大連理工大學(xué)操作系統(tǒng)13章IO課件

1、I/O輸入系統(tǒng)2CPU磁盤(pán)適配器USB適配器圖形適配器內(nèi)存操作系統(tǒng)如何管理設(shè)備的呢？CPU與內(nèi)存與內(nèi)存已經(jīng)講過(guò)已經(jīng)講過(guò)3內(nèi)容提要l設(shè)備管理的基本概念l數(shù)據(jù)傳送控制方式l中斷技術(shù)l緩沖技術(shù)l設(shè)備分配lI/O進(jìn)程控制l設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序l小結(jié)4設(shè)備的類別l設(shè)備分類的原因設(shè)備種類繁多、特性各異，操作方式的區(qū)別也很大；包括常用的輸入輸出設(shè)備、外存設(shè)備和終端設(shè)備等；外設(shè)由單一走向多樣化：紙帶、卡片硬件設(shè)備和虛終端技術(shù)、仿真終端技術(shù)。5設(shè)備的類別l對(duì)設(shè)備分類的目的：簡(jiǎn)化設(shè)備管理程序設(shè)備管理程序是和硬件打交道的，因此，不同的設(shè)備對(duì)應(yīng)不同的管理程序；對(duì)于同類設(shè)備，由于設(shè)備的特性十分相似，從而可以利用相同的管理程序或

2、只需做很少的修改。6設(shè)備的分類l按設(shè)備的使用特性可以分為存儲(chǔ)設(shè)備、輸入輸出設(shè)備、終端設(shè)備以及脫機(jī)設(shè)備等。7設(shè)備的分類l按系統(tǒng)觀點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸率傳輸方式共享方式l I/O設(shè)備種類繁多，數(shù)據(jù)傳輸率存在很大差距低速設(shè)備：數(shù)據(jù)傳輸率在每秒幾個(gè)到幾百字節(jié)范圍，常見(jiàn)有鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、語(yǔ)音的輸入輸出等設(shè)備。中速設(shè)備：數(shù)據(jù)傳輸率一般在每秒數(shù)千字節(jié)到萬(wàn)字節(jié)的范圍，常見(jiàn)的有針式、激光打印機(jī)等。高速設(shè)備：數(shù)據(jù)傳輸率在每秒十萬(wàn)字節(jié)以上，典型的有磁帶、磁盤(pán)、光盤(pán)等。 104 鍵盤(pán) 鼠標(biāo) 針式 軟盤(pán) 激光 光盤(pán) 硬盤(pán) 打印機(jī) 打印機(jī) 1081071061051031021018設(shè)備的分類：按系統(tǒng)觀點(diǎn)l按傳輸單位l按設(shè)備在傳輸時(shí)的

3、交換單位可以分為以下幾類：字符設(shè)備l傳輸單位為字節(jié)，或字符，屬于無(wú)結(jié)構(gòu)/慢速設(shè)備；l常見(jiàn)的交互式終端、打印機(jī)等；l不可尋址、I/O中斷驅(qū)動(dòng)和傳輸率相對(duì)較低。塊設(shè)備l通常作為存儲(chǔ)設(shè)備，傳輸以塊為單位，塊大小為 512到4KB之間；l典型的為磁盤(pán)；l可尋址、一般為DMA（直接存儲(chǔ)器存取，直接存?。┓绞健?9設(shè)備的分類：按系統(tǒng)觀點(diǎn)l 按共享屬性l 設(shè)備的物理特性不同，其利用和使用的特點(diǎn)也不同，可以分為以下幾類：獨(dú)占設(shè)備獨(dú)占設(shè)備l一段時(shí)間內(nèi)只允許一個(gè)用戶（進(jìn)程）訪問(wèn)的設(shè)備；l如打印機(jī)、磁帶機(jī)等順序設(shè)備；l作為系統(tǒng)資源，也稱為臨界資源；l在多個(gè)進(jìn)程并發(fā)運(yùn)行的系統(tǒng)中，應(yīng)互斥的訪問(wèn)該類資源。l使用方式：申請(qǐng)

