第5章设备管理 操作系统

第五章微备管理

5.1I/O系统

5.2I/O控制方式

5.3缓冲管理

5.4I/O软件

5.5设备分配

5.6磁盘存储器的管理

5.1I/O系统

5.1.1I/O设备

LI/O设备的类型

重要的性能指标有:设备使用特性、数据传输速率、数据

的传输单位、设备共享属性等。

1）按设备的使用特性分类

第一类是存储设备，也称外存或后备存储器、辅助存储

器，是计算机系统用以存储信息的主要设备。

第二类就是输入/输出设备，又具体可分为输入设备、输

出设备和交互式设备。

2）按传输速率分类

第一类是低速设备，这是指其传输速率仅为每秒钟几个

字节至数百个字节的一类设备。

第二类是中速设备，这是指其传输速率在每秒钟数千个

字节至数十万个字节的一类设备。

第三类是高速设备，这是指其传输速率在数百个千字节

至千兆字节的一类设备。

3)按信息交换的单位分类

第一类是块设备(BlockDevice),这类设备用于存储信息。

基本特征是其传输速率较高，通常每秒钟为几兆位；另一特征

是可寻址，即对它可随机地读/写任一块；止匕外，I/O常采用

DMA方式。

第二类是字符设备(CharacterDevice),用于数据的输入和

输出。基本特征是其传输速率较低，通常为几个字节至数千字

节；另一特征是不可寻址，即输入/输出时不能指定数据的输

入源地址及输出的目标地址；止匕外，输入/输出常采用中断驱

动方式。

少按设备的共享属性分类

(1)独占设备。这是指在一段时间内只允许一个用户(进

程)访问的设备，即临界资源。应当注意，独占设备的分配有

可能引起进程死锁。

(2)共享设备。这是指在一段时间内允许多个进程同时

访问的设备。当然，对于每一时刻而言，该类设备仍然只允

许一个进程访问。显然，共享设备必须是可寻址的和可随机

访问的设备。

(3)虚拟设备。这是指通过虚拟技术将一台独占设备变

换为若干台逻辑设备，供若干个用户(进程)同时使用。

2.设备与控制器之间的接口

接口中有三种类型的信号（见图5-1所示），各对应一条

信号线。

1/m备

图5-1设备与控制器间的接口

1）数据信号线

这类信号线用于在设备和设备控制器之间传送数据信

号。数据的并行与串行转换。

2）控制信号线

这是作为由设备控制器向I/O设备发送控制信号时的通路。

该信号规定了设备将要执行的操作。

3）状态信号线

这类信号线用于传送指示设备当前状态的信号。

5.1.2设备控制器

1.攻备于金制器的基本功能

1）接收和识别命令

CPU可以向控制器发送多种不同的命令，设备控制器应

能接收并识别这些命令。为此，在控制器中应具有相应的控

制寄存器，用来存放接收的命令和参数，并对所接收的命令

进行译码。例如，磁盘控制器可以接收CPU发来的Read、

Write>Format等15条不同的命令，而且有些命令还带有参数;

