操作系统设备管理

第七章设备管理概述I/O硬件特点I/O软件的组成有关技术设备处理I/O管理示意应用程序文件管理设备驱动程序控制寄存器数据寄存器状态寄存器设备控制器应用编程接口硬件接口一、概述1、I/O的特点

CPU与I/O的速度差别大→尽量使两者交叠运行→减少由于速度差异造成的整体性能开销（1）I/O性能经常成为系统性能的瓶颈（2）操作系统庞大复杂的原因之一：资源多、杂，并发，均来自I/O外设种类繁多，结构各异输入输出数据信号类型不同速度差异很大（3）与其他功能联系密切，特别是文件系统（1）按功能特性分存储型设备输入输出型设备（交互型设备）数据通信设备2、设备的分类（2）按数据组织分

块设备以数据块为单位存储、传输信息传输速率较高、可寻址（随机读写）

字符设备以字符为单位存储、传输信息传输速率高、不可寻址设备的分类（续1）（3）按资源分配角度分

独占设备在一段时间内只能有一个进程使用的设备，一般为低速I/O设备（如打印机，磁带等）

共享设备在一段时间内可有多个进程共同使用的设备，多个进程以交叉的方式来使用设备，其资源利用率高（如硬盘）设备的分类（续2）虚设备在一类设备上模拟另一类设备，常用共享设备模拟独占设备，用高速设备模拟低速设备，被模拟的设备称为虚设备目的：将慢速的独占设备改造成多个用户可共享的设备，提高设备的利用率（实例：SPOOLing技术，利用虚设备技术——用硬盘模拟输入输出设备）设备的分类（续3）SPOOLing技术为解决独立设备数量少，速度慢，不能满足众多进程的要求，而且在进程独占设备期间，设备利用率比较低而提出的一种设备管理技术

另一种资源转换技术设备的分类（续4）（1）按照用户的请求，控制设备的各种操作，完成I/O设备与内存之间的数据交换，最终完成用户的I/O请求设备分配与回收记录设备的状态根据用户的请求和设备的类型，采用一定的分配算法，选择一条数据通路执行设备驱动程序，实现真正的I/O操作设备中断处理：处理外部设备的中断缓冲区管理：管理I/O缓冲区3.设备管理的目标和任务（2）建立方便、统一的独立于设备的接口方便性：向用户提供使用外部设备的方便接口，使用户编程时不考虑设备的复杂物理特性统一性：对不同的设备采取统一的操作方式，在用户程序中使用的是逻辑设备

逻辑设备与物理设备、屏蔽硬件细节（设备的物理细节，错误处理，不同I/O的差异性）设备管理的目标和任务（续1）设备独立性（设备无关性）目的：提高操作系统的可适应性和可扩展性

从用户角度：用户在编制程序时，使用逻辑设备名，由系统实现从逻辑设备到物理设备（实际设备）的转换，并实施I/O操作

从系统角度：设计并实现I／O软件时，除了直接与设备打交道的低层软件之外，其他部分的软件不依赖于硬件好处：设备分配时的灵活性易于实现I/O重定向（3）充分利用各种技术（通道，中断，缓冲，异步I/O等）提高CPU与设备、设备与设备之间的并行工作能力，充分利用资源，提高资源利用率并行性均衡性（使设备充分忙碌）设备管理的目标和任务（续3）（4）保护设备传送或管理的数据应该是安全的、不被破坏的、保密的设备管理的目标和任务（续4）1.设备组成I／O设备一般由机械和电子两部分组成把这两部分分开处理，以提供更加模块化，更加通用的设计二、I/O硬件特点

设备组成（续1）（1）物理设备机械部分是设备本身（物理装置）（2）设备控制器电子部分叫做设备控制器或适配器完成设备与主机间的连接和通信在小型和微型机中，它常采用印刷电路卡插入计算机主板上的总线插槽通过若干接口寄存器或接口缓冲区与CPU通信

设备组成（续2）电子部分完成的工作（端口）地址译码按照主机与设备之间约定的格式和过程接受计算机发来的数据和控制信号向主机发送数据和状态信号将计算机的数字信号转换成机械部分能识别的模拟信号，或反之实现设备内部硬件缓冲、数据加工等提高性能或增强功能2.设备接口

操作系统将命令写入控制器的接口寄存器（或接口缓冲区）中，以实现输入／输出，并从接口寄存器读取状态信息或结果信息

例如：IBMPC的软盘控制器可接收15条命令，READ、WRITE、FORMAT、SEEK、RECALIBRATE，命令可以带参数，它们被一起送入控制器的寄存器中

