一、IO管理概述

（一）、IO設(shè)備

IO設(shè)備管理是操作系統(tǒng)設(shè)計中最凌亂也最具挑戰(zhàn)性的部分。由于它包含了很多領(lǐng)域的不同設(shè)備以及與設(shè)備相關(guān)的應(yīng)用程序，因此很難有一個通用且一致的設(shè)計方案。所以在理解設(shè)備管理之前，應(yīng)該先了解具體的IO設(shè)備類型。

（1）按使用特性分類

1）人機(jī)交互類外部設(shè)備，又稱慢速IO設(shè)備，用于桶計算機(jī)用戶之間交互的設(shè)備，如打印機(jī)、顯示器、鼠標(biāo)、鍵盤等。這類設(shè)備數(shù)據(jù)交換速度相對較慢，通常是以字節(jié)為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

2）存儲設(shè)備，用于存儲程序和數(shù)據(jù)的設(shè)備，如磁盤、磁帶、光盤等。這類設(shè)備用于數(shù)據(jù)交換，速度較快，通常以多字節(jié)組成的塊為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

3）網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備，用于與遠(yuǎn)程設(shè)備通信的設(shè)備，如各種網(wǎng)絡(luò)接口、調(diào)制解調(diào)器等。其數(shù)據(jù)交換速度介于外部設(shè)備與存儲設(shè)備之間。網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備在使用和管理上與前兩者設(shè)備有很大的不同。

1）低速設(shè)備，傳輸速率僅為每秒鐘幾個字節(jié)至數(shù)百個字節(jié)的一類設(shè)備，如鍵盤、鼠標(biāo)等。

2）中速設(shè)備，傳輸速率在每秒數(shù)千個字節(jié)至數(shù)萬個字節(jié)的一類設(shè)備，如行式打印機(jī)、激光打印機(jī)等。

3）高速設(shè)備，傳輸速率在數(shù)百個千字節(jié)至千兆字節(jié)的一類設(shè)備，如磁帶機(jī)、磁盤機(jī)、光盤機(jī)等。

（2）按信息交換的單位分類

1）塊設(shè)備

由于信息的存取總是以數(shù)據(jù)塊為單位，所以存儲信息的設(shè)備稱為塊設(shè)備。它屬于有結(jié)構(gòu)設(shè)備，如磁盤等。磁盤設(shè)備的基本特征是傳輸速率高，以及可尋址，即對它先可隨機(jī)地讀寫任意塊。

2）字符設(shè)備

用于數(shù)據(jù)輸入輸出的設(shè)備為字符設(shè)備，因?yàn)槠鋫鬏數(shù)幕締挝皇亲址?。它屬于無結(jié)構(gòu)類型，如交互式終端機(jī)、打印機(jī)等。他們的傳輸速率低、不可尋址、并且在輸入輸出時常采用中斷驅(qū)動方式。

對于IO設(shè)備，有以下三種不同類型的使用方式：

獨(dú)占式使用設(shè)備。獨(dú)占式使用設(shè)備是指在申請?jiān)O(shè)備是，如果設(shè)備空閑，就將其獨(dú)占，不再允許其他進(jìn)程申請使用，一直等到該設(shè)備被釋放才允許其他進(jìn)程申請使用。例如：打印機(jī)。

分時式共享使用設(shè)備。獨(dú)占式使用設(shè)備時，設(shè)備利用率低，當(dāng)設(shè)備沒有獨(dú)占使用的要求時，可以通過分時共享使用，提高利用率。例如：對磁盤設(shè)備的IO操作，各進(jìn)程每次IO操作請求可以通過分時來交替進(jìn)行。

以SPOOLing方式使用外部設(shè)備。SPOOLing技術(shù)是在批處理操作系統(tǒng)時代引入的，即假脫機(jī)IO技術(shù)。這種技術(shù)用于對設(shè)備的操作，實(shí)質(zhì)上就是對IO操作進(jìn)行批處理。具體的內(nèi)容后面有單獨(dú)講解。

采用上面三種使用方式的設(shè)備分別稱為獨(dú)占設(shè)備、共享設(shè)備和虛擬設(shè)備。

（二）、IO管理目標(biāo)

IO設(shè)備管理的主要目標(biāo)有以下三個方面。

方便使用：方便用戶使用外部設(shè)備，控制設(shè)備工作完成用戶的輸入輸出要求。

提高效率：提高系統(tǒng)的并行工作能力，提高設(shè)備的使用效率。

方便控制：提高外圍設(shè)備和系統(tǒng)的可靠性和安全性，以使系統(tǒng)能正常工作。

（三）、IO管理功能

IO設(shè)備管理的功能是按照輸入輸出子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和設(shè)備類型制定分配和使用設(shè)備的策略，主要包括：

設(shè)備的分配和回收、外圍設(shè)備的啟動、對磁盤的驅(qū)動調(diào)度、外部設(shè)備中斷處理、虛擬設(shè)備的實(shí)現(xiàn)。

