1、n 引言引言n 数据传输控制方式数据传输控制方式 n 中断技术中断技术 n 缓冲技术缓冲技术 n设备分配设备分配nI/OI/O进程控制进程控制 n设备驱动程序设备驱动程序 第九章第九章 设备管理（外围）设备管理（外围）外设的特点外设的特点 种类多种类多 差异大差异大(控制和速度控制和速度)外设管理目的包括外设管理目的包括 外设资源的控制外设资源的控制 外设资源的共享外设资源的共享 提高外设资源的利用率。提高外设资源的利用率。简介简介9.1 9.1 引言引言n I/OI/O设备管理的重要性设备管理的重要性n 外部设备类型和特征外部设备类型和特征n 设备管理的目的和功能设备管理的目的和功能n 外设
2、管理结构外设管理结构1 1、I/OI/O管理的重要性管理的重要性n I/OI/O设备就像计算机系统的五官和四肢设备就像计算机系统的五官和四肢n I/OI/O性能经常成为系统性能的瓶颈性能经常成为系统性能的瓶颈nCPUCPU性能不等于系统性能性能不等于系统性能 响应时间也是一个重要因素响应时间也是一个重要因素nCPUCPU性能越高，与性能越高，与I/OI/O差距越大差距越大 弥补：更多的进程弥补：更多的进程n进程切换多，系统开销大进程切换多，系统开销大1 1、I/OI/O管理的重要性管理的重要性n操作系统庞大复杂的原因之一是：资源多、操作系统庞大复杂的原因之一是：资源多、杂，并发，均来自杂，并发
3、，均来自I/OI/On理解理解I/OI/O的工作过程与结构是理解操作系统的工作过程与结构是理解操作系统的工作过程与结构的关键的工作过程与结构的关键nI/OI/O技术很实用技术很实用n与其他功能联系密切，特别是文件系统与其他功能联系密切，特别是文件系统2 2、外部设备类型和特征、外部设备类型和特征n人机交互设备：视频显示设备、键盘、人机交互设备：视频显示设备、键盘、鼠标、打印机鼠标、打印机n与计算机或其他电子设备交互的设备：与计算机或其他电子设备交互的设备：磁盘、磁带、传感器、控制器磁盘、磁带、传感器、控制器n计算机间的通信设备：网卡、调制解调计算机间的通信设备：网卡、调制解调器器 按交互对象分
4、类按交互对象分类按交互方向分类按交互方向分类 输入（可读）：键盘、扫描仪输入（可读）：键盘、扫描仪 输出（可写）：显示设备、打印机输出（可写）：显示设备、打印机 输入输入/输出（可读写）：磁盘、网卡输出（可读写）：磁盘、网卡按外设特性分类按外设特性分类n数据传输率：低速数据传输率：低速(如键盘如键盘)、中速、中速(如打印机如打印机)、高速高速(如网卡、磁盘如网卡、磁盘)n信息组织特征：单个字符或数据块信息组织特征：单个字符或数据块n字符设备字符设备(如打印机如打印机)：通常的输入输出型设备，以：通常的输入输出型设备，以字符为单位存储、传输信息；不可寻址字符为单位存储、传输信息；不可寻址n块设备
5、块设备(如磁盘如磁盘)：以数据块为单位存储、传输信息。：以数据块为单位存储、传输信息。可寻址可寻址按使用特性对外部设备的分类按使用特性对外部设备的分类 从程序使用角度分类从程序使用角度分类 逻辑设备逻辑设备:用户程序中使用的设备用户程序中使用的设备 物理设备：实际完成物理设备：实际完成I/OI/O操作的设备操作的设备 按资源分配角度分类按资源分配角度分类n独占设备独占设备在一段时间内只能有一个进程使用的设备，一般为低速在一段时间内只能有一个进程使用的设备，一般为低速I/OI/O设备。如打印机，磁带等。设备。如打印机，磁带等。n共享设备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
6、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）叉的方式来使用设备，其资源利用率高。（如硬盘）n虚设备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，用高速设备模拟低速设备，被模拟的设备称为虚设备.（实例：（实例：SPOOLingSPOOLing技术，利用虚设备技术技术，利用虚设备技术用硬盘模用硬盘模拟输入输出设备）拟输入输出设备）3 3、外设管理的目的和功能、外设管理的目的和功能 1）外设管理目的）外设管理目的n提高效率：提高提高效
