文章目錄

• • • 1 IO設(shè)備的基本概念和分類
    • • 1.1 什么是I/O設(shè)備
      • 1.2 I/O設(shè)備分類
    • 2 IO控制器
    • • 2.1 I/O設(shè)備組成
      • 2.2 I/O控制器功能
      • 2.3 I/O控制器的組成
      • 2.4 寄存器編址方式
      • 2.5 IO控制器小結(jié)
    • 3 IO控制方式
    • • 3.1 程序直接控制方式
      • 3.2 中斷驅(qū)動(dòng)方式
      • 3.3 DMA方式
      • • 3.3.1 DMA控制器
        • 3.3.2 DMA方式
      • 3.4 通道控制方式
      • 3.5 IO控制方式小結(jié)
    • 4 IO軟件層次結(jié)構(gòu)
    • • 4.1 用戶層軟件
      • 4.2 設(shè)備獨(dú)立性軟件
      • 4.3 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序
      • 4.4 中斷處理程序
      • 4.5 IO軟件層次結(jié)構(gòu)小結(jié)
    • 5 IO核心子系統(tǒng)與假脫機(jī)技術(shù)
    • • 5.1 IO調(diào)度
      • 5.2 設(shè)備保護(hù)
      • 5.3 假脫機(jī)技術(shù)
      • 5.4 共享打印機(jī)原理分析
      • 5.5 假脫機(jī)技術(shù)小結(jié)
    • 6 設(shè)備分配
    • • 6.1 設(shè)備分配時(shí)應(yīng)考慮的因素
      • 6.2 靜態(tài)分配和動(dòng)態(tài)分配
      • 6.3 設(shè)備分配管理中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
      • 6.4 設(shè)備分配的步驟
      • 6.5 設(shè)備分配的步驟的改進(jìn)
      • 6.6 設(shè)備分配與回收小結(jié)
    • 7 緩沖區(qū)管理
    • • 7.1 緩沖區(qū)定義及作用
      • 7.2 單緩沖
      • 7.3 雙緩沖
      • 7.4 使用單/雙緩沖在通信時(shí)的區(qū)別
      • 7.5 循環(huán)緩沖區(qū)
      • 7.6 緩沖池
      • 7.7 緩沖區(qū)小結(jié)

1 IO設(shè)備的基本概念和分類

1.1 什么是I/O設(shè)備

• “I/O”就是“輸入/輸出”（Input/Output）
• I/O設(shè)備就是可以將數(shù)據(jù)輸入到計(jì)算機(jī)，或者可以接收計(jì)算機(jī)輸出數(shù)據(jù)的外部設(shè)備，屬于計(jì)算機(jī)中的硬件部件。

UNIX系統(tǒng)將外部設(shè)備抽象為一種特殊的文件，用戶可以使用與文件操作相同的方式對(duì)外部設(shè)備進(jìn)行操作。

1.2 I/O設(shè)備分類

I/O設(shè)備按使用特性分類：

人機(jī)交互類外部設(shè)備：數(shù)據(jù)傳輸速度慢→鼠標(biāo)、鍵盤、打印機(jī)等用于數(shù)據(jù)交互

存儲(chǔ)設(shè)備：數(shù)據(jù)傳輸速度快→移動(dòng)硬盤、光盤等用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備：數(shù)據(jù)傳輸速度介于上述二者之間→調(diào)制解調(diào)器等用于網(wǎng)絡(luò)通信

I/O設(shè)備按傳輸速率分類：

低速設(shè)備→傳輸速率每秒幾個(gè)到幾百字節(jié)，如鼠標(biāo)、鍵盤

中速設(shè)備→傳輸速率每秒數(shù)千到上萬(wàn)字節(jié)，如激光打印機(jī)

高速設(shè)備→傳輸速率為每秒數(shù)千字節(jié)至千兆字節(jié)，如磁盤

I/O設(shè)備按傳輸速率分類：

塊設(shè)備：傳輸速率較高，可尋址，即對(duì)塊設(shè)備它可隨機(jī)地讀/寫任一塊

字符設(shè)備：傳輸速率較慢，不可尋址，在輸入/輸出時(shí)常采用中斷驅(qū)動(dòng)方式

2 IO控制器

2.1 I/O設(shè)備組成

I/O設(shè)備由機(jī)械部件和電子部件組成，電子部件包括（I/O控制器、設(shè)備控制器）

I/O設(shè)備的機(jī)械部件：

• I/O設(shè)備的機(jī)械部件主要用來(lái)執(zhí)行具體I/O操作。
  如我們看得見摸得著的鼠標(biāo)/鍵盤的按鈕；顯示器的LED屏；移動(dòng)硬盤的磁臂、磁盤盤面。
• I/O設(shè)備的電子部件通常是一塊插入主板擴(kuò)充槽的印刷電路板。