当控制器接受一条命令后，可独立于CPU完成指定操作，CPU可以转去执行其它运算。命令完成时，控制器产生一个中断，CPU响应中断，控制转给操作系统。CPU通过读控制器寄存器中的信息，获得操作结果和设备状态控制器与设备之间的接口常常是一个低级接口。例如磁盘，可以按每个磁道8扇区，每个扇区512个字节进行格式化。然而，实际从驱动器出来的却是一连串的位流，以一个头标（preamble）开始，然后是一个扇区的4096位（512×8），最后是检查和或错误校验码（Error—C一C：ECC）。头标是在对磁盘格式化时写上的，它包括柱面和扇区数，扇区的大小和类似的一些数据

控制器的任务是把串行的位流转换为字节块，并进行必要的错误修正。首先，控制器按位进行组装，然后存入控制器内部的缓冲区中形成以字节为单位的块。在对块验证检查和并证明无错误时，再将它复制到内存中设备接口（续1）接口电路中：多个寄存器每个寄存器有唯一的一个地址，该地址称为I/O端口地址I/O指令形式与I/O地址是相互关联的主要有两种形式：内存映像编址（内存映像I/O模式）I/O独立编址（I/O专用指令）3.I/O端口地址存储映盐像编址分配给系董统中所有跃端口的地迎址空间与差内存的地机址空间统镰一编址主机把I秒/O端口鹊看作一个忧存储单元丢，对I/舟O的读写趣操作等同蹲于对存储棵器的操作优点凡是可对遮存储器操暑作的指令怖都可对I找/O端口笛操作不需要专诸门的I/惰O指令I/O泰端口可纤占有较嚷大的地赏址空间缺点：碍占用内垃存空间I/O独纯立编址分配给系课统中所有胜端口的地岔址空间是影完全独立捐的，与内牲存的地址冶空间没有买关系主机使对用专门幸的I/升O指令各对端口动进行操脚作优点外部设莫备不占酱用内存丢的地址姨空间程序设读计时，四易于区醉分是对忘内存操科作还是行对I/跪O端口收操作缺点：对I/鸟O端口错操作的驻指令类伐型少，退操作不铜灵活例子：秤808悦6/8胁088河，分配盟给I/贯O端口符的地址球空间6贝4K，轧000胆0H~头0FF舞FFH滤，只能蚁用IN粒和OU专T指令久对其进荣行读写批操作1、直没接I/波O（轮舰询）由CP高U负责往在机器飘内存与窄设备控播制器数侮据寄存市器之间捧进行数抹据传送2、中断盾驱动I/猛O为了减蹲少设备构驱动程训序不断增地询问想控制器棒状态寄具存器的榜开销当I/O狱操作结束用后，由设壤备控制器筋主动通知利设备驱动乎程序3、DM炭A4、通道4.I雀/O控端制方式I/O嫁控制方统式（续窗1）设备驱动证程序控制寄福存器数据寄顽存器状态寄存睛器设备控制葱器从设备上经读数据…英…数据应用程序系统接口硬件接胃口①②③④⑤⑥I/O尿控制方耻式（续斥2）设备驱库动程序控制寄谈存器数据寄存圆器状态寄存枣器设备控制快器从设备夕上读数顽据…焰…数据应用程敏序设备处排理程序中断处喂理程序设备状态积表①②③④⑤⑥⑦⑧⑧⑨I／O软件设计轰的基本思坑想——分桥层把软件组概织成为一猜系列的层较低层软鉴件考虑硬笔件的特性幻玉，并向较催高层软件追提供接口较高层软炎件不依赖呢于硬件，献并向用户吊提供一个容友好的、饭清晰的、腊简单的、浓功能更强杠的接口三、I/丢O软件的暮组成1.I软／O软亿件的层前次I/O粒软件各愧层的功辣能（1）用纯户进程层坚执行输入泉输出系统还调用，对干I／O数完据进行格统式化，为罩假脱机输背入／输出旧作准备（2）独乌立于设备樱的软件实膀现设备的胁命名、设罢备的保护爸、成块处态理、缓冲怎技术和设很备分配（3）的设备驱矛动程序绣设置设罢备寄存暴器、检露查设备弊的执行舞状态（4）中着断处理程三序负责I恰／O完成汇时，唤醒喜设备驱动顶程序进程完，进行中呼断处理（5）跨硬件层竞实现物纺理I／宝O的操波作2.设备玻驱动程序与设备密帽切相关的农代码放在窃设备驱动迁程序中，致每个设备激驱动程序困处理一种尾设备类型每一个控螺制器都设剩有一个或概多个设备肆寄存器，苗用来存放妹向设备发繁送的命令象和参数。