為順序?qū)懻?qǐng)求，則不斷把數(shù)據(jù)填到緩沖區(qū)，直到被裝滿。此后，進(jìn)程繼續(xù)它的計(jì)算，系統(tǒng)將緩沖區(qū)內(nèi)容寫(xiě)到I/O設(shè)備上。 進(jìn)程執(zhí)行讀操作輸入數(shù)據(jù)時(shí)，向系統(tǒng)申請(qǐng)一個(gè)緩沖區(qū)，系統(tǒng)將一個(gè)物理記錄的內(nèi)容讀到緩沖區(qū)，根據(jù)進(jìn)程要求，把當(dāng)前需要的邏輯記錄從緩沖區(qū)中選出并傳送給進(jìn)程。,在輸出數(shù)據(jù)時(shí)，只有在系統(tǒng)還來(lái)不及騰空 緩沖而進(jìn)程又要寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)，它才需要等待； 在輸入數(shù)據(jù)時(shí)，僅當(dāng)緩沖區(qū)空而進(jìn)程又要從 中讀取數(shù)據(jù)時(shí)，它才被迫等待。 根據(jù)系統(tǒng)對(duì)緩沖區(qū)的不同設(shè)置，可把緩沖技 術(shù)分為以下幾類： 單緩沖 雙緩沖 循環(huán)緩沖 緩。

3、沖池,單緩沖 單緩沖是操作系統(tǒng)提供的最簡(jiǎn)單的一種緩沖形式。每當(dāng)一個(gè)進(jìn)程發(fā)出一個(gè)I/O請(qǐng)求時(shí)，操作系統(tǒng)便在主存中為之分配一緩沖區(qū)，該緩沖區(qū)用來(lái)臨時(shí)存放輸入/輸出數(shù)據(jù)。 對(duì)于塊設(shè)備,單緩沖機(jī)制如下工作： OS為進(jìn)程分配一緩沖區(qū)，塊設(shè)備輸入時(shí)從磁盤(pán)把一塊數(shù)據(jù)輸入緩沖區(qū)的時(shí)間為T，OS將緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)傳送給用戶區(qū)的時(shí)間為M，計(jì)算時(shí)間為C，則T和C時(shí)可以并行的。數(shù)據(jù)處理時(shí)間約為 maxC，T+M。,對(duì)于字符設(shè)備,緩沖區(qū)用于暫存用戶輸入的一行數(shù)據(jù)，輸入時(shí)，進(jìn)程掛起等待輸入完畢；輸出時(shí)進(jìn)程將一行數(shù)據(jù)輸入到緩沖區(qū)，繼續(xù)執(zhí)行處理。如果前面的數(shù)據(jù)尚未提取完畢，則進(jìn)程應(yīng)阻塞。,工作區(qū),用戶進(jìn)程,處理機(jī),單緩沖,輸入(。

4、T),傳送(M),I/O設(shè)備,緩沖區(qū)屬于臨界資源，不允許多個(gè)進(jìn)程同時(shí)對(duì)一個(gè)緩沖區(qū)操作，讀、寫(xiě)在單緩沖上互斥發(fā)生，因此單緩沖無(wú)法實(shí)現(xiàn)CPU與設(shè)備的并行操作。,？,緩沖區(qū)屬于臨界資源，不允許多個(gè)進(jìn)程同時(shí)對(duì)一個(gè)緩沖區(qū)操作，讀、寫(xiě)在單緩沖上互斥發(fā)生，因此單緩沖無(wú)法實(shí)現(xiàn)CPU與設(shè)備的并行操作。,一次僅允許一個(gè)進(jìn)程訪問(wèn)的資源稱為臨界資源。 硬件資源 如打印機(jī)、磁帶機(jī)等。 軟件資源 如共享變量、表格、隊(duì)列、棧等。,？,雙緩沖提高設(shè)備并行操作 輸入數(shù)據(jù)時(shí)，首先填滿緩沖區(qū)A,操作系統(tǒng)可從緩沖區(qū)A把數(shù)據(jù)送到用戶進(jìn)程區(qū),用戶進(jìn)程便可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加工計(jì)算;與此同時(shí),輸入設(shè)備填充緩沖區(qū)B。 當(dāng)緩沖區(qū)A空出后，輸入設(shè)備再次。