I/O設(shè)備的電子部件（I/O控制器）

• CPU無(wú)法直接控制l/O設(shè)備的機(jī)械部件，因此I/0設(shè)備還要有一個(gè)電子部件作為CPU和I/O設(shè)備機(jī)械部件之間的“中介”，用于實(shí)現(xiàn)CPU對(duì)設(shè)備的控制。
• 這個(gè)電子部件就是I/O控制器，又稱設(shè)備控制器。CPU可控制I/O控制器，又由I/O控制器來(lái)控制設(shè)備的機(jī)械部件。

2.2 I/O控制器功能

2.3 I/O控制器的組成

值得注意的小細(xì)節(jié)：

一個(gè)I/O控制器可能會(huì)對(duì)應(yīng)多個(gè)設(shè)備；

數(shù)據(jù)寄存器、控制寄存器、狀態(tài)寄存器可能有多個(gè)
（如：每個(gè)控制/狀態(tài)寄存器對(duì)應(yīng)一個(gè)具體的設(shè)備），且這些寄存器都要有相應(yīng)的地址，才能方便CPU操作。有的計(jì)算機(jī)會(huì)讓這些寄存器占用內(nèi)存地址的一部分，稱為內(nèi)存映像I/0；另一些計(jì)算機(jī)則采用I/O專用地址，即寄存器獨(dú)立編址。

2.4 寄存器編址方式

內(nèi)存映像I/O VS 寄存器獨(dú)立編址：

2.5 IO控制器小結(jié)

3 IO控制方式

IO控制總覽：

3.1 程序直接控制方式

Key word：輪詢

完成一次讀/寫操作的流程（以讀操作為例）：

完成一次讀/寫操作的流程（見下圖，Key word：輪詢）

CPU干預(yù)的頻率

很頻繁，I/O操作開始之前、完成之后需要CPU介入，并且在等待l/0完成的過(guò)程中CPU需要不斷地輪詢檢查。

數(shù)據(jù)傳送的單位

每次讀/寫一個(gè)字

數(shù)據(jù)的流向

讀操作（數(shù)據(jù)輸入）：I/O設(shè)備→CPU（CPU寄存器）→內(nèi)存
寫操作（數(shù)據(jù)輸出）：內(nèi)存→CPU→I/0設(shè)備
每個(gè)字的讀/寫都需要CPU的幫助

主要缺點(diǎn)和主要優(yōu)點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。在讀/寫指令之后，加上實(shí)現(xiàn)循環(huán)檢查的一系列指令即可（因此才稱為“程序直接控制方式”）
缺點(diǎn)：CPU和I/O設(shè)備只能串行工作，CPU需要一直輪詢檢查，長(zhǎng)期處于“忙等”狀態(tài)，CPU利用率低。

3.2 中斷驅(qū)動(dòng)方式

• 引入中斷機(jī)制。由于I/O設(shè)備速度很慢，因此在CPU發(fā)出讀/寫命令后，可將等待I/O的進(jìn)程阻塞，先切換到別的進(jìn)程執(zhí)行。
• 當(dāng)I/O完成后，控制器會(huì)向CPU發(fā)出一個(gè)中斷信號(hào)，CPU檢測(cè)到中斷信號(hào)后，會(huì)保存當(dāng)前進(jìn)程的運(yùn)行環(huán)境信息，轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷處理程序處理該中斷。處理中斷的過(guò)程中，CPU從I/O控制器讀一個(gè)字的數(shù)據(jù)傳送到CPU寄存器，再寫入主存。接著，CPU恢復(fù)等待I/O的進(jìn)程（或其他進(jìn)程）的運(yùn)行環(huán)境，然后繼續(xù)執(zhí)行。

注意：

CPU會(huì)在每個(gè)指令周期的末尾檢查中斷；

中斷處理過(guò)程中需要保存、恢復(fù)進(jìn)程的運(yùn)行環(huán)境，這個(gè)過(guò)程是需要一定時(shí)間開銷的。可見，如果中斷發(fā)生的頻率太高，也會(huì)降低系統(tǒng)性能。

完成一次讀/寫操作的流程（見下圖，Key word：中斷）

CPU干預(yù)的頻率

每次I/O操作開始之前、完成之后需要CPU介入。
等待I/O完成的過(guò)程中CPU可以切換到別的進(jìn)程執(zhí)行。

數(shù)據(jù)傳送的單位

每次讀/寫一個(gè)字

數(shù)據(jù)的流向

讀操作（數(shù)據(jù)輸入）：I/O設(shè)備→CPU→內(nèi)存
寫操作（數(shù)據(jù)輸出）：內(nèi)存→CPU→I/0設(shè)備

主要缺點(diǎn)和主要優(yōu)點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：與“程序直接控制方式”相比，在“中斷驅(qū)動(dòng)方式”中，I/0控制器會(huì)通過(guò)中斷信號(hào)主動(dòng)報(bào)告I/0已完成，CPU不再需要不停地輪詢。
CPU和I/O設(shè)備可并行工作，CPU利用率得到明顯提升。
缺點(diǎn)：每個(gè)字在I/0設(shè)備與內(nèi)存之間的傳輸，都需要經(jīng)過(guò)CPU。而頻繁的中斷處理會(huì)消耗較多的CPU時(shí)間。

