操作系统汤子英课件第6章-.ppt

1、第五章 设 备 管 理 第六章第六章 设备管理设备管理 6.1 I/O6.1 I/O系统系统 6.2 I/O6.2 I/O控制方式控制方式 6.3 6.3 缓冲管理缓冲管理 6.4 6.4 设备分配设备分配 6.5 6.5 设备处理设备处理 6.6 6.6 磁盘存储器管理磁盘存储器管理 第五章 设 备 管 理 设备管理设备管理的对象的对象：主要是：主要是I/O设备，还可能是设备，还可能是I/O通道。通道。设备管理设备管理的基本任务的基本任务：提高利用率，提高速度。：提高利用率，提高速度。设备管理设备管理的主要功能的主要功能：缓冲区管理、设备分配、设备处：缓冲区管理、设备分配、设备处理、虚拟设备

2、、及实现设备独立性。理、虚拟设备、及实现设备独立性。外设的特点：种类多差异大(控制和速度)外设管理目的包括：外设资源的控制外设资源的共享提高外设资源的利用率。第五章 设 备 管 理 6.1 I/O 系系 统统 6.1.1 I/O设备设备 1.I/O设备的类型设备的类型 1)按传输速率分类按传输速率分类 低速设备低速设备，这是指其传输速率仅为每秒钟几个，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。典型设备有键字节至数百个字节的一类设备。典型设备有键盘、盘、鼠标器、语音的输入和输出等设备。鼠标器、语音的输入和输出等设备。中速设备中速设备，这是指其传输速率在每秒钟数千个，这是指其传输速

3、率在每秒钟数千个字节至数万个字节的一类设备。典型设备有字节至数万个字节的一类设备。典型设备有:行式打印机、激光打印机等。行式打印机、激光打印机等。高速设备高速设备，这是指其传输速率在数百千个字节这是指其传输速率在数百千个字节至数十兆字节的一类设备。至数十兆字节的一类设备。典型的高速设备有典型的高速设备有磁带机、磁带机、磁盘机、磁盘机、光盘机等光盘机等第五章 设 备 管 理 2)按信息交换的单位分类按信息交换的单位分类 块设备块设备(Block Device)，这类设备用于存储信息。，这类设备用于存储信息。由于信息由于信息的存取总是以数据块为单位，的存取总是以数据块为单位，故而得名。故而得名。典

4、型的块设备是典型的块设备是磁盘磁盘，每个盘块的大小为，每个盘块的大小为512 B4 KB。磁盘设备的基本特征是磁盘设备的基本特征是:1)传输速率较高传输速率较高，通常每秒钟为几兆位；，通常每秒钟为几兆位；2)另一特征是可寻址，即对它可另一特征是可寻址，即对它可随机地读随机地读/写任一块写任一块；3)磁盘设备的磁盘设备的I/O常采用常采用DMA方式。方式。字符设备字符设备(Character Device)，用于数据的输入和输出。，用于数据的输入和输出。其其基本单位是字符，基本单位是字符，故称为字符设备。故称为字符设备。如交互式终端、打印机等。传输速率低。如交互式终端、打印机等。传输速率低。字符

5、设备在字符设备在IO时，常采用时，常采用中断驱动中断驱动方式方式第五章 设 备 管 理 3)按设备的共享属性分类按设备的共享属性分类这种分类方式可将这种分类方式可将I/O设备分为如下三类：设备分为如下三类：独占设备独占设备。它是指在一段时间内只允许一个用户。它是指在一段时间内只允许一个用户(进程进程)访问访问的设备，即的设备，即临界资源临界资源；因而，对多个并发进程而言，应互斥地访问这类设备，系统一旦把这类因而，对多个并发进程而言，应互斥地访问这类设备，系统一旦把这类设备分配给某进程后，便由该进程独占，直至用完释放，应当注意，独占设备分配给某进程后，便由该进程独占，直至用完释放，应当注意，独占

6、设备的分配有可能引起进程死锁；设备的分配有可能引起进程死锁；共享设备共享设备(磁盘磁盘)。它是指在一段时间内。它是指在一段时间内允许多个进程允许多个进程同时访问同时访问的设备，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的 虚拟设备虚拟设备。它是指通过虚拟技术将。它是指通过虚拟技术将一台独占设备一台独占设备变换为变换为若干若干台逻辑设备台逻辑设备，供若干个用户，供若干个用户(进程进程)同时使用，通常把这种经过同时使用，通常把这种经过虚拟技