7、率：提高I/OI/O访问效率，匹配访问效率，匹配CPUCPU和和多种不同处理速度的外设多种不同处理速度的外设n方便使用：方便用户使用，对不同类型的设方便使用：方便用户使用，对不同类型的设备统一使用方法，协调对设备的并发使用备统一使用方法，协调对设备的并发使用方便控制：方便方便控制：方便OSOS内部对设备的控制：增加内部对设备的控制：增加和删除设备，适应新的设备类型和删除设备，适应新的设备类型2 2）设备管理功能设备管理功能n提供设备使用的用户接口：命令接口和编程提供设备使用的用户接口：命令接口和编程接口接口n设备分配和释放：使用设备前，需要分配设设备分配和释放：使用设备前，需要分配设备和相应的
8、通道、控制器。备和相应的通道、控制器。n设备的访问和控制：包括并发访问和差错处设备的访问和控制：包括并发访问和差错处理（虚拟设备）。理（虚拟设备）。nI/OI/O缓冲和调度：目标是提高缓冲和调度：目标是提高I/OI/O访问效率访问效率3 3）设备管理的任务）设备管理的任务选择和分配输入输出设备以进行数据传输选择和分配输入输出设备以进行数据传输操作操作控制输入输出设备和控制输入输出设备和CPUCPU之间数据交换之间数据交换为用户提供一个友好的用户接口，使得用为用户提供一个友好的用户接口，使得用户在使用和编程时不需要了解硬件特性户在使用和编程时不需要了解硬件特性提高设备和设备之间、提高设备和设备之
9、间、CPUCPU和设备之间、和设备之间、进程和进程之间的并行操作度进程和进程之间的并行操作度5 5、外部管理结构外部管理结构User ProcessLogical I/ODevice I/OScheduling&Control(Device Driver)HardwareCommunications Architecture5 5、外部管理结构外部管理结构n逻辑逻辑I/OI/O：逻辑设备逻辑设备(也称为虚拟设备也称为虚拟设备)实体，不涉及实体，不涉及实际的设备控制；实际的设备控制；n针对用户接口，提供抽象的命令，如：针对用户接口，提供抽象的命令，如：Open,Close,Read,Open,C
10、lose,Read,WriteWrite。n针对通信设备，则是通信体系结构如网络协议栈；针对通信设备，则是通信体系结构如网络协议栈；n针对文件存储设备，是文件系统的逻辑结构控制；针对文件存储设备，是文件系统的逻辑结构控制；n设备设备I/OI/O：逻辑设备与物理设备间的过渡协调机构。逻辑设备与物理设备间的过渡协调机构。n用户命令到设备操作序列的转换用户命令到设备操作序列的转换nI/OI/O缓冲：提高缓冲：提高I/OI/O效率。效率。5 5、外部管理结构、外部管理结构n调度和控制：物理设备控制实体；直接面对调度和控制：物理设备控制实体；直接面对硬件设备的控制细节。这部分通常体现为设硬件设备的控制细
11、节。这部分通常体现为设备驱动程序。备驱动程序。n并发并发I/OI/O访问调度访问调度n设备控制和状态维护设备控制和状态维护n中断处理中断处理9.2 数据传送控制方式数据传送控制方式（I/O I/O 控制技术）控制技术）*是本章重点内容之一，也是考点是本章重点内容之一，也是考点设备管理任务之一控制设备和内存或设备管理任务之一控制设备和内存或CPUCPU之之间的数据传送间的数据传送外围设备与内存间常用的数据传送控制方式：外围设备与内存间常用的数据传送控制方式：n程序直接控制方式程序直接控制方式n中断控制方式中断控制方式nDMADMA方式方式n通道方式通道方式评价数据传送控制方式的原则评价数据传送控
12、制方式的原则数据传输速度足够高，能满足用户的需数据传输速度足够高，能满足用户的需要但又不丢失数据要但又不丢失数据系统开销小，所需的处理控制程序少系统开销小，所需的处理控制程序少能充分发挥硬件资源的能力，使得能充分发挥硬件资源的能力，使得I/OI/O设备尽量忙，而设备尽量忙，而CPUCPU等待时间少等待时间少9.2.1 9.2.1 程序直接控制方式程序直接控制方式概念：概念：I/OI/O操作由程序发起，并等待操操作由程序发起，并等待操作完成。数据的每次读写通过作完成。数据的每次读写通过CPUCPU。1 1、程序控制、程序控制I/O(programmed I/O)I/O(programmed I/
13、O)处理过程处理过程2 2、程序控制缺点、程序控制缺点n在外设进行数据处理时，在外设进行数据处理时，CPUCPU只能等待。只能等待。nCPUCPU与外设只能串行工作与外设只能串行工作n 只适用于只适用于CPUCPU执行速度较慢，且外围设备较执行速度较慢，且外围设备较少的系统少的系统9.2.2 9.2.2 中断驱动方式中断驱动方式 (Interrupt-driven I/O)(Interrupt-driven I/O)概念：概念：I/OI/O操作由程序发起，在操作完成操作由程序发起，在操作完成时（如数据可读或已经写入）由外设向时（如数据可读或已经写入）由外设向CPUCPU发出中断，通知该程序。数