盈设备驱动信程序负责单释放这些汉命令，并城监督它们枕正确执行设备驱岗动程序词（续1既）一般，设奸备驱动程致序的任务简是接收来持自与设备亿无关的上小层软件的旱抽象请求疮，并执行餐这个请求在设备颗驱动程骡序的进蛛程释放渠一条或体多条命治令后，远系统有演两种处浆理方式均，多数黑情况下锁，执行下设备驱姿动程序疑的进程该必须等拍待命令县完成，宋这样，纳在命令卷开始执越行后，泉它阻塞手自已，死直到中殿断处理您时将它蜘解除阻缠塞为止衡。而在杜其它情悔况下，删命令执俱行不必抹延迟就跃很快完志成3.设备图独立的软借件虽然I／价O软件中条一部分是采设备专用乓的，但大夏部分软件挎是与设备们无关的。泽设备驱动极程序与设西备独立软易件之间的迁确切界限徒是依赖于写具体系统搞的设备独科立的软赌件（续命1）设备独立饭的软件（驰续2）1.独立留于设备的允软件的基馒本任务是窝实现所有爱设备都需骗要的功能驱，并且向枯用户级软蔽件提供一豆个统一的涝接口2.如绸何给文给件和设祥备这样诸的对象劈燕命名是在操作系挣统中的借一个主侨要课题他。独立京于设备饰的软件裕负责把滴设备的钱符号名内映射到吵正确的汽设备驱席动上3.设备唱保护系统如何决防止无权竭存取设备棚的用户存访取设备呢爸？设备独立即的软件（吩续3）4.不座同的磁雷盘可以帐采用不对同的扇撤区尺寸晨。向较摩高层软吩件掩盖恼这一事说实并提匆供大小滋统一的队块尺寸牵，这正午是设备拴独立软聋件的一涝个任务傍。它可幸将若干朽扇区合育成一个莫逻辑块花。这样域，较高镰层的软晒件只与示抽象设跨备打交程道，独乞立于物锡理扇区掠的尺寸代而使用狱等长的碰逻辑块5.缓棕冲技术6.设备填分配7.出有错处理4.用峡户空间析的I／桌O软件尽管大素部分I锋／O软拔件都包继含在操锦作系统该中，但林仍有一虾小部分网是由与沙用户程秒序连接侍在一起鸭的库过邻程，甚冷至完全遇由运行毒于核外锈的程序祸构成。荣系统调吐用，包芽括I／荡O系统兽调用，踩通常由秤库过程迹实现这些过程练所做的工系作只是将议系统调用五时所用的泻参数放在择合适的位置置，由其摄它的I／罗O过程实哪际实现真蜘正的操作四、设备冲相关技术1.S静poo骑lin回g（虚竹拟设备插）技术一个虚滋拟设备一个资源钥转换技术（用空则间，如和输入，续输出等解换取C成PU时甩间）解决问屈题：在进程白所需物记理设备膏不存在才或被占杂用时使身用该设告备假若进储程打开泥打印机竞特殊文扎件后几均小时内困无所事芝事，其浇他进程蛙什么都路打印不丧了！解决方案尽：创建值殃班（精贼灵）进投程（d饺aem联on）倚、SP包OOL飘ing紫目录进程首安先生成识要打印膛的文件铲，放入泡SPO辛OLi匙ng目运录值班进抽程：唯匀一获准炎使用打养印机特卷殊文件乞的进程用以打锅印SP沉OOL哭ing拒目录里形的文件通过禁止佣对特殊文渡件的直接筋使用、提棋高了使用交效率打印机的包SPOO异Ling期值班进程网络的豆SPO践OLi量ng值职班进程SPO训OLi诱ng技茫术今天惠仍被广艰泛使用网络文肠件传送先把文猫件送到甲网络S治POO遍Lin渡g目录牌，然后辽网络值悉班进程调把它取天出并传赵递到目欣标地址Inte派rnet毫电子邮件势系统为了寄邮还，调用电捡子邮件程套序待发信宾存在S够POO肆Lin齿g中供院以后传踪蝶输注意：S早POOL亲ing只指提高设备景利用率，柳缩短用户佳程序执行宾时间，并薪不提高C彻PU利用择率（1）定义：通淹道是独立舟于CPU怪的专门负锈责数据输启入/输出殊传输工作共的处理机突，对外部犬设备实现晴统一管理跃，代替C善PU对输讯入/输出延操作进行姓控制，从彻而使输入芒，输出操刊作可与C渣PU并行屯操作。可以执弯行通道奸程序（2）嘴引入通伴道的目钥的为了使C肤PU从I协/O事务崖中解脱出匙来，同时海为了提高门CPU与辽设备，设胶备与设备邮之间的并模行工作能侦力2.通道舌技术字节多路爹通道字节多路部通道以字候节为单位尚传输信息岸，它可以涌分时地执三行多个通厚道程序。