操作系统第五章第二节

1、Operating SystemOperating SystemPage 12021-11-21Operating SystemOperating SystemPage 22021-11-21qI/O系统系统 qI/O控制方式控制方式 q缓冲管理缓冲管理 q设备分配设备分配q设备处理设备处理q磁盘存储器管理磁盘存储器管理Operating SystemOperating SystemPage 32021-11-21q缓冲的引入缓冲的引入q单缓冲和双缓冲单缓冲和双缓冲q循环缓冲循环缓冲q缓冲池（缓冲池（Buffer Pool）Operating SystemOperating SystemPag

2、e 42021-11-21q缓和缓和CPU与与I/O设备间速度不匹配的矛盾设备间速度不匹配的矛盾 数据到达速率与其离去速率不同数据到达速率与其离去速率不同q减少对减少对CPU的中断频率，放宽对的中断频率，放宽对CPU中断响应时中断响应时间的限制间的限制1位缓冲位缓冲9.6 Kb/s(a)中断中断CPU的频的频率为率为9.6Kb/s，每每100 s中断中断一次一次CPUCPU必须在必须在100 s内响内响应，否则数据应，否则数据会被冲掉会被冲掉8位缓冲寄存器位缓冲寄存器送内存送内存9.6 Kb/s(b)中断中断CPU的频率降的频率降低为低为9.6Kb/8 Operating SystemOper

3、ating SystemPage 52021-11-218位缓冲寄存器位缓冲寄存器9.6 Kb/s送内存送内存(c)q提高提高CPU和和I/O设备之间的并行性设备之间的并行性v提高系统的吞吐量和设备的利用率提高系统的吞吐量和设备的利用率每每800 s中断一中断一次次CPUOperating SystemOperating SystemPage 62021-11-21q缓冲的引入缓冲的引入q单缓冲和双缓冲单缓冲和双缓冲q循环缓冲循环缓冲q缓冲池（缓冲池（Buffer Pool）Operating SystemOperating SystemPage 72021-11-21q 单缓冲单缓冲(Sin

4、gle Buffer) 工作区工作区处理处理(C)缓冲区缓冲区传送传送(M)输入输入(T)I/O设备设备(a)T1M1C1T2M2C2T3M3C3T4t(b)用户进程用户进程CT时时,每块数据每块数据的处理时间是的处理时间是M+T；反之，为；反之，为M+C，即，即由于由于C和和T可并行，可并行，M和和C或或M和和T不能并行不能并行因此处理一块数据时间：因此处理一块数据时间：Max(C,T)+MOperating SystemOperating SystemPage 82021-11-21q 双缓冲双缓冲(Double Buffer) 效率有所提高，且进一步平滑了传输峰值。效率有所提高，且进一步

5、平滑了传输峰值。系统处理一块数据的时间约为：系统处理一块数据的时间约为：MAX(C,T)工作区工作区用户进程用户进程缓冲区缓冲区1 1缓冲区缓冲区2 2I/O 设备设备T1(缓冲缓冲1)M1C1M2C2M3C3T2(缓冲缓冲2)T3(缓冲缓冲3)M4C4T4(缓冲缓冲4)(a)(b)Operating SystemOperating SystemPage 92021-11-21只能实现单向只能实现单向的数据传输的数据传输缓冲区缓冲区缓冲区缓冲区A机机B机机(a) 单缓冲单缓冲发送发送缓冲区缓冲区接收接收缓冲区缓冲区接收接收缓冲区缓冲区发送发送缓冲区缓冲区A机机B机机(b) 双缓冲双缓冲为了实现

6、双向数据传输，必须为了实现双向数据传输，必须在两台机器中都设置两个缓冲在两台机器中都设置两个缓冲区，一个用作发送缓冲区，另区，一个用作发送缓冲区，另一个用作接收缓冲区。一个用作接收缓冲区。Operating SystemOperating SystemPage 102021-11-21q缓冲的引入缓冲的引入q单缓冲和双缓冲单缓冲和双缓冲q循环缓冲循环缓冲q缓冲池（缓冲池（Buffer Pool）Operating SystemOperating SystemPage 112021-11-21q循环缓冲的引入循环缓冲的引入v当输入与输出速度基本匹配时，双缓冲能获得较好效当输入与输出速度基本匹配时