14、据的每发出中断，通知该程序。数据的每次读写通过次读写通过CPUCPU。1 1、中断控制方式的传送结构、中断控制方式的传送结构 3 3、中断方式特点、中断方式特点n优点优点n 在外设进行数据处理时，在外设进行数据处理时，CPUCPU不必等待，不必等待，可以继续执行该程序或其他程序。可以继续执行该程序或其他程序。n缺点缺点n CPUCPU每次处理的数据量少（通常不超过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几个字节），只适于数据传输率较低的设备。备。9.2.3 9.2.3 直接存储访问方式直接存储访问方式 (DMA,Direct Memory(DMA,Direct Mem
15、ory Access)Access)由程序设置由程序设置DMADMA控制器中的若干寄存器值控制器中的若干寄存器值（如内存始址，传送字节数），然后发起（如内存始址，传送字节数），然后发起I/OI/O操操作，而后者完成内存与外设的成批数据交换，作，而后者完成内存与外设的成批数据交换，在操作完成时由在操作完成时由DMADMA控制器向控制器向CPUCPU发出中断。发出中断。优点：优点：CPUCPU只需干预只需干预I/OI/O操作的开始和结束，操作的开始和结束，而其中的而其中的一批数据一批数据读写无需读写无需CPUCPU控制，适于控制，适于高速设备。高速设备。1 1、I/OI/O控制器结构控制器结构Da
16、taDataCountCountDataDataRegisterRegisterAddressAddressRegisterRegisterControlControlLogicLogicDMA RequestDMA RequestDMA AcknowledgeDMA AcknowledgeInterruptInterruptReadReadWriteWriteAddress LinesAddress LinesData LinesData Lines2 2、DMADMA方式的传送结构方式的传送结构 DMADMA方式的数据传送处理过程方式的数据传送处理过程 3 3、DMADMA工作原理工作原理
17、存放输入数据的内存起始地址、要传送存放输入数据的内存起始地址、要传送的字节数送入的字节数送入DMADMA控制器的内存地址寄控制器的内存地址寄存器和传送字节计数器存器和传送字节计数器,中断允许位和启中断允许位和启动位置成动位置成1 1，启动设备，启动设备发出传输要求的进程进入等待状态发出传输要求的进程进入等待状态,执行执行指令被暂时挂起，进程调度其他进程占指令被暂时挂起，进程调度其他进程占据据CPUCPU 输入设备不断窃取输入设备不断窃取CPUCPU工作周期，数据不工作周期，数据不断写入内存断写入内存 传送完毕，发出中断信号传送完毕，发出中断信号 CPUCPU接到中断信号转入中断处理程序处理接到
18、中断信号转入中断处理程序处理 中断处理结束，中断处理结束，CPUCPU返回原进程或切换到返回原进程或切换到新的进程新的进程DMADMA工作原理工作原理窃取总线控制权窃取总线控制权nDMADMA（I/OI/O处理器）和处理器）和CPUCPU共享主存储器共享主存储器和总线，因此会出现通道和和总线，因此会出现通道和CPUCPU同时争相同时争相访问主存的情况。访问主存的情况。n因此给通道和因此给通道和CPUCPU规定了不同的有限次序；规定了不同的有限次序；通常通常CPUCPU被规定为最低优先级。被规定为最低优先级。n在微机中，系统总线的使用是在在微机中，系统总线的使用是在CPUCPU控制控制之下的，当
19、之下的，当I/OI/O处理器要求使用总线时，向处理器要求使用总线时，向CPUCPU发出请求总线的信号，发出请求总线的信号，CPUCPU就把总线就把总线使用权暂时转让给使用权暂时转让给I/OI/O处理器。处理器。DMADMA执行的时机执行的时机处理器周期处理器周期 处理器周期处理器周期 处理器周期处理器周期 处理器周期处理器周期 处理器周期处理器周期 处理器周期处理器周期指令周期指令周期时间时间取指令取指令指令解码指令解码取操作数取操作数执行指令执行指令保存结果保存结果进程中断进程中断DMA断点断点中断点中断点CPUCPU恰好在它需要使用总线之前被挂起，即暂停一个总线周期恰好在它需要使用总线之前