7、术处理后的设备，称为虚拟技术处理后的设备，称为虚拟设备虚拟设备第五章 设 备 管 理 从设备 的管理角度看，设备可分为（独独占设备占设备）、（共享设备共享设备）、（虚拟设虚拟设备备）。华中科大第五章 设 备 管 理 2.设备与控制器之间的接口设备与控制器之间的接口 图 6-1 设备与控制器间的接口 缓冲转换器控制逻辑信号数据数据信号线状态信号线控制信号线至设备控制器I/O设备通常，设备通常，设备并不是直接与并不是直接与CPU进行通信进行通信，而是与设备控制器，而是与设备控制器通信，因此，在设备与设备控制器之间应有一接口，在该接通信，因此，在设备与设备控制器之间应有一接口，在该接口中有三种类型的

8、信号。口中有三种类型的信号。比如打印机比如打印机的几个按钮的几个按钮发送的信息发送的信息第五章 设 备 管 理 6.1.2 设备控制器设备控制器1.设备控制器的基本功能设备控制器的基本功能 1)接收和识别命令接收和识别命令(接收接收CPU发来的发来的Read、Format等等15条条)2)数据交换数据交换(CPU与控制器、控制器与与控制器、控制器与CPU之间的数据交换之间的数据交换)3)标识和报告设备的状态标识和报告设备的状态(就绪否就绪否)4)地址识别地址识别(各寄存器的地址各寄存器的地址)5)数据缓冲数据缓冲(接收主机传来的高速数据，然后在以低速传到接收主机传来的高速数据，然后在以低速传到

9、I/O设备设备)6)差错控制差错控制 CPU与I/O接口之间是并行传输数据。I/O接口与设备之间是串行传输数据。第五章 设 备 管 理 2.设备控制器的组成设备控制器的组成图 6-2 设备控制器的组成 数据寄存器控制/状态寄存器数据线I/O逻辑控制器与设备接口1控制器与设备接口i数据状态控制数据状态控制地址线控制线CPU与控制器接口控制器与设备接口第五章 设 备 管 理 6.1.3 I/O通道通道*1.I/O通道通道(I/O Channel)设备设备的引入的引入 实际上，实际上，I/O通道通道是一种是一种特殊的处理机特殊的处理机。它具有执行。它具有执行I/O指令的能力，并通过执行通道指令的能力

10、，并通过执行通道(I/O)程序来程序来控制控制I/O操作。但操作。但I/O通道通道又与一般的处理机不同，主要表现在以下两个方面：又与一般的处理机不同，主要表现在以下两个方面：一是一是其指令类型单一，这是由于通道硬件比较简单，其指令类型单一，这是由于通道硬件比较简单，其所能执行的命令，主要局限于与其所能执行的命令，主要局限于与I/O操作有关的指令；操作有关的指令；二是二是通道没有自己的内存，通道所执行的通道程序是放通道没有自己的内存，通道所执行的通道程序是放在主机的内在主机的内存中的，存中的，换言之，换言之，是通道与是通道与CPU共享内存共享内存。第五章 设 备 管 理 2.通道类型通道类型 1

11、)字节字节多路通道(Byte Multiplexor Channel)图 5-3 字节多路通道的工作原理 控制器A控制器B控制器C控制器D控制器NA1A2A3子通道AB1B2B3子通道BC1C2C3子通道CN1N2N3子通道NA1B1C1A2B2C2设备以字节为传送单位以字节为传送单位第五章 设 备 管 理 2)数组选择通道(Block Selector Channel)字节多路通道不适于连接高速设备不适于连接高速设备，这推动了按数组方式进行数据传送的数组选择通道的形成。这种通道虽然可以连接多台高速设备，但由于它只含有一个分配型子通道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

12、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。可见，这种通道的利用率很低。以数组为传送单以数组为传送单位位第五章 设 备 管 理 3)数组多路通道(Block Multiplexor Channel)数组选择通道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

13、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数组方式进行的。以数组为传送单以数组为传送单位位第五章 设 备 管 理 3.“瓶颈瓶颈”问题问题 图 5-4 单通路I/O系统 设备1设备2设备3设备4设备5设备6设备7控制器1控制器2控制器3控制器4通道1通道2存储器第五章 设 备 管 理 图 5-5 多通路I/O系统 I/O设备控制器1控制器2通道1通道2存储器I/O设备I/O设备I/O设备第五章 设 备 管 理 总线系统总线系统 图 5-6 总线型I/O系统结构 CPU存储器磁盘控制器打印机控制器其它控制器磁盘驱动器打印机系统总线第五章 设 备 管