脊当一个通话道程序控宝制某台设洁备传送一狡个字节后表，通道硬归件就控制镇转去执行腊另一个通芽道程序，春控制另一竹台设备传搜送信息主要连描接以字细节为单崭位的低静速I/杏O设备雁，如打族印机，予终端以字节为剃单位交叉你传输，当幼一台传送迟一个字节性后，立即薄转去为另对一台传送永字节（3）分钻类分类（续块1）选择通互道选择通留道是以舞成组方泄式工作届的，即喘每次传犯送一批擦数据，支故传送翠速度很竟高。选赢择通道络在一段而时间内荐只能执柴行一个昏通道程特序，只掉允许一岁台设备胜进行数器据传输分类（续喊2）当这台条设备数补据传输执完成后偏，再选做择与通固道连接触的另一卵台设备桐，执行郊相应的盟通道程炒序主要连接礼磁盘，磁辆带等高速疯I/O设路备选择通道分类（续幕3）成组多路熊通道它结合了贪选择通道跨传送速度撇高和字节便多路通道剥能进行分涨时并行操敞作的优点叫。它先为道一台设备葵执行一条乡丰通道指令技，然后自孔动转接，聋为另一台奸设备执行描一条通道朱指令主要连接幻玉高速设备这样，兴对于连灭接多台量磁盘机坐的数组学多路通逮道，它撤可以启买动它们他同时执雀行移臂盘定位操察作，然钓后，按旅序交叉授地传输认一批批功数据。酱数据多吵路通道干实际上评是对通注道程序比采用多丽道程序棵设计的绪硬件实拘现（4）硬怜件连接结砖构通道：执行通道联程序，向哗控制器发改出命令，沫并具有向次CPU发神中断信号曲的功能。怠一旦C惧PU发出参指令，启村动通道，喇则通道独槐立于CP位U工作。尿一个通道俘可连接多假个控制器敞，一个控忌制器可连券接多个设允备，形成扔树形交叉石连接主要目的抚是启动外肠设时：提高了贴控制器帅效率提高可钉靠性提高并行盾度通道连接交叉连坝接（5）通道工禽作原理通道相当才于一个功率能简单的禽处理机，腥包含通道慕指令（空槽操作，读锯操作，写裕操作，控沾制，转移都操作），注并可执行脚用这些指摄令编写的擦通道程序通道工燃作原理通道运算盘控制部件通道地址侍字C衫AW：记录通去道程序息在内存纺中的地齐址通道命令毒字C丹CW：保存正跪在执行陵的通道航指令通道状宋态字炒CS壶W：存放通道冒执行后的邻返回结果通道数据阅字C扣DW：存放传己输数据通道和C慰PU共用驶内存，通腾过周期窃中取方式取冈得通道工作贼原理（续联1）通道命令渗及格式用于I勤/O操马作的命脉令主要谱有两种也：I/O指哀令：启动消通道程序通道命败令：对浴I/O器操作进瓣行控制读、反读消、写、测晶试设备状昼态的数据榨传输命令塑、用于设剃备控制的涉命令（磁遮带反绕、铃换页）、恋实现通道掉程序内部封控制的转忘移命令通道工爬作原理娃（续2糖）命令格式筑一般包括鹿：操作码业、数据传耍输内存地惠址、特征闻位、计数算器编制一个问通道程序状，从磁带悉机上读入卵200字荡节的信息型，送入内俩存（10炉00）16开始的牙单元。通道命蛛令码：妻“07地”反绕“02摄”读CCW1及X“走07”喝*已X“浴40”画1；CCW昨2X层“0绢2”挽100登0X泡“0乱0”岭200宾；通道工作即原理（续趣3）工作原眼理CPU：福执行用户坡程序，当符遇到I/赞O请求时绵，可根据势该请求生浮成通道程柴序放入内样存（也可献事先编好太放入内存罪），并将蒙该通道程草序的首地预址放入C柄AW中；苦之后执行笔“启动I咳/O”指旧令，启动季通道工作通道工作浅原理（续扛4）通道：接躁收到“启立动I/O种”指令后掠，从CA醋W中取出谅通道程序仪的首地址穗，并根据俭首地址取钓出第一条骗指令放入肆CCW中怕，同时向遇CPU发逢回答信号芦，使CP豪U可继续蹲执行其他暮程序，而虾通道则开沃始执行通筹道程序，谎完成传输秧工作通道工平作原理傅（续5趁）（通道渠程序完步成实际衔I/O肯，启动劝I/O蚀设备，迹执行完浪毕后,舰如果还杠有下一吊条指令织，则继活续执行贪,否康则表示车传输完许成）当通道仪传输完带成最后寇一条指菜令时，啦向CP广U发I陈/O中呜断，并狱且通道鄙停止工恼作。C其PU接横收中断剥信号，絮从CS岂W中取犁得有关月信息，例决定下越一步做朝什么通道工作单原理（续务6）通道的康发展新的通堡道思想钟综合了女许多新担的技术在个人认计算机歇中，芯愉片组中公专门I滨/O处拉理的芯咸片，称尚为IO威P（I此OP惠roc死ess唐or）适，发挥拼通道的劣作用IBM探39搜0中反，沿用包了输入粥输出通膨道概念IBM于粗1998境年推出光铅纤通道技孟术（称为蛋FICO却N），可凭通过F计ICON参连接多悲达127恶个大容量冒I/O设查备。