20、被挂起，即暂停一个总线周期DMADMA方式与中断方式的主要区别方式与中断方式的主要区别n中断方式是在数据缓冲寄存器满后，发中断请求，中断方式是在数据缓冲寄存器满后，发中断请求，CPUCPU进行中断处理进行中断处理;n DMA DMA方式则是在所要求传送的数据块全部传送结方式则是在所要求传送的数据块全部传送结束时要求束时要求CPUCPU进行中断处理，中间只是暂停一个进行中断处理，中间只是暂停一个CPUCPU周期周期n 大大减少了大大减少了CPUCPU进行中断处理的次数进行中断处理的次数n中断方式的数据传送是由中断方式的数据传送是由CPUCPU控制完成的控制完成的n DMADMA方式则是在方式则是
21、在DMADMA控制器的控制下不经过控制器的控制下不经过CPUCPU控制完成的，因此避免了因速度不匹配而造成数据控制完成的，因此避免了因速度不匹配而造成数据丢失的现象。（丢失的现象。（DMADMA硬件比较复杂）硬件比较复杂）DMADMA特点特点优点优点：CPU只需干预只需干预I/O操作的开始和结束，操作的开始和结束，而其中的一批数据读写无需而其中的一批数据读写无需CPU控制，适于控制，适于高速设备。高速设备。缺点缺点：DMA方式对外围设备的管理和某些操方式对外围设备的管理和某些操作仍由作仍由CPU控制；多个控制；多个DMA控制器的同时控制器的同时使用显然会引起内存地址的冲突并使得控制使用显然会引
22、起内存地址的冲突并使得控制过程进一步复杂化过程进一步复杂化 控制器按照指定存储器地址，把第一个字节送入主存控制器按照指定存储器地址，把第一个字节送入主存 然后，按指定字节数进行数据传送然后，按指定字节数进行数据传送 每当传送一个字节后，字节计数器值减每当传送一个字节后，字节计数器值减1 1，直到字节计数器等于，直到字节计数器等于0 0 此时，控制器引发中断，通知操作系统，操作完成此时，控制器引发中断，通知操作系统，操作完成CPUCPU提供提供:被读取块磁盘地址被读取块磁盘地址 目标存储地址目标存储地址 待读取字节数待读取字节数 整块数据读进缓冲区整块数据读进缓冲区 核准校验核准校验 DMA D
23、MA工作示例（以硬盘为例）工作示例（以硬盘为例）9.2.4 9.2.4 通道控制方式通道控制方式n是可以执行程序的、负责且只负责操纵输入输出设是可以执行程序的、负责且只负责操纵输入输出设备的、功能简单专用的、低速、低性能的、造价低备的、功能简单专用的、低速、低性能的、造价低的专用处理机。的专用处理机。n负责管理设备与内存之间的数据传送的负责管理设备与内存之间的数据传送的一切一切工作。工作。nCPUCPU只是命令只是命令I/OI/O处理器处理器执行主存中的执行主存中的I/OI/O程序。当程序。当整个整个I/OI/O程序执行完成后，程序执行完成后，CPUCPU被被I/OI/O模块中断模块中断1.1
24、.通道（通道（I/OI/O处理机）定义（处理机）定义（见教材见教材P230P230）2.2.通道控制器通道控制器(Channel Controller)(Channel Controller)有自己的专用存储器有自己的专用存储器 可以执行由通道指令组成的通道程序可以执行由通道指令组成的通道程序 可以进行较为复杂的可以进行较为复杂的I/OI/O控制，如网卡信道控制，如网卡信道访问控制。访问控制。通道程序通常由操作系统所构造，放在内存通道程序通常由操作系统所构造，放在内存里。里。通道指令通道指令n引入目的引入目的：在通道控制方式中，：在通道控制方式中，I/OI/O控制器中没有传控制器中没有传送字节
25、计数器和内存地址寄存器。送字节计数器和内存地址寄存器。n通道指令内容通道指令内容：被交换数据的内存地址、传送方向、：被交换数据的内存地址、传送方向、数据块长度、被控制数据块长度、被控制I/OI/O设备的地址信息、特征信息设备的地址信息、特征信息等等n通道指令格式通道指令格式n操作码（操作码（读、写或控制）、通道指令结束标志、读、写或控制）、通道指令结束标志、记录结记录结束标志、计数段（数据块长度）、内存地址段束标志、计数段（数据块长度）、内存地址段n通道指令实例通道指令实例 write 0 0 250 1850write 0 0 250 1850 write 1 1 250 720 write