7、，双缓冲能获得较好效果；当速度相差较大时，可引入多个（大小相等）缓果；当速度相差较大时，可引入多个（大小相等）缓冲，组织成循环缓冲的形式冲，组织成循环缓冲的形式q循环缓冲的组成循环缓冲的组成v多个缓冲区多个缓冲区用于装输入数据的用于装输入数据的空缓冲区空缓冲区R已装满数据的已装满数据的满缓冲区满缓冲区G计算进程计算进程正在使用正在使用的现行工作缓冲区的现行工作缓冲区Cv多个指针多个指针指示计算进程下一指示计算进程下一可用缓冲区可用缓冲区Nextg指示输入进程下一指示输入进程下一可用空缓冲区可用空缓冲区Nexti指示计算进程指示计算进程正在使用正在使用的缓冲区的缓冲区CurrentOperati

8、ng SystemOperating SystemPage 122021-11-21类型：类型：R:空缓冲；空缓冲；G：满缓冲；：满缓冲；C：当前缓冲：当前缓冲RGGGRG165423NextiNextgRGGGRC165423NextiNextgcurrentOperating SystemOperating SystemPage 132021-11-21q循环缓冲区的使用循环缓冲区的使用vGetbuf过程过程为计算进程和输入进程提供缓冲区，并移动指针为计算进程和输入进程提供缓冲区，并移动指针vReleasebuf过程过程当计算进程或输入使用完缓冲区后，调用过程将缓当计算进程或输入使用完缓冲

9、区后，调用过程将缓冲区释放冲区释放q进程同步进程同步输入、计算进程并行输入、计算进程并行vNexti指针追赶指针追赶上上Nextg指针指针输入进程速度大于计算进程，全部空缓冲区已满，输入进程速度大于计算进程，全部空缓冲区已满，无可用缓冲区，输入进程阻塞（无可用缓冲区，输入进程阻塞（系统受计算限制系统受计算限制）vNextg指针追赶上指针追赶上Nexti指针指针计算进程速度大于输入进程，全部缓冲区空，无可计算进程速度大于输入进程，全部缓冲区空，无可用数据，计算进程阻塞（用数据，计算进程阻塞（系统受系统受I/O限制限制）Operating SystemOperating SystemPage 14

10、2021-11-21q缓冲的引入缓冲的引入q单缓冲和双缓冲单缓冲和双缓冲q循环缓冲循环缓冲q缓冲池（缓冲池（Buffer Pool）Operating SystemOperating SystemPage 152021-11-21q缓冲池的组成缓冲池的组成v专用缓冲的利用率不高，与环形缓冲不同的是缓冲池专用缓冲的利用率不高，与环形缓冲不同的是缓冲池中的缓冲区是系统的中的缓冲区是系统的公用资源公用资源，可供，可供多个进程共享多个进程共享，既能用于既能用于输入输入，也能用于，也能用于输出输出v缓冲区类型缓冲区类型空空(闲闲)缓冲区缓冲区装满输入数据的缓冲区装满输入数据的缓冲区装满输出数据的缓冲区装

11、满输出数据的缓冲区v缓冲队列：按其使用情况缓冲队列：按其使用情况空缓冲队列空缓冲队列emq输入队列输入队列inq输出队列输出队列outqOperating SystemOperating SystemPage 162021-11-21q缓冲池的组成缓冲池的组成v四种工作缓冲区四种工作缓冲区用于收容输入数据的工作缓冲区（用于收容输入数据的工作缓冲区（hin）用于提取输入数据的工作缓冲区（用于提取输入数据的工作缓冲区（sin）用于收容输出数据的工作缓冲区（用于收容输出数据的工作缓冲区（hout）用于提取输出数据的工作缓冲区（用于提取输出数据的工作缓冲区（sout）Operating SystemO