传输呼速度是3雾33MH抹z／s，急未来将达低到1GH丹z／s。光纤通姥道技术堵具有数躲据传输倘速率高概、传输牢距离远迷，可简俩化大型阶存储系蔽统设计狼的优点在大容改量高速跨存储，庆如大型河数据库扑、多媒玩体、数扔字影像股等应用觉领域，跑有广泛拒前景3.DM遥A技术不用D脏MA时线，磁盘精如何读宏：首先，控柱制器从磁酒盘驱动器句串行地一鼓位一位地李读一个块车，直到将鸡整块信息池放入控制色器的内部鹊缓冲区中其次，它是做和校验笋计算，以卸核实没有多读错误发谋生然后控播制器产扇生一个扰中断。摔CPU瓦响应中厦断，控餐制转给膨操作系冲统。当速操作系音统开始翼运行时招，它重旋复地从舰控制器剥缓冲区隐中一次隐一个字跌节或一强个字地革读这个兴磁盘块榆的信息螺，并将茅其送入耽内存中DMA棚技术数据在爸内存与苦I/O曾设备间撕的直接托成块传镰送CPU稻在开始追时向设忆备发“济传送一环块”命付令，结计束时进详行相应萌处理，熔实际操炮作由D职MA硬心件直接羊完成DMA肃的功能血可以以肌独立的徒DMA雷部件在势系统I希/O总鉴线上完拴成，也扑可整合查到I/条O部件孝中完成DMA通稼过系统总兄线代替C象PU管理欲数据的存允入或取出当CPU累不需要系捉统总线时亭可以使用近总线DMA可荡以强迫C挥PU暂时吼延迟其他荐操作，获轻取一个总咽线周期（丈周期窃取浙）不需要C裂PU介入令，因而减手轻了CP系U负担控制器休按照指非定存储拣器地址弯，把第丸一个字则节送入肚内存然后，按堤指定字节嘱数进行数骑据传送每当传送康一个字节乒后，字节策计数器值熄减1，直粉到字节计祸数器等于劳0此时，服控制器仰引发中预断，通痕知操作挪系统，纠操作完舟成CPU纠提供待读取块买的磁盘地测址目标存储冰地址待读取孩字节数整块数签据读进森缓冲区核准校验DMA工作示例（以硬晨盘为例轨）（1）缓糕冲技术的前引入最早引验入：C翻PU与照I/O共设备之咸间凡是数饶据到达转和离去弓速度不桥匹配的讽地方均屋可采用返缓冲技护术目的：缓解CP欺U与I/电O设备之协间速度不捐匹配的矛焰盾提高CP贱U与I/矮O设备之程间的并行星性减少了米I/O妹设备对驾CPU拜的中断浪请求次吊数，放深宽CP尿U对中项断响应刺时间的茫要求4.缓牢冲技术（2）缓搏冲区设置硬缓冲：在设备扒中设置女缓冲区值，由硬芒件实现软缓冲欠：在内存中饲开辟一个纹空间，用犁作缓冲区缓冲技孔术（续蒙1）（3）槽缓冲区挽管理单缓冲当用户进走程发出I饰/O请求增时，操作者系统在内倡存的系统旧空间为该全操作分配烧一个缓冲凑区，可以般实现预读滑和滞后写双缓冲可以实现栗用户数据眠区—缓冲纤区之间交户换数据和盈缓冲区—绒外设之间拿交换数据愤的并行缓冲技术糕（续2）缓冲池仰：又称循环缓榴冲多个缓姑冲区连叹接起来控统一管樱理引入系统原缓冲池，浑采用有限皱缓冲区的退生产者/散消费者模虽型对缓冲床池中的缓效冲区进行裕循环使用常采用多下缓冲管理缓冲区结辉合预读和浓滞后写技缠术对具有眨重复性及衰阵发性I俯/O进程手、提高I酱/O速度杂很有帮助缓冲技舅术（续蛛3）（4）获例子终端输入舍软件中的帅键盘驱动闪程序任务之宴一：收根集字符两种常略见的字主符缓冲锦方法：公共缓丹冲池（巨驱动程拍序中）终端数污据结构舒缓冲缓冲技诊术（续掉4）终端数据结构公共缓冲池终端0123终端数据结构终端01终端0的缓冲区终端1的缓冲区公共缓冲池终端固定缓冲区缓冲技术悦（续5）缓冲技仍术（续震6）（5）恰UNI蠢X的缓匙冲技术采用缓冲亭池技术，尘来平滑和锈加快文件横信息从内近存到磁盘妈的传输并充分利众用以前从殃磁盘读入势已传入用唐户区、但王仍在缓冲荣区的数据即：当王从磁盘堆上读数犁据时，颜如果数缘瑞据已经尿在缓冲稼区中，则系统养直接从国缓冲区唉中读出双，而不疲必从盘罚上读；寨当数据绕不在缓啊冲区时沉，系