（四）、IO應(yīng)用接口

IO應(yīng)用接口就是從不同的輸入輸出設(shè)備中抽象出一些通用類型。每個類型都可以通過一組標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)（即接口）來訪問。具體的差別被內(nèi)核模塊（也稱設(shè)備驅(qū)動程序）所封裝。這些設(shè)備驅(qū)動程序一方面可以定制，以適合各種設(shè)備，另一方面也提供了一些標(biāo)準(zhǔn)接口。

IO應(yīng)用接口的具體實(shí)現(xiàn)方式是：先把IO設(shè)備劃分為若干種類的通用類型；然后對每一種類型提供一組標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)來訪問，這里的標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)就是接口；為每個IO設(shè)備提供各自的設(shè)備驅(qū)動程序，各種設(shè)備間的差異就體現(xiàn)在設(shè)備驅(qū)動程序的不同之中，而對于訪問這些設(shè)備的接口卻是按照該設(shè)備分?jǐn)?shù)的類型而統(tǒng)一。

劃分IO設(shè)備所屬的通用類型的依據(jù)：

· 字符設(shè)備還是塊設(shè)備。

·?順序訪問還是隨機(jī)訪問。

·?IO傳輸是同步還是異步。

·?共享設(shè)備還是獨(dú)占設(shè)備。

·?操作速度的高低。

·?訪問模式是讀寫、只讀還是只寫。

（五）、設(shè)備控制器（IO部件）

IO設(shè)備通常包括一個機(jī)械部件和一個電子部件。為了達(dá)到設(shè)計的模塊性和通用性，一般將其分開。電子部件成為設(shè)備控制器（或適配器），在個人計算機(jī)中，通常是一塊插入主板擴(kuò)充槽的印制電路板；機(jī)械部件即設(shè)備本身。

由于具體的設(shè)備操作涉及硬件接口，且不同的設(shè)備有不同的硬件特性和參數(shù)，所以這些復(fù)雜的操作交由操作系統(tǒng)用戶編寫程序來操作是不實(shí)際的。引入控制器后，系統(tǒng)可以通過幾個簡單的參數(shù)完成對控制器的操作，而具體的硬件操作則由控制器調(diào)用相應(yīng)的設(shè)備接口完成。設(shè)備控制器的引入大大簡化了操作系統(tǒng)的設(shè)計，特別是有利于計算機(jī)系統(tǒng)和操作系統(tǒng)對各類控制器和設(shè)備的兼容；同時也實(shí)現(xiàn)了主存和設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸操作，使CPU從繁重的設(shè)備控制操作中解放出來。

設(shè)備控制器通過寄存器與CPU通信，在某些計算機(jī)上，這些寄存器占用內(nèi)存地址的一部分，稱為內(nèi)存映像IO；另一些計算機(jī)則采用IO專用地址，寄存器獨(dú)立編址。操作系統(tǒng)通過向控制器寄存器寫命令字來執(zhí)行IO功能?？刂破魇盏揭粭l命令后，CPU可以轉(zhuǎn)向進(jìn)行其他工作，而讓設(shè)備控制器自行完成具體IO操作。當(dāng)命令執(zhí)行完畢后，控制器發(fā)出一個中斷信號，操作系統(tǒng)重新獲得CPU的控制權(quán)并檢查執(zhí)行結(jié)果，此時，CPU仍舊是從控制器寄存器中讀取信息來獲得執(zhí)行結(jié)果和設(shè)備的狀態(tài)信息。

設(shè)備控制器的主要功能為：

· 接收和識別CPU或通道發(fā)來的命令，如磁盤控制器能就收讀、寫、查找、搜索等命令。

·?實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，包括設(shè)備和控制器之間的數(shù)據(jù)傳輸；通過數(shù)據(jù)總線或通道，控制器和主存之間的數(shù)據(jù)傳輸。

·?發(fā)現(xiàn)和記錄設(shè)備及自身的狀態(tài)信息，供CPU處理使用。

·?設(shè)備地址識別。

為實(shí)現(xiàn)上述功能，設(shè)備控制器必須包含以下組成部分：

該接口有三類信號線：數(shù)據(jù)線、地址線和控制線。數(shù)據(jù)線通常與兩類寄存器相連接：數(shù)據(jù)存儲器（存放從設(shè)備送來的輸入數(shù)據(jù)或從CPU送來的輸出數(shù)據(jù)）和控制/狀態(tài)寄存器（存放從CPU送來的控制信息或設(shè)備的狀態(tài)信息）。

設(shè)備控制器鏈接設(shè)備需要相應(yīng)數(shù)量的接口，一個接口鏈接一臺設(shè)備。每個接口中都存在數(shù)據(jù)、控制和狀態(tài)三種類型的信號。

用于實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的控制。它通過一組控制線與處理器交互，對從處理器收到的IO命令進(jìn)行譯碼。CPU啟動設(shè)備時，將啟動命令發(fā)送給控制器，并同時通過地址線把地址發(fā)送給控制器，由控制器的IO邏輯對地址進(jìn)行譯碼，并相應(yīng)地對所選設(shè)備進(jìn)行控制。

（六）、IO控制方式

設(shè)備管理的主要任務(wù)之一是控制設(shè)備和內(nèi)存或處理器之間的數(shù)據(jù)傳送，外圍設(shè)備和內(nèi)存之間的輸入輸出控制方式有四種，下面分別介紹。