3.3 DMA方式

與“中斷驅(qū)動(dòng)方式”相比，DMA方式（Direct Memory Access，直接存儲(chǔ)器存取。主要用于塊設(shè)備的I/0控制）有這樣幾個(gè)改進(jìn)：
1. 數(shù)據(jù)的傳送單位是“塊”。不再是一個(gè)字、一個(gè)字的傳送；
2. 數(shù)據(jù)的流向是從設(shè)備直接放入內(nèi)存，或者從內(nèi)存直接到設(shè)備。不再需要CPU作為“快遞小哥”。
3. 僅在傳送一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)塊的開始和結(jié)束時(shí)，才需要CPU干預(yù)。

3.3.1 DMA控制器

DR（Data Register，數(shù)據(jù)寄存器）：暫存從設(shè)備到內(nèi)存，或從內(nèi)存到設(shè)備的數(shù)據(jù)。

MAR（Memory Address Register，內(nèi)存地址寄存器）：在輸入時(shí)，MAR表示數(shù)據(jù)應(yīng)放到內(nèi)存中的什么位置；輸出時(shí)MAR表示要輸出的數(shù)據(jù)放在內(nèi)存中的什么位置。

DC（Data Counter，數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)器）：表示剩余要讀/寫的字節(jié)數(shù)。

CR（Command Register，命令/狀態(tài)寄存器）：用于存放CPU發(fā)來(lái)的I/0命令，或設(shè)備的狀態(tài)信息。

3.3.2 DMA方式

完成一次讀/寫操作的流程（見下圖）

CPU干預(yù)的頻率
僅在傳送一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)塊的開始和結(jié)束時(shí)，才需要CPU干預(yù)。

數(shù)據(jù)傳送的單位

每次讀/寫一個(gè)或多個(gè)塊（注意：每次讀寫的只能是連續(xù)的多個(gè)塊，且這些塊讀入內(nèi)存后在內(nèi)存中也必須是連續(xù)的）

數(shù)據(jù)的流向（不再需要經(jīng)過(guò)CPU）

讀操作（數(shù)據(jù)輸入）：I/O設(shè)備→內(nèi)存
寫操作（數(shù)據(jù)輸出）：內(nèi)存→I/O設(shè)備

主要缺點(diǎn)和主要優(yōu)點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：數(shù)據(jù)傳輸以“塊”為單位，CPU介入頻率進(jìn)一步降低。數(shù)據(jù)的傳輸不再需要先經(jīng)過(guò)CPU再寫入內(nèi)存，數(shù)據(jù)傳輸效率進(jìn)一步增加。CPU和I/O設(shè)備的并行性得到提升。
缺點(diǎn)：CPU每發(fā)出一條I/O指令，只能讀/寫一個(gè)或多個(gè)連續(xù)的數(shù)據(jù)塊。
如果要讀/寫多個(gè)離散存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)塊，或者要將數(shù)據(jù)分別寫到不同的內(nèi)存區(qū)域時(shí)，CPU要分別發(fā)出多條I/O指令，進(jìn)行多次中斷處理才能完成。

3.4 通道控制方式

• 通道：一種硬件，可以理解為是“弱雞版的CPU”。通道可以識(shí)別并執(zhí)行一系列通道指令
• 弱雞版的CPU：與CPU相比，通道可以執(zhí)行的指令很單一，并且通道程序是放在主機(jī)內(nèi)存中的，也就是說(shuō)通道與CPU共享內(nèi)存

完成一次讀/寫操作的流程（見下圖）

CPU干預(yù)的頻率

極低，通道會(huì)根據(jù)CPU的指示執(zhí)行相應(yīng)的通道程序，只有完成一組數(shù)據(jù)塊的讀/寫后才需要發(fā)出中斷信號(hào)，請(qǐng)求CPU干預(yù)。

數(shù)據(jù)傳送的單位

每次讀/寫一組數(shù)據(jù)塊

數(shù)據(jù)的流向（在通道的控制下進(jìn)行）

讀操作（數(shù)據(jù)輸入）：I/O設(shè)備→內(nèi)存
寫操作（數(shù)據(jù)輸出）：內(nèi)存→I/0設(shè)備

主要缺點(diǎn)和主要優(yōu)點(diǎn)

缺點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，需要專門的通道硬件支持
優(yōu)點(diǎn)：CPU、通道、l/O設(shè)備可并行工作，資源利用率很高。

3.5 IO控制方式小結(jié)

4 IO軟件層次結(jié)構(gòu)

4.1 用戶層軟件

4.2 設(shè)備獨(dú)立性軟件

設(shè)備獨(dú)立性軟件，又稱設(shè)備無(wú)關(guān)性軟件。與設(shè)備的硬件特性無(wú)關(guān)的功能幾乎都在這一層實(shí)現(xiàn)。

設(shè)備獨(dú)立性軟件主要實(shí)現(xiàn)的功能：

向上層提供統(tǒng)一的調(diào)用接口（如read/write系統(tǒng)調(diào)用）

設(shè)備的保護(hù)