14、 理 6.2 I/O控制方式控制方式 DMA控制器的出现控制器的出现，使，使I/O方式方式在传输单位上发生了在传输单位上发生了变化，即从以变化，即从以”字节字节”为单位的传输扩大到以为单位的传输扩大到以“数据快数据快”为为单位进行传输，从而大大的改善了块设备的单位进行传输，从而大大的改善了块设备的I/O性能。性能。而而通道通道的引入，又使对的引入，又使对I/O操作的组织和数据的传送，操作的组织和数据的传送，都能独立的进行而都能独立的进行而无须无须CPU干涉干涉。第五章 设 备 管 理 1、程序、程序I/O方式方式 在程序在程序I/O方式中，由于方式中，由于CPU的高速性和的高速性和I/O设备的

15、低设备的低速性，速性，致使致使CPU的绝大部分时间都处于等待的绝大部分时间都处于等待I/O设备完成设备完成数据数据I/O的循环测试中，的循环测试中，造成对造成对CPU的极大浪费。在该方的极大浪费。在该方式中，式中，CPU之所以要不断地测试之所以要不断地测试I/O设备的状态，就是因为设备的状态，就是因为在在CPU中中无中断机构无中断机构，使使I/O设备无法向设备无法向CPU报告报告它已完它已完成了一个字符的输入操作。成了一个字符的输入操作。I/O操作由程序发起，并等待操作完成。数据的每操作由程序发起，并等待操作完成。数据的每次读写通过次读写通过CPU。缺点缺点：在外设进行数据处理时，：在外设进行

16、数据处理时，CPU只能等待。只能等待。第五章 设 备 管 理 图 6-7 程序I/O和中断驱动方式的流程 向I/O控制器发读命令读I/O控制器的状态检查状态？从I/O控制器中读入字向存储器中写字传送完成？未就绪就绪出错CPUI/OI/OCPUI/OCPUCPU 内存下条指令完成未完向I/O控制器发读命令读I/O控制器的状态检查状态？从I/O控制器中读字向内存中写字传送完成？就绪出错CPUI/OI/OCPUI/OCPUCPU 内存下条指令完成未完中断CPU做其它事向I/O控制器发布读块命令CPUDMACPU做其它事读DMA控制器的状态中断DMACPU下条指令(a)程序I/O方式(b)中断驱动方式

17、(c)DMA方式第五章 设 备 管 理 2、中断驱动、中断驱动I/O控制方式控制方式 I/O操作由程序发起，在操作完成时（如数据可读操作由程序发起，在操作完成时（如数据可读或已经写入）由外设向或已经写入）由外设向CPU发出中断，通知该程序。发出中断，通知该程序。数据的每次读写通过数据的每次读写通过CPU。优点优点：在外设进行数据处理时，：在外设进行数据处理时，CPU不必等待，可不必等待，可以继续执行该程序或其他程序。以继续执行该程序或其他程序。缺点缺点：CPU每次处理的数据量少（通常不超过几个每次处理的数据量少（通常不超过几个字节），只适于数据传输率较低的设备。字节），只适于数据传输率较低的设

18、备。第五章 设 备 管 理 3、直接存储器访问、直接存储器访问DMA I/O控制方式控制方式 该方式的特点是该方式的特点是：数据传输的基本单位是数据传输的基本单位是数据块数据块，即在，即在CPU与与I/O设备之间，设备之间，每次传送至少一个数据块；每次传送至少一个数据块；所传送的数据是所传送的数据是从设备直接送入内存从设备直接送入内存的，或者相反；的，或者相反；仅在传送一个或多个数据块的仅在传送一个或多个数据块的开始和结束开始和结束时，才需时，才需CPU干干预，整块数据的传送是在预，整块数据的传送是在控制器控制器的控制下完成的。的控制下完成的。可见，可见，DMA方式较之中断驱动方式，又是成百倍

19、地减少了方式较之中断驱动方式，又是成百倍地减少了CPU对对I/O的干预，进的干预，进一步提高了一步提高了CPU与与I/O设备的并行操作程设备的并行操作程度。度。第五章 设 备 管 理 uDMA控制器的组成（了解）控制器的组成（了解）图 6-8 DMA控制器的组成 DRMARDCCRI/O控制逻辑主机控制器接口控制器与块设备接口count内存CPU命令系统总线DMA控制器DMA控制器也有三部分组成：控制器也有三部分组成：(1)主机与主机与DMA控制器的接口；控制器的接口；(2)DMA控制器与块设备控制器与块设备的接口；的接口；(3)I/O控制逻辑；控制逻辑；第五章 设 备 管 理 3.DMA工作