4、，使用，使用，使用，釋放。共享設(shè)備共享設(shè)備l一段時(shí)間內(nèi)可以允許多個(gè)用戶（進(jìn)程）訪問(wèn)的設(shè)備；l如磁盤(pán)可隨機(jī)訪問(wèn)的隨機(jī)設(shè)備；l使用方式：使用，使用，使用。虛擬設(shè)備虛擬設(shè)備l通過(guò)虛擬技術(shù)將獨(dú)占設(shè)備變換成可以共享的邏輯設(shè)備，供多個(gè)進(jìn)程同時(shí)訪問(wèn)。spooling技術(shù)10設(shè)備管理的主要任務(wù)l 設(shè)備管理是對(duì)計(jì)算機(jī)輸入輸出系統(tǒng)的管理。 選擇和分配輸入輸出設(shè)備以便進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸操作； 控制輸入輸出設(shè)備和CPU（或內(nèi)存）之間交換數(shù)據(jù)； 提供友好的透明接口，屏蔽設(shè)備硬件特性； 實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)的最佳效率：提高設(shè)備之間、CPU和設(shè)備之間以及進(jìn)程間的并行操作度。11設(shè)備管理的主要功能l提供和進(jìn)程管理系統(tǒng)的接口當(dāng)進(jìn)程要求設(shè)備資

5、源時(shí)，該接口將進(jìn)程要求傳遞給設(shè)備管理程序。l進(jìn)行設(shè)備分配按照設(shè)備類型及分配算法把相關(guān)設(shè)備分配給請(qǐng)求進(jìn)程，未能獲得分配的進(jìn)程放入等待隊(duì)列。l實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間、CPU和設(shè)備之間的并行操作需要硬件支持l進(jìn)行緩沖區(qū)管理解決外設(shè)和CPU（或內(nèi)存）的速度問(wèn)題12內(nèi)容提要l設(shè)備管理的基本概念l數(shù)據(jù)傳送控制方式l中斷技術(shù)l緩沖技術(shù)l設(shè)備分配lI/O進(jìn)程控制l設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序l小結(jié)13數(shù)據(jù)傳送控制方式l程序直接控制方式l中斷控制方式lDMA方式l通道方式一種循環(huán)I/O測(cè)試方式，通過(guò)執(zhí)行I/O測(cè)試指令測(cè)試設(shè)備忙/閑標(biāo)志以確定是否進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。高速CPU和慢速I/O設(shè)備矛盾突出，CPU浪費(fèi)嚴(yán)重，一般出現(xiàn)在早期計(jì)算機(jī)或者現(xiàn)在

6、微機(jī)系統(tǒng)中。當(dāng)I/O操作正常或異常結(jié)束時(shí)中斷CPU，從而實(shí)現(xiàn)了I/O設(shè)備和CPU間一定程度的并行操作，改善了CPU的利用率，適用于字符設(shè)備的I/O。在外圍設(shè)備和內(nèi)存之間開(kāi)辟直接的數(shù)據(jù)交換通道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，適用于塊設(shè)備的I/O。使用通道來(lái)控制內(nèi)存或CPU和外圍設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。大大提高了CPU和外設(shè)之間的并行能力，可把種類繁多，物理特性各異的外設(shè)以標(biāo)準(zhǔn)的接口方式連接到系統(tǒng)中。14程序直接控制方式l由用戶進(jìn)程來(lái)直接控制內(nèi)存或CPU和外圍設(shè)備之間的信息傳送?？刂普呤怯脩暨M(jìn)程CPU直接與I/O設(shè)備（設(shè)備控制器）進(jìn)行通信，負(fù)責(zé)將用戶數(shù)據(jù)傳送到I/O端口用戶程序通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用來(lái)使用I/O設(shè)備CPU和外設(shè)速

7、度上的差異，使得要保持CPU和外設(shè)之間的同步，CPU必須知道外設(shè)當(dāng)前的傳輸情況CPU需要不斷查詢I/O設(shè)備的端口狀態(tài)，性能較低15程序直接控制方式的控制流程16程序直接控制方式l 優(yōu)點(diǎn)控制簡(jiǎn)單，CPU和外設(shè)的操作可以通過(guò)狀態(tài)信息得到同步硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單l 缺點(diǎn)CPU的利用率低下；CPU和外設(shè)速度上的差異導(dǎo)致CPU大量時(shí)間處于等待和空閑狀態(tài)；尤其在多進(jìn)程并發(fā)環(huán)境下。不能實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的并行工作；因?yàn)镃PU在一段時(shí)間內(nèi)只能和一臺(tái)外圍設(shè)備交換數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)傳輸完全在CPU的控制之下，對(duì)外部出現(xiàn)的異常事件無(wú)實(shí)時(shí)響應(yīng)能力。l 適用范圍：早期計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，外圍設(shè)備比較少的系統(tǒng)。如單片機(jī)系統(tǒng)。17中斷方式l目的減少程