相应地，在磁盘控制器中有多个寄存器和命令译码器等。

2）数据交换

这是指实现CPU与控制器之间、控制器与设备之间的数据

交换。对于前者，是通过数据总线，由CPU并行地把数据写入

控制器，或从控制器中并行地读出数据；对于后者，是设备

将数据输入到控制器，或从控制器传送给设备。为此，在控

制器中须设置数据寄存器。

3）标识和报告设备的状态

控制器应记下设备的状态供CPU了解。例如,仅当该设

备处于发送就绪状态时，CPU才能启动控制器从设备中读出

数据。为此，在控制器中应设置一状态寄存器，用其中的每

一位来反映设备的某一种状态。当CPU将该寄存器的内容读

入后，便可了解该设备的状态。

4）地址识别

一就像内存中的每一个单元都有一个地址一样,系统中的

每一个设备也都有一个地址，而设备控制器又必须能够识别

它所控制的每个设备的地址。此外，为使CPU能向（或从）寄存

器中写入（或读出）数据，这些寄存器都应具有唯一的地址。例

如，在IB-MPC机中规定，硬盘控制器中各寄存器的地址分别

为320〜32F之一。控制器应能正确识别这些地址，为此，在

控制器中应配置地址译码器。

5）数据缓冲

由于I/O设备的速率较低而CPU和内存的速率却很高，故

在控制器中必须设置一缓冲器。在输出时，用此缓冲器暂存

由主机高速传来的数据，然后才以I/O设备所具有的速率将缓

冲器中的数据传送给I/O设备；在输入时，缓冲器则用于暂存

从I/O设备送来的数据，待接收到一批数据后，再将缓冲器中

的数据高速地传送给主机。

6）差错控制

设备控制器还兼管对由I/O设备传送来的数据进行差错检

测。若发现传送中出现了错误，通常是将差错检测码置位，

并向CPU报告，于是CPU将本次传送来的数据作废，并重新

进行一次传送。这样便可保证数据输入的正确性。

2.设备控制器的组成

1）设备控制器与处理机的接口

该接口用于实现CPU与设备控制器之间的通信。共有三

类信号线:数据线、地址线和控制线。数据线通常与两类寄存

器相连接，第一类是数据寄存器（在控制器中可以有一个或多

个数据寄存器，用于存放从设备送来的数据（输入）或从CPU送

来的数据（输出））；第二类是控制/状态寄存器（在控制器中可以

有一个或多个这类寄存器，用于存放从CPU送来的控制信息

或设备的状态信息）。

2）设备控制器与设备的接口

在一个设备控制器上，可以连接一个或多个设备。相应

地，在控制器中便有一个或多个设备接口，一个接口连接一

台设备。在每个接口中都存在数据、控制和状态三种类型的

信号。控制器中的I/O逻辑根据处理机发来的地址信号去选择

一个设备接口。

3)I/O逻辑

在设备控制器中的I/O逻辑用于实现对设备的控制。它通

过一组控制线与处理机交互，处理机利用该逻辑向控制器发

送I/O命令；I/O逻辑对收到的命令进行译码。每当CPU要启动

一个设备时，一方面将启动命令发送给控制器；另一方面又

同时通过地址线把地址发送给控制器，由控制器的I/O逻辑对

收到的地址进行译码，再根据所译出的命令对所选设备进行

控制。设备控制器的组成示于图5-2中。

CPLfe控制器接口控制器与设备接口

图5-2设备控制器的组成

5.1.3I/O通道

1.I/O通道(I/OChannel)设备的引入

主要目的是为了建立独立的I/O操作，不仅使数据的传送

能独立于CPU,而且也希望有关对I/O操作的组织、管理及其

结束处理尽量独立，以保证CPU有更多的时间去进行数据处

理；或者说，其目的是使一些原来由CPU处理的I/O任务转由

通道来承担，从而把CPU从繁杂的I/O任务中解脱出来。

I/O通道是一种特殊的处理机，主要特点：

一是其指令类型单一；二是通道与CPU共享内存。

2.通道类型

1)字节多路通道(ByteMultiplexorChannel)

这是一种按字节交叉方式工作的通道。只要字节多路通

道扫描每个子通道的速率足够快，而连接到子通道上的设备

的速率不是太高时，便不致丢失信息。

图5-3字节多路通道的工作原理

2)数组选择通道(BlockSelectorChannel)

可以连接多台高速设备，但只含有一个分配型子通道，

在一段时间内只能执行一道通道程序，控制一台设备进行数

据传送，致使当某台设备占用了该通道后，便一直由它独占,

即使是它无数据传送，通道被闲置，也不允许其它设备使用

该通道，直至该设备传送完毕释放该通道。

3）数组多路通道（BlockMultiplexorChannel）

数组选择通道虽有很高的传输速率，但它却每次只允许

一个设备传输数据。数组多路通道是将数组选择通道传输速

率高和字节多路通道能使各子通道（设备）分时并行操作的优

点相结合而形成的一种新通道。它含有多个非分配型子通道,

因而这种通道既具有很高的数据传输速率，又能获得令人满

意的通道利用率。也正因此，才使该通道能被广泛地用于连

接多台高、中速的外围设备，其数据传送是按数组方式进行

的。

3.“瓶颈”问题

由于通道价格昂贵，致使机器中所设置的通道数量势

必较少，这往往又使它成了I/O的瓶颈，进而造成整个系统

吞吐量的下降。例如，在图5-4中，假设设备1至设备4是四

个磁盘，为了启动磁盘4,必须用通道1和控制器2；但若这

两者已被其它设备占用，必然无法启动磁盘4。类似地，若

要启动盘1和盘2,由于它们都要用到通道1,因而也不可能

启动。这些就是由于通道不足所造成的“瓶颈”现象。

图5-4单通路I/O系统

解决“瓶颈”问题的最有效的方法，便是增加设备到主

机间的通路而不增加通道。

图5-5多通路I/O系统

5.1.4总线系统

时钟频率、带宽和传输速率。

磁盘驱动器

系统总线

图5-6总线型I/O系统结构

1.ISA和EISA总线

1)(Inducts乎StandardArchitecture)总线

这是为在1984年推出的80286型微机而设计的总线结构。

其总线的带宽为8位，最高传输速率为2Mb/so之后不久又推

出了16位的(EISA)总线，其最高传输速率为8Mb/s,后又升

至16Mb/s,能连接12台设备。

2)EISA(ExtendedISA)总线

到20世纪80年代末期，ISA总线已难于满足带宽和传输速

率的要求，于是人们又开发出扩展ISA(EISA)总线，其带宽为

32位，总线的传输速率高达32Mb/s,同样可以连接12台外部

设备。

2.局部总线(LocalBus)

—所谓局部总线，是指将多媒体卡、高速LAN网卡、高性

能图形板等，从ISA总线上卸下来，再通过局部总线控制器直

接接到CPU总线上，使之与高速CPU总线相匹配，而打印机、

FAX/Modem、CDROM等仍挂在ISA总线上。在局部总线中较

有影响的是VESA总线和PCI总线。

1)VESA(VideoElectronicStandardAssociation)

总线

带宽为32位，最高传输速率为132Mb/s,设备数仅为2〜

4台，在控制器中无缓冲，不支持Pentium微机。

2)PCI(PeripheralComponentInterface)总线

支持64位系统，配有缓冲，最多支持10种外设，最大传输

速率可达132Mb/s。PCI既可连接ISA、EISA等传统型总线，

又可支持Pentium的64位系统。

5.2I/O控制方式

5.2.1程序I/O方式

5.2.2中断驱动I/O控制方式

5.2.3直接存储器访问(DMA)I/O控制方式

下一条指令下一条指令下一条指令

(a)程序1/6式(b)中断驱动方式©DM泌式

图5-7程序I/O和中断驱动方式的流程

5.2.3直接存储器访问(DMA)I/O控制方式

(Dirnct^MemoryAccess)控制方式的弓|入

采用中断驱动I/O方式时的CPU是以字(节)为单位进行干

预的。

DMA的特点是：

(1)数据传输的基本单位是数据块，即在CPU与I/O设备

之间，每次传送至少一个数据块；

(2)所传送的数据是从设备直接送入内存的，或者相反;