20、过程工作过程 图 6-9 DMA方式的工作流程 设置AR和DC初值启动DMA传送命令挪用存储器周期传送数据字存储器地址增1字计数寄存器减1DC0?请求中断在继续执行用户程序的同时,准备又一次传送否是第五章 设 备 管 理 3.直接存储访问方式(DMA,Direct Memory Access)由程序设置设置DMA控制器中的若干寄存器值寄存器值（如内存始址，传送字节数），然后发起发起I/O操作，而后者完成完成内存与外设的成批数据交换，在操作完成时由DMA控制器向CPU发出中断中断。优点优点：CPU只需干预I/O操作的开始和结束，而其中的一批数据读写无需CPU控制，适于高速设备。System Bu

21、sI/OControllerI/OControllerProcessorDMAControllerMemory.第五章 设 备 管 理 4、I/O通道控制方式通道控制方式 I/O通道方式是通道方式是DMA方式的发展，它可进一步方式的发展，它可进一步减少减少CPU的干预的干预，即把对，即把对一个一个数据块的读数据块的读(或写或写)为单位的干预，减少为单位的干预，减少为对为对一组一组数据块的读数据块的读(或写或写)及有关的控制和管理为单位的干及有关的控制和管理为单位的干预。预。同时，又可实现同时，又可实现CPU、通道和、通道和I/O设备设备三者的并行操作，三者的并行操作，从而更有效地提高整个系统的

22、资源利用率。从而更有效地提高整个系统的资源利用率。例如，当例如，当CPU要完成一组相关的读要完成一组相关的读(或写或写)操作及有关控制时，操作及有关控制时，只需向只需向I/O通道发送一条通道发送一条I/O指令，以给出其所要执行的通道指令，以给出其所要执行的通道程序的首址和要访问的程序的首址和要访问的I/O设备，通道接到该指设备，通道接到该指令后，通过令后，通过执行通道程序便可完成执行通道程序便可完成CPU指定的指定的I/O任务。任务。第五章 设 备 管 理 2.通道程序通道程序cpu告诉告诉 通道做什么和怎样去做通道做什么和怎样去做(1)操作码。操作码。它规定了指令所执行的操作，如读。(2)内

23、存地址。内存地址。标明字符送入内存和从内存取出时的内存首址。(3)计数。计数。表示本条指令所要读(或写)数据的字节数。(4)通道程序结束位通道程序结束位P。用于表示通道程序是否结束。P=1表示本条指令是通道程序的最后一条指令。(5)记录结束标志记录结束标志R。R=0表示本通道指令与下一条通道指令所处理的数据同属一个记录，R=1表示这是处理某记录的最后一条指令。通道通道是通过执行是通过执行通道程序通道程序，并与，并与设备控制设备控制器共同实现对器共同实现对I/O设设备控制的。备控制的。通道程序通道程序是由一系列的通道指令是由一系列的通道指令(或称为通道命令或称为通道命令)所构成。通所构成。通道指

24、令与一般的机器指令不同，它的道指令与一般的机器指令不同，它的每条指令每条指令中包含下列诸信息；中包含下列诸信息；第五章 设 备 管 理 操作 PR计数内存地址WRITE 0080813WRITE001401034WRITE01605830WRITE013002000WRITE002501850WRITE11250720第五章 设 备 管 理 DMA案例1、嵌入式系统采用的处理器是TI公司的DM642。主频600MHz。2、可采用的方式有DMA、EDMA（扩展直接存取访问）、QDMA（快速直接存取访问）第五章 设 备 管 理 DMA1、C6000系列DMA有4个独立的传输通道。2、每一个DMA通

25、道都有一套寄存器完成传输控制，启动DMA之前，必须对它们进行初始化。（含使用的通道、数据源地址、数据传输的目的地址等）3、配置寄存器实现启动。第五章 设 备 管 理 EDMA1）DM642共有64个EDMA通道。每个通道都有一个事件与之关联，由这些事件来触发相应通道的传输。映射的地址 缩写寄存器名字01A0FFBCESRH事件置位高位寄存器01A0FFDCESRL事件置位低位寄存器EDMA控制寄存器控制寄存器该事件能触发该事件能触发EDMA通道开始传输通道开始传输第五章 设 备 管 理 2）、通道地址给出通道各参数的地址通道地址通道参数01A00000h-01A00017h通道0参数地址(6w