8、序直接控制方式中CPU等待時(shí)間提高系統(tǒng)的并行工作程度l條件要求CPU與設(shè)備（控制器）之間有相應(yīng)的中斷請(qǐng)求線；在設(shè)備控制器的控制狀態(tài)寄存器中有相應(yīng)的中斷允許位設(shè)備控制器中：中斷請(qǐng)求觸發(fā)器，中斷屏蔽觸發(fā)器CPU的PSW寄存器中：中斷允許位18中斷方式的傳送結(jié)構(gòu)進(jìn)程需要數(shù)據(jù)時(shí)，通過(guò)CPU發(fā)出”start”指令啟動(dòng)外圍設(shè)備準(zhǔn)備數(shù)據(jù)；同時(shí)將控制狀態(tài)寄存器中斷允許位打開(kāi)，使得中斷程序可以被調(diào)用執(zhí)行。進(jìn)程發(fā)出指令啟動(dòng)設(shè)備后，該進(jìn)程放棄CPU，等待輸入完成；進(jìn)程調(diào)度程序可以調(diào)度其他就緒進(jìn)程使用CPU。輸入完成時(shí)，I/O控制器聽(tīng)過(guò)中斷請(qǐng)求線向CPU發(fā)出中斷，CPU收到后轉(zhuǎn)向預(yù)先設(shè)計(jì)好的中斷處理程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)

9、處理。在以后的某個(gè)時(shí)刻，進(jìn)程調(diào)度程序選中提出請(qǐng)求并得到數(shù)據(jù)的進(jìn)程，該進(jìn)程從約定的內(nèi)存特定單元取出數(shù)據(jù)繼續(xù)工作。19中斷控制方式的處理過(guò)程當(dāng)CPU發(fā)出啟動(dòng)設(shè)備和允許中斷指令后，并沒(méi)有象程序直接控制方式一樣循環(huán)檢測(cè)狀態(tài)控制寄存器的狀態(tài)位，而是調(diào)度其他進(jìn)程執(zhí)行；當(dāng)設(shè)備數(shù)據(jù)送入緩沖寄存器并發(fā)出中斷信號(hào)后，CPU才進(jìn)行中斷處理。CPU在執(zhí)行其他進(jìn)程時(shí)，也可以啟動(dòng)其他設(shè)備工作，從而做到設(shè)備之間的并行操作以及設(shè)備和CPU間的并行操作。20中斷控制方式l 優(yōu)點(diǎn)能夠支持多道程序和設(shè)備的并行操作，CPU的利用率大大提高；具有實(shí)時(shí)響應(yīng)能力，可應(yīng)用于實(shí)時(shí)控制場(chǎng)合。l 缺點(diǎn)控制器數(shù)據(jù)緩沖寄存器較小，完成一次I/O可能要

10、多次中斷驅(qū)動(dòng)，發(fā)生中斷次數(shù)較多；設(shè)備間并行操作，由于中斷次數(shù)的急劇增加而造成CPU無(wú)法響應(yīng)中斷和出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象；對(duì)各種高速外圍設(shè)備，或希望成組數(shù)據(jù)交換時(shí)l一方面高速的外設(shè)由于中斷方式可能來(lái)不及響應(yīng)而丟失數(shù)據(jù)；l另一方面成組數(shù)據(jù)交換多次地通過(guò)中斷進(jìn)行，也顯得速度太慢。中斷驅(qū)動(dòng)方式僅適合于中、慢速設(shè)備。對(duì)于大批量成組數(shù)據(jù)交換，可以利用DMA和通道方式。21DMA控制方式lDMA方式又稱直接存取方式。l基本思想：在外圍設(shè)備和內(nèi)存之間開(kāi)辟直接的數(shù)據(jù)交換通路。DMA方式中，I/O控制器除了控制狀態(tài)寄存器和數(shù)據(jù)緩沖寄存器外，還包括傳送字節(jié)數(shù)、內(nèi)存地址寄存器等；DMA控制器可用來(lái)代替CPU控制內(nèi)存和設(shè)備之