26、 1 1 250 7203.3.引入通道的目的与优点引入通道的目的与优点n目的目的为了使为了使CPUCPU从从I/OI/O事务中解脱出来，同时为了提事务中解脱出来，同时为了提高高CPUCPU与设备，设备与设备之间的并行工作能力。与设备，设备与设备之间的并行工作能力。优点优点 执行一个通道程序可以完成几批执行一个通道程序可以完成几批I/OI/O操作。操作。通道方式的数据传送结构通道方式的数据传送结构 DMADMA和通道数据传输方式区别和通道数据传输方式区别nDMADMA：数据的传输方向、存放数据的内存：数据的传输方向、存放数据的内存地址和传送的数据块长度由地址和传送的数据块长度由CPUCPU控制
27、控制n通道方式：数据的传输方向、存放数据的内通道方式：数据的传输方向、存放数据的内存地址和传送的数据块长度由通道本身完成。存地址和传送的数据块长度由通道本身完成。nDMADMA控制器只能控制一台控制器只能控制一台DMADMA设备，而一设备，而一个通道控制器可以控制多个通道设备个通道控制器可以控制多个通道设备4.4.通道分类通道分类n选择通道选择通道(selector channel)(selector channel)：可以连接多个外：可以连接多个外设，而一次只能访问其中一个外设设，而一次只能访问其中一个外设n成组多路通道成组多路通道(Block multiplexor channel)(Bl
28、ock multiplexor channel)：可以并发访问多个外设，同时连接多个中速可以并发访问多个外设，同时连接多个中速块设备。块设备。n字节多路通道：多个字符设备字节多路通道：多个字符设备1)1)字节多路通道字节多路通道n字节多路通道以字节为单位传输信息，它可以字节多路通道以字节为单位传输信息，它可以分时地执行多个通道程序。当一个通道程序控分时地执行多个通道程序。当一个通道程序控制某台设备传送一个字节后，通道硬件就控制制某台设备传送一个字节后，通道硬件就控制转去执行另一个通道程序，控制另一台设备传转去执行另一个通道程序，控制另一台设备传送信息送信息n主要连接以字节为单位的低速主要连接以
29、字节为单位的低速I/OI/O设备。如打设备。如打印机，终端。印机，终端。字节多路通道的工作原理字节多路通道的工作原理 字节多路通道的工作原理字节多路通道的工作原理 2)2)选择通道选择通道 选择通道是以成组方式工作的，即每次传送选择通道是以成组方式工作的，即每次传送一批数据一批数据，故传送速度很高。选择通道在一段时间内只能执行一故传送速度很高。选择通道在一段时间内只能执行一个通道程序，只允许一台设备进行数据传输个通道程序，只允许一台设备进行数据传输选择通道选择通道当这台设备数据传输当这台设备数据传输完成后，再选择与通完成后，再选择与通道连接的另一台设备，道连接的另一台设备，执行它的相应的通道执
30、行它的相应的通道程序程序主要连接磁盘，磁带等高速主要连接磁盘，磁带等高速I/OI/O设备设备 3)3)成组多路通道成组多路通道 它结合了选择通道传送速度高和字节多路通道能进它结合了选择通道传送速度高和字节多路通道能进行分时并行操作的优点。行分时并行操作的优点。它先为一台设备执行一条通道指令，然后自动转接，它先为一台设备执行一条通道指令，然后自动转接，为另一台设备执行一条通道指令为另一台设备执行一条通道指令 主要连接高速设备主要连接高速设备 对于连接多台磁盘机的数组多路通道，它可以启动对于连接多台磁盘机的数组多路通道，它可以启动它们同时执行移臂定位操作，然后，按序交叉地传它们同时执行移臂定位操作
31、，然后，按序交叉地传输一批批数据。输一批批数据。数据多路通道实际上是对通道程序采用多道程序设数据多路通道实际上是对通道程序采用多道程序设计的硬件实现计的硬件实现3)3)成组多路通道成组多路通道n 硬件连接结构 3)3)成组多路通道成组多路通道n通道：通道：执行通道程序，向控制器发出命令，并执行通道程序，向控制器发出命令，并具有向具有向CPUCPU发中断信号的功能。发中断信号的功能。一旦一旦CPUCPU发出发出指令，启动通道，则通道独立于指令，启动通道，则通道独立于CPUCPU工作。一工作。一个通道可连接多个控制器，一个控制器可连接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