計算機(jī)從外部設(shè)備讀取數(shù)據(jù)到存儲器，每次讀一個字的數(shù)據(jù)。對讀入的每個字，CPU需要對狀態(tài)循環(huán)檢查，知道確定該字已經(jīng)在IO控制器的數(shù)據(jù)寄存器中。在程序IO方式中，由于CPU的高速型和IO設(shè)備的低速性，致使CPU的絕大部分時間都處于等待IO設(shè)備完成數(shù)據(jù)IO的循環(huán)測試中，造成CPU的極大浪費(fèi)。在該方式中，CPU之所以要不斷地測試IO設(shè)備的狀態(tài)，就是因?yàn)樵贑PU中無中斷機(jī)構(gòu)，使IO設(shè)備無法向CPU報告它已完成了一個字符的輸入操作。

程序直接控制方式雖然簡單易于實(shí)現(xiàn)，但是其缺點(diǎn)也是顯然的，由于CPU和外部設(shè)備只能串行工作，導(dǎo)致CPU的利用率相當(dāng)?shù)汀?/p>

中斷驅(qū)動方式的思想是：允許IO設(shè)備主動打斷CPU的運(yùn)行并請求服務(wù)，從而“解放”CPU，使得其向IO控制器發(fā)送命令后可以繼續(xù)做其他有用的工作。從IO控制器和CPU兩個角度分別來看中斷驅(qū)動方式的工作過程： 從IO控制器的角度來看，IO控制器從CPU接受一個讀命令，然后從外圍設(shè)備讀數(shù)據(jù)。一旦數(shù)據(jù)讀入到該IO控制器的數(shù)據(jù)寄存器，便通過控制線給CPU發(fā)出一個中斷信號，表示數(shù)據(jù)已準(zhǔn)備好，然后等待CPU請求該數(shù)據(jù)。IO控制器收到CPU發(fā)出的取數(shù)據(jù)請求后，將數(shù)據(jù)放到數(shù)據(jù)總線上，傳到CPU的寄存器中。至此，本次IO操作完成，IO控制器又可以開始下一次IO操作。

從CPU的角度來看，CPU發(fā)送讀命令，然后保存當(dāng)前運(yùn)行程序的上下文（現(xiàn)場，包括程序計數(shù)器及處理器寄存器），轉(zhuǎn)去執(zhí)行其他程序。在每個指令周期的末尾，CPU檢查中斷。當(dāng)有來自IO控制器的中斷時，CPU保存當(dāng)前正在運(yùn)行程序的上下文，轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷處理程序處理該中斷。這時，CPU從IO控制器讀一個字的數(shù)據(jù)傳送到寄存器，并存入主存。接著，CPU恢復(fù)發(fā)出IO命令的程序（或其他程序）的上下文，然后繼續(xù)運(yùn)行。

中斷驅(qū)動方式比程序直接控制方式有效，但由于數(shù)據(jù)中的每個字在存儲器與IO控制器之間的傳輸都必須通過CPU處理，這就導(dǎo)致了中斷驅(qū)動方式仍然會花費(fèi)較多的CPU時間。

中斷驅(qū)動方式中，CPU仍然需要主動處理在存儲器和IO設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳送，所以速度還是受限，而直接內(nèi)存存取（DMA）方式的基本思想是在外圍設(shè)備和內(nèi)存之間開辟直接的數(shù)據(jù)交換通路，徹底解放CPU。該方式的特點(diǎn)是：

· 基本單位是數(shù)據(jù)塊。

·?所傳送的數(shù)據(jù)，是從設(shè)備直接送入內(nèi)存的，或者相反。

·?僅在傳送一個或多個數(shù)據(jù)塊的開始和結(jié)束時，才需CPU干預(yù)，整塊數(shù)據(jù)的傳送是在DMA控制器的控制下完成的。

為了實(shí)現(xiàn)在主機(jī)與控制器之間成塊數(shù)據(jù)的直接交換，必須在DMA控制器中設(shè)置如下四類寄存器：

·?命令/狀態(tài)寄存器（CR）。用于接收從CPU發(fā)來的IO命令或有關(guān)控制信息，或設(shè)備的狀態(tài)。

·?內(nèi)存地址寄存器（MAR）。在輸入時，它存放把數(shù)據(jù)從設(shè)備傳送到內(nèi)存的起始目標(biāo)地址；在輸出時，它存放由內(nèi)存到設(shè)備的內(nèi)存源地址。

·?數(shù)據(jù)寄存器（DR）。用于暫存從設(shè)備到內(nèi)存或從內(nèi)存到設(shè)備的數(shù)據(jù)。

·?數(shù)據(jù)計數(shù)器（DC）。存放本次CPU要讀或?qū)懙淖止?jié)數(shù)。

DMA的工作過程是：CPU讀寫數(shù)據(jù)時，他給IO控制器發(fā)出一條命令，啟動DMA控制器，然后繼續(xù)其他工作。之后CPU就把這個操作委托給DMA控制器，由該控制器負(fù)責(zé)處理。DMA控制器直接與存儲器交互，傳送整個數(shù)據(jù)塊，這個過程不需要CPU參與。當(dāng)傳送完成后，DMA控制器發(fā)送一個中斷信號給處理器。因此，只有在傳送開始和結(jié)束時才需要CPU的參與。