11、間進(jìn)行成批的數(shù)據(jù)交換；除了在數(shù)據(jù)傳送開(kāi)始時(shí)需要CPU的啟動(dòng)指令和在結(jié)束時(shí)需發(fā)中斷通知CPU外，不再象中斷控制方式那樣需要CPU的頻繁干涉。2223DMA方式的數(shù)據(jù)傳送處理過(guò)程區(qū)別：中斷方式時(shí)是在數(shù)據(jù)緩沖寄存器滿之后發(fā)出中斷要求CPU進(jìn)行中斷處理，而DMA方式則是在所要求傳送的數(shù)據(jù)塊全部結(jié)束時(shí)要求CPU中斷處理，大大減少CPU進(jìn)行中斷處理的次數(shù)。區(qū)別：中斷方式的數(shù)據(jù)傳送是在中斷處理時(shí)由CPU控制完成的，DMA方式是在DMA控制器的控制下不經(jīng)過(guò)CPU控制完成的，這就排除了并行操作設(shè)備過(guò)多時(shí)CPU來(lái)不及處理或速度不匹配而造成數(shù)據(jù)丟失等現(xiàn)象24DMA控制方式l優(yōu)點(diǎn)數(shù)據(jù)在內(nèi)存和設(shè)備之間直接傳送，CPU不

12、干預(yù)。數(shù)據(jù)的傳輸控制完全由DMA控制器完成，速度快，適合高速成組數(shù)據(jù)傳輸。 數(shù)據(jù)塊在傳輸過(guò)程中，CPU與外設(shè)并行工作，比中斷控制方式的并行性高。l 局限性DMA方式對(duì)外圍設(shè)備的管理和某些操作仍由CPU控制。對(duì)外圍設(shè)備的管理和控制也就愈來(lái)愈復(fù)雜。多個(gè)DMA控制器(有的硬件會(huì)占用多個(gè)DMA號(hào))的同時(shí)使用顯然會(huì)引起內(nèi)存地址的沖突并使得控制過(guò)程進(jìn)一步復(fù)雜化。多個(gè)DMA控制器的同時(shí)使用也是不經(jīng)濟(jì)的。25通道控制方式l通道相當(dāng)于一個(gè)功能單純的處理機(jī)，專門(mén)用于處理I/0操作。通道有自己的運(yùn)控部件和指令系統(tǒng)，但沒(méi)有專門(mén)的內(nèi)存，而是通過(guò)“周期竊取”方式與主機(jī)共享內(nèi)存。通道是一個(gè)專管輸入輸出操作控制的硬件。通道控

13、制方式是一種以內(nèi)存為中心，實(shí)現(xiàn)設(shè)備和內(nèi)存直接交換數(shù)據(jù)的控制方式。26l 一條通道指令可以傳送一組數(shù)據(jù)，一個(gè)通道程序可以傳送多組數(shù)據(jù)。多組數(shù)據(jù)全部傳送完畢后（即一個(gè)通道程序執(zhí)行完畢），才向處理機(jī)發(fā)出一次中斷。l 通道不僅可以傳送數(shù)據(jù)，更重要的是它還完成對(duì)設(shè)備的控制。在通道的協(xié)助下，主機(jī)只要發(fā)出一個(gè)啟動(dòng)通道，執(zhí)行通道程序的指令。而不必考慮設(shè)備的具體控制以及如何完成數(shù)據(jù)傳送等問(wèn)題，大大減輕了主機(jī)的負(fù)擔(dān)。區(qū)別：DMA方式中，數(shù)據(jù)的傳送方向、存放數(shù)據(jù)的內(nèi)存地址機(jī)長(zhǎng)度由CPU控制，在通道方式中，這些由專管輸入輸出的硬件通道來(lái)進(jìn)行控制。區(qū)別：與DMA方式時(shí)每臺(tái)設(shè)備至少一個(gè)DMA控制器相比，通道方式可以做到一