原理類似于文件保護(hù)。設(shè)備被看做是一種特殊的文件，不同用戶對(duì)各個(gè)文件的訪問權(quán)限是不一樣的，同理，對(duì)設(shè)備的訪問權(quán)限也不一樣。

差錯(cuò)處理

設(shè)備的分配與回收

數(shù)據(jù)緩沖區(qū)管理

可以通過(guò)緩沖技術(shù)屏蔽設(shè)備之間數(shù)據(jù)交換單位大小和傳輸速度的差異

建立邏輯設(shè)備名到物理設(shè)備名的映射關(guān)系；根據(jù)設(shè)備類型選擇調(diào)用相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序

用戶或用戶層軟件發(fā)出I/O操作相關(guān)系統(tǒng)調(diào)用的系統(tǒng)調(diào)用時(shí)，需要指明此次要操作的I/O設(shè)備的邏輯設(shè)備名。
（eg：去學(xué)校打印店打印時(shí)，需要選擇打印機(jī)1/打印機(jī)2/打印機(jī)3，其實(shí)這些都是邏輯設(shè)備名）

設(shè)備獨(dú)立性軟件需要通過(guò)“邏輯設(shè)備表（LUT，Logical Unit Table）”來(lái)確定邏輯設(shè)備對(duì)應(yīng)的物理設(shè)備，并找到該設(shè)備對(duì)應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序

操作系統(tǒng)系統(tǒng)可以采用兩種方式管理邏輯設(shè)備表（LUT）：

第一種方式，整個(gè)系統(tǒng)只設(shè)置一張LUT，這就意味著所有用戶不能使用相同的邏輯設(shè)備名，因此這種方式只適用于單用戶操作系統(tǒng)。

第二種方式，為每個(gè)用戶設(shè)置一張LUT，各個(gè)用戶使用的邏輯設(shè)備名可以重復(fù)，適用于多用戶操作系統(tǒng)。系統(tǒng)會(huì)在用戶登錄時(shí)為其建立一個(gè)用戶管理進(jìn)程，而LUT就存放在用戶管理進(jìn)程的PCB中。

思考：為何不同的設(shè)備需要不同的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序？

不同設(shè)備的內(nèi)部硬件特性也不同，這些特性只有廠家才知道，因此廠家須提供與設(shè)備相對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，CPU執(zhí)行驅(qū)動(dòng)程序的指令序列，來(lái)完成設(shè)置設(shè)備寄存器，檢查設(shè)備狀態(tài)等工作

4.3 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序

主要負(fù)責(zé)對(duì)硬件設(shè)備的具體控制，將上層發(fā)出的一系列命令（如read/write）轉(zhuǎn)化成特定設(shè)備“能聽得懂”的一系列操作。包括設(shè)置設(shè)備寄存器；檢查設(shè)備狀態(tài)等

不同的I/0設(shè)備有不同的硬件特性，具體細(xì)節(jié)只有設(shè)備的廠家才知道。
因此廠家需要根據(jù)設(shè)備的硬件特性設(shè)計(jì)并提供相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序。

注：驅(qū)動(dòng)程序一般會(huì)以一個(gè)獨(dú)立進(jìn)程的方式存在。

4.4 中斷處理程序

當(dāng)I/0任務(wù)完成時(shí)，I/0控制器會(huì)發(fā)送一個(gè)中斷信號(hào)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)中斷信號(hào)類型找到相應(yīng)的中斷處理程序并執(zhí)行。

中斷處理程序的處理流程如下：

用戶通過(guò)調(diào)用用戶層軟件提供的庫(kù)函數(shù)發(fā)出的I/O請(qǐng)求 →用戶層軟件通過(guò)“系統(tǒng)調(diào)用”請(qǐng)求設(shè)備獨(dú)立性軟件層的服務(wù) →設(shè)備獨(dú)立性軟件層根據(jù)LUT調(diào)用設(shè)備對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序 →驅(qū)動(dòng)程序向I/0控制器發(fā)出具體命令 →等待I/0完成的進(jìn)程應(yīng)該被阻塞，因此需要進(jìn)程切換，而進(jìn)程切換必然需要中斷處理

4.5 IO軟件層次結(jié)構(gòu)小結(jié)

理解并記住I/0軟件各個(gè)層次之間的順序，要能夠推理判斷某個(gè)處理應(yīng)該是在哪個(gè)層次完成的（最常考的是設(shè)備獨(dú)立性軟件、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序這兩層。只需理解一個(gè)特點(diǎn)即可：直接涉及到硬件具體細(xì)節(jié)、且與中斷無(wú)關(guān)的操作肯定是在設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?qū)油瓿傻?#xff1b;沒有涉及硬件的、對(duì)各種設(shè)備都需要進(jìn)行的管理工作都是在設(shè)備獨(dú)立性軟件層完成的）