(3)仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时，才需

CPU干预，整块数据的传送是在控制器的控制下完成的。

2.DMA控制器的组成

DMA控制器由三部分组成：主机与DMA控制器的接口；

DMA控制器与块设备的接口；I/O控制逻辑。图5-8示出了

DMA控制器的组成。这里主要介绍主机与控制器之间的接口。

DMA控制器中四类寄存器：

(1)命令/状态寄存器(CR)。

(2)内存地址寄存器(MAR)。

(3)数据寄存器(DR)。

(4)数据计数器(DC)。皿4r

CPU内存主机一控制器接口控制器与块设备接口

I/控O

制□

逻*

辑O

命令

--------►系统总线DM阂制器

图5-8DMA控制器的组成

图5-9DMA方式的工作流程图

5.2.4I/O通道控制方式

LI/O通道控制方式的引入

把对一个数据块的读（或写）为单位的干预减少为对一组数

据块为单位的读（或写）及有关的控制和管理的干预。

实现CPU、通道和I/O设备三者的并行操作，从而更有效

地提高整个系统的资源利用率。

2.通道程序

----通遒是通11通行通遒油用，并与设备控制器共同实现对

I/O设备的控制的。通道程序是由一系列通道指令（或称为通

道命令）所构成的。通道指令与一般的机器指令不同，在它的

每条指令中都包含下列诸信息：

（1）操作码。操作码规定了指令所执行的操作，如读、

写、控制等操作。

（2）内存地址。内存地址标明字符送入内存（读操作）和

从内存取出（写操作）时的内存首址。

（3）计数。该信息表示本条指令所要读（或写）数据的字节

数。

(4)通道程序结束位P。该位用于表示通道程序是否结束。

r一1衣小平氽才曰专是胆道程序的最后一条指令。

(5)记录结束标志R。R=0表示本通道指令与下一条指令

所处理的数据是同属于一个记录；R=1表示这是处理某记录

的最后一条指令。

下面示出了一个由六条通道指令所构成的简单的通道程

序。该程序的功能是将内存中不同地址的数据写成多个记录。

其中，前三条指令是分别将813〜892单元中的80个字符和

1034〜H73单元中的140个字符及5830〜5889单元中的60个字

符写成一个记录；第4条指令是单独写一个具有300个字符的

记录；第5、6条指令共写含500个字符的记录。

操作PR计数内存地址

WRITE0080813

WRITE001401034

WRITE01605830

WRITE013002000

WRITE002501650

WRITE112502720

5.3缓冲管理

5.3.1缓冲的引入

(1)缓和CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾。

(2)减少对CPU的中断频率，放宽对CPU中断响应时间的

限制。

(3)提高CPU和I/O设备之间的并行性。

9.6Kb/s

3A1位缓冲

8位缓冲寄存器

9.6Kb/s

(b)送内存

送内存

图5-10利用缓冲寄存器实现缓冲

5.3.2单缓冲和双缓冲

1・单缓冲(sfii赶eBuffer)

在单缓冲情况下，每当用户进程发出一I/O请求时，操

作系统便在主存中为之分配一缓冲区，如图5-11所示。在

块设备输入时，假定从磁盘把一块数据输入到缓冲区的时间

为T,操作系统将该缓冲区中的数据传送到用户区的时间为M,

而CPU对这一块数据处理(计算)的时间为a由于麻口c是可以

并行的(见图5T1),当7＞丽，系统对每一块数据的处理时

间为济北反之则为伊C,故可把系统对每一块数据的处理时

间表示为Max(C,T)+Mo

用户进程

I/CS备

图5-H单缓冲工作示意图

2.双缓冲(DoubleBuffer)

—为了加快岫入相岫出情度，提高设备利用k人们又引

入了双缓冲区机制，也称为缓冲对换(BufferSwapping)o在

设备输入时，先将数据送入第一缓冲区，装满后便转向第二

缓冲区。此时操作系统可以从第一缓冲区中移出数据，并送

入用户进程(见图5-12)。接着由CPU对数据进行计算。在双

缓冲时，系统处理一块数据的时间可以粗略地认为是Max(C,

T)o如果C〈T,可使块设备连续输入；如果C>T,则可使CPU

不必等待设备输入。对于字符设备，若采用行输入方式，则

采用双缓冲通常能消除用户的等待时间，即用户在输入完第

一行之后，在CPU执行第一行中的命令时，用户可继续向第

二缓冲区输入下一行数据。

用户进程

I/O设备

（（缓冲1）与（缓冲2）4（缓冲3）n（缓冲4）

(b)