12、perating SystemPage 172021-11-21q两个对缓冲区操作的过程两个对缓冲区操作的过程vGetbuf(type)，type-队列类型队列类型 vPutbuf(type,number)，number-指某缓冲区指某缓冲区v队列是临界资源需设置队列是临界资源需设置互斥信号量互斥信号量MS，每个队列一个，每个队列一个MS(type)资源信号量资源信号量RS ，每个队列一个，每个队列一个RS(type)v队列操作过程队列操作过程Takebuf(type) ：取：取type所指队列队首缓冲区所指队列队首缓冲区Addbuf(type,number)：将：将number所指缓冲所指缓

13、冲区加到区加到type所指队列尾所指队列尾Operating SystemOperating SystemPage 182021-11-21 Procedure Getbuf(type) begin Wait(RS(type); Wait(MS(type); B(number):=Takebuf(type); /从队首摘下一个缓冲区从队首摘下一个缓冲区 Signal(MS(type); end Procedure Putbuf(type, number) begin Wait(MS(type); Addbuf(type, number); /将指定缓冲区挂在将指定缓冲区挂在type指定队列上指

14、定队列上 Signal(MS(type); Signal(RS(type); end 互斥信号量互斥信号量MS(type)资源信号量资源信号量RS(type)Operating SystemOperating SystemPage 192021-11-21q缓冲区工作方式缓冲区工作方式hinsoutsinhout收容输入收容输入提取输出提取输出用用户户进进程程提取输入提取输入收容输出收容输出缓冲池缓冲池Getbuf(emq)Putbuf(inq,hin)Getbuf(inq)Putbuf(emp,sin)Getbuf(emq)Putbuf(outq,hout)Getbuf(outq)Putbu

15、f(emq,sout)Operating SystemOperating SystemPage 202021-11-213. 缓冲区的工作方式缓冲区的工作方式 图图 5-15 缓冲区的工作方式缓冲区的工作方式 v1.收容输入；收容输入；2.提取输入；提取输入；3.收容输出；收容输出；4.提取输出提取输出1. hin=getbuf(emq)；putbuf(inq,hin)2. sin=getbuf(inq)；计算；计算；putbuf(emq,sin)3. hout=getbuf(emq)；putbuf(outq, hout)4. sout=getbuf(outq)；输出；输出；putbuf(em

16、q,sout)Operating SystemOperating SystemPage 212021-11-21q设备分配中的数据结构设备分配中的数据结构q设备分配时应考虑的因素设备分配时应考虑的因素q设备独立性设备独立性q独占设备的分配程序独占设备的分配程序qSPOOLing技术技术Operating SystemOperating SystemPage 222021-11-21 I/O软件的总体设计目标是：软件的总体设计目标是：高效率高效率和和通用性通用性。 通常，通常，I/O软件设计时主要考虑以下问题：设备无关性、统软件设计时主要考虑以下问题：设备无关性、统一命名、出错处理、缓冲一命名、

17、出错处理、缓冲技术技术、设备分配与释放、设备分配与释放、I/O控制方式控制方式。 为了合理、高效地解决以上问题，操作系统通常把为了合理、高效地解决以上问题，操作系统通常把I/O软件软件组织成以下四个层次：组织成以下四个层次： I/O中断处理程序（底层）中断处理程序（底层） I/O设备驱动程序设备驱动程序 与设备无关的操作系统与设备无关的操作系统I/O软件软件 用户层用户层I/O软件软件I/O软件的目标软件的目标Operating SystemOperating SystemPage 232021-11-21系统层次结构系统层次结构Operating SystemOperating System

18、Page 242021-11-21q中断处理程序的处理过程中断处理程序的处理过程q设备驱动程序的功能和特点设备驱动程序的功能和特点q设备驱动程序的处理过程设备驱动程序的处理过程Operating SystemOperating SystemPage 252021-11-21系统层次结构系统层次结构接收上层软件发来接收上层软件发来的抽象要求的抽象要求read/write，转，转换成具体的要求，换成具体的要求，发给设备控制器发给设备控制器将由设备控制将由设备控制器发来的信号器发来的信号送给上层软件送给上层软件Operating SystemOperating SystemPage 262021-1