5 IO核心子系統(tǒng)與假脫機(jī)技術(shù)

注：假脫機(jī)技術(shù)（SPOOLing技術(shù)）需要請(qǐng)求“磁盤設(shè)備”的設(shè)備獨(dú)立性軟件的服務(wù)，因此一般來(lái)說(shuō)假脫機(jī)技術(shù)是在用戶層軟件實(shí)現(xiàn)的。但是408大綱又將假脫機(jī)技術(shù)歸為“I/0核心子系統(tǒng)”的功能，因此考試時(shí)還是以大綱為準(zhǔn)。

5.1 IO調(diào)度

I/O調(diào)度：用某種算法確定一個(gè)好的順序來(lái)處理各個(gè)I/O請(qǐng)求。

如：磁盤調(diào)度（先來(lái)先服務(wù)算法、最短尋道優(yōu)先算法、SCAN算法、C-SCAN算法、LOOK算法、C-LOOK算法）。當(dāng)多個(gè)磁盤I/O請(qǐng)求到來(lái)時(shí)，用某種調(diào)度算法確定滿足I/O請(qǐng)求的順序。

5.2 設(shè)備保護(hù)

操作系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)文件保護(hù)功能，不同的用戶對(duì)各個(gè)文件有不同的訪問權(quán)限（如：只讀、讀和寫等）。

在UNIX系統(tǒng)中，設(shè)備被看做是一種特殊的文件，每個(gè)設(shè)備也會(huì)有對(duì)應(yīng)的FCB。當(dāng)用戶請(qǐng)求訪問某個(gè)設(shè)備時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)FCB中記錄的信息來(lái)判斷該用戶是否有相應(yīng)的訪問權(quán)限，以此實(shí)現(xiàn)“設(shè)備保護(hù)”的功能。（參考“文件保護(hù)”）

5.3 假脫機(jī)技術(shù)

引入脫機(jī)技術(shù)后，緩解了CPU與慢速I/0設(shè)備的速度矛盾。另一方面，即使CPU在忙碌，也可以提前將數(shù)據(jù)輸入到磁帶；即使慢速的輸出設(shè)備正在忙碌，也可以提前將數(shù)據(jù)輸出到磁帶。

“假脫機(jī)技術(shù)”，又稱“SPOOLing技術(shù)”是用軟件的方式模擬脫機(jī)技術(shù)。SPOOLing系統(tǒng)的組成如下：

“輸入進(jìn)程”模擬脫機(jī)輸入時(shí)的外圍控制機(jī)

“輸出進(jìn)程”模擬脫機(jī)輸出時(shí)的外圍控制機(jī)

在輸入進(jìn)程的控制下，“輸入緩沖區(qū)”用于暫存從輸入設(shè)備輸入的數(shù)據(jù)，之后再轉(zhuǎn)存到輸入井中

在輸出進(jìn)程的控制下，“輸出緩沖區(qū)”用于暫存從輸出井送來(lái)的數(shù)據(jù)，之后再傳送到輸出設(shè)備上

“輸入井”模擬脫機(jī)輸入時(shí)的磁帶，用于收容IO設(shè)備輸入的數(shù)據(jù)

“輸出井”模擬脫機(jī)輸出時(shí)的磁帶，用于收容用戶進(jìn)程輸出的數(shù)據(jù)

要實(shí)現(xiàn)SPOOLing技術(shù)，必須要有多道程序技術(shù)的支持。系統(tǒng)會(huì)建立“輸入進(jìn)程”和“輸出進(jìn)程”。

5.4 共享打印機(jī)原理分析

當(dāng)多個(gè)用戶進(jìn)程提出輸出打印的請(qǐng)求時(shí)，系統(tǒng)會(huì)答應(yīng)它們的請(qǐng)求，但是并不是真正把打印機(jī)分配給他們，而是由假脫機(jī)管理進(jìn)程為每個(gè)進(jìn)程做兩件事：

在磁盤輸出井中為進(jìn)程申請(qǐng)一個(gè)空閑緩沖區(qū)（也就是說(shuō)，這個(gè)緩沖區(qū)是在磁盤上的），并將要打印的數(shù)據(jù)送入其中；

為用戶進(jìn)程申請(qǐng)一張空白的打印請(qǐng)求表（本質(zhì)上就是一個(gè)打印任務(wù)說(shuō)明書），并將用戶的打印請(qǐng)求填入表中（其實(shí)就是用來(lái)說(shuō)明用戶的打印數(shù)據(jù)存放位置等信息的），再將該表掛到假脫機(jī)文件隊(duì)列上。
當(dāng)打印機(jī)空閑時(shí)，輸出進(jìn)程會(huì)從文件隊(duì)列的隊(duì)頭取出一張打印請(qǐng)求表，并根據(jù)表中的要求將要打印的數(shù)據(jù)從輸出井傳送到輸出緩沖區(qū)，再輸出到打印機(jī)進(jìn)行打印。用這種方式可依次處理完全部的打印任務(wù)