图5-12双缓冲工作示意图

MLWAMm

(a)单缓冲(b)双缓冲

图5-13双机通信时缓冲区的设置

5.3.3循环缓冲

1.循环缓冲的组成

(1)多个缓冲区。在循环缓冲中包括多个缓冲区，其每

个缓冲区的大小相同。作为输入的多缓冲区可分为三种类

型：用于装输入数据的空缓冲区R、已装满数据的缓冲区G

以及计算进程正在使用的现行工作缓冲区C,如图5-14所示。

(2)多个指针。作为输入的缓冲区可设置三个指针：用于

指示计算进程下一个可用缓冲区G的指针Nextg、指示输入进

程下次可用的空缓冲区R的指针Nexti,以及用于指示计算进

程正在使用的缓冲区C的指针Current。

[JNexti[JNexti

G62|R|G62|R

G53|_G_jC=|G53|c]c二Current

介Nextg

图5-14循环缓冲

2.循环缓冲区的使用

计算进程和输入进程可利用下述两个过程来使用循环缓

冲区。

读与写

(1)Getbuf过程。G缓冲区和R缓冲区。

(2)Releasebuf过程。G缓冲区和R缓冲区。

3.进程同步

使用输入循环缓冲，可使输入进程和计算进程并行执行。

相应地，指针Nexti和指针Nextg将不断地沿着顺时针方向移

动，这样就可能出现下述两种情况：

(1)Nexti指针追赶上Nextg指针。这意味着输入进程输入

数据的速度大于计算进程处理数据的速度，全部装满，再无

缓冲区可用。

(2)Nextg指针追赶上Nexti指针。这意味着输入数据的速

度低于计算进程处理数据的速度，全部抽空，再无装有数据

的缓冲区供计算进程提取数据。

5.3.4缓冲池

1.缓冲池的组成

对于既可用于输入又可用于输出的公用缓冲池，其中至

少应含有以下三种类型的缓冲区：

①空（闲）缓冲区；

②装满输入数据的缓冲区;

③装满输出数据的缓冲区。

为了管理上的方便，可将相同类型的缓冲区链成一个队

列，于是可形成以下三个队列?

(1)空缓冲队列emq。这是由空缓冲区所链成的队列。

其队首指针F(emq)和队尾指针L(emq)分别指向该队列的首缓

冲区和尾缓冲区。

(2)输入队列inq。这是由装满输入数据的缓冲区所链成

的队列。其队首指针F(inq)和队尾指针L(inq)分别指向该队列

的首缓冲区和尾缓冲区。

(3)输出队列outq。这是由装满输出数据的缓冲区所链

以网队少1J。只队目于日力^Wrtq)和队尾指针L(outq)分别指向

该队列的首缓冲区和尾缓冲区。

除了上述三个队列外，还应具有四种工作缓冲区：①用

于收容输入数据的工作缓冲区；②用于提取输入数据的工作

缓冲区；③用于收容输出数据的工作缓冲区；④用于提取

输出数据的工作缓冲区。

ProcedureGetbuf(type)

begin

™^Wait(RS(type))；

2.Getbuf过程Wait(MS(type))；

B(number):=Takebuf(type)；

和Putbuf过程Signal(MS(type))；

end

每一缓冲队列

ProcedurePutbuf(type,number)

设置一个互斥信号begin

量MS(type)和一个Wait(MS(type))；

Addbuf(type,number)；

资源信号量

Signal(MS(type))；

RS(type)oSignal(RS(type))；

end

3.缓冲区的工作方式P177

缓冲区可以工作在收容输入、提取输入、收容输出和提

取输出四种工作方式下，如图5-15所示。

缓冲池

收容输入提取输入用

户

程

提取输出收容输出序

图5-15缓冲区的工作方式

5.4I/O软件

5.4.1I/O软件的设计目标和原则

从系统的观点出发，采用多种技术和措施，解决由于外

部设备与CPU速度不匹配所引起的问题，提高主机和外设的

并行工作能力，提高系统效率，成为操作系统的一个重要目

标。

具体而言，I/O软件应达到下面的几个目标:

1）与具体设备无关

―对于I/O系统中许多种类不同的设备，作为程序员,只需

要知道如何使用这些资源来完成所需要的操作，而无需了解

设备的有关具体实现细节。例如，应用程序访问文件时，不

必去考虑被访问的是硬盘、软盘还是CD-ROM；对于管理软

件，也无需因为I/O设备变化，而重新编写涉及设备管理的程

序。

为了提高OS的可移植性和易适应性，I/O软件应负责屏蔽

设备的具体细节，向高层软件提供抽象的逻辑设备，并完成

逻辑设备与具体物理设备的映射。

2）统一命名

—要实现上述的设备无关性，其中一项重要的工作就是如

何给I/O设备命名。不同的操作系统有不同的命名规则，一

般而言，是在系统中对各类设备采取预先设计的、统一的逻

辑名称进行命名，所有软件都以逻辑名称访问设备。这种统

一命名与具体设备无关，换言之，同一个逻辑设备的名称，

在不同的情况下可能对应于不同的物理设备。

3）对错误的处理

一般而言，错误多数是与设备紧密相关的，因此对于错

误的处理，应该尽可能在接近硬件的层面处理，在低层软件

能够解决的错误就不让高层软件感知，只有低层软件解决不

了的错误才通知高层软件解决。许多情况下，错误恢复可以

在低层得到解决，而高层软件不需要知道。

4）缓冲技术

由于CPU与设备之间的速度差异，无论是块设备还是

字符设备，都需要使用缓冲技术。对于不同类型的设备，

其缓冲区（块）的大小是不一样的，块设备的缓冲是以数据

块为单位的，而字符设备的缓冲则以字节为单位。就是同

类型的设备，其缓冲区（块）的大小也是存在差异的，如不

同的磁盘，其扇区的大小有可能不同。因此，I/O软件应能

屏蔽这种差异，向高层软件提供统一大小的数据块或字符

单元，使得高层软件能够只与逻辑块大小一致的抽象设备

进行交互。

5）设备的分配和释放

对于系统中的共享设备，如磁盘等，可以同时为多个

用户服务。对于这样的设备，应该允许多个进程同时对其

提出I/O请求。但对于独占设备，如键盘和打印机等，在某

一段时间只能供一个用户使用，对其分配和释放的不当，

将引起混乱，甚至死锁。对于独占设备和共享设备带来的

许多问题，I/O软件必须能够同时进行妥善的解决。

6)I/O控制方式

~针对具有不同传输速率的设备，综合系统效率和系统代价

等因素，合理选择I/O控制方式，如像打印机等低速设备应采

用中断驱动方式，而对磁盘等高速设备则采用DMA控制方式

等，以提高系统的利用率。为方便用户，I/O软件也应屏蔽这

种差异，向高层软件提供统一的操作接口。

目前在I/O软件中已普遍采用了层次式结构，将系统中

的反帝操作他，管理软计万为若干个层次,每一层都利用其下

层提供的服务，完成输入、输出功能中的某些子功能，并屏

蔽这些功能实现的细节，向高层提供服务。

在层次式结构的I/O软件中，只要层次间的接口不变，

对每个层次中的软件进行的修改都不会引起其下层或高层代

码的变更，仅最低层才会涉及到硬件的具体特性。通常把

I/O软件组织成四个层次：

(1)用户层软件：实现与用户交互的接口，用户可直接

调用在用户层提供的、与I/O操作有关的库函数，对设备进行

操作。

(2)设备独立性软件：负责实现与设备驱动器的统一接

口、设备命名、设备的保护以及设备的分配与释放等,同时

为设备管理和数据传送提供必要的存储空间。

(3)设备驱动程序：与硬件直接相关，负责具体实现系

统对设备发出的操作指令，驱动I/O设备工作的驱动程序。

(4)中断处理程序：用于保存被中断进程的CPU环境，转

入相应的中断处理程序进行处理，处理完后再恢复被中断进

程的现场后返回到被中断进程。

I/O应答

用户层软件1产生I/O请求、格式化I/O、Spooling

1设备独立性软件映射、保护、分块、缓冲、分配

1设备驱动程序1设置设备寄存器，检查寄存器状态

1中断处理程序

硬件

1执行I/O操作

图5-16I/O系统的层次及功能

5.4.2中断处理程序P179*5个步骤

1.唤醒被阻塞的驱动（程序）进程

当中断处理程序开始执行时，首先去唤醒处于阻塞状态

的驱动（程序）进程。如果是采用了信号量机制，则可通过执

行signal操作，将处于阻塞状态的驱动（程序）进程唤醒；在采

用信号机制时，将发送一信号给阻塞进程。

2.保护被中断进程的CPU环境

—通常由硬件自动将处理机状态字PSW和程序计数器（PC）

中的内容，保存在中断保留区（栈）中，然后把被中断进程的

CPU现场信息（即包括所有的CPU寄存器，如通用寄存器、段

寄存器等内容）都压入中断栈中，因为在中断处理时可能会用

到这些寄存器。图5-17给出了一个简单的保护中断现场的示

意图。该程序是指令在N位置时被中断的，程序计数器中的

内容为N+1,所有寄存器的内容都被保留在栈中。

PSW4

理京涂太史

T+M

T

Y—►PC(N+1)R

寄花器

程序计数器

开始PSW

PC(N+1)

返回

中断服务子例程中断栈

图5-17中断现场保护示意图

3.转入相应的设备处理程序

由处理机对各个中断源进行测试，以确定引起本次中断

的I/O设备，并发送一应答信号给发出中断请求的进程，使之

消除该中断请求信号，然后将相应的设备中断处理程序的入

口地址装入到程序计数器中，使处理机转向中断处理程序。

4.中断处理

―对于不同的设备，有不同的中断处理程序点程序首先

从设备控制器中读出设备状态，以判别本次中断是正常完成

中断，还是异常结束中断。若是前者，中断程序便进行结束

处理；若还有命令，可再向控制器发送新的命令，进行新一

轮的数据传送。若是异常结束中断，则根据发生异常的原因

做相应的处理。

5.恢复被中断进程的现场

当中断处理完成以后，便可将保存在中断栈中的被中

断进程的现场信息取出，并装入到相应的寄存器中，其中

包括该程序下一次要执行的指令的地址N+1、处理机状态

字PSW,以及各通用寄存器和段寄存器的内容。这样，当

处理机再执行本程序时，便从N+1处开始，最终返回到被

中断的程序。

I/O操作完成后，驱动程序必须检查本次I/O操作中是否

发生了错误，并向上层软件报告，最终向调用者报告本次I/O

的执行情况。除了上述的第4步外，其它各步骤对所有I/O设

备都是相同的，因而对于某种操作系统，例如UNIX系统，是

把这些共同的部分集中起来，形成中断总控程序。每当要进

行中断处理时，都要首先进入中断总控程序。而对于第4步，

则对不同设备须采用不同的设备中断处理程序继续执行。图

5-18示出了中断处理流程。

中断请求信号

图5-18中断处理流程

5.4.3设备驱动程序

设备驱动程序通常又称为设备处理程序，它是I/O进程与

设备控制器之间的通信程序，又由于它常以进程的形式存在,

故以后就简称之为设备驱动进程。

其主要任务是接收上层软件发来的抽象I/O要求，如read

或write命令，在把它转换为具体要求后，发送给设备控制器,

启动设备去执行；止匕外，它也将由设备控制器发来的信号传

送给上层软件。

1.设备驱动程序的功能(5个)