5、向緩沖區(qū)1輸入。操作系統(tǒng)又可把緩沖區(qū)B的數(shù)據(jù)傳送到用戶進(jìn)程區(qū),用戶進(jìn)程開(kāi)始加工緩沖B的數(shù)據(jù)。,雙緩沖,工作區(qū),用戶進(jìn)程,處理機(jī),緩沖區(qū)A,緩沖區(qū)B,I/O設(shè)備,寫(xiě),讀,雙緩沖,工作區(qū),用戶進(jìn)程,處理機(jī),緩沖區(qū)A,緩沖區(qū)B,I/O設(shè)備,寫(xiě),讀,如果CT，當(dāng)上一塊數(shù)據(jù)計(jì)算完畢后，需把一個(gè)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)傳送到用戶區(qū)，花費(fèi)時(shí)間為M，再對(duì)這塊數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，花費(fèi)時(shí)間為C，所以，一塊數(shù)據(jù)的傳輸和處理時(shí)間為C+M、即max(C,T)+M，這種情況下進(jìn)程不必要等待I/O。,？,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的外圍設(shè)備較多，讀/寫(xiě) 數(shù)據(jù)速度有很大的差異，在向緩沖區(qū)讀/寫(xiě) 數(shù)據(jù)的過(guò)程中，高速設(shè)備等待的情況仍然 比較嚴(yán)重，設(shè)備利用率比。

6、較低。,雙緩沖,循環(huán)緩沖 環(huán)形緩沖技術(shù)是在主存中分配一組大小相等的存儲(chǔ)區(qū)作為緩沖區(qū)，并將這些緩沖區(qū)鏈接起來(lái)，每個(gè)緩沖區(qū)中有一個(gè)指向下一個(gè)緩沖的指針，最后一個(gè)緩沖區(qū)的指針指向第一個(gè)緩沖區(qū)，這樣n個(gè)緩沖區(qū)就成了一個(gè)環(huán)形。 三種類型的緩沖區(qū)：用于裝輸入數(shù)據(jù)的空緩沖區(qū)R、已經(jīng)裝滿數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)G、以及計(jì)算進(jìn)程正在訪問(wèn)的工作緩沖區(qū)C。 設(shè)置了四個(gè)指針。,循環(huán)緩沖,Nexti ：指示寫(xiě)進(jìn)程下次可用的空緩沖區(qū)R,循環(huán)緩沖,Nextg ：指示讀進(jìn)程下一個(gè)可用的緩沖區(qū)G,循環(huán)緩沖,Current_R: 指示讀進(jìn)程正在使用的緩沖區(qū),循環(huán)緩沖,Current_W: 指示寫(xiě)進(jìn)程正在使用的緩沖區(qū),進(jìn)程同步問(wèn)題,(1)Ne。

7、xti指針追趕上Nextg指針。 這意味著進(jìn)程輸入數(shù)據(jù)的速度大于進(jìn)程取數(shù)據(jù)的速度，已把全部緩沖區(qū)裝滿。此時(shí)，寫(xiě)進(jìn)程應(yīng)阻塞，直到讀進(jìn)程把某個(gè)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)全部提取完，使之成為空緩沖區(qū)R，并調(diào)用Releasebuf過(guò)程將它釋放時(shí)，才將寫(xiě)進(jìn)程喚醒。 (2)Nextg指針追趕上Nexti指針 這意味著讀進(jìn)程取數(shù)據(jù)的速度高于寫(xiě)進(jìn)程輸入數(shù)據(jù)的速度，使全部緩沖區(qū)都被抽空，讀進(jìn)程只能阻塞，直到寫(xiě)進(jìn)程裝滿某個(gè)緩沖區(qū)，調(diào)用Releasebuf過(guò)程將它釋放時(shí)，才去喚醒計(jì)算進(jìn)程。,循環(huán)緩沖,循環(huán)緩沖,？,循環(huán)緩沖區(qū)僅適用于某特定的I/O進(jìn)程和 計(jì)算進(jìn)程，屬于專用緩沖，共享程度低。 當(dāng)系統(tǒng)較大時(shí)，將會(huì)有許多這樣的緩沖區(qū)，。