统视首先把鲁数据从虾磁盘传张送到缓山冲区，撞再从缓云冲区读纲出好处：熊尽可能昂减少磁罚盘I/搬O的次隔数，提茄高系统还运行的畏速度缓冲技哭术（续君7）UNIX顿Sys须tem委Ⅴ由200暑个缓冲区稠组成的缓图冲池每个缓蹄冲区的胳长度可惕以是5租12字幻玉节或1议024酿字节每个缓冲雁区由两部小分组成：缓冲数据窝区：存放剃数据的区分域缓冲控制泳块或缓冲脊首部：用绘于控制的抖区域系统通过惧缓冲控制号块来实现跨对缓冲区删的管理缓冲技终术（续粘8）说明：逻辑设帮备号和遇盘块号肠分别标蹄志出文漏件系统犯和数据口所在的碑盘块号首，是缓烦冲区的付唯一标兽志状态项场指明了效该缓冲录区当前航的状态截：忙∕闲、上锁∕开椒锁、是否延吃迟写、数据有疮效性等两组指研针（av和b）用于对暖缓冲池的宿分配管理设备号盘块号状态指向缓冲区的指针指向队列的后继buf的指针b-back指向队列的前驱buf的指针b-forw指向队列的链buf的指针av-back指向队列的链buf的指针av-forw缓冲技术之（续9）缓冲池膝结构：空闲缓谨冲区队鱼列(空歪闲av比队列)队列头部闪为bfr六eeli漫st系统初始近化时，所督有缓冲区磨按序号大嚼小挂在空披闲av队尚列上，当耗申请一个锄缓冲区时秒，从空闲播av队列转队首取下扰一个缓冲丝式区，而释蹲放一个缓蚕冲区时将勺其挂入空概闲av队徐列队尾缓冲技术辩（续10康）散列队撕列（设备缓冲队列、引设备b鱼链）链接所沫有分配拦给各类设备使演用的缓冲区buf用b双向诉链，可以有6声4个队列喊，每个队列头白部有头卸标设备为挡b_d得ev上怎的逻辑块b在散总列队列的头标为：i=(趋b_d无ev+扭b)签mod献64设备IO沫请求队列草：buf表用av单心向链空设备队洗列：buf用b双向舰链，队列袋头部为b蚂free站list缓冲技券术（续茂11）每个b搁uf同安时在a针v链和度b链：开始：百在空闲姑av链贩和空设匹备队列开始IO摆请求：在却设备IO笔请求队列顺和散列队踩列IO完成继：在空闲半av链和橡散列队列后续I捡O请求刊：在设非备IO泻请求队伤列和散闸列队列团，在散贫列队列青改变队房诚列缓冲技乞术（续梯12）当进程想宗从指定的碌盘块读取吗数据时，森系统根据贸盘块号从现散列队列寺中查找，匪如找到缓盯冲区，则芳将该缓冲庭区状态标虚记为“忙销”，并从空闲a委v队列中取下，榴接着完成从缓冲涌区到内该存用户搬区的数拒据传送。如果在散列搭队列中飘未找到枕时，则俘从空闲a喇v队列队士首摘取问一个缓竞冲区，插入设迟备I/O请求队促列；并从原谈散列队尽列中取垄下，插入由读崇入信息盘块号魄确定的新的散列队牺列中。贵当数据艘从磁盘季块读入到缓冲咽区后，缓冲区净从设备I/O请求队抚列取下。当系统完成从缓冲屠区到内乏存用户妇区的数镜据传送脖后，要邮把缓冲核区释放尖，链入空闲a邀v队列队睬尾缓冲技术本（续13男）当数据华从磁盘准块读入到缓冲况区，并传业送到内存宇用户区后塘，该缓冲阔区一直保叛留在原散秀列队列中耻，即它的铅数据一直仔有效。如叙它又要被毕使用，则晌又要从空闲a胞v队列链中咐取下，使游用完后插源入到空闲a帅v队列队蹲尾。如暑它一直狂未使用铃，则该催缓冲区枯从空闲av队列队佳尾慢慢途升到队雀首，最讽后被重誉新分配漆，旧的营盘块数萍据才被哨置换系统对缓带冲区的分归配是采用洒近似LRU算法。1.设备的分侍配与回收当某进撤程向系愁统提出密I/O网请求时炕，设备竞分配程茶序按一府定策略们分配设浇备、控副制器和眨通道，存形成一淋条数据窗传输通偶路，以赵供主机避和设备小间信息摧交换五、设备灯管理（1）裕设备管灶理有关冻的数据劳结构描述设狂备、控状制器等定部件的禁表格：系统中捕常常为爱每一个唤部件、何每一台列设备分掩别设置眠一张表肚格，常蔬称为设腾备表或彼部件控判制块。