雖然系統(tǒng)中只有一個(gè)臺(tái)打印機(jī)，但每個(gè)進(jìn)程提出打印請(qǐng)求時(shí)，系統(tǒng)都會(huì)為在輸出井中為其分配一個(gè)存儲(chǔ)區(qū)（相當(dāng)于分配了一個(gè)邏輯設(shè)備），使每個(gè)用戶進(jìn)程都覺得自己在獨(dú)占一臺(tái)打印機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)打印機(jī)的共享。

SPOOLing技術(shù)可以把一臺(tái)物理設(shè)備虛擬成邏輯上的多臺(tái)設(shè)備，可將獨(dú)占式設(shè)備改造成共享設(shè)備。

5.5 假脫機(jī)技術(shù)小結(jié)

6 設(shè)備分配

6.1 設(shè)備分配時(shí)應(yīng)考慮的因素

設(shè)備分配時(shí)應(yīng)考慮的因素：設(shè)備的固有屬性、設(shè)備分配算法、設(shè)備分配中的安全性

設(shè)備的固有屬性可分為三種：獨(dú)占設(shè)備、共享設(shè)備、虛擬設(shè)備。

• 獨(dú)占設(shè)備：一個(gè)時(shí)段只能分配給一個(gè)進(jìn)程（如打印機(jī)）
• 共享設(shè)備：可同時(shí)分配給多個(gè)進(jìn)程使用（如磁盤），各進(jìn)程往往是宏觀上同時(shí)共享使用設(shè)備，而微觀上交替使用。
• 虛擬設(shè)備：采用SPOOLing技術(shù)將獨(dú)占設(shè)備改造成虛擬的共享設(shè)備，可同時(shí)分配給多個(gè)進(jìn)程使用（如采用SPOOLing技術(shù)實(shí)現(xiàn)的共享打印機(jī)）

設(shè)備的分配算法：

先來(lái)先服務(wù)
優(yōu)先級(jí)高者優(yōu)先
短任務(wù)優(yōu)先
…

從進(jìn)程運(yùn)行的安全性上考慮，設(shè)備分配有兩種方式：

• 安全分配方式：為進(jìn)程分配一個(gè)設(shè)備后就將進(jìn)程阻塞，本次I/0完成后才將進(jìn)程喚醒。（eg：考慮進(jìn)程請(qǐng)求打印機(jī)打印輸出的例子）
• 特點(diǎn)：一個(gè)時(shí)段內(nèi)每個(gè)進(jìn)程只能使用一個(gè)設(shè)備
• 優(yōu)點(diǎn)：破壞了“請(qǐng)求和保持”條件，不會(huì)死鎖
• 缺點(diǎn)：對(duì)于一個(gè)進(jìn)程來(lái)說(shuō)，CPU和I/O設(shè)備只能串行工作

• 不安全分配方式：進(jìn)程發(fā)出I/O請(qǐng)求后，系統(tǒng)為其分配I/O設(shè)備，進(jìn)程可繼續(xù)執(zhí)行，之后還可以發(fā)出新的I/O請(qǐng)求。只有某個(gè)I/O請(qǐng)求得不到滿足時(shí)才將進(jìn)程阻塞。
• 特點(diǎn)：一個(gè)進(jìn)程可以同時(shí)使用多個(gè)設(shè)備
• 優(yōu)點(diǎn)：進(jìn)程的計(jì)算任務(wù)和I/O任務(wù)可以并行處理，使進(jìn)程迅速推進(jìn)
• 缺點(diǎn)：有可能發(fā)生死鎖（死鎖避免、死鎖的檢測(cè)和解除）

6.2 靜態(tài)分配和動(dòng)態(tài)分配

• 靜態(tài)分配：進(jìn)程運(yùn)行前為其分配全部所需資源，運(yùn)行結(jié)束后歸還資源
  破壞了“請(qǐng)求和保持”條件，不會(huì)發(fā)生死鎖

• 動(dòng)態(tài)分配：進(jìn)程運(yùn)行過(guò)程中動(dòng)態(tài)申請(qǐng)?jiān)O(shè)備資源

6.3 設(shè)備分配管理中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

“設(shè)備、控制器、通道”之間的關(guān)系：

一個(gè)通道可控制多個(gè)設(shè)備控制器，每個(gè)設(shè)備控制器可控制多個(gè)設(shè)備。（樹形關(guān)系）

設(shè)備控制表（DCT）：系統(tǒng)為每個(gè)設(shè)備配置一張DCT，用于記錄設(shè)備情況

控制器控制表（COCT）：每個(gè)設(shè)備控制器都會(huì)對(duì)應(yīng)一張COCT。操作系統(tǒng)根據(jù)COCT的信息對(duì)控制器進(jìn)行操作和管理。

通道控制表（CHCT）：每個(gè)通道都會(huì)對(duì)應(yīng)一張CHCT。操作系統(tǒng)根據(jù)CHCT的信息對(duì)通道進(jìn)行操作和管理。

系統(tǒng)設(shè)備表（SDT）：記錄了系統(tǒng)中全部設(shè)備的情況，每個(gè)設(shè)備對(duì)應(yīng)一個(gè)表目。