14、個(gè)通道控制多臺(tái)設(shè)備與內(nèi)存進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，使得通道方式進(jìn)一步減輕了CPU的工作負(fù)擔(dān)和增加了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的并行工作程度。27內(nèi)容提要l設(shè)備管理的基本概念l數(shù)據(jù)傳送控制方式l中斷技術(shù)l緩沖技術(shù)l設(shè)備分配lI/O進(jìn)程控制l設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序l小結(jié)28中斷技術(shù)l 定義指計(jì)算機(jī)在執(zhí)行期間，系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生任何非尋常的或非預(yù)期的急需處理事件，使得CPU暫時(shí)中斷當(dāng)前正在執(zhí)行的程序而轉(zhuǎn)去執(zhí)行相應(yīng)的事件處理程序，待處理完畢后又返回原來(lái)被中斷處繼續(xù)執(zhí)行或調(diào)度新的進(jìn)程執(zhí)行的過(guò)程。l 中斷源引起中斷發(fā)生的事件l 中斷請(qǐng)求中斷源向CPU發(fā)出的請(qǐng)求中斷處理信號(hào)l 中斷響應(yīng)CPU收到中斷請(qǐng)求后轉(zhuǎn)相應(yīng)的事件處理程序29中斷技術(shù)l禁止中斷在有些

15、情況下，盡管產(chǎn)生了中斷源和發(fā)出了中斷請(qǐng)求，但CPU內(nèi)部的處理機(jī)狀態(tài)字PSW的中斷允許位已被清除，從而不允許CPU響應(yīng)中斷。CPU禁止中斷后只有等到PSW的中斷允許位被重新設(shè)置后才能接收中斷。禁止中斷也稱為關(guān)中斷。PSW的中斷允許位的設(shè)置也被稱為開(kāi)中斷。中斷請(qǐng)求、關(guān)中斷、開(kāi)中斷等都由硬件實(shí)現(xiàn)。開(kāi)中斷和關(guān)中斷是為了保證某些程序執(zhí)行的原子性。30中斷技術(shù)l中斷屏蔽在中斷請(qǐng)求產(chǎn)生之后，系統(tǒng)用軟件方式有選擇地封鎖部分中斷而允許其余部分的中斷仍能得到響應(yīng)。中斷屏蔽是通過(guò)每一類中斷源設(shè)置一個(gè)中斷屏蔽觸發(fā)器來(lái)屏蔽它們的中斷請(qǐng)求而實(shí)現(xiàn)的。有些中斷請(qǐng)求是不能屏蔽甚至不能禁止的，也就是說(shuō)，這些中斷具有最高優(yōu)先級(jí)。不

16、管CPU是否是關(guān)中斷的，只要這些中斷請(qǐng)求一旦提出，CPU必須立即響應(yīng)。例如，電源掉電事件所引起的中斷就是不可禁止和屏蔽中斷。31中斷的分類與優(yōu)先級(jí)l根據(jù)系統(tǒng)對(duì)中斷處理的需要，操作系統(tǒng)一般對(duì)中斷進(jìn)行分類并對(duì)不同的中斷賦予不同的處理優(yōu)先級(jí)，以便在不同的中斷同時(shí)發(fā)生時(shí)，按輕重緩急進(jìn)行處理。l根據(jù)中斷源產(chǎn)生的條件，可把中斷分為外中斷和內(nèi)中斷。l外中斷是指來(lái)自處理機(jī)和內(nèi)存外部的中斷，外中斷在狹義上一般被稱為中斷。l內(nèi)中斷主要指在處理機(jī)和內(nèi)存內(nèi)部產(chǎn)生的中斷。內(nèi)中斷一般稱為陷阱(trap)。32中斷的分類與優(yōu)先級(jí)l為了禁止中斷或屏蔽中斷，CPU的處理機(jī)狀態(tài)字PSW中也設(shè)置有相應(yīng)的優(yōu)先級(jí)。如果中斷源的優(yōu)先級(jí)高

