第5章 设备管理 第3课时 设备的分配与回收《操作系统原理课件（第2版）》 同步教学（电子工业出版社）

操作系统原理(第2版） 第5章 设备管理 设备又称I/O（输入/输出）设备，是指计算机系统中除CPU和内存之外的所有外部设备。现代计算机系统配备了大量的外部设备用于信息的输入和输出。 管理好I/O设备，完成用户的I/O请求，提高I/O的速度，以及改善I/O设备的利用率是操作系统的基本任务。 操作系统中有专门实现设备管理的代码，这部分代码称为设备管理程序。由于I/O设备种类繁多，且它们的特性和操作方式往往差异很大，因此设备管理程序是操作系统中最繁杂且与硬件最紧密相关的功能模块。 第5章 设备管理 5.1 设备管理概述 5.2 I/O设备管理系统的组成 5.3 I/O设备控制方式 5.4 缓冲技术与虚拟设备技术 5.5 设备的分配与回收 5.6 磁盘存储器管理 5.4.1 缓冲技术 （1）缓解CPU与I/O设备之间速度不匹配的矛盾。程序在输出时必然因打印机速度跟不上而使CPU等待，而CPU计算时打印机又因无数据输出而闲置。如果设置了缓冲区，则程序可将数据先输出到缓冲区后继续运行，而打印机则可从缓冲区中取出数据慢慢打印，从而使CPU与I/O设备的速度不匹配矛盾得到缓解。 （2）减少中断次数和CPU的中断处理时间。没有缓冲时慢速I/O设备每传送一个字节数据都要产生一次中断由CPU处理。如果采用缓冲技术，则I/O设备可通过缓冲区逐个字的进行数据传递，直到缓冲区中的数据传送完或者装满时才发出一个中断。因此减少了中断次数和CPU的中断处理时间。 （3）解决了DMA控制方式或I/O通道控制方式下数据传送的瓶颈问题。DMA控制方式或I/O通道控制方式都适合于成批数据传送，而无缓冲下的慢速设备却只能逐个字节的传送数据。这造成了DMA控制方式或I/O通道控制方式传输的瓶颈，而缓冲区的设置恰好满足了DMA控制方式或I/O通道方式的成批数据传送方式，解决了数据传输的瓶颈问题。 凡是在数据到达和离去速度不匹配的地方都可以采用缓冲技术来提高设备的利用率。 5.4 缓冲技术与虚拟设备技术 实现缓冲通常有两种方法：一种是采用专门的硬件缓冲器，如设备控制器中的数据缓冲寄存器；另一种是在内存中开辟一段存储区作为缓冲区。 1. 单缓冲和双缓冲 单缓冲：在CPU与设备之间设置一个缓冲区。 双缓冲：在CPU与设备之间设置两个缓冲区。输入和取出数据分别在不同的缓冲区进行，明显提高了设备的I/O速度。 5.4 缓冲技术与虚拟设备技术 缓冲技术 2. 循环缓冲 循环缓冲中的每个缓冲区大小相同， 并且根据缓冲区的当前状态划分成3种类型： （1）空缓冲区(记为E)，用于装入数据。 （2）满缓冲区(记为G)，已装满数据。 （3）当前工作缓冲区(记为C)，当前正在使用的缓冲区。 采用循环缓冲可使设备与CPU并行工作，在循环缓冲使用过程中NextE指针和NextG指针会不断循环。若缓冲区的I/O速度不一样，则这两个指针可能会发生重合因而必须进行同步。这时会出现以下两种情况： （1）NextE指针追上Current指针。表明生产者进程输入数据的速度大于消费者进程提取数据的速度，所有缓冲区全部装满数据已无空缓冲区可用。此时生产者进程应阻塞，待消费者进程将某个缓冲区中的数据提取完毕后再将它唤醒。 （2）NextG指针追上NextE指针。表明消费者进程提取数据的速度大于生产者进程输入数据的速度，所有缓冲区全部提空已无满缓冲区可用，此时消费者进程应阻塞，待生产者进程将某个缓冲区装满后再将它唤醒。 缓冲技术 3. 缓冲池 公用缓冲池中的缓冲区可以供各种生产者和消费者共享，缓冲区根据其状态可以分三种类型： ① 空缓冲区；② 装满输入数据的缓冲区；③ 装满输出数据的缓冲区。 为了管理方便，可以将同类型的缓冲区链接成一个队列，则在公用缓冲池中就有以下三种缓冲区队列： （1）空缓冲区队列（记为EmQ），由所有空缓冲区链接而成。 （2）输入缓冲区队列（记为InQ），由所有装满输入数据的缓冲区链接而成。 （3）输出缓冲区队列（记为OutQ），由所有装满输出数据的缓冲区链接而成。 缓冲技术 3. 缓冲池 公用缓冲池技术是指缓冲池中的缓冲区可以供各种生产者和消费者共享。 缓冲池中缓冲区的工作方式:收容输入、提取输入、收容输出、提取输出。 缓冲技术 使用缓冲池的四种工作方式： （1）收容输入。由输入进程调用函数GetBuf(EmQ)，从空缓冲区队列EmQ的队首摘下一个缓冲区，作为收容输入数据的工作缓冲区Hin，当其装满输入数据后，再