第五章 设备管理-通道缓冲技术

I／O通道（通道的引入）硬件连接结构返回I／O通道（通道的引入）引入通道的主要目的：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，以保证CPU有更多的时间去进行数据的处理。I/O通道的特点：I/O通道是一种特殊的处理机，与一般的处理机的区别主要表现在：(1)它的指令类型单一。即：通道硬件简单，所执行的指令主要局限于与I/O操作有关的指令。(2)它没有自己的内存，通道所执行的通道程序是存放在内存中的。即：通道与CPU共享内存。主机I／O系统由于主机所配置的I/O设备较多，为减轻CPU和总线的负担，采用的是具有通道的I/O系统结构。如图所示计算机I/O通道1控制器4控制器3控制器2控制器1I/O通道2设备设备设备设备图具有通道的I/O系统结构返回I／O通道控制方式返回1.引入I/O通道方式是DMA方式的发展，它可进一步减少CPU的干预。即把对一个数据块的读（写）为单位的干预，减少为对一组数据块的读（写）及有关的控制和管理为单位的干预，同时又可实现CPU、通道和I/O设备三者的并行工作，从而更有效地提高了整个系统的资源利用率。通道：执行通道程序，向控制器发出命令，并具有向CPU发中断信号的功能。一旦CPU发出指令，启动通道，则通道独立于CPU工作。由前面知，一个通道可连接多个控制器，一个控制器可连接多个设备，形成树形交叉连接。2.通道程序通道是通过执行通道程序，并与设备控制器一起共同实现对I／O设备的控制。1）通道运算控制部件通道地址字CAW：记录通道程序在内存中的地址通道命令字CCW：保存正在执行的通道指令通道状态字CSW：存放通道执行后的返回结果通道数据字CDW：存放传输数据通道和CPU共用内存，通过周期窃取方式取得I／O通道控制方式I／O通道控制方式返回2)通道命令及格式通道程序是由一系列的通道指令(或称为通道命令)所构成。每条通道指令中应包含下列诸信息：(1)命令码：它规定了外围设备所执行的操作。(2)数据主存地址：标明数据送入内存(读)和从内存取出(写)时的内存首址。或是控制信息；或是转移地址(3)传送字节个数：表示本条指令所要读(或写)数据的字节数。(5)标志码R：R=1表示本通道程序尚未结束R=0表示通道程序的最后一条指令，通道程序结束CPU：执行用户程序，当遇到I/O请求时，可根据该请求生成通道程序放入内存（也可事先编好放入内存），并将该通道程序的首地址放入CAW中；之后执行“启动I/O”指令，启动通道工作通道：接收到“启动I/O”指令后，从CAW中取出通道程序的首地址，并根据首地址取出第一条指令放入CCW中，同时向CPU发回答信号，使CPU可继续执行其他程序，而通道则开始执行通道程序，完成传输工作。通道程序完成实际I/O，启动I/O设备，执行完毕后，如果还有下一条指令，则继续执行,否则表示传输完成，向CPU发I/O中断，并且通道停止工作。CPU接收中断信号，从CSW中取得有关信息，决定下一步做什么。I／O通道控制方式3)工作原理5.6缓冲技术1缓冲的引入所以，为了提高I/O速度和设备利用率，许多计算机系统通过设置缓冲区采用了缓冲技术来实现。缓冲管理的主要功能是：组织好缓冲区，并提供获得和释放缓冲区的手段。缓和CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾减少对CPU的中断频率，放宽对中断响应时间的限制（见下页图）提高CPU和I/O设备之间的并行性在OS中，引入缓冲技术的主要原因有：缓冲区设置分为硬缓冲：在设备中设置缓冲区，由硬件实现软缓冲：在内存中开辟一个空间，用作缓冲区2单缓冲和双缓冲1.单缓冲(SingleBuffer)是OS提供的最简单的一种缓冲形式。用户区用户进程缓冲区操作系统I/O设备输入传送下面通过数学方式说明单缓冲的作用。