17、于PSW的優(yōu)先級(jí)，則CPU響應(yīng)該中斷源的中斷請(qǐng)求，反之，CPU屏蔽該中斷源的中斷請(qǐng)求。l各中斷源的優(yōu)先級(jí)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)給定，在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)是固定的。而處理機(jī)的優(yōu)先級(jí)則根據(jù)執(zhí)行情況由系統(tǒng)程序動(dòng)態(tài)設(shè)定。33中斷和陷阱的區(qū)別l 陷阱通常由處理機(jī)正在執(zhí)行的現(xiàn)行指令引起，而中斷則是由與現(xiàn)行指令無(wú)關(guān)的中斷源引起的。l 陷阱處理程序提供的服務(wù)為當(dāng)前進(jìn)程所用，而中斷處理程序提供的服務(wù)則不是為了當(dāng)前進(jìn)程的。l CPU在執(zhí)行完一條指令之后，下一條指令開(kāi)始之前響應(yīng)中斷，而在一條指令執(zhí)行中也可以響應(yīng)陷阱。例如執(zhí)行指令非法時(shí)，盡管被執(zhí)行的非法指令不能執(zhí)行結(jié)束，但CPU仍可對(duì)其進(jìn)行處理。l 在有的系統(tǒng)中，陷阱處理程序被規(guī)定在

18、各自的進(jìn)程上下文中執(zhí)行，而中斷處理程序則在系統(tǒng)上下文中執(zhí)行。34軟中斷l(xiāng)中斷和陷阱都可以看作是硬中斷，因?yàn)檫@些中斷和陷阱要通過(guò)硬件產(chǎn)生相應(yīng)的中斷請(qǐng)求。l軟中斷則是通信進(jìn)程之間用來(lái)模擬硬中斷的一種信號(hào)通信方式。其中斷源發(fā)中斷請(qǐng)求或軟中斷信號(hào)后，CPU或接收進(jìn)程在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)自動(dòng)進(jìn)行中斷處理或完成軟中斷信號(hào)所對(duì)應(yīng)的功能。在有些系統(tǒng)中，大部分的陷阱是轉(zhuǎn)化為軟中斷處理的。35中斷處理過(guò)程CPU檢查響應(yīng)中斷的條件是否滿足。CPU響應(yīng)中斷的條件是: 有來(lái)自于中斷源的中斷請(qǐng)求、CPU允許中斷。如果CPU響應(yīng)中斷，則CPU關(guān)中斷，使其進(jìn)入不可再次響應(yīng)中斷的狀態(tài)。保存被中斷進(jìn)程現(xiàn)場(chǎng)。分析中斷原因，調(diào)用中斷處理子程

19、序。在多個(gè)中斷請(qǐng)求同時(shí)發(fā)生時(shí)，處理優(yōu)先級(jí)最高的。執(zhí)行中斷處理子程序。對(duì)陷阱來(lái)說(shuō)，在有些系統(tǒng)中則是通過(guò)陷阱指令向當(dāng)前執(zhí)行進(jìn)程發(fā)軟中斷信號(hào)后調(diào)用對(duì)應(yīng)的處理子程序執(zhí)行。 退出中斷，恢復(fù)被中斷進(jìn)程的現(xiàn)場(chǎng)或調(diào)度新進(jìn)程占據(jù)處理機(jī)。開(kāi)中斷，CPU繼續(xù)執(zhí)行。36內(nèi)容提要l設(shè)備管理的基本概念l數(shù)據(jù)傳送控制方式l中斷技術(shù)l緩沖技術(shù)l設(shè)備分配lI/O進(jìn)程控制l設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序l小結(jié)37l為了匹配外設(shè)與CPU之間的處理速度，為了減少中斷次數(shù)和CPU的中斷處理時(shí)間，同時(shí)也是為了解決DMA或通道方式時(shí)的瓶頸問(wèn)題，在設(shè)備管理中引入了用來(lái)暫存數(shù)據(jù)的緩沖技術(shù)。38緩沖的引入緩沖的引入 引入緩沖的必要性引入緩沖的必要性 引入緩沖的一