26、ord)01A00018h-01A0002Fh通道1参数地址(6word)01A00030h-01A00047h通道2参数地址(6word)01A00060h-01A00077h通道3参数地址(6word)01A00078h-01A0008Fh通道4参数地址(6word)。第五章 设 备 管 理 3）、EDMA的传输参数1组EDMA传输参数的内部结构，总共有6个字，存存储结构储结构如下：OPTSRC AddressFRM CNTELE CNTDST AddressFRM IDXELE IDXELE RLDLINKOPTSRCCNTDSTIDXLINK01A00000h通道通道0的各字地址的各字

27、地址01A00004h01A00008h01A0000eh01A00010h01A00014h第五章 设 备 管 理 OPT参数地址01A00000h PRI ESIZE2DSSUM2DDDUM TCINT TCC16192021232225242726282931优先级优先级000表紧表紧急优先权急优先权数据单元数据单元字长字长00表表32位，位，01表表16位位目的目的数据维数数据维数0表一维表一维1表二维表二维源地址源地址更新模式更新模式00表源地址不更表源地址不更改改01增加增加10减少减少源源数据维数数据维数0表一维表一维1表二维表二维目的地址目的地址更新模更新模式式00表源地址不表

28、源地址不更改更改01增加增加10减减少少传输结束传输结束代码代码第五章 设 备 管 理 SRC/DST 均为32位长度 SRC 要搬移数据的源地址 DST要搬移数据的目的地址 地址应该由程序员指定#define CH8_SRC *(unsigned int*)0 x01a000c4#define CH8_DST *(unsigned int*)0 x01a000cc第五章 设 备 管 理 CNT ELE CNT数据单元计数数据单元计数 16bit无符号数无符号数 该单元存放一帧（一维传该单元存放一帧（一维传输）或一个阵列（输）或一个阵列（2-D）中）中的单元个数的单元个数OPTSRC Addr

29、essFRM CNTELE CNTDST AddressFRM IDXELE IDXELE RLDLINK FRM CNT帧数计数帧数计数 一次传输多少帧一次传输多少帧CH8_CNT=0 x0001 0010;一帧含有一帧含有16个字节个字节一次传一次传送一帧送一帧第五章 设 备 管 理 IDX 32位长位长确定确定偏移量偏移量FRM IDX确定下一帧的偏移地址，或者说确定下一帧的偏移地址，或者说相邻相邻2帧之间的步幅（间距）单位：字节帧之间的步幅（间距）单位：字节ELE IDX确定下一确定下一阵列阵列（可以理解为数组可以理解为数组）的偏）的偏移地址移地址CH8_IDX =0 x0020 00

30、00相邻相邻2帧之帧之间步幅为间步幅为32由于采用由于采用1维传输，而此维传输，而此项是控制二维传输的，项是控制二维传输的，所以不设置此项所以不设置此项第五章 设 备 管 理 其实配置EDMA就是通道参数初始化，然后启动通道开始传输 见下面案例：第五章 设 备 管 理#define ESRL *(unsigned int*)0 x01a0fffc#define ESRH *(unsigned int*)0 x01a0ffbc#define CCER *(unsigned int*)0 x01a0ffec/通道连接使能寄存器#define CH8_OPT *(unsigned int*)0 x0

31、1a000c0#define CH8_SRC *(unsigned int*)0 x01a000c4#define CH8_CNT *(unsigned int*)0 x01a000c8#define CH8_DST *(unsigned int*)0 x01a000cc#define CH8_IDX *(unsigned int*)0 x01a000d0#define CH8_RELOAD_LINK *(unsigned int*)0 x01a000d4第五章 设 备 管 理 TEST_edma()/CH8_SRC =(unsigned int)src;/in;/(0 x80019220);

32、CH8_DST =(unsigned int)dst;/(unsigned int)dst;0 x80000b60);CH8_CNT =0 x00010010;/最后一位数是几,一次便传送几个单元的数据 CH8_IDX =0 x00200000;CH8_OPT =0 x0da01100;/0da01100;/ESRL =ESRL|0 x00000100;CCER =CCER|0 x00000100;/第五章 设 备 管 理 QDMA使用2组寄存器进行控制。第一组定义了QDMA传输所需参数；第二组定义了5个寄存器，是第一组寄存器的“伪映射”第五章 设 备 管 理 1、I/O控制可用哪几种方式实现