DMA控制方式與中斷驅(qū)動方式的主要區(qū)別是中斷驅(qū)動方式在每個數(shù)據(jù)傳送完后中斷CPU，而DMA控制方式則是在所要求傳送的一批數(shù)據(jù)全部傳送結(jié)束時中斷CPU；此外，中斷驅(qū)動方式數(shù)據(jù)傳送的是在中斷處理時由CPU控制完成，而DMA控制方式則是在DMA控制器的控制下完成的。

IO通道方式是DMA方式的發(fā)展，它可以進(jìn)一步減少CPU的干預(yù)，即把對一個數(shù)據(jù)塊的讀或?qū)憺橐粋€單位的干預(yù)，減少為對一組數(shù)據(jù)塊的讀或?qū)懠坝嘘P(guān)的控制和管理為單位的干預(yù)。同時，又可以實(shí)現(xiàn)CPU、通道和IO設(shè)備三者的并行操作，從而更有效的提高整個系統(tǒng)的資源利用率。

例如，當(dāng)CPU要完成一組相關(guān)的讀或?qū)懖僮骷坝嘘P(guān)控制時，只需向IO通道發(fā)送一條IO指令，已給出其所要執(zhí)行的通道程序的首址和要訪問的IO設(shè)備，通道接到該指令后，通過執(zhí)行通道程序便可完成CPU指定的IO任務(wù)。

IO通道和一般處理器的區(qū)別是：通道指令的類型單一，沒有自己的內(nèi)存，通道所執(zhí)行的通道程序釋放在主機(jī)內(nèi)存中的，也就是說通道與CPU共享內(nèi)存。

IO通道與DMA的區(qū)別是：DMA方式需要CPU來控制傳輸?shù)臄?shù)據(jù)塊大小、傳輸?shù)膬?nèi)存位置，而通道方式中這些信息是由通道控制的。另外，每個DMA控制器對應(yīng)一臺設(shè)備與內(nèi)存?zhèn)鬟f數(shù)據(jù)，而一個通道可以控制多臺設(shè)備與內(nèi)存的數(shù)據(jù)交換。

二、IO核心子系統(tǒng)

（一）、IO層次結(jié)構(gòu)

IO實(shí)現(xiàn)普遍采用了層次式的結(jié)構(gòu)。其基本思想與計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的層次結(jié)構(gòu)相同：將系統(tǒng)IO的功能組織成一系列的層次，每一層完成整個系統(tǒng)功能的一個子集，其實(shí)現(xiàn)依賴于下層完成更原始的功能，并屏蔽這些功能的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，從而為上層提供各種服務(wù)。

一個比較合理的層次劃分為四個層次的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，各層次及其功能如下：

1）用戶層IO軟件：實(shí)現(xiàn)與用戶交互的接口，用戶可直接調(diào)用在用戶層提供的、與IO操作有關(guān)的庫函數(shù)，對設(shè)備進(jìn)行操作。

2）設(shè)備獨(dú)立性軟件：用于實(shí)現(xiàn)用戶程序與設(shè)備驅(qū)動器的統(tǒng)一接口、設(shè)備命令、設(shè)備保護(hù)，以及設(shè)備分配與釋放等，同時為設(shè)備管理和數(shù)據(jù)傳送提供必要的存儲空間。

3）設(shè)備驅(qū)動程序：與硬件直接相關(guān)，用于具體實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對設(shè)備發(fā)出的操作指令，驅(qū)動IO設(shè)備工作的驅(qū)動程序。

4）中斷處理程序：用于保存被中斷進(jìn)程的CPU環(huán)境，轉(zhuǎn)入相應(yīng)的中斷處理程序進(jìn)行處理，處理完并回復(fù)被中斷進(jìn)程的現(xiàn)場后，返回到被中斷進(jìn)程。

（二）、IO管理

1.IO應(yīng)用程序接口

2.設(shè)備驅(qū)動程序接口

（三）、IO核心子系統(tǒng)

1.IO調(diào)度

調(diào)度一組IO請求就是確定確定一個好的順序來執(zhí)行這些請求。應(yīng)用程序所發(fā)布的系統(tǒng)調(diào)用的順序不一定總是最佳選擇，所以需要調(diào)度來改善系統(tǒng)整體性能，是進(jìn)程之間公平的共享設(shè)備訪問，減少IO完成所需要的平均等待時間。

操作系統(tǒng)開發(fā)人員通過為每個設(shè)備維護(hù)一個請求隊(duì)列來實(shí)現(xiàn)調(diào)度。當(dāng)一個應(yīng)用程序執(zhí)行阻塞IO系統(tǒng)調(diào)用時，該請求就加到相應(yīng)設(shè)備的隊(duì)列上。IO調(diào)度會重新安排隊(duì)列順序以改善系統(tǒng)總體效率和應(yīng)用程序的平均響應(yīng)時間。

IO子系統(tǒng)還可以使用主存或磁盤上的存儲空間的技術(shù)，如緩沖、高速緩沖、假脫機(jī)等。

2.設(shè)備維護(hù)