6.4 設(shè)備分配的步驟

根據(jù)進(jìn)程請(qǐng)求的物理設(shè)備名查找SDT（注：物理設(shè)備名是進(jìn)程請(qǐng)求分配設(shè)備時(shí)提供的參數(shù)）

根據(jù)SDT找到DCT（設(shè)備控制表），若設(shè)備忙碌則將進(jìn)程PCB掛到設(shè)備等待隊(duì)列中，不忙碌則將設(shè)備分配給進(jìn)程。

根據(jù)DCT找到COCT（控制器控制表），若控制器忙碌則將進(jìn)程PCB掛到控制器等待隊(duì)列中，不忙碌則將控制器分配給進(jìn)程。

根據(jù)COCT找到CHCT（通道控制表），若通道忙碌則將進(jìn)程PCB掛到通道等待隊(duì)列中，不忙碌則將通道分配給進(jìn)程。

注：只有設(shè)備、控制器、通道三者都分配成功時(shí)，這次設(shè)備分配才算成功，之后便可啟動(dòng)I/O設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送

6.5 設(shè)備分配的步驟的改進(jìn)

原先的缺點(diǎn)：

用戶編程時(shí)必須使用“物理設(shè)備名”，底層細(xì)節(jié)對(duì)用戶不透明，不方便編程

若換了一個(gè)物理設(shè)備，則程序無(wú)法運(yùn)行

若進(jìn)程請(qǐng)求的物理設(shè)備正在忙碌，則即使系統(tǒng)中還有同類型的設(shè)備，進(jìn)程也必須阻塞等待

改進(jìn)方法：建立邏輯設(shè)備名與物理設(shè)備名的映射機(jī)制，用戶編程時(shí)只需提供邏輯設(shè)備名

根據(jù)進(jìn)程請(qǐng)求的邏輯設(shè)備名查找SDT（注：用戶編程時(shí)提供的邏輯設(shè)備名其實(shí)就是“設(shè)備類型”）

查找SDT，找到用戶進(jìn)程指定類型的、并且空閑的設(shè)備，將其分配給該進(jìn)程。操作系統(tǒng)在邏輯設(shè)備表（LUT）中新增一個(gè)表項(xiàng)。

根據(jù)DCT找到COCT，若控制器忙碌則將進(jìn)程PCB掛到控制器等待隊(duì)列中，不忙碌則將控制器分配給進(jìn)程。

根據(jù)COCT找到CHCT，若通道忙碌則將進(jìn)程PCB掛到通道等待隊(duì)列中，不忙碌則將通道分配給進(jìn)程。

邏輯設(shè)備表（LUT）建立了邏輯設(shè)備名與物理設(shè)備名之間的映射關(guān)系。

• 某用戶進(jìn)程第一次使用設(shè)備時(shí)使用邏輯設(shè)備名向操作系統(tǒng)發(fā)出請(qǐng)求，操作系統(tǒng)根據(jù)用戶進(jìn)程指定的設(shè)備類型（邏輯設(shè)備名）查找系統(tǒng)設(shè)備表，找到一個(gè)空閑設(shè)備分配給進(jìn)程，并在LUT中增加相應(yīng)表項(xiàng)。
• 如果之后用戶進(jìn)程再次通過(guò)相同的邏輯設(shè)備名請(qǐng)求使用設(shè)備，則操作系統(tǒng)通過(guò)LUT表即可知道用戶進(jìn)程實(shí)際要使用的是哪個(gè)物理設(shè)備了，并且也能知道該設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序入口地址。

邏輯設(shè)備表的設(shè)置問題：

• 整個(gè)系統(tǒng)只有一張LUT：各用戶所用的邏輯設(shè)備名不允許重復(fù)，適用于單用戶操作系統(tǒng)
• 每個(gè)用戶一張LUT：不同用戶的邏輯設(shè)備名可重復(fù)，適用于多用戶操作系統(tǒng)

6.6 設(shè)備分配與回收小結(jié)

7 緩沖區(qū)管理

7.1 緩沖區(qū)定義及作用

• 緩沖區(qū)是一個(gè)存儲(chǔ)區(qū)域，可以由專門的硬件寄存器組成，也可利用內(nèi)存作為緩沖區(qū)。
• 使用硬件作為緩沖區(qū)的成本較高，容量也較小，一般僅用在對(duì)速度要求非常高的場(chǎng)合（如存儲(chǔ)器管理中所用的聯(lián)想寄存器，由于對(duì)頁(yè)表的訪問頻率極高，因此使用速度很快的聯(lián)想寄存器來(lái)存放頁(yè)表項(xiàng)的副本）
• 一般情況下，更多的是利用內(nèi)存作為緩沖區(qū)，“設(shè)備獨(dú)立性軟件”的緩沖區(qū)管理就是要組織管理好這些緩沖區(qū)
  