33、？各有何优缺点？清华2、通过硬件和软件的扩充功能，把原来的独立设备改造成能为若干用户共享的设备，这种设备称为（）。A、存储设备 b、系统设备 c、用户设备d、虚拟设备3、如果I/O设备与存储设备进行数据交换不经过CPU来完成，这种数据交换方式是（）A、程序查询b、中断方式c、DMA方式d、无条件存取方式4、大多数低速设备都属于（）设备。A、独占设备 b共享设备 c虚拟设备 d spooldca第五章 设 备 管 理 6.3 缓缓 冲冲 管管 理理 6.3.1 缓冲的引入缓冲的引入*(1)缓和缓和CPU与与I/O设备间设备间速度不匹配速度不匹配的矛盾。的矛盾。(2)减少对减少对CPU的的中断频率

34、中断频率，放宽对放宽对CPU中断响应时间的中断响应时间的限制。限制。(见下图见下图)(3)提高提高CPU和和I/O设备之间的设备之间的并行并行性性。设备管理中引入缓冲机制的主要原因是为了（1）（2）（3）。中科院计算所第五章 设 备 管 理 图 6-10 利用缓冲寄存器实现缓冲 1位缓冲9.6 Kb/s8位缓冲寄存器送内存9.6 Kb/s8位缓冲寄存器9.6 Kb/s送内存(b)(a)(c)100微秒刷新一次微秒刷新一次第五章 设 备 管 理 6.3.2 单缓冲和双缓冲单缓冲和双缓冲 1.单缓冲单缓冲(Single Buffer)工作区处理(C)缓冲区传送(M)输入(T)I/O设备(a)T1M

35、1C1T2M2C2T3M3C3T4t(b)用户进程图 6-11 单缓冲工作示意图 单缓冲，为什么对一单缓冲，为什么对一块数据的处理时间为块数据的处理时间为max(T,C)+M?必须等必须等这段时间需要这段时间需要CPU和缓冲区同和缓冲区同时参与时参与第五章 设 备 管 理 2.双缓冲双缓冲(Double Buffer)工作区用户进程缓冲区1缓冲区2I/O 设备T1(缓冲1)M1C1M2C2M3C3T2(缓冲2)T3(缓冲3)M4C4T4(缓冲4)(a)(b)图 6-12 双缓冲工作示意图 另一个缓另一个缓冲区冲区CPU和和缓冲缓冲1只只CPU参与参与双缓冲，为什么对一双缓冲，为什么对一块数据的

36、处理时间为块数据的处理时间为max(T,C）?第五章 设 备 管 理 图 6-13 双机通信时缓冲区的设置 缓冲区缓冲区A机B机(a)单缓冲发送缓冲区接收缓冲区接收缓冲区发送缓冲区A机B机(b)双缓冲第五章 设 备 管 理 案例摄像头摄像头数字图像数字图像视频压缩视频压缩Internet个人个人计算机计算机模拟图像模拟图像A/D转换转换个人个人计算机计算机RTP、UDP TCPIPD1：720 x576x2第五章 设 备 管 理 案例摄像头摄像头数字图像数字图像2视频压缩视频压缩Internet个人个人计算机计算机模拟图像模拟图像个人个人计算机计算机RTP、UDP TCPIP数字图像数字图像1

37、数字图像数字图像3压缩后代码压缩后代码1压缩后代码压缩后代码2第五章 设 备 管 理 6.3.3 循环缓冲循环缓冲 1.循环缓冲的组成循环缓冲的组成(多个缓冲区，三个指针多个缓冲区，三个指针)图 6-14 循环缓冲 RGGGRG165423NextiNextgRGGGRC165423NextiNextgcurrent计算进程下一个可计算进程下一个可用的缓冲区，相当用的缓冲区，相当于消费者进程于消费者进程空缓冲区，相当空缓冲区，相当于生产者进程于生产者进程满满当前正在运行当前正在运行的进程的进程第五章 设 备 管 理 2.循环缓冲区的使用循环缓冲区的使用(了解了解)(1)Getbuf过程。过程。