（四）、SPOOLing（假脫機(jī)技術(shù)）

為了緩和CPU的高速型與IO設(shè)備低速性之間的矛盾而引入了脫機(jī)輸入、脫機(jī)輸出技術(shù)。該技術(shù)是利用專門的外圍控制機(jī)，將低速IO設(shè)備上的數(shù)據(jù)傳送到高速磁盤上；或者相反。SPOOLing的意思是外部設(shè)備同時聯(lián)機(jī)操作，又稱為假脫機(jī)輸入輸出操作，是操作系統(tǒng)中采用的一項(xiàng)將獨(dú)占設(shè)備改造成共享設(shè)備的技術(shù)。

在磁盤上開辟出的兩個存儲區(qū)域。輸入井模擬脫機(jī)輸入時的磁盤，用于收容IO設(shè)備輸入的數(shù)據(jù)。輸出井模擬脫機(jī)輸出的磁盤，用于收容用戶程序的輸出數(shù)據(jù)。

在內(nèi)存中開辟的兩個緩沖區(qū)。出入緩沖區(qū)用于暫存由輸入設(shè)備送來的數(shù)據(jù)，以后再傳送到輸入井。輸出緩沖區(qū)用于暫存從輸出井送來的數(shù)據(jù)，以后再傳送到輸出設(shè)備。

輸入進(jìn)程模擬脫機(jī)輸入時的外圍控制機(jī)，將用戶要求的數(shù)據(jù)從輸入機(jī)通過輸入緩沖區(qū)再送到輸入井。當(dāng)CPU需要輸入數(shù)據(jù)時，直接將數(shù)據(jù)從輸入井讀入內(nèi)存。輸入進(jìn)程模擬脫機(jī)輸出時的外圍控制機(jī)，把用戶要求輸出的數(shù)據(jù)先從內(nèi)存送到輸出井，待輸出設(shè)備空閑時，再將輸出井中的數(shù)據(jù)經(jīng)過輸出緩沖區(qū)送到輸出設(shè)備。

共享打印機(jī)是使用SPOOLing技術(shù)的一個實(shí)例，這項(xiàng)技術(shù)已被廣泛的用于多用戶系統(tǒng)和局域網(wǎng)絡(luò)中。當(dāng)用戶進(jìn)程請求打印輸出時，SPOOLing系統(tǒng)統(tǒng)一為它打印輸出，但并不真正立即把打印機(jī)分配給該用戶進(jìn)程，而只為它做兩件事：

1）由輸出進(jìn)程在輸出井中為之申請一個空閑磁盤塊區(qū)，并將要打印的數(shù)據(jù)送入其中。

2）輸出進(jìn)程再為用戶進(jìn)程申請一張空白的用戶請求打印表，并將用戶的打印要求填入其中，再將該表掛到請求打印隊(duì)列中。

SPOOLing系統(tǒng)的特點(diǎn)是：提高了IO速度；將獨(dú)占設(shè)備改造為共享設(shè)備；實(shí)現(xiàn)了虛擬設(shè)備功能。

出錯處理

操作系統(tǒng)可以采用內(nèi)存保護(hù)，這樣一來就可以預(yù)防許多硬件和應(yīng)用程序的錯誤，即便有一些設(shè)備硬件上的失靈也不會導(dǎo)致系統(tǒng)的完全崩潰。

IO設(shè)備傳輸中出現(xiàn)的錯誤很多，如網(wǎng)絡(luò)上的堵塞和傳輸過載等。操作系統(tǒng)可以對一些短暫的出錯進(jìn)行處理，比如讀取磁盤出錯，那么可以選擇重新嘗試對磁盤進(jìn)行read操作；再比如在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送數(shù)據(jù)出錯，那么只要網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議允許，就可以做resend操作。但是，如果計算機(jī)系統(tǒng)中的重要組件出現(xiàn)了永久性錯誤，那么操作系統(tǒng)將無法恢復(fù)。

作為一個規(guī)則，IO系統(tǒng)調(diào)用通常返回一位調(diào)用狀態(tài)信息，以表示成功或失敗。在UNIX系統(tǒng)中，用一個名為errno的全局變量來表示出錯代碼，以表示出錯原因。

注意：read、send和resend都是操作系統(tǒng)的基本輸入輸出命令，分別用來讀、發(fā)送和重發(fā)數(shù)據(jù)。

（五）、設(shè)備的分配與回收

設(shè)備分配的基本任務(wù)是根據(jù)用戶的IO請求，為他們分配所需的設(shè)備。設(shè)備分配的總原則是充分發(fā)揮設(shè)備的使用效率，盡可能地讓設(shè)備忙碌，又要避免由于不合理的分配方法造成進(jìn)程死鎖。從設(shè)備的特性來看，可以把設(shè)備分成獨(dú)占設(shè)備、共享設(shè)備和虛擬設(shè)備三類。

對于獨(dú)立設(shè)備，將一個設(shè)備分配給某進(jìn)程后，便由該進(jìn)程獨(dú)占，直至該進(jìn)程完成或釋放該設(shè)備。對于共享設(shè)備，可以同時分配給多個進(jìn)程使用，但需要對這些進(jìn)程訪問該設(shè)備的先后次序進(jìn)程合理的調(diào)度。虛擬設(shè)備屬于可共享設(shè)備，可以將它同時分配給多個進(jìn)程使用。