32、接多个设备，形成树形交叉连接n主要目的主要目的是启动外设时：是启动外设时：n 提高了控制器效率提高了控制器效率n 提高可靠性提高可靠性n 提高并行度提高并行度3)3)成组多路通道成组多路通道 设备、控制器、通道、内存之间的关系设备、控制器、通道、内存之间的关系(单通道单通道I/O系统系统)3)3)成组多路通道成组多路通道 设备、控制器、通道、内存之间的关系（多通道设备、控制器、通道、内存之间的关系（多通道I/OI/O系统，交叉系统，交叉连接连接)通道控制方式数据输入处理过程通道控制方式数据输入处理过程n当进程要求设备输入数据时，当进程要求设备输入数据时，CPUCPU发发StartStart指令
33、指明指令指明I/OI/O操作、设备号和对应通道；操作、设备号和对应通道；n对应通道接收到对应通道接收到CPUCPU发来的启动指令发来的启动指令StartStart之后，把之后，把存放在内存中的通道指令程序读出，设置对应设备存放在内存中的通道指令程序读出，设置对应设备的的I/OI/O控制器中的控制状态寄存器；控制器中的控制状态寄存器；n设备根据通道指令的要求，把数据送往内存中指定设备根据通道指令的要求，把数据送往内存中指定区域；区域；n若数据传送结束，若数据传送结束，I/OI/O控制器通过中断请求线发出控制器通过中断请求线发出中断信号请求中断信号请求CPUCPU做中断处理；做中断处理；n中断处理
34、结束后中断处理结束后CPUCPU返回被中断进程处继续执行。返回被中断进程处继续执行。从从CPUCPU执行的角度描述通道控制执行的角度描述通道控制9.3 9.3 中断技术中断技术n在计算机工作中，存在多种情况需要计算机在计算机工作中，存在多种情况需要计算机停下正在处理的事件，转而去执行一些特殊停下正在处理的事件，转而去执行一些特殊事件事件n中断的基本概念中断的基本概念n中断的分类和优先级中断的分类和优先级n软中断软中断n中断处理过程中断处理过程9.3.1 9.3.1 中断处理概念中断处理概念n中断：指计算机在执行期间，系统内发生任何中断：指计算机在执行期间，系统内发生任何非寻常的或非预期的紧急处
35、理事件，使得非寻常的或非预期的紧急处理事件，使得CPUCPU暂时中断当前正在执行的程序而转去执行相应暂时中断当前正在执行的程序而转去执行相应的事件处理程序，待处理完毕后又返回原来被的事件处理程序，待处理完毕后又返回原来被中断处继续执行或调度新的进程执行的过程。中断处继续执行或调度新的进程执行的过程。n中断源：引起中断发生的事件中断源：引起中断发生的事件n中断请求：中断源向中断请求：中断源向CPUCPU发出的请求中断处理发出的请求中断处理信号信号n中断响应：中断响应：CPUCPU收到中断请求后转相应的事件收到中断请求后转相应的事件处理程序处理程序9.3.1 9.3.1 中断处理概念中断处理概念n
36、禁止中断：将禁止中断：将CPUCPU内部的处理机状态字内部的处理机状态字PSWPSW的中的中断允许位清除，从而不允许断允许位清除，从而不允许CPUCPU相应中断，所以相应中断，所以又称为关中断；又称为关中断；n开中断：设置中断允许位，或称为打开中断允许开中断：设置中断允许位，或称为打开中断允许位位n中断请求、关中断和开中断等都是由硬件实现中断请求、关中断和开中断等都是由硬件实现n中断屏蔽：指在中断请求产生后，系统用软件方中断屏蔽：指在中断请求产生后，系统用软件方式有选择地封闭部分中断而允许其余部分的中断式有选择地封闭部分中断而允许其余部分的中断仍能得到响应仍能得到响应n最高优先级的中断不管计算
37、机处理何种状态，必最高优先级的中断不管计算机处理何种状态，必须能够立即响应的，例如电源中断，机器必须及须能够立即响应的，例如电源中断，机器必须及时响应，无法中断。时响应，无法中断。9.3.2 9.3.2 中断的分类和优先级中断的分类和优先级中断分类中断分类n根据中断源产生的条件，分为外中断和根据中断源产生的条件，分为外中断和内中断内中断n外中断：除了外中断：除了CPUCPU和内部存储器产生的和内部存储器产生的中断，包括所有外围设备产生的中断，中断，包括所有外围设备产生的中断，从狭义上称为中断从狭义上称为中断n内中断（又称为陷阱内中断（又称为陷阱traptrap），由），由CPUCPU和内和内存