19、1-21q中断处理程序中断处理程序v系统为每类设备设置一个中断处理程系统为每类设备设置一个中断处理程序，它们的序，它们的入口地址入口地址被存放在内存的固定单被存放在内存的固定单元中，元中， 称为称为中断向量中断向量。v 当某台设备完成一次操作时，发出中当某台设备完成一次操作时，发出中断信号，接受中断信号，暂停现行进断信号，接受中断信号，暂停现行进程的执行，根据中断向量转到相应的程的执行，根据中断向量转到相应的中断处理程序执行。中断处理程序执行。v中断处理程序的中断处理程序的基本工作基本工作包括：保留包括：保留现行进程的执行现场；通知等待该操现行进程的执行现场；通知等待该操作完成的进程；最终转入

20、进程调度程序进行作完成的进程；最终转入进程调度程序进行重新调度。重新调度。Operating SystemOperating SystemPage 272021-11-21PSW程序状态字程序状态字PC(N1)程序计数器程序计数器R0Rn寄存器寄存器开始开始返回返回用户程序用户程序中断服务子例程中断服务子例程PSWPC(N1)中断栈中断栈TTM栈指针栈指针YNN1R0RnOperating SystemOperating SystemPage 282021-11-21唤醒被阻塞的唤醒被阻塞的驱动程序进程驱动程序进程对被中断进程的对被中断进程的CPU环境进行保护环境进行保护分析中断原因，转入分析

21、中断原因，转入相应的中断处理程序相应的中断处理程序终端中断终端中断处理程序处理程序打印机中断打印机中断处理程序处理程序磁盘中断磁盘中断处理程序处理程序恢复被中断进恢复被中断进程的程的CPU现场现场返回被中断的进返回被中断的进程，继续执行程，继续执行中断请求信号中断请求信号1.唤醒被阻塞的驱动程序唤醒被阻塞的驱动程序2.保护被中断进程的保护被中断进程的CPU环境环境3.转入相应设备处理程序转入相应设备处理程序4.中断处理中断处理5.恢复被中断程序的现场恢复被中断程序的现场Operating SystemOperating SystemPage 292021-11-21q中断处理程序的处理过程中断

22、处理程序的处理过程q设备驱动程序的功能和特点设备驱动程序的功能和特点q设备驱动程序的处理过程设备驱动程序的处理过程Operating SystemOperating SystemPage 302021-11-21系统层次结构系统层次结构Operating SystemOperating SystemPage 312021-11-21q设备处理程序设备处理程序又称为又称为设备驱动程序设备驱动程序，是，是I/O进程进程与设备控制器之间的通信程序与设备控制器之间的通信程序q不论是哪种设备驱动程序，它的功能是相同的不论是哪种设备驱动程序，它的功能是相同的v接收接收用户的用户的I/O请求请求命令和参数命

23、令和参数，并将命令中的抽，并将命令中的抽象要求象要求转换转换为具体要求（为具体要求（I/O请求块），例如，将请求块），例如，将磁盘块号转换为磁盘的盘面、磁盘块号转换为磁盘的盘面、 磁道号及扇区号磁道号及扇区号v检查检查用户用户I/O请求的请求的合法性合法性，了解，了解I/O设备的状态，设备的状态，传递有关参数，传递有关参数，设置设置设备的设备的工作方式工作方式v发出发出I/O命令并检查设备状态，空闲则启动命令并检查设备状态，空闲则启动I/O完成完成指定的操作，忙碌则指定的操作，忙碌则将请求者的请求块挂将请求者的请求块挂到相应设到相应设备的备的I/O请求队列请求队列v及时及时响应响应由控制器或通

24、道发来的由控制器或通道发来的中断中断请求并处理请求并处理v若计算机系统设置有通道，则驱动程序根据用户的若计算机系统设置有通道，则驱动程序根据用户的I/O请求，请求，自动地构成通道程序自动地构成通道程序Operating SystemOperating SystemPage 322021-11-21q注意注意v每类设备有一个每类设备有一个I/O请求队列，在系统初始化时，请求队列，在系统初始化时，将系统中所有设备的将系统中所有设备的I/O请求队列置为空请求队列置为空v在系统初启时，系统为每类设备创建一个进程在系统初启时，系统为每类设备创建一个进程（其中的一种方式），执行程序就是该设备的设（其中的一