对于块设备输入（出），设从磁盘把一块数据输入到缓冲区（或从缓冲区把一块数据输出到磁盘）所需的时间为T，将缓冲区的数据传送到用户区的时间为M，CPU计算数据的时间为C，则系统对每整块数据的处理时间为：max(C,T)+M(MTorC)如果没有缓冲区，则系统对每整块数据的处理时间为：T+C输出传送工作区处理(C)缓冲区传送(M)输入(T)I/O设备(a)T1M1C1T2M2C2T3M3C3T4t(b)用户进程对于字符设备输入（出），缓冲区是暂存用户输入（出）的一行数据。例：把一叠卡片读入并打印出来。设读卡机和打印机的速度分别是600张/m、600行/m，则每读入并打印出一张卡片上的记录需时为200ms。说明：由于只有一个缓冲区，读卡机和打印机是串行工作的。即读卡机将数据读入缓冲区时，打印机空闲，打印机工作时，读卡机空闲。为了能让两者更好地工作，引入了双缓冲区。用户区用户进程缓冲区操作系统I/O设备输入传送输出传送2.双缓冲(DoubleBuffer)用户区用户进程操作系统I/O设备缓冲区1缓冲区2输入传送用户区用户进程缓冲区1操作系统I/O设备缓冲区2传送输出用户区用户进程缓冲区1操作系统I/O设备1缓冲区2I/O设备2输出传送输入传送单机缓冲系统5.3.4缓冲池(BufferPool)目前广泛流行的公用缓冲池，由于可供多个进程共享，可提高缓冲区的利用率。一、缓冲池(BufferPool)的组成对于可用于I/O的缓冲池，包含的缓冲区类型有：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。对应的有以下三个缓冲队列：①空缓冲队列emq。由空缓冲区所链成的队列②输入队列inq。由装满输入数据的缓冲区所链成的队列③输出队列outq。由装满输出数据的缓冲区所链成的队列除了上述外，缓冲池还具有如下的工作缓冲区：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；三、缓冲区的工作方式hinsoutsinhout用户程序提取输入收容输出收容输入提取输出①收容输入工作方式②提取输入工作方式③收容输出工作方式④提取输出工作方式输入数据时,调用Getbuf(emq)装满数据后,调用Putbuf(inq,hin)输入数据时,调用Getbuf(inq)提完数据后,调用Putbuf(emq,sin)输出数据时,调用Getbuf(emq)装满数据后,调用Putbuf(outq,hout)输出数据时,调用Getbuf(outq)提完数据后,调用Putbuf(emq,sout5.7SPOOLing技术问：能否通过某种技术将一台独占设备改造成由多个用户共享的设备？答：能。SPOOLing技术就是用于将一台独占设备改造成共享设备的行之有效的技术。一、什么是SPOOLing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称为假脱机操作，或称为SPOOLing(SimultaneausPeriphernalOperatingOn-Line)，二、SPOOLing系统的组成输入进程SP1输出进程SP0输入井输出井磁盘输出设备输入设备输入缓冲区B1输出缓冲区B0共享打印机假定某系统的全部行式打印机采用了虚拟设备技术(即使用了SPOOLing技术)，当某进程要求打印输出时，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，为其分配一块存储空间，同时为该进程的输出数据建立一个文件(文件名可缺省)，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。该进程的输出数据实际上并未从打印机上输出，而只是以文件形式输出，并暂存放在输出SPOOLing存储区中。这个输出文件实际上相当于虚拟的行式打印机。各进程的输出都以文件形式暂时存放在输出SPOOLing存储区中并形成了一个输出队列，由输出SPOOLing控制打印机进程，依次将输出队列中的各进程的输出文件最后实际地打印输出。(1)提高了I/O的速度。(2)将独占设备改造为共享设备。(3)实现了虚拟设备功能。SPOOL系统的特点：