策这类表枯格具体秩描述设岭备的类陷型、标贵识符、珠状态，稠以及当扁前使用吓者的进千程标识竞符等建立同类搜资源的队渗列：系统为住了方便纯对I/般O设备膛的分配社管理，短通常在盾设备表校的基础标上通过丑指针将挖相同物翅理属性丝式的设备膀连成队观列（称主设备队只列）面向进昨程I/僚O请求念的动态袋数据结遮构：每当进针程发出份I/O却请求时氏，系统性建立一赞张表格哄（称I载/O请滋求包）脸，将此例次I/贿O请求努的参数梢填入表折中，同替时也将羞该I/识O有关席的系统煎缓冲区唤地址等暑信息填铁入表中偷。I/堆O请求坏包随着撇I/O煌的完成匙而被删敬除建立I份/O队梦列：如请求包蹦队列设备分配吓与回收（着续2）（2）君设备有惑关的数孤据结构设备控适制块D商CB（违设备控膨制表D岸CT）控制器控清制块CO逝CB（控牢制器控制防表COC危T）通道控吊制块C黎HCB刮（通道籍控制表我CHC触T）系统设久备表S补DT根据用仿户请求榴的I/敬O设备宅的逻辑就名，查假找逻辑看设备和货物理设育备的映俩射表；迅以物理同设备为怖索引，头查找S致DT，秩找到该嗽设备所好连接的榜DCT涨；继续伍查找与充该设备蜡连接的衬COC内T和C暗HCT自，就找麦到了一退条通路设备分激配与回威收（续押3）表项1……表项i……设备类型设备标识符进程标识符DCT表指针驱动程序入口地址表项1……表项i……设备类型设备标识符设备状态（等/不等，忙/闲）COCT表指针重复执行的次数或时间设备队列的队首指针设备队列的队尾指针表项1……表项i……控制器标识符控制器状态（忙/闲）CHCT表指针控制器队列的队首指针控制器队列的队尾指针表项1……表项i……通道标识符通道状态（忙/闲）COCT表指针通道队列的队首指针通道队列的队尾指针SDT表SDT表项DCT表DCBCOCT表COCBCHCT表CHCB独占设若备的分欲配在申请设喝备时，如优果设备空积闲，就将溉其独占，椒不再允许目其他进程每申请使用诱，一直等急到该设备堂被释放，黄才允许被吼其他进程佳申请使用考虑效屈率问题就，并避罗免由于吓不合理扩的分配寇策略造爽成死锁静态分配恒：在进程益运行前澡,完歉成设备愉分配；旧运行结影束时，狭收回设溪备缺点：设棚备利用率雀低动态分配按：在进程运立行过程中夜，当用户救提出设备限要求时，收进行分配悔，一旦停铃止使用立雄即收回优点：效饥率好；缺扮点：分配岩策略不好船时,产如生死锁2.设迁备分配绍策略分时式翠共享设备分谋配所谓分话时式共朱享就是胖以一次捐I/O刊为单位虏分时使泄用设备霜，不同轻进程的肢I/O啄操作请买求以排港队方式佛分时地洒占用设虏备进行圈I/O由于同时许有多个进墨程同时访轮问，且访拿问频繁，阀就会影响沈整个设备爬使用效率袄，影响系沙统效率。怖因此要考剪虑多个访尤问请求到扑达时服务挠的顺序，统使平均服雁务时间越转短越好设备分配画策略（续是1）以SPO然OLin拣g方式使才用外设SPO既OLi消ng至技术是锐在批处挠理操作缸系统时皂代引入掀的，即饶所谓假命脱机输抵入/输贴出技术妙。把这秀种技术交用于对劝设备的详使用实西质就是碍对输入串／输出牌操作成冰批处理犁。例如:所舟有输出数额据已经写设到文件当挣中，并排钩到打印输李出队列，个打印进程蜜申请占用讽打印机后剥，成批读生出文件中懂数据，并问送打印机松打印出去设备分配芹策略（续砌2）打印请求队列（含要打印文件）打印daemon进程打印机为了控蓄制I/蛇O传输雁，系统细为每类摄设备编干制设备态驱动程军序任务：主齐要负责接杀收和分析斧从设备分季配转来的誉信息，并拼根据设备闷分配的结弓果，结合逮具体物理易设备特性兴完成以下删具体工作3.设彩备驱动今程序(1)滩接受灯来自上全层、与专设备无持关软件欣的抽象及I/O辨请求，既将该请减求排在秩请求队皇列末尾窝，检查思I/O蹦请求的时合法性(2)执鬼行特定的院缓冲区策阀略：根据叨请求传输雅的数据量犁，组织I听/O缓冲寸队列，利严用I/O移缓冲对数正据进行加珍工，包括释数据格式份处理和编鬼码转换(3)至对各种落可能的列有关设两备排队灭、挂起绵、唤醒迈等操作姿进行处描理(4)向弦有关的输演入输出设灯备的各种晚控制器发祖出控制命替令，并且设监督它们些的正确执恭行，进行页必要的错青误处理(5)翠处理来脖自设备漠的中断设备驱曲动程序胡（续1兵）设备驱签动程序纤（续2洁）设备驱动恰程序与外淹界的接口（1）奴与操作利系统的粗接口为实现设嫁备无关性锡，设备作浑为特殊文推件处理。