----为了央现T内进程勺稽当控制器之间的通信,设备驱动程

序应具有以下功能：

(1)接收由设备独立性软件发来的命令和参数，并将命令

中的抽象要求转换为具体要求，例如，将磁盘块号转换为磁盘

的盘面、磁道号及扇区号。

(2)检查用户I/O请求的合法性，了解I/O设备的状态，传

递有关参数，设置设备的工作方式。

(3)发出I/O命令。如果设备空闲，便立即启动I/O设备去完

成指定的I/O操作；如果设备处于忙碌状态，则将请求者的请求

块挂在设备队列上等待。

(4)及时响应由控制器或通道发来的中断请求，并根据

其中断类型调用相应的中断处理程序进行处理。"

(5)对于设置有通道的计算机系统，驱动程序还应能够根

据用户的I/O请求，自动地构成通道程序。

2.设备处理方式

⑴为每一类设备设置一个进程，专门用于执行这类设

备的I/O操作。比如，为所有的交互式终端设置一个交互式终

端进程；又如，为同一类型的打印机设置一个打印进程。

(2)在整个系统中设置一个I/O进程，专门用于执行系统

中所有各类设备的I/O操作。也可以设置一个输入进程和一个

输出进程，分别处理系统中所有各类设备的输入或输出操作。

(3)不设置专门的设备处理进程，而只为各类设备设置相

应的设备处理程序(模块)，供用户进程或系统进程调用。

3.设备驱动程序的特点

"设备驱动程序属于低级的系统例程，它与一般的应用程

序及系统程序之间有下述明显差异：

(1)驱动程序主要是指在请求I/O的进程与设备控制器之

间的一个通信和转换程序。它将进程的I/O请求经过转换后，

传送给控制器；又把控制器中所记录的设备状态和I/O操作完

成情况及时地反映给请求I/O的进程。

(2)驱动程序与设备控制器和I/O设备的硬件特性紧密相

大，因IIIJ对个I口」火盘的设备应配置不同的驱动程序。例如,

可以为相同的多个终端设置一个终端驱动程序，但有时即使

是同一类型的设备，由于其生产厂家不同，它们也可能并不

完全兼容，此时也须为它们配置不同的驱动程序。

(3)驱动程序与I/O设备所采用的I/O控制方式紧密相关。

常用的I/O控制方式是中断驱动和DMA方式，这两种方式的

驱动程序明显不同，因为后者应按数组方式启动设备及进行

中断处理。

(4)由于驱动程序与硬件紧密相关，因而其中的一部分

必须用字编语言书写。口前有很多驱动程序的基本部分,已

经固化在ROM中。

(5)驱动程序应允许可重入。一个正在运行的驱动程序

常会在一次调用完成前被再次调用。例如，网络驱动程序正

在处理一个到来的数据包时，另一个数据包可能到达。

(6)驱动程序不允许系统调用。但是为了满足其与内核其

它部分的交互，可以允许对某些内核过程的调用，如通过调

用内核过程来分配和释放内存页面作为缓冲区，以及调用其

它过程来管理MMU定时器、DMA控制器、中断控制器等。

4.设备驱动程序的处理过程

不同类型的设备应有不同的设备驱动程荔"但大体上它

们都可以分成两部分，其中，除了要有能够驱动I/O设备工

作的驱动程序外，还需要有设备中断处理程序，以处理I/O

完成后的工作。

设备驱动程序的主要任务是启动指定设备。但在启动之

前，还必须完成必要的准备工作，如检测设备状态是否为

“忙”等。在完成所有的准备工作后，才最后向设备控制器

发送一条启动命令。

设备驱动程序的处理过程（P183）

1）将抽象要求转换为具体要求

2）检查I/O请求的合法性

3）读出和检查设备的状态

4）传送必要的参数

5）工作方式的设置

6）启动I/O设备

5.4.4设备独立性软件

1犯至汕fr枇的施金_______________________

基本含义:应用程序独立于具体使用的物理设备。为了

实现设备独立性而引入了逻辑设备和物理设备这两个概念。

在应用程序中，使用逻辑设备名称来请求使用某类设备；而

系统在实际执行时，还必须使用物理设备名称。

两方面的好处：

1）设备分配时的灵活性

2）易于实现I/O重定向

2.设备独立性软件

驱动程序是一个与硬件（或设备）紧密相关的软件。为了

实现设备独立性，必须再在驱动程序之上设置一层软件，称

为设备独立性软件。

主要功能可分为以下两个方面:

(1)执行所有设备的公有操作:

八西U双畲口'J刀一日匕与回收；②将逻辑设备名映射为

物理设备名，进一步可以找到相应物理设备的驱动程序；③

保护设备，禁止用户直接访问设备；④缓冲管理；⑤差错控

制，设备独立性软件只处理那些设备驱动程序无法处理的错

误；⑥提供独立于设备的逻辑块，向高层软件提供大小统一

的逻辑数据块。

(2)向用户层(或文件层)软件提供统一接口。

无论何种设备，它们向用户所提供的接口应该是相同的。

例如，对各种设备的读操作，在应用程序中都使用read；而

对各种设备的写操作，也都使用write。

3.逻辑设备名到物理设备名映射的实现

1)逻辑设备表

为了实现设备的独立性，系统必须设置一张逻辑设备表

(LUT,LogicalUnitTable),用于将应用程序中所使用的逻辑

设备名映射为物理设备名。在该表的每个表目中包含了三项:

逻辑设备名、物理设备名和设备驱动程序的入口地址，如图

5-19⑶所示。

驱动程序

逻辑设备名物理设备名逻辑设备名系统设备表指针

入口地址

/dev/tty31024/dev/tty3

/dev/printe52046/dev/printe5

****

****

(a)(b)

图5-19逻辑设备表

2)LUT的设置问题

LUT的设置可采取两种方式：一

第一种方式是在整个系统中只设置一张LUT。

不能同名，在多用户环境下这通常是难以做到的。

第二种方式是为每个用户设置一张LUT。

每个用户利用系统设备表建立的逻辑设备表可以采用

图5-19(b)中的格式。

5.4.5用户层的I/O软件

一般而言，大部分的I/O软件都在操作系统内部，但仍有

一小部分在用户层，包括与用户程序链接在一起的库函数，

以及完全运行于内核之外的一些程序。

用户层软件必须通过一组系统调用来取得操作系统服务。

C语言中的库函数，在使用C语言编写的用户程序中，

可以直接使用这些系统调用。

5.5设备分配

5.5.1设备分配中的数据结构

1.设备控制表(DCT)

系统为每一个设备都配置了一张设备控制表，用于记录

本设备的情况，如图5-20所示。

设备控制表中，除了有用于指示设备类型的字段type和

设备标识字段deviceid外，还应含有下列字段：

(1)设备队列队首指针。(2)设备状态。

(3)与设备连接的控制器表指针。(4)重复执行次数。

设设备类型：type

备

控设备标识符：deviceid

制设备状态：等待/不等待忙/闲

表

集指向控制器表的指针

合

重复执行次数或时间

设备队列的队首指针

图5-20

设备控制表

2.控制器控制表、通道控制表和系统设备表

(D控制器控制衣(0X7。。系统为每一个控制器都设置

了一张用于记录本控制器情况的控制器控制表，如图5-21(a)

所示。

(2)通道控制表(CHCT)。每个通道都配有一张通道控制

表，如图5-21(b)所示。

(3)系统设备表(SDT)。这是系统范围的数据结构，其中

记录了系统中全部设备的情况。每个设备占一个表目，其中

包括有设备类型、设备标识符、设备控制表及设备驱动程序

的入口等项，如图5-21(c)所示。

控制器标识符：通道标识符：*1=11

controlleridchannelid表目1y

✓设备类

z

控制器状态：忙/闲通道状态：忙/闲✓

✓

✓设备标识符

与控制器连接的通道表指针与通道连接的控制器表首址✓

表目iDCT

控制器队列的队首指针通道队列的队首指针

•

*驱动程序入口

控制器队列的队尾指针通道队列的队尾指针、4

(a)控制器表COCT(b)通道表CHCT(c)系统设备表SDT

图5-21COCT、CHCT和SDT

5.5.2设备分配时应考虑的因素

为了使系统有条不紊地工作，系统在分配设备时，应

考虑这样几个因素:①设备的固有属性；②设备分配算法;

③设备分配时的安全性；④设备独立性。

1.设备的固有属性

仕分配攻备叮，自元也有虐与取备分配有关的设备属性。

设备的固有属性可分成三种：

第一种是独占性，是指这种设备在一段时间内只允许一个进

程独占，此即第二章所说的“临界资源”；

第二种是共享性，指这种设备允许多个进程同时共享；

第三种是可虚拟设备，指设备本身虽是独占设备，但经过某

种技术处理，可以把它改造成虚拟设备。

2.设备分配算法

对设备进行分配的算法，与进程调度的算法有些相似之

处，但前者相对简单，通常只采用以下两种分配算法：

(1)先来先服务。

(2)优先级高者优先。

3.设备分配中的安全性

~从进程运行的安全性考虑，设备分配有以下两种方式。

1）安全分配方式

在这种分配方式中，每当进程发出I/O请求后，便进入

阻塞状态，直到其I/O操作完成时才被唤醒。在采用这种分

配策略时，一旦进程已经获得某种设备（资源）后便阻塞，使

该进程不可能再请求任何资源，而在它运行时又不保持任何

资源。因此，这种分配方式已经摒弃了造成死锁的四个必要

条件之一的“请求和保持”条件，从而使设备分配是安全的。

其缺点是进程进展缓慢，即CPU与I/O设备是串行工作的。

2）不安全分配方式

在这种分配方式中，龙程在发出I/O请求后仍继续运行,

需要时又发出第二个I/O请求、第三个I/O请求等。仅当进程

所请求的设备已被另一进程占用时，请求进程才进入阻塞状

态。这种分配方式的优点是，一个进程可同时操作多个设备,

使进程推进迅速。

其缺点是可能造成死锁。因此，在设备分配程序中，还

应再增加一个功能，以用于对本次的设备分配是否会发生死

锁进行安全性计算，仅当计算结果说明分配是安全的情况下

才进行设备分配。

5.5.3独占设备的分配程序

L基本的设备分配程序"