20、個(gè)例子是網(wǎng)絡(luò)通信：中斷方式，如果從遠(yuǎn)地終端發(fā)來(lái)數(shù)據(jù)(串行)僅用1個(gè)bit緩沖來(lái)接收，則必須在每收到一位數(shù)據(jù)時(shí)便中斷CPU一次。對(duì)于速率為9.6 kb/s 數(shù)據(jù)通信來(lái)說(shuō)，意味著中斷CPU的頻率也為9.6k次。39 緩沖的種類緩沖的種類 緩沖技術(shù)是利用空間來(lái)?yè)Q取時(shí)間緩沖技術(shù)是利用空間來(lái)?yè)Q取時(shí)間，加快系統(tǒng)I/O數(shù)據(jù)處理速度。緩沖區(qū)的設(shè)置也根據(jù)設(shè)備的類型有關(guān) 塊設(shè)備的緩沖區(qū)的大小應(yīng)為塊的大小； 字符設(shè)備的緩沖區(qū)大小一般以一行大小設(shè)置。 根據(jù)系統(tǒng)不同配置，一般可把緩沖技術(shù)分為單緩沖、雙緩沖和多緩沖以及緩沖池幾種。 緩沖的引入緩沖的引入 40單緩沖是在設(shè)備和處理機(jī)之間設(shè)置一個(gè)緩沖器。設(shè)置雙緩沖解決兩臺(tái)外設(shè)

21、、打印機(jī)和終端之間的并行操作問(wèn)題。多緩沖是把多個(gè)緩沖區(qū)連接起來(lái)組成兩部分，一部分專門(mén)用于輸入，另一部分專門(mén)用于輸出的緩沖結(jié)構(gòu).緩沖池則是把多個(gè)緩沖區(qū)連接起來(lái)統(tǒng)一管理，既可用于輸入又可用于輸出的緩沖結(jié)構(gòu)。無(wú)論是多緩沖，還是緩沖池，由于緩沖器是臨界資源，在使用緩沖區(qū)時(shí)都有一個(gè)申請(qǐng)、釋放和互斥的問(wèn)題。41操作系統(tǒng)用戶進(jìn)程I/O設(shè)備進(jìn)入進(jìn)入移動(dòng)到（a）無(wú)緩沖）無(wú)緩沖（b）單緩沖）單緩沖（c）雙緩沖）雙緩沖I/O設(shè)備I/O設(shè)備進(jìn)入移動(dòng)到（d）循環(huán)緩沖）循環(huán)緩沖I/O設(shè)備進(jìn)入移動(dòng)到 緩沖的種類緩沖的種類 42內(nèi)容提要l設(shè)備管理的基本概念l數(shù)據(jù)傳送控制方式l中斷技術(shù)l緩沖技術(shù)l設(shè)備分配lI/O進(jìn)程控制l設(shè)備

22、驅(qū)動(dòng)程序l小結(jié)43I/O設(shè)備分類傳輸速率信息交換單位設(shè)備共享特性低速設(shè)備中速設(shè)備高速設(shè)備字符設(shè)備塊設(shè)備獨(dú)占設(shè)備共享設(shè)備虛擬設(shè)備分類依據(jù)類別設(shè)備類型鍵盤(pán)激光打印機(jī)磁盤(pán)機(jī)打印機(jī)磁盤(pán)44I/O控制方式程序直接控制方式中斷控制方式DMA控制方式通道控制方式設(shè)備管理的主要任務(wù)：控制設(shè)備和內(nèi)存或CPU之間的數(shù)據(jù)傳送。無(wú)中斷機(jī)構(gòu)引入中斷機(jī)構(gòu)CPU和設(shè)備并行外設(shè)和內(nèi)存之間開(kāi)辟直接的通道通道就是一個(gè)簡(jiǎn)單的處理機(jī)45緩沖技術(shù)目的分類緩沖操作同步控制單緩沖信號(hào)量機(jī)制雙緩沖循環(huán)緩沖緩沖池匹配CPU和外設(shè)速度減少中斷頻率提高并行性緩沖技術(shù)是利用空間來(lái)?yè)Q取時(shí)間緩沖技術(shù)是利用空間來(lái)?yè)Q取時(shí)間，加快系統(tǒng)I/O數(shù)據(jù)處理速度。46問(wèn)題1：中斷l(xiāng) 簡(jiǎn)述中斷處理過(guò)程l 保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)為了在中斷處理完之后可以返回程序原來(lái)被中斷的地方繼續(xù)執(zhí)行，系統(tǒng)需要保存中斷響應(yīng)時(shí)CPU的工作現(xiàn)場(chǎng)。l 分析原因根據(jù)中斷源確定中斷原因，即根據(jù)中斷號(hào)檢索中斷向量表，得到中斷處理程序的入口地址。l 處理中斷核心調(diào)用中斷處理程序，完成中斷處理。l 中斷返回恢復(fù)中斷寄存器內(nèi)容和執(zhí)行核心棧退棧