8、這不僅要消耗大量的內(nèi)存空間，而且其利用率不高。,緩沖池 從自由主存中分配一組緩沖區(qū)即可構(gòu)成緩池。 1緩沖池的組成 緩沖池中的緩沖區(qū)一般有以下三種類型：空閑緩沖區(qū)、裝滿輸入數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)和裝滿輸出數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)。 為了管理將相同類型的緩沖區(qū)鏈成三個(gè)隊(duì)列： 空緩沖隊(duì)列emq 輸入隊(duì)列inq 輸出隊(duì)列outq,除了上述三種隊(duì)列外，還應(yīng)具有四種工作緩區(qū)： 用于收容輸入數(shù)據(jù)的工作緩沖區(qū)hin； 用于提取輸入數(shù)據(jù)的工作緩沖區(qū)sin； 用于收容輸出數(shù)據(jù)的工作緩沖區(qū)hout； 用于提取輸出數(shù)據(jù)的工作緩沖區(qū)sout；,緩沖池,2. Getbuf過(guò)程和Putbuf過(guò)程,隊(duì)列是臨界資源互斥且同步 信號(hào)量 為使諸進(jìn)程能互。

9、斥地和同步地訪問(wèn)緩沖池隊(duì)列， 可分別為每一隊(duì)列設(shè)置一個(gè)互斥訪問(wèn)信號(hào)量S1(type)， 初值為1。 另外一個(gè)是資源同步信號(hào)量S2(type)， 初值為n，表示該類緩沖區(qū)的數(shù)目。,Getbuf與Putbuf流程圖,3.緩沖區(qū)的工作方式,3.緩沖區(qū)的工作方式,1)收容輸入工作方式 調(diào)用Getbuf(emp) emp隊(duì)列的隊(duì)首摘下一個(gè)空緩沖區(qū) hin 輸入數(shù)據(jù) 調(diào)用Putbuf(inq，hin) 將hin掛到inq隊(duì)列的隊(duì)尾 2)提取輸入工作方式 調(diào)用Getbuf(inq) 輸入隊(duì)列的隊(duì)首摘下一個(gè)緩沖區(qū) sin 提取數(shù)據(jù) 調(diào)用Putbuf(emp，sin) 將sin掛到emp隊(duì)列的隊(duì)尾 3)收容輸出。

10、工作方式 調(diào)用Getbuf(emp) emp隊(duì)列的隊(duì)首摘下一個(gè)空緩沖區(qū) hout 輸出數(shù)據(jù) 調(diào)用Putbuf(outq，hout) 將hout掛到outq隊(duì)列的隊(duì)尾 4)提取輸出工作方式 調(diào)用Getbuf(outp) 輸出隊(duì)列的隊(duì)首摘下一個(gè)緩沖區(qū) hin 提取數(shù)據(jù) 調(diào)用Putbuf(emp，sout) 將sout掛到emp隊(duì)列的隊(duì)尾,設(shè)備分配的總原則 (1)既要充分發(fā)揮設(shè)備的使用效率，又要避免由于不合理的分配方法而造成進(jìn)程死鎖 (2)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的獨(dú)立性，即把用戶程序和具體物理設(shè)備隔離開(kāi)來(lái)。,4.4設(shè)備分配, 系統(tǒng)分配時(shí)要考慮的因素 1.設(shè)備分配方式 靜態(tài)分配方式 不會(huì)出現(xiàn)死鎖 設(shè)備利用率低，一般。

11、不使用 動(dòng)態(tài)分配方式 提高了設(shè)備利用率，但可能造成死鎖 1)先請(qǐng)求先分配 2)優(yōu)先級(jí)高者先分配,系統(tǒng)分配時(shí)要考慮的因素 2.設(shè)備特性 獨(dú)占設(shè)備 獨(dú)享分配策略(靜態(tài)分配) 設(shè)備利用率低 共享設(shè)備 虛擬設(shè)備 同時(shí)分配給多個(gè)進(jìn)程使用(動(dòng)態(tài)分配) 合理調(diào)度訪問(wèn)次序,系統(tǒng)分配時(shí)要考慮的因素 3.設(shè)備分配中的安全性 安全分配方式 摒棄了“請(qǐng)求和保持”條件 CPU與I/O設(shè)備串行工作，進(jìn)程進(jìn)展緩慢 不安全分配方式 一個(gè)進(jìn)程可同時(shí)操作多個(gè)設(shè)備，進(jìn)程推進(jìn)迅速 可能造成死鎖，應(yīng)進(jìn)行安全性計(jì)算, 設(shè)備分配中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 1.設(shè)備控制表DCT, 設(shè)備分配中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 2.系統(tǒng)設(shè)備表SDT, 設(shè)備分配中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 3.控。