25、种方式），执行程序就是该设备的设备驱动程序。由于系统初启时，相应的备驱动程序。由于系统初启时，相应的I/O请求请求队列为空，则在该队列上睡眠队列为空，则在该队列上睡眠v一旦有一旦有I/O请求块挂入，唤醒该设备驱动进程。请求块挂入，唤醒该设备驱动进程。它被调度到时，从队列中取出一个它被调度到时，从队列中取出一个I/O请求块，请求块，并按该块的内容执行一次并按该块的内容执行一次I/O操作，发出操作，发出I/O完完成（或出错）中断信号。然后，检查请求队，若成（或出错）中断信号。然后，检查请求队，若为空，则进入睡眠状态，否则，取下一个请求块为空，则进入睡眠状态，否则，取下一个请求块Operating

26、SystemOperating SystemPage 332021-11-21q在不同的系统，设备驱动程序的运行方式在不同的系统，设备驱动程序的运行方式v在在整个系统整个系统中设置中设置一个一个I/O进程进程，统一负责所，统一负责所有设备的驱动工作。专门用于执行系统中所有设备的驱动工作。专门用于执行系统中所有各类设备的有各类设备的I/O操作操作v为每为每一类设备一类设备设置设置一个进程一个进程，专门用于负责，专门用于负责该类设备的驱动工作（该类设备的驱动工作（I/O操作）操作） v为为每台每台设备建立设备建立一个一个设备驱动进程，它们分设备驱动进程，它们分别负责专门设备的驱动工作。同类设备的各

27、别负责专门设备的驱动工作。同类设备的各驱动进程共享该类设备的设备驱动程序。驱动进程共享该类设备的设备驱动程序。v不设置专门的不设置专门的设备处理进程，而只为设备处理进程，而只为各类设各类设备设置相应的设备处理程序备设置相应的设备处理程序(模块模块)， 供用供用户户进程或系统进程调用进程或系统进程调用Operating SystemOperating SystemPage 342021-11-21q为了控制为了控制I/O传输，系统为每类设备编制设备驱传输，系统为每类设备编制设备驱动程序动程序q设备驱动程序设备驱动程序是一种低级的系统例程。它必须是一种低级的系统例程。它必须和系统的输入输出硬设备相

28、互通信。使用特权和系统的输入输出硬设备相互通信。使用特权/ /指令来访问硬件，它通常是用汇编语言或指令来访问硬件，它通常是用汇编语言或系统编程语言写的系统编程语言写的q任务：主要负责接收和分析从设备分配转来的任务：主要负责接收和分析从设备分配转来的信息，并根据设备分配的结果，结合具体物理信息，并根据设备分配的结果，结合具体物理设备特性完成具体工作设备特性完成具体工作Operating SystemOperating SystemPage 352021-11-21q设备驱动程序的特点设备驱动程序的特点v驱动程序驱动程序主要是指在请求主要是指在请求I/O的进程与设备的进程与设备控制器之间的一个通信

29、和转换程序控制器之间的一个通信和转换程序v驱动程序驱动程序与与设备设备控制器控制器和和I/O设备的设备的硬件特硬件特性紧密相关性紧密相关， 因而对不同类型的设备应配因而对不同类型的设备应配置置不同的驱动程序不同的驱动程序v驱动程序与驱动程序与I/O设备所采用的设备所采用的I/O控制方式紧控制方式紧密相关密相关v由于驱动程序与硬件紧密相关，由于驱动程序与硬件紧密相关， 因而其中因而其中的一部分必须用汇编语言书写的一部分必须用汇编语言书写Operating SystemOperating SystemPage 362021-11-21q中断处理程序的处理过程中断处理程序的处理过程q设备驱动程序的功

30、能和特点设备驱动程序的功能和特点q设备驱动程序的处理过程设备驱动程序的处理过程Operating SystemOperating SystemPage 372021-11-21q将抽象要求转换为具体要求将抽象要求转换为具体要求v设置控制器中的寄存器设置控制器中的寄存器q检查检查I/O请求的合法性请求的合法性v若请求的设备不支持本次的若请求的设备不支持本次的I/O请求，认为是非法操作请求，认为是非法操作q读出和检查设备的状态读出和检查设备的状态 v检查设备是否空闲或是否就绪检查设备是否空闲或是否就绪q传送必要的参数传送必要的参数 v如数据量、起始地址等如数据量、起始地址等q工作方式的设置工作方式