38、产生的中断存产生的中断9.3.2 9.3.2 中断的分类和优先级中断的分类和优先级n中断源按照轻重缓急程度进行级别划中断源按照轻重缓急程度进行级别划分，在分，在UNIXUNIX系统中分为系统中分为8 8级，中断源级，中断源优先级固定；优先级固定；nCPUCPU的处理机状态字的处理机状态字PSWPSW动态设置优动态设置优先级先级n中断源请求能否得到响应取决于和中断源请求能否得到响应取决于和PSWPSW的优先级比较，高于则能做出响的优先级比较，高于则能做出响应。应。1 1、中断（软中断）和陷阱（内中断区别）、中断（软中断）和陷阱（内中断区别）n陷阱通常由处理机正在执行的现行指令引起，陷阱通常由处理
39、机正在执行的现行指令引起，而中断则是由与现行指令无关的中断源引起；而中断则是由与现行指令无关的中断源引起；n陷阱处理程序提供的服务为当前进程所用，陷阱处理程序提供的服务为当前进程所用，而中断处理程序提供的服务则不是；而中断处理程序提供的服务则不是；nCPUCPU在相应完一条指令之后，下一条指令开在相应完一条指令之后，下一条指令开始之前响应中断，而在一条指令执行中可以始之前响应中断，而在一条指令执行中可以响应陷阱。响应陷阱。9.3.4 9.3.4 中断处理过程中断处理过程9.3.4 9.3.4 中断处理具体过程中断处理具体过程nCPUCPU检查相应中断条件是否满足；检查相应中断条件是否满足；n如
40、果如果CPUCPU相应中断，则相应中断，则CPUCPU关中断，使其进入关中断，使其进入不可再次响应中断的状态；不可再次响应中断的状态；n保存被中断进程现场；保存被中断进程现场；n分析中断原因，挑用中断处理子程序；分析中断原因，挑用中断处理子程序；n执行中断处理子程序；执行中断处理子程序；n退出中断，恢复被中断进程的现场或调度新进退出中断，恢复被中断进程的现场或调度新进程占据处理机；程占据处理机；n开中断，开中断，CPUCPU继续执行。继续执行。从从CPUCPU处理角度描述中断处理处理角度描述中断处理I/OI/O请求请求9.4 9.4 缓冲技术缓冲技术缓冲区缓冲区CPU外设外设n 基本思想：基本
41、思想：在在CPUCPU和外设之间设置缓冲区，用于暂存和外设之间设置缓冲区，用于暂存CPUCPU与外设之间交换的数据，从而缓和与外设之间交换的数据，从而缓和CPUCPU与外设速与外设速度不匹配的矛盾。度不匹配的矛盾。缓冲技术引言缓冲技术引言n缓冲区是在缓冲区是在内存或其它存储区内存或其它存储区中开辟一块中开辟一块存储空间。包括输入缓存和输出缓存存储空间。包括输入缓存和输出缓存n分为专用缓存（为一个设备独占，如键盘分为专用缓存（为一个设备独占，如键盘缓存）和公用缓存（为多个设备公用）缓存）和公用缓存（为多个设备公用）n缓冲技术可提高外设利用率，尽可能使外缓冲技术可提高外设利用率，尽可能使外设处于忙
42、状态；但有一个限制：进程的设处于忙状态；但有一个限制：进程的I/OI/O请求不能超过外设的处理能力。请求不能超过外设的处理能力。9.4.1 9.4.1 引入缓冲技术的目的引入缓冲技术的目的n匹配匹配CPUCPU或用户应用进程与外设的不同处理速度或用户应用进程与外设的不同处理速度n减少对减少对CPUCPU的中断次数的中断次数n提高提高CPUCPU和和I/OI/O设备之间以及各个设备之间以及各个I/OI/O设备之间的处设备之间的处理并行性。理并行性。n缓冲区所在的位置：内存，控制器或外设。这些缓冲区所在的位置：内存，控制器或外设。这些在不同位置的缓冲区组合在一起，构成多级缓冲在不同位置的缓冲区组合
43、在一起，构成多级缓冲机制。机制。n硬件缓冲器，如硬件缓冲器，如I/oI/o控制器中的数据缓冲寄存器控制器中的数据缓冲寄存器n在内存画出一个具有在内存画出一个具有n n个单元的专用缓冲区。个单元的专用缓冲区。（软件缓冲）（软件缓冲）1 1、如果没有缓冲区、如果没有缓冲区n设备直接向进程地址空间传送数据，则进程要么忙等待，要么阻设备直接向进程地址空间传送数据，则进程要么忙等待，要么阻塞。塞。n如果用忙等待方式，则浪费大量如果用忙等待方式，则浪费大量CPUCPU时间；时间；n如果是阻塞方式，则进程阻塞在设备的如果是阻塞方式，则进程阻塞在设备的I/oI/o请求队列中。这时系请求队列中。这时系统有可能将
44、进程交换出主存。统有可能将进程交换出主存。n如果在进程被交换出主存以前，设备已开始为它进行数据传输，如果在进程被交换出主存以前，设备已开始为它进行数据传输，由于正在传输数据的页面是被锁住的，所以尽管进程被交换出去，由于正在传输数据的页面是被锁住的，所以尽管进程被交换出去，但该页面仍被锁在主存不会被交换出去。但该页面仍被锁在主存不会被交换出去。n进程可以完成进程可以完成I/O,I/O,而重新被交换进主存；如果进程被交换出去时，而重新被交换进主存；如果进程被交换出去时，设备还没有为进程开始传输数据，于是整个进程地址空间全交换设备还没有为进程开始传输数据，于是整个进程地址空间全交换出主存。出主存。n