設(shè)備分配依據(jù)的主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有設(shè)備控制表（DCT）、控制器控制表（COCT）、通道控制表（CHCT）和系統(tǒng)設(shè)備表（SDT），各數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)功能如下：

設(shè)備控制表：系統(tǒng)為每一個設(shè)備配置一張DCT，它用于記錄設(shè)備的特性以及與IO控制器連接的情況。DCT包括設(shè)備標(biāo)示符、設(shè)備類型、設(shè)備狀態(tài)、指向COCT的指針等。其中，設(shè)備隊(duì)列指針指向等待使用該設(shè)備的進(jìn)程組成的等待隊(duì)列，控制表指針指向于該設(shè)備相連接的設(shè)備控制器。

控制器控制表：每個控制器都配有一張COCT，它反映設(shè)備控制器的使用狀態(tài)以及和通道的連接情況等。

通道控制表：每個通道配有一張CHCT。

系統(tǒng)設(shè)備表：整個系統(tǒng)只有一張SDT，它記錄已連接到系統(tǒng)中的所有物理設(shè)備的情況，每個物理設(shè)備占一個表目。

由于在多道程序系統(tǒng)中，進(jìn)程數(shù)多于資源數(shù)，會引起資源的競爭。因此，要有一套合理的分配原則，主要考慮的因素有：IO設(shè)備的固有屬性，IO設(shè)備的分配算法，設(shè)備分配的安全性，以及設(shè)備獨(dú)立性。

1）設(shè)備分配原則。設(shè)備的分配原則應(yīng)根據(jù)設(shè)備特性、用戶要求和系統(tǒng)配置的情況來決定。設(shè)備分配的總原則既要充分發(fā)揮設(shè)備的使用效率，又要避免造成進(jìn)程死鎖，還要將用戶程序和具體設(shè)備隔離開。

2）設(shè)備分配方式。設(shè)備分配方式有靜態(tài)分配和動態(tài)分配兩種。

靜態(tài)分配主要用于對獨(dú)占設(shè)備的分配，它在用戶作業(yè)開始執(zhí)行前，有系統(tǒng)一次性分配該作業(yè)所要求的全部設(shè)備、控制器（和通道）。一旦分配后，這些設(shè)備、控制器（和通道）就一直為高作業(yè)所占用，直到該作業(yè)被撤銷。靜態(tài)分配方式不會出現(xiàn)死鎖，但設(shè)備的使用效率較低。因此，靜態(tài)分配方式并不符合分配的總原則。

動態(tài)分配是在進(jìn)程執(zhí)行過程中根據(jù)執(zhí)行需要進(jìn)行。當(dāng)進(jìn)程需要設(shè)備時，通過系統(tǒng)調(diào)用命令向系統(tǒng)提出設(shè)備請求，由系統(tǒng)按照事先規(guī)定的策略給進(jìn)程分配所需要的設(shè)備、IO控制器，一旦用完之后，便立即釋放。動態(tài)分配方式有利于提高設(shè)備的利用率，但如果分配算法使用不當(dāng)，則有可能造成進(jìn)程死鎖。

3）設(shè)備分配算法。常用的動態(tài)設(shè)備分配算法有先請求先分配、優(yōu)先級高者優(yōu)先等。

對于獨(dú)占設(shè)備，即可以采用動態(tài)分配方式也可以靜態(tài)分配方式，往往采用靜態(tài)分配方式，即在作業(yè)執(zhí)行前，將作業(yè)所要用到的這一類設(shè)備分配給它。共享設(shè)備可被多個進(jìn)程所共享，一般采用動態(tài)分配方式，但在每個IO傳輸?shù)膯挝粫r間內(nèi)只被一個進(jìn)程所占有，通常采用先請求先分配和優(yōu)先級高者先分的分配算法。

設(shè)備分配的安全性是指設(shè)備分配中應(yīng)防止發(fā)生進(jìn)程死鎖。

1）安全分配方式。每當(dāng)進(jìn)程發(fā)出IO請求后便進(jìn)入阻塞狀態(tài)，直到其IO操作完成時才被喚醒。這樣，一旦進(jìn)程已經(jīng)獲得某種設(shè)備后便阻塞，不能再請求任何資源，而且在它阻塞時也不保持任何資源。優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備分配安全；缺點(diǎn)是CPU和IO設(shè)備是串行工作的。

2）不安全分配方式。進(jìn)程在發(fā)出IO請求后繼續(xù)運(yùn)行，需要時發(fā)出第二個、第三個IO請求等。僅當(dāng)進(jìn)程所請求的設(shè)備已被另一進(jìn)程占用時，才進(jìn)入阻塞狀態(tài)。有點(diǎn)事一個進(jìn)程可以同時操作幾個設(shè)備，從而使進(jìn)程推進(jìn)迅速；缺點(diǎn)是這種設(shè)備分配有可能產(chǎn)生死鎖。