7.2 單緩沖

假設(shè)某用戶進(jìn)程請(qǐng)求某種塊設(shè)備讀入若干塊的數(shù)據(jù)。若采用單緩沖的策略，操作系統(tǒng)會(huì)在主存中為其分配一個(gè)緩沖區(qū)（若題目中沒有特別說(shuō)明，一個(gè)緩沖區(qū)的大小就是一個(gè)塊）。

注意：當(dāng)緩沖區(qū)數(shù)據(jù)非空時(shí)，不能往緩沖區(qū)沖入數(shù)據(jù)，只能從緩沖區(qū)把數(shù)據(jù)傳出；當(dāng)緩沖區(qū)為空時(shí)，可以往緩沖區(qū)沖入數(shù)據(jù)，但必須把緩沖區(qū)充滿以后，才能從緩沖區(qū)把數(shù)據(jù)傳出。

T>C情況分析：

T<C情況分析：

單緩沖區(qū)每處理一塊數(shù)據(jù)平均耗時(shí)小結(jié)：

結(jié)論：采用單緩沖策略，處理一塊數(shù)據(jù)平均耗時(shí)Max（C，T）+M

7.3 雙緩沖

假設(shè)某用戶進(jìn)程請(qǐng)求某種塊設(shè)備讀入若干塊的數(shù)據(jù)。若采用雙緩沖的策略，操作系統(tǒng)會(huì)在主存中為其分配兩個(gè)緩沖區(qū)（若題目中沒有特別說(shuō)明，一個(gè)緩沖區(qū)的大小就是一個(gè)塊）

雙緩沖題目中，假設(shè)初始狀態(tài)為：工作區(qū)空，其中一個(gè)緩沖區(qū)滿，另一個(gè)緩沖區(qū)空

T>C+M情況分析：

T<C+M情況分析：

結(jié)論：采用雙緩沖策略，處理一個(gè)數(shù)據(jù)塊的平均耗時(shí)為Max（T，C+M）

7.4 使用單/雙緩沖在通信時(shí)的區(qū)別

兩臺(tái)機(jī)器之間通信時(shí)，可以配置緩沖區(qū)用于數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。

使用單緩沖區(qū)通信：

顯然，若兩個(gè)相互通信的機(jī)器只設(shè)置單緩沖區(qū)，在任一時(shí)刻只能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的單向傳輸。

使用雙緩沖區(qū)通信：
若兩個(gè)相互通信的機(jī)器設(shè)置雙緩沖區(qū)，則同一時(shí)刻可以實(shí)現(xiàn)雙向的數(shù)據(jù)傳輸。

注：管道通信中的“管道”其實(shí)就是緩沖區(qū)。要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，必須設(shè)置兩個(gè)管道

7.5 循環(huán)緩沖區(qū)

將多個(gè)大小相等的緩沖區(qū)鏈接成一個(gè)循環(huán)隊(duì)列。

注：以下圖示中，橙色表示已充滿數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)，綠色表示空緩沖區(qū)。

7.6 緩沖池

緩沖池由系統(tǒng)中共用的緩沖區(qū)組成。這些緩沖區(qū)按使用狀況可以分為：空緩沖隊(duì)列、裝滿輸入數(shù)據(jù)的緩沖隊(duì)列（輸入隊(duì)列）、裝滿輸出數(shù)據(jù)的緩沖隊(duì)列（輸出隊(duì)列）。

另外，根據(jù)一個(gè)緩沖區(qū)在實(shí)際運(yùn)算中扮演的功能不同，又設(shè)置了四種工作緩沖區(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）

輸入進(jìn)程請(qǐng)求輸入數(shù)據(jù)

從空緩沖隊(duì)列中取出一塊作為收容輸入數(shù)據(jù)的工作緩沖區(qū)（hin）。沖滿數(shù)據(jù)后將緩沖區(qū)掛到輸入隊(duì)列隊(duì)尾

計(jì)算進(jìn)程想要取得一塊輸入數(shù)據(jù)

從輸入隊(duì)列中取得一塊沖滿輸入數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)作為“提取輸入數(shù)據(jù)的工作緩沖區(qū)（sin）。緩沖區(qū)讀空后掛到空緩沖區(qū)隊(duì)列

計(jì)算進(jìn)程想要將準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)沖入緩沖區(qū)

從空緩沖隊(duì)列中取出一塊作為“收容輸出數(shù)據(jù)的工作緩沖區(qū)（hout）。數(shù)據(jù)沖滿后將緩沖區(qū)掛到輸出隊(duì)列隊(duì)尾

輸出進(jìn)程請(qǐng)求輸出數(shù)據(jù)

從輸出隊(duì)列中取得一塊沖滿輸出數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)作為“提取輸出數(shù)據(jù)的工作緩沖區(qū)（sout）。緩沖區(qū)讀空后掛到空緩沖區(qū)隊(duì)列

7.7 緩沖區(qū)小結(jié)

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的18 操作系统第五章 设备管理 IO设备的基本概念和分类 IO控制器 IO控制方式 IO软件层次结构 IO核心子系统 假脱机技术 设备的分配与回收 缓冲区管理的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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