38、计算进程调用，计算进程调用，Nextg供使用，然后下移，同时变供使用，然后下移，同时变C 输入进程调用，输入进程调用，Nexti供调用，然后下移供调用，然后下移(2)Releasebuf过程。过程。计算进程调用完，计算进程调用完，CR 输入进程调用完，输入进程调用完，RG计算进程计算进程和和输入进程输入进程可利用下面可利用下面2个过程个过程使用缓冲区使用缓冲区第五章 设 备 管 理 3.进程同步进程同步(并行运行并行运行)(1)Nexti指针追赶上Nextg指针。(2)Nextg指针追赶上Nexti指针。第五章 设 备 管 理 6.3.4 缓冲池缓冲池(Buffer Pool)1.缓冲池的组成

39、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，对于既可用于输入又可用于输出的公用缓冲池，其中其中至少应含有以下三种类型的缓冲区：至少应含有以下三种类型的缓冲区：空空(闲闲)缓冲区缓冲区；装满装满输入输入数据的缓冲区数据的缓冲区；装满装满输出输出数据的缓冲区数据的缓冲区。为了为了管理上管理上的方便，可将相同类型的缓冲区链成一个队列，于是的方便，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：可形成以下三个队列：（1）空缓冲队列空缓冲队列emq。(2)输入队列输入队列inq。(3)输出队列输出队列outq。还需四种工作缓冲区：还需四种工作缓冲区：收容收容输入数据、输入数据、提取

40、提取输入数据、输入数据、收容收容输输出数据、出数据、提取提取输出数据的输出数据的工作缓冲区工作缓冲区第五章 设 备 管 理 2.Getbuf过程和过程和Putbuf过程过程 Procedure Getbuf(type)begin Wait(RS(type);Wait(MS(type);B(number)：=Takebuf(type);Signal(MS(type);end Procedure Putbuf(type,number)begin Wait(MS(type);Addbuf(type,number);Signal(MS(type);Signal(RS(type);end 申请缓冲区资源

41、申请缓冲区资源释放缓冲区资源，加释放缓冲区资源，加1操作操作保证只有保证只有一个进程一个进程访问缓冲访问缓冲区队列区队列保证只有保证只有一个进程一个进程访问缓冲访问缓冲区队列区队列第五章 设 备 管 理 3.缓冲区的工作方式缓冲区的工作方式(了解了解)图 6-15 缓冲区的工作方式 hinsoutsinhout收容输入提取输出用户程序提取输入收容输出缓冲池第五章 设 备 管 理 缓冲技术是借用外存储器的一部分区域做为缓冲池。判断对错 缓冲技术中的缓冲池在（）中。为了使多个进程能有效的同时处理输入输出，最好使用（）结构的缓冲技术。a、缓冲池 b闭缓冲区环c单缓冲区d双缓冲区主存主存a第五章 设

42、备 管 理 6.4 设备分配6.4.1 设备分配数据结构设备分配数据结构6.4.2 设备分配原则设备分配原则6.4.3 假脱机技术假脱机技术返回 由于外设资源的有限，需解决进程间的外设共由于外设资源的有限，需解决进程间的外设共享问题，以提高外设资源的利用率。享问题，以提高外设资源的利用率。设备分配是对进程使用外设过程的管理。设备分配是对进程使用外设过程的管理。这里有两种作法：这里有两种作法：1)在进程间在进程间切换使用切换使用外设，如键盘和鼠标；外设，如键盘和鼠标；2)通过一个通过一个虚拟设备虚拟设备把外设与应用进程隔开，只由虚把外设与应用进程隔开，只由虚拟设备来使用设备。拟设备来使用设备。第

43、五章 设 备 管 理 6.4.1 设备分配数据结构 设备控制表设备控制表(DCT,Device Control Table)：每个设备：每个设备一张，一张，描述设备特性和状态描述设备特性和状态。反映设备的特性、设。反映设备的特性、设备和控制器的连接情况。备和控制器的连接情况。DCT的内容主要包括：的内容主要包括：设备标识：用来区别不同的设备；设备标识：用来区别不同的设备；设备类型：反映设备的特性；如：块设备或字符设备；设备类型：反映设备的特性；如：块设备或字符设备；设备配置：设备配置：I/O地址等；地址等；设备状态：工作或空闲状态；设备状态：工作或空闲状态；等待队列：等待使用该设备的进程队列等