為了提高設(shè)備分配的靈活性和設(shè)備的利用率、方便實(shí)現(xiàn)IO重定向，因此引入了設(shè)備獨(dú)立性。設(shè)備獨(dú)立性是指應(yīng)用程序獨(dú)立于具體使用的物理設(shè)備。

為了實(shí)現(xiàn)設(shè)備獨(dú)立性，在應(yīng)用程序中使用邏輯設(shè)備名來請求使用某類設(shè)備，在系統(tǒng)中設(shè)置一張邏輯設(shè)備表（LUT），用于將邏輯設(shè)備名映射為物理設(shè)備名。LUT表項(xiàng)包括邏輯設(shè)備名、物理設(shè)備名和設(shè)備驅(qū)動程序入口地址；當(dāng)進(jìn)程用邏輯設(shè)備名來請求分配設(shè)備時，系統(tǒng)為它分配相應(yīng)的物理設(shè)備，并在LUT中建立一個表項(xiàng)，以后進(jìn)程再利用邏輯設(shè)備名請求IO操作時，系統(tǒng)通過查找LUT來尋找相應(yīng)的物理設(shè)備和驅(qū)動程序。

在系統(tǒng)中可采取兩種方式建立邏輯設(shè)備表：

1）在整個系統(tǒng)中只設(shè)置一張LUT表。這樣，所有進(jìn)程的設(shè)備分配情況都記錄在這張表中，故不允許有相同的邏輯設(shè)備名，主要適用于單用戶系統(tǒng)中。

2）為每個用戶設(shè)置一張LUT。當(dāng)用戶登錄時，系統(tǒng)便為用戶建立一個進(jìn)程，同時也為其建立一張LUT，放入進(jìn)程的PCB中。

（六）、高速緩存與緩沖區(qū)

操作系統(tǒng)總是用磁盤高速緩存技術(shù)來提高磁盤的IO速度，對高速緩存復(fù)制的訪問要比原始數(shù)據(jù)訪問更為高效。例如，正在運(yùn)行的進(jìn)程的指令既存儲在磁盤上，也存儲在物理內(nèi)存上，也被復(fù)制到CPU的二級和一級高速緩存中。

不過，磁盤高速緩存技術(shù)不同于通常意義下的介于CPU與內(nèi)存之間的小容量高速存儲器，而是利用內(nèi)存中的存儲空間來暫存從磁盤中讀出的一系列盤塊中的信息，因此，磁盤高速緩存在邏輯上屬于磁盤，物理上則是駐留在內(nèi)存中的盤塊。

高速緩存在內(nèi)存中分為兩種形式：一種是在內(nèi)存中開辟一個單獨(dú)的存儲空間作為磁盤高速緩存，大小固定；另一種是把未利用的內(nèi)存空間作為一個緩沖池，供請求分頁系統(tǒng)和磁盤IO時共享。

在設(shè)備管理子系統(tǒng)中，引入緩沖區(qū)的目的有：

1）緩和CPU與IO 設(shè)備間速度不匹配的矛盾。

2）減少對CPU的中斷頻率，放寬對CPU 中斷響應(yīng)時間的限制。

3）解決基本數(shù)據(jù)單元大小不匹配的問題。

4）提高CPU和IO設(shè)備之間的并行性。

其實(shí)現(xiàn)方法有：

1）采用硬件緩沖器，但由于成本太高，除一些關(guān)鍵部位外，一般情況下不采用硬件緩沖器。

2）采用緩沖區(qū)（位于內(nèi)存區(qū)域）

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置緩沖器的個數(shù)，緩沖技術(shù)可以分為：

1）單緩沖。在設(shè)備和處理器之間設(shè)置一個緩沖區(qū)。設(shè)備和處理器交換數(shù)據(jù)時，先把被交換數(shù)據(jù)寫入緩沖區(qū)，然后把需要數(shù)據(jù)的設(shè)備或處理器從緩沖區(qū)取走數(shù)據(jù)。

在塊設(shè)備輸入時，假定從磁盤把一塊數(shù)據(jù)輸入到緩沖區(qū)的時間為T，操作系統(tǒng)將該緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)局傳送到用戶區(qū)的時間為M，而CPU對這一塊數(shù)據(jù)處理的時間為C。由于T和C是可以并行的，所以可把系統(tǒng)對每一塊數(shù)據(jù)的處理時間表示為Max(C,T)+M。

2）雙緩沖。雙緩沖區(qū)機(jī)制又稱緩沖對換。IO設(shè)備輸入數(shù)據(jù)時先輸入到緩沖區(qū)1，直到緩沖區(qū)1滿后才輸入到緩沖區(qū)2，此時操作系統(tǒng)可以從緩沖區(qū)1中取出數(shù)據(jù)放入用戶進(jìn)程，并由CPU計算。雙緩沖的使用提高了處理器和輸入設(shè)備的并行操作的程度。

系統(tǒng)處理一塊數(shù)據(jù)的時間可以粗略地認(rèn)為是Max(T, C + M)。如果C>T，則可使CPU不必等待設(shè)備輸入。對于字符設(shè)備，若采用行輸入方式，則采用雙緩沖可使用戶再輸入完第一行之后，在CPU執(zhí)行第一行中的命令的同時，用戶可繼續(xù)向第二緩沖區(qū)輸入下一行數(shù)據(jù)。而單緩沖情況下則必須等待一行數(shù)據(jù)被提取完畢才可輸入下一行的數(shù)據(jù)。