滤用户的I伐/O请求掠、对命令脏的合法性善检查以及克参数处理饶在文件系狸统中完成痒。在需要杏各种设备刻执行具体国操作时，擦通过相应租数据结构外转入不同搂的设备驱捕动程序（2）欠与系统宗引导的默接口（壤初始化涂，包括刑分配数画据结构抹，建立院设备的煎请求队蝇列）（3）密与设备举的接口不同操作击系统处理汪I/O事爪务所采用瓦的形式不赌同，主要参有三种处蕉理方式：(1)辆每类设备忽一个I/课O进程(2)储整个眨系统一浆个I/部O进程(3)胆为各富类设备雀设置相档应的设着备处理朴程序供疲外部调宏用I/O进程：专津门处理系床统中的I精/O请求止和I/O痰中断工作4.一令种实现方母案：I/傻O进程（1）皆I/O请求的进袖入用户程序搞：调用s掘end将漂I/O请矿求发送给晓I/O进资程；调用汤bloc京k将自己漫阻塞，直伐到I/O逐任务完成思后被唤醒系统：利剃用wak味eup唤荒醒I/O速进程，完芦成用户所杜要求的I阶/O处理（2）脚I/O耳中断的鹅进入当I/O坊中断发生葵时，内核校中的中断昨处理程序筹发一条消唇息给I/情O进程，霉由I/O薄进程负责鸽判断并处贪理中断一种实餐现方案域：I/鬼O进程它（续1胀）（3）腾I/O进程是系统进识程，一般右赋予最高寺优先级。性一旦被唤钱醒，它可磨以很快抢眉占处理机强投入运行I/O进闯程开始运侨行后，首复先关闭中此断，然后扁用rec舞eive演去接收消电息。两种吩情形：一种实脾现方案献：I/缴O进程坝（续2交）没有消息接，则开中枪断，将自刮己阻塞；有消息，液则判断消哄息（I/鞋O请求或股I/O中宁断）；a.I/遇O请求准备通唱道程序转，发出拖启动I唤/O指代令，继虏续判断朱有无消轨息b.I/漫O中断，真进一步判喂断正常或宿异常结束正常：筹唤醒要愉求进行碎I/O蹲操作的论进程异常：薪转入相牧应的错订误处理勒程序一种实架现方案盘：I/蓄O进程挺（续3税）管理程索序保护现筛场组织通道程程序保存通道螺程序的始址于赚CAW启动I/多O指令分析条件刘码启动成握功；使p阻塞谣,另显选程序q运叹行保护程序皇q的现场分析中断购原因处理I/寄O中断选择可矛运行程粘序请求启动I颠/O程序q程序p用户程贷序判断状企态执行通仙道程序控制I/抽O设备操作,育执行情况记录峡在CS锋W出现中断框事件CSW氧=>内粪存通道号,刃设备逮号送特定狮寄存器通道程序执行规胳定的操作设备控贪制器和学设备123456I/O的然操作全过须程进程p或q使CP狗U利用曲率尽可元能不被银I/O痒降低使CPU占尽可能摆织脱I/O减少或友缓解速沫度差距→缓举冲技术使CPU地不等待I浓/O→异步I垫/O让CPU赤摆脱I/森O操作→DMA、贼通道小结—使—I/滴O性能旬问题9、静夜辅四无邻谦，荒居效旧业贫粗。。4月-2解34月-2足3Sat棕urd辞ay,喜Ap伏ril输29纵,2火02310、雨中添黄叶树万，灯下芳白头人漏。。02:1川4:0602:1亮4:0602:1筝44/29架/202而32:否14:0暂6AM11、以我内独沈久共，愧君寻相见频沸。。4月-2锣302:1蹲4:0602:赠14Apr-消2329-A笋pr-2雄312、故人江岔海别，几故度隔山川合。。02:1揭4:0602:价14:疲0602:1职4Satu斥rday取,Ap屈ril遭29,史202313、乍见拐翻疑梦隙，相悲剪各问年妄。。4月-面234月-2闪302:1料4:0602:1例4:06Apri妄l29舞,20絮2314、他乡生沉白发，旧够国见青山非。。29四馒月20挺232:1源4:0偷6上捷午02:1择4:064月-2闯315、比不了雁得就不比羞，得不到低的就不要革。。。四月跑232:1棵4上状午4月-2姻302:1迎4Apri落l29约,20移2316、行动出斑成果，工哈作出财富盯。。202纸3/4以/29土2:英14:吐0602:1服4:0629喇Ap