31、的设置 v对于有多种工作方式的设备进行设置对于有多种工作方式的设备进行设置q启动启动I/O设备设备v驱动进程将自己阻塞起来，直到中断到来时将其唤醒驱动进程将自己阻塞起来，直到中断到来时将其唤醒Operating SystemOperating SystemPage 382021-11-21q中断处理程序的处理过程中断处理程序的处理过程q设备驱动程序的功能和特点设备驱动程序的功能和特点q设备驱动程序的处理过程设备驱动程序的处理过程Operating SystemOperating SystemPage 392021-11-21q设备独立性设备独立性(Device Independence)的概念

32、的概念v定义：是指用户在编制程序时所使用的设备与实际定义：是指用户在编制程序时所使用的设备与实际使用的设备无关。即使用的设备无关。即 应用程序独立于具体使用的物应用程序独立于具体使用的物理设备理设备v为了实现设备独立性而引入了为了实现设备独立性而引入了逻辑设备逻辑设备和和物理设备物理设备这两个概念这两个概念v在应用程序中，在应用程序中， 使用使用逻辑设备逻辑设备名称来请求使用某类名称来请求使用某类设备；而系统在实际执行时，设备；而系统在实际执行时， 还必须使用还必须使用物理设备物理设备名称名称v系统须具有将逻辑设备名称转换为某物理设备名称系统须具有将逻辑设备名称转换为某物理设备名称的功能，这非

33、常类似于存储器管理中所介绍的的功能，这非常类似于存储器管理中所介绍的逻辑逻辑地址地址和和物理地址物理地址的概念的概念Operating SystemOperating SystemPage 402021-11-21q设备独立性的优点设备独立性的优点v设备分配时的灵活性设备分配时的灵活性系统可将该逻辑设备类中的任一台分配给进系统可将该逻辑设备类中的任一台分配给进程使用程使用所有设备均占用时才阻塞所有设备均占用时才阻塞v易于实现易于实现I/O重定向重定向所谓所谓I/O重定向，指用于重定向，指用于I/O操作的设备可操作的设备可以更换，而不必改变应用程序以更换，而不必改变应用程序如调试程序时输出到屏幕

34、，而实际应用时改如调试程序时输出到屏幕，而实际应用时改为输出到打印机为输出到打印机Operating SystemOperating SystemPage 412021-11-21q设备独立性软件设备独立性软件v设备驱动程序是一个与硬件（或设备）紧密相关的软设备驱动程序是一个与硬件（或设备）紧密相关的软件。件。v设备驱动程序一方面可以定制以适合各种设备，另一设备驱动程序一方面可以定制以适合各种设备，另一方面也提供了一组标准接口。方面也提供了一组标准接口。v设备驱动程序的作用是为内核设备驱动程序的作用是为内核I/O子系统隐藏设备控子系统隐藏设备控制器之间的差异制器之间的差异v为了实现设备独立性，

35、必须在设备驱动程序上设置一为了实现设备独立性，必须在设备驱动程序上设置一层软件，称为设备独立性软件层软件，称为设备独立性软件Operating SystemOperating SystemPage 422021-11-212. 设备独立性软件设备独立性软件 为了实现设备独立性，必须再将驱动程序之上设备一为了实现设备独立性，必须再将驱动程序之上设备一层软件，称为设备独立性软件，其主要功能可分为以下两层软件，称为设备独立性软件，其主要功能可分为以下两个方面：个方面： （1）执行所有设备的公有操作）执行所有设备的公有操作 （2）向用户层（或文件层）软件提供统一接口。）向用户层（或文件层）软件提供统一接口。Operating SystemOperating SystemPage 432021-11-212. 设备独立性软件设备独立性软件 1) 执行所有设备的公有操作执行所有设备的公有操作 对独立设备的对独立设备的分配与回收分配与回收； 将逻辑将逻辑设备名映射设备名映射为物理设备名，进一步可以找到为物理设备名，进一步可以找到相应物理设备的驱动程序；相应物理设备的驱动程序； 对对设备进行保护设