如果兩臺機(jī)器之間通信僅配置了單緩沖，那么，他們在任意時刻都只能實(shí)現(xiàn)單方向的數(shù)據(jù)傳輸。為了實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸，必須在兩臺機(jī)器中都設(shè)置兩個緩沖區(qū)，一個用作發(fā)送緩沖區(qū)，另一個用作接收緩沖區(qū)。

3）循環(huán)緩沖：包含多個大小相等的緩沖區(qū)，每個緩沖區(qū)中有一個緩沖區(qū)，最后一個緩沖區(qū)指針指向第一個緩沖區(qū)，多個緩沖區(qū)構(gòu)成一個環(huán)形。用于輸入輸出時，還需要有兩個指針in和out。對輸入而言，首先要從設(shè)備接收數(shù)據(jù)到緩沖區(qū)中，in指針指向可以輸入數(shù)據(jù)的第一個空緩沖區(qū)；當(dāng)運(yùn)行進(jìn)程需要數(shù)據(jù)時，從循環(huán)緩沖去中去一個裝滿數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)，并從此緩沖區(qū)中提取數(shù)據(jù)，out指針指向可以提取數(shù)據(jù)的第一個滿緩沖區(qū)。輸出正好相反。

4）緩沖池：由多個系統(tǒng)共用的緩沖區(qū)組成，緩沖區(qū)按其使用狀況可以形成三個隊(duì)列：空緩沖隊(duì)列、裝滿輸入數(shù)據(jù)的緩沖隊(duì)列（輸入隊(duì)列）和裝滿輸出數(shù)據(jù)的緩沖隊(duì)列（輸出隊(duì)列）。還應(yīng)具有四種緩沖區(qū)：用于收容輸入數(shù)據(jù)的工作緩沖區(qū)、用于提取輸入數(shù)據(jù)的工作緩沖區(qū)、用于收容輸出數(shù)據(jù)的工作緩沖區(qū)、用于提取輸出數(shù)據(jù)的工作緩沖區(qū)。

5）高速緩存與緩沖區(qū)的對比

高速緩存是可以保存復(fù)制數(shù)據(jù)的高速存儲器。訪問高速緩存比訪問原始數(shù)據(jù)更高效，速度更快。

（七）、疑難點(diǎn)

1）分配設(shè)備。首先根據(jù)IO請求中的物理設(shè)備名查找系統(tǒng)設(shè)備表（SDT），從中找出該設(shè)備的DCT，再根據(jù)DCT中的設(shè)備狀態(tài)字段，可知該設(shè)備是否正忙。若忙，便將請求IO進(jìn)程的PCB掛在設(shè)備隊(duì)列上；空閑則按照一定算法計算設(shè)備分配的安全性，安全則將設(shè)備分配給請求進(jìn)程，否則仍將其PCB掛到設(shè)備隊(duì)列。

2）分配控制器。系統(tǒng)把設(shè)備分配給請求IO的進(jìn)程后，再到其DCT中找出與該設(shè)備連接的控制器的COCT，從COCT中的狀態(tài)字段中可知該控制器是否忙碌。若忙，便將請求IO進(jìn)程的PCB掛在該控制器的等待隊(duì)列上；空閑便將控制器分配給進(jìn)程。

3）分配通道。在該COCT中又可找到與該控制器連接的通道CHCT，再根據(jù)CHCT內(nèi)的狀態(tài)信息，可知該通道是否忙碌。若忙，便將請求IO的進(jìn)程掛在該通道的等待隊(duì)列上；空閑便將該通道分配給進(jìn)程。只有在上述三者都分配成功時，這次設(shè)備分配才算成功。然后，便可啟動該IO設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。

為使獨(dú)占設(shè)備的分配具有更強(qiáng)的靈活性，提高分配的成功率，還可以從以下兩方面對基本的設(shè)備分配程序加以改進(jìn)：

1）增加設(shè)備的獨(dú)立性。進(jìn)程使用邏輯設(shè)備名請求IO。這樣，系統(tǒng)首先從SDT中找出第一個該類設(shè)備的DCT。若該設(shè)備忙，又查找出第二個該設(shè)備的DCT。僅當(dāng)所有該類設(shè)備都忙時，才把進(jìn)程掛在該類設(shè)備的等待隊(duì)列上；只要有一個該類設(shè)備可用，系統(tǒng)便進(jìn)一步計算分配該設(shè)備的安全性。

2）考慮多通路情況。為防止IO系統(tǒng)的“瓶頸”現(xiàn)象，通常采用多通路的IO系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。此時對控制器和通道的分配同樣要經(jīng)過幾次反復(fù)，即若設(shè)備（控制器）所連接的第一個控制器（通道）忙時，應(yīng)查看其所連接的第二個控制器（通道），僅當(dāng)所有的控制器（通道）都忙時，此次的控制器（通道）分配才算失敗，才把進(jìn)程掛在控制器（通道）的等待隊(duì)列上。而只要有一個控制器（通道）可用，系統(tǒng)便可將它分配給進(jìn)程。