44、待队列：等待使用该设备的进程队列；返回第五章 设 备 管 理 6.4.1 设备分配中的数据结构设备分配中的数据结构 1.设备控制表设备控制表DCT 设备类型 type设备标识符：deviceid设备状态：等待/不等待 忙/闲指向控制器表的指针重复执行次数或时间设备队列的队首指针DCT 1DCT 2DCT n设备控制表集合图 6-16 设备控制表 第五章 设 备 管 理 系统设备表(SDT,System Device Table)：系统内一张，反映系统中设备资源的状态，记录所有设备的状态及其设备控制表的入口。SDT表项的主要组成：DCT指针：指向相应设备的DCT；设备使用进程标识：正在使用该设备

45、的进程标识；DCT信息：为引用方便而保存的DCT信息，如：设备标识、设备类型等；控制器控制表(COCT,COntroller Control Table)：每个设备控制器一张，描述I/O控制器的配置和状态。如DMA控制器所占用的中断号、DMA数据通道的分配。通道控制表(CHCT,CHannel Control Table)：每个通道一张，描述通道工作状态。返回第五章 设 备 管 理 8.3.2 设备分配原则 与设备分配有关的与设备分配有关的设备属性设备属性：独享设备独享设备：打印机等：打印机等(一直使用完才释放一直使用完才释放)。；共享设备共享设备：磁盘、网卡等；：磁盘、网卡等；虚拟设备：虚拟

46、设备：一台物理设备虚拟成多台虚拟设备，合理调用一台物理设备虚拟成多台虚拟设备，合理调用 设备设备分配方式分配方式：各有优缺点：各有优缺点 静态分配静态分配：在进程刚创建时分配，在进程退出时释放；：在进程刚创建时分配，在进程退出时释放；不会出现死锁；不会出现死锁；设备利用率不高；设备利用率不高；动态分配动态分配：在进程执行过程中根据需要分配，使用结束后：在进程执行过程中根据需要分配，使用结束后释放；释放；需要考虑死锁问题需要考虑死锁问题 有利于提高设备利用率有利于提高设备利用率返回设备分配的原则是合理使用外设设备分配的原则是合理使用外设(公平和避免死锁公平和避免死锁)，提高设备利用率。提高设备利

47、用率。第五章 设 备 管 理 动态分配策略动态分配策略：针对特定的设备采用特定的：针对特定的设备采用特定的分配策略。分配策略。先来先服务先来先服务(FCFS)：按按I/O请求的先后顺序，排请求的先后顺序，排成成I/O请求命令队列；按请求命令队列；按FCFS分配设备；分配设备；基于优先级基于优先级：依据进程的优先级，指定：依据进程的优先级，指定I/O请求请求的优先级，排成不同优先级队列；按优先级高的优先级，排成不同优先级队列；按优先级高低分配设备；低分配设备；第五章 设 备 管 理 6.4.3 设备独立性设备独立性 1.设备独立性设备独立性(Device Independence)的概念的概念设

48、备独立性设备独立性，也称为，也称为设备无关性设备无关性*。其基本含义是其基本含义是：应用程序应用程序独立于具体使用的物理设备独立于具体使用的物理设备。为。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。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，在应用程序中，使用逻辑设备名称使用逻辑设备名称来请求来请求使用某类设备使用某类设备；而；而系统在系统在实际执行时实际执行时，还还必须使用物理设备名称必须使用物理设备名称。因此，系统。因此，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，这非常类似于存储器管理中所介绍

49、的逻辑地址常类似于存储器管理中所介绍的逻辑地址和物理地址的概念。和物理地址的概念。第五章 设 备 管 理 在实现了设备独立性的功能后，可带来以下两方面的好处。1)设备分配时的灵活性 2)易于实现I/O重定向 第五章 设 备 管 理 2.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 这些公有操作包括：对独立设备的分配与回收；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；对设备进行保护，禁止用户直接访问设备；缓冲管理，即对字符设备和块设备的缓冲区进行有效的管理，以提高I/O的效率；差错控制。由于在I/O操作中的绝大多数错误都与设备无关，故主要

50、由设备驱动程序处理，而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。第五章 设 备 管 理 2)向用户层向用户层(或文件层或文件层)软件提供统一接口软件提供统一接口 无论何种设备，它们向用户所提供的接口应该接口应该是相同的是相同的。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。第五章 设 备 管 理 6.4.5 SPOOLing技术技术*通过通过SPOOLing技术可将一台物理技术可将一台物理I/O设备虚拟为多设备虚拟为多台台I/O设备，同样允许多个用户共享一台物理设备，同样允许多个用户共享一台物理I/O设备设备。第五章 设 备 管 理