1)分配设备

首先根据I/O请求中的物理设备名，查找系统设备表

(SDT),从中找出该设备的DCT,再根据DCT中的设备状态字段,

可知该设备是否正忙。若忙，便将请求I/O进程的PCB挂在设

备队列上；否则，便按照一定的算法来计算本次设备分配的

安全性。如果不会导致系统进入不安全状态，便将设备分配

给请求进程；否则，仍将其PCB插入设备等待队列。

2）分配控制器

再到其DCT中找

出与该设备连接的控制器的COCT,从COCT的状态字段中可知

该控制器是否忙碌。若忙，便将请求I/O进程的PCB挂在该控

制器的等待队列上；否则，便将该控制器分配给进程。

3）分配通道

在该COCT中又可找到与该控制器连接的通道的CHCT,

再根据CHCT内的状态信息，可知该通道是否忙碌。若忙，便

将请求I/O的进程挂在该通道的等待队列上；否则，将该通道

分配给进程。只有在设备、控制器和通道三者都分配成功时,

这次的设备分配才算成功。然后，便可启动该I/O设备进行数

据传送。

2.设备分配程序的改进

―仔细研究上述基本的设备分配程序后可以发现:①进程

是以物理设备名来提出I/O请求的；②采用的是单通路的

I/O系统结构，容易产生“瓶颈”现象。

改进：

1）增加设备的独立性

为了获得设备的独立性，进程应使用逻辑设备名请求I/O。

2）考虑多通路情况

采用多通路的I/O系统结构。

5.5.4SPOOLing技术

1什4县SPCZ；"

为了缓和CPU的高速性与I/O设备低速性间的矛盾而引入

了脱机输入、脱机输出技术。该技术是利用专门的外围控制机,

将低速I/O设备上的数据传送到高速磁盘上；或者相反。事实

上，当系统中引入了多道程序技术后，完全可以利用其中的一

道程序，来模拟脱机输入时的外围控制机功能，把低速I/O设

备上的数据传送到高速磁盘上；再用另一道程序来模拟脱机输

出时外围控制机的功能，把数据从磁盘传送到低速输出设备上。

这样，便可在主机的直接控制下，实现脱机输入、输出功能。

此时的外围操作与CPU对数据的处理同时进行，我们把这种在

联机情况下实现的同时外围操作称为SPOOLing(Simultaneous

PeripheralOperatingOnLine),或称为假脱机操作。

2.SPOOLing系统的组成

90Ling技术是对脱机输入、输出系

统的模拟。相应地，SPOOLing系统必须建立在具有多道程

序功能的操作系统上，而且还应有高速随机外存的支持，

这通常是采用磁盘存储技术。

SPOOLing系统主要有以下三部分:

(1)输入井和输出井。这是在磁盘上开辟的两个大存储

空间。输入井是模拟脱机输入时的磁盘设备，用于暂存I/O

设备输入的数据；输出井是模拟脱机输出时的磁盘，用于

暂存用户程序的输出数据。

(2)输入缓冲区和输出缓冲区。为了缓和CPU和磁盘之间

通麻不芯配的予后,在内存中要开辟两个缓冲区:输入缓冲

区和输出缓冲区。输入缓冲区用于暂存由输入设备送来的数

据，以后再传送到输入井。输出缓冲区用于暂存从输出井送

来的数据，以后再传送给输出设备。

(3)输入进程SPi和输出进程SPo。这里利用两个进程来模

拟脱机I/O时的外围控制机。其中，进程SPi模拟脱机输入时

的外围控制机，将用户要求的数据从输入机通过输入缓冲区

再送到输入井，当CPU需要输入数据时，直接从输入井读入

内存；进程SPo模拟脱机输出时的外围控制机，把用户要求输

出的数据先从内存送到输出井，待输出设备空闲时，再将输

出井中的数据经过输出缓冲区送到输出设备上。

图5-22SPOOLing系统的组成

3.共享打印机

当用户进程请求打印输出时，SPOOLing系统同意为它打

印输出，但并不真正立即把打印机分配给该用户进程，而只

为它做两件事：①由输出进程在输出井中为之申请一个空闲

磁盘块区，并将要打印的数据送入其中；②输出进程再为用

户进程申请一张空白的用户请求打印表，并将用户的打印要

求填入其中，再将该表挂到请求打印队列上。如果还有进程

要求打印输出，系统仍可接受该请求，也同样为该进程做上

述两件事。

输出进程:

如果打印机空闲，输出进程将从请求打印队列的队首取

出一张请求打印表，根据表中的要求将要打印的数据，从输

出井传送到内存缓冲区，再由打印机进行打印。打印完后，

输出进程再查看请求打印队列中是否还有等待打印的请求表。

若有，又取出队列中的第一张表，并根据其中的要求进行打

印，如此下去，直至请求打印队列为空，输出进程才将自己

阻塞起来。仅当下次再有打印请求时，输出进程才被唤醒。

4.SPOOLing系统的特点

SPOOLing系统具有如下主要特点：

(1)提高了I/O的速度。这里，对数据所进行的I/O操作，

已从对低速I/O设备进行的I/O操作，演变为对输入井或输出

井中数据的存取，如同脱机输入输出一样，提高了I/O速度,

缓和了CPU与低