12、制器控制表COCT, 設(shè)備分配中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 4.通道控制表CHCT, 設(shè)備分配算法, 設(shè)備分配算法,單通路I/O,多通路I/O,設(shè)備獨(dú)立性 應(yīng)用程序獨(dú)立于具體使用的物理設(shè)備 設(shè)備分配時(shí)的靈活性 易于實(shí)現(xiàn)I/O重定向,邏輯設(shè)備表(LUT),用于單用戶系統(tǒng),用于多用戶系統(tǒng),4.5 設(shè)備虛擬性,脫機(jī)輸入輸出 增加不與主機(jī)相連而專門用于 輸入/輸出的外圍計(jì)算機(jī) SPOOLing(Simultaneous Peripheral Operations On-line 外圍設(shè)備同時(shí)聯(lián)機(jī)操作) 假脫機(jī)操作,SPOOLing系統(tǒng)的組成,(1)提高了I/O的速度 (2)將獨(dú)占設(shè)備改造成了共享設(shè)備 (3)實(shí)現(xiàn)了虛擬。

13、設(shè)備功能,SPOOLing系統(tǒng)的特點(diǎn),SPOOLing系統(tǒng)的應(yīng)用 共享打印機(jī),設(shè)備處理是通過(guò)設(shè)備處理程序來(lái)實(shí)現(xiàn)的，通常又稱為設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。它是I/O進(jìn)程和設(shè)備控制器之間的通信程序，常以進(jìn)程的形式被CPU調(diào)度。,4.6 設(shè)備處理過(guò)程,設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的特點(diǎn) (1) 驅(qū)動(dòng)程序主要是在請(qǐng)求I/O的進(jìn)程與設(shè)備控制器之間的一個(gè)通信程序。它將進(jìn)程的I/O請(qǐng)求傳送給控制器，而把設(shè)備控制器中所記錄的設(shè)備狀態(tài)、I/O操作完成情況，反映給請(qǐng)求I/O的進(jìn)程。 (2) 驅(qū)動(dòng)程序與I/O設(shè)備的特性緊密相關(guān)。一般情況下，各類設(shè)備包括不同廠家生產(chǎn)的同一類設(shè)備都采用不同的驅(qū)動(dòng)程序。目前有很多驅(qū)動(dòng)程序，其基本部分已經(jīng)固化，放在RO。

14、M中。 (3) 根據(jù)不同的I/O控制方式，驅(qū)動(dòng)程序驅(qū)動(dòng)設(shè)備完成相應(yīng)的I/O工作。,設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的主要功能 (1) 將接收到的抽象要求轉(zhuǎn)換為具體要求。 (2) 檢查用戶I/O請(qǐng)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。 (3) 發(fā)出I/O命令，啟動(dòng)分配到的I/O設(shè)備，完成指定的I/O操作。 (4) 及時(shí)響應(yīng)由控制器或通道發(fā)來(lái)的中斷請(qǐng)求，并根據(jù)其中斷 類型調(diào)用相應(yīng)的中斷處理程序進(jìn)行處理。 (5) 對(duì)于設(shè)置有通道的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)程序還應(yīng)能夠根據(jù) 用戶的I/O請(qǐng)求，自動(dòng)地構(gòu)成通道程序。,設(shè)備處理流程,每類(個(gè))設(shè)備設(shè)置一個(gè)專門的I/O進(jìn)程，且該進(jìn)程只能在系統(tǒng)態(tài)下執(zhí)行。 整個(gè)系統(tǒng)設(shè)置一個(gè)I/O進(jìn)程，全面復(fù)雜系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳送工作。 每類(個(gè))設(shè)備設(shè)置一個(gè)專門的I/O進(jìn)程，但該進(jìn)程既可以用在用戶態(tài)也可以在系統(tǒng)態(tài)下執(zhí)行。,設(shè)備處理方式,謝謝大家。

總結(jié)

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