45、这样这样发生死锁发生死锁。因为进程被阻塞于设备。因为进程被阻塞于设备I/oI/o队列，而设备有要为队列，而设备有要为它开始的它开始的I/OI/O请求服务，互相等待。请求服务，互相等待。2 2、如果有缓冲区、如果有缓冲区进程在那个设备提出进程在那个设备提出I/OI/O请求前，先请求分配请求前，先请求分配一个缓冲区，然在再在设备一个缓冲区，然在再在设备I/OI/O请求队列中排请求队列中排队；当设备为该进程的队；当设备为该进程的I/OI/O请求服务时，设备请求服务时，设备并不需要进程一定在主存中，因为只向该进并不需要进程一定在主存中，因为只向该进程的缓冲区中传送数据。数据传送完成后，程的缓冲区中传送
46、数据。数据传送完成后，中断处理程序唤醒该进程，将缓冲区中的数中断处理程序唤醒该进程，将缓冲区中的数据读入进程在主存的地址空间中进行处理。据读入进程在主存的地址空间中进行处理。9.4.2 9.4.2 缓冲的种类缓冲的种类n单缓冲单缓冲(single buffer)(single buffer)：一个缓冲区，：一个缓冲区，CPUCPU和外设轮和外设轮流使用，一方处理完之后接着等待对方处理。流使用，一方处理完之后接着等待对方处理。n双缓冲双缓冲(double buffer)(double buffer)：两个缓冲区，：两个缓冲区，CPUCPU和外设和外设都可以连续处理而无需等待对方。要求都可以连续处
47、理而无需等待对方。要求CPUCPU和外设和外设的速度相近。的速度相近。n多缓冲多缓冲(circular buffer)(circular buffer)：多个缓冲区，：多个缓冲区，CPUCPU和外设和外设的处理速度可以相差较大。将多个缓冲区连接起来的处理速度可以相差较大。将多个缓冲区连接起来组成两部分，一部分专门由于输入，另一部分专门组成两部分，一部分专门由于输入，另一部分专门用于输出用于输出n缓冲池缓冲池：把多个缓冲区连接起来统一管理，该缓冲：把多个缓冲区连接起来统一管理，该缓冲区既可以用于输入也可用以输出。区既可以用于输入也可用以输出。7.3.3 7.3.3 缓冲池管理缓冲池管理(buff
48、er pool)(buffer pool)n三种缓冲区队列：三种缓冲区队列：n 空闲缓冲区，空闲缓冲区，n 输入缓冲区，输入缓冲区，n 输出缓冲区输出缓冲区n四种操作：四种操作：n 设备输入，设备输入，n CPUCPU读入，读入，n 设备输出，设备输出，n CPUCPU写出。写出。上述操作访问各个缓冲区队列时，需要进行相应的上述操作访问各个缓冲区队列时，需要进行相应的互斥操作。互斥操作。是一种双方向缓冲技术；缓冲区整体利用率高。是一种双方向缓冲技术；缓冲区整体利用率高。in queueempty queueout queueBuffer PoolDeviceCPU1 1、缓冲池的结构、缓冲池的
49、结构n缓冲池由多个缓冲区组成；一个缓冲区由两缓冲池由多个缓冲区组成；一个缓冲区由两部分组成：部分组成：n缓冲首部：用来标识该缓冲器和用于管理的缓缓冲首部：用来标识该缓冲器和用于管理的缓冲首部，设备管理通过其管理缓冲区；冲首部，设备管理通过其管理缓冲区；n缓冲体：用于存放数据。缓冲体：用于存放数据。缓冲区首部组成缓冲区首部组成2、缓冲池中缓冲区队列类型n按其使用情况进行划分为如下：按其使用情况进行划分为如下：3、缓冲池中缓冲区分类n三种缓冲区队列：三种缓冲区队列：n 空闲缓冲区，空闲缓冲区，n 输入缓冲区，输入缓冲区，n 输出缓冲区输出缓冲区n空白缓冲区：可以使用的没有数据的空白缓冲区：可以使用
50、的没有数据的n输入缓冲区：装满输入数据的输入缓冲区：装满输入数据的n输出缓冲区：装满输出数据的输出缓冲区：装满输出数据的n工作缓冲区：系统或用户进程从以上三种缓工作缓冲区：系统或用户进程从以上三种缓冲区队列中取出缓冲区进行操作冲区队列中取出缓冲区进行操作工作缓冲区分类（来自缓冲池）工作缓冲区分类（来自缓冲池）n用于收容设备输入数据的收容输入缓冲区用于收容设备输入数据的收容输入缓冲区hinhinn用于提取设备输入数据的提取输入缓冲区用于提取设备输入数据的提取输入缓冲区sinsinn用于收容用于收容CPUCPU输出数据的收容输出缓冲区输出数据的收容输出缓冲区houthoutn用户提取用户提取CPU
