6.3 设备分配
一.数据结构
1.SDT 系统设备表
这是系统范围的数据结构，记录了系统中全部设备的情况，每个设备占一个表目，其中包括的有设备类型、设备标识符、设备控制表及设备驱动程序的入口等项。
- DCT 设备控制表
设备控制表中，除了有用于指示设备类型的字段type和设备标识字段deviceid外，还 应含有下列字段：
(1) 设备队列队首指针，凡因请求本设备而未得到满足的进程，应将其PCB按照一定 的策略排成一个设备请求队列，其队首指针指向队首PCB;
(2) 忙/闲标志，用于表示当前设备的状态是忙或闲：
(3) 与设备连接的控制器表指针，该指针指向该设备所连接的控制器的控制表：
(4) 重复执行次数，由于外部设备在传送数据时较易发生数据传送错误，因而在许多 系统中规定了设备在工作中发生错误时应重复执行的次数，在重复执行时，若能恢复正常 传送，则仍认为传送成功，仅当重复执行次数达到规定值仍不成功时，才认为传送失败。
- COCT 控制器控制表
系统为每一个控制器都设置了用于记录控制器情况的控制器控制表。
- CHCT 通道控制表
每个通道都有一张通道控制表
二. 分配算法
独占设备的分配程序
我们通过一个例子来介绍设备分配过程。当某进程提出I/O请求后|系统的设备分配 程序可按下述步骤进行设备分配：
(1) 分配设备。首先根据I/O请求中的物理设备名查找系统设备表SDT,从中找出该 设备的 DCT,再根据 DCT中的设备状态字段，可知该设备是否正忙。若忙.便将请求I/O 的进程的PCB挂在设备队列上：否则，便按照一定的算法，计算本次设备分配的安全性。 如果不会导致系统进入不安全状态，便将设备分配给请求进程：否则，仍将其PCB插入设 备等待队列。
(2) 分配控制器。在系统把设备分配给请求I/O的进程后，再到其DCT中找出与该设 备连接的控制器的COCT，从COCT的状态字段中可知该控制器是否忙碌。若忙，便将请 求I/O进程的PCB,挂在该控制器的等待队列上。否则，便将该控制器分配给进程。
(3) 分配通道。在该COCT中又可找到与该控制器连接的通道的CHCT,再根据 CHCT 内的状态信息可知该通道是否忙碌。若忙，便将请求I/O的进程挂在该通道的等待队列上; 否则，将该通道分配给进程。只有在设备、控制器和通道三者都分配成功时，这次的设备分配才算成功。然后，便可启动该I/O设备进行数据传送。
分配程序的改进
在上面的例子中，进程是以物理设备名提出I/O请求的。如果所指定的设备己分配给 其它进程，则分配失败。或者说上面的设备分配程序不具有与设备无关性。为获得设备的 独立性，进程应使用逻辑设备名请求I/O。这样，系统首先从SDT中找出第一个该类设备 的DCT。若该设备忙，又査找第二个该类设备的DCT,仅当所有该类设备都忙时，才把进 程挂在该类设备的等待队列上。而只要有一个该类设备可用，系统便进一步计算分配该设 备的安全性。如安全，便可把设备分配给它。
6.4 缓冲区管理
一、引入缓冲区
（1）缓和CPU和I/O设备间速度不匹配的矛盾；
（2）减少对CPU的中断频率，放宽对CPU中断响应时间的限制；
（3）解决数据粒度不匹配的问题；
（4）提高CPU和I/O设备之间的并行性。
二、单缓冲区和双缓冲区
1.单缓冲区
2.双缓冲区
三、循环缓冲（环形缓冲区）
- 组成
（1）多个缓冲区。每个缓冲区大小相同，输入的缓冲区可以分成三种类型：用于装输入数据的空缓冲区R、已装满数据的缓冲区G和计算进程正在使用的现行工作缓冲区C
（2）多个指针。可设置三个指针：用于计算进程下一个可用缓冲区G的指针Nextg、指示输入进程下次可用的空缓冲区R的指针Nexti和用于指示计算进程正在使用的缓冲区C的指针Current。
- 使用
计算进程和输入进程可利用下述两个过程来使用形环缓冲区。
(1) Getbuf过程。当计算进程要使用缓冲区中的数据时，可调用Getbuf过程。该过程 将由指针Nextg所指示的缓冲区提供给进程使用，相应地，须把它改为现行工作缓冲区， 并令Current指针指向该缓冲区的第一个单元，同时将Nextg移向下一个G缓冲区。类似 地，每当输入进程要使用空缓冲区来装入数据时，也调用Getbuf过程，由该过程将指针 Nexti所指示的缓冲区提供给输入进程使用，同时将Nexti指针移向个 R缓冲区。
(2) Releasebuf过程。当计算进程把C缓冲区中的数据提取完毕时，便调用Releasebuf过程，将缓冲区C释放。此时，把该缓冲区由当前(现行)工作缓冲区C改为空缓冲区R。 类似地，当输入进程把缓冲区装满时，也应调用Releasebuf过程，将该缓冲区释放，并改为G缓冲区。
- 同步问题
使用输入循环缓冲，可使输入进程和计算进程并行执行。相应地，指针Nexti和指针 Nextg将不断地沿着顺时针方向移动，这样就可能出现下述两种情况：
(1) Nexti指针追赶上Nextg指针。这意味着输入进程输入数据的速度大于计算进程处 理数据的速度，已把全部可用的空缓冲区装满，再无缓冲区可用。此时，输入进程应阻塞， 直到计算进程把某个缓冲区中的数据全部提取完，使之成为空缓冲区R，并调用Releasebuf 过程将它释放时，才将输入进程唤醒。这种情况被称为系统受计算限制。
(2) Nextg指针追赶上Nexti指针。这意味着输入数据的速度低于计算进程处理数据的 速度，使全部装有输入数据的缓冲区都被抽空，再无装有数据的缓冲区供计算进程提取数 据。这时，计算进程只能阻塞，直至输入进程又装满某个缓冲区，并调用Releasebuf过程 将它释放时，才去唤醒计算进程。这种情况被称为系统受I/O限制。
四、缓冲池
为了管理上的方便，一般将缓冲池中具有相同类型的缓冲区 链接成一个队列，于是可形成以下三个队列：
(1) 空白缓冲队列emq。这是由空缓冲区所链成的队列。其队首指针F(emq)和队尾指 针L(emq)分别指向该队列的首缓冲区和尾缓冲区。
(2) 输入队列inq。这是由装满输入数据的缓冲区所链成的队列。其队首指针F(inq)和 队尾指针L(inq)分别指向输入队列的队首和队尾缓冲区。
(3) 输出队列oiuq。这是由装满输出数据的缓冲区所链成的队列。其队首指针F(mnq) 和队尾指针L(cnuq)分别指向该队列的首、尾缓冲区。
除了上述三个队列外，还应具有四种工作缓冲区：用于收容输入数据的工作缓冲区、 用于提取输入数据的工作缓冲区、用于收容输出数据的工作缓冲区，以及用于提取输出数 据的工作缓冲区。
5.5 I/0软件结构
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用户 |
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应用程序 |
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设备独立（无关）性 |
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设备驱动程序 |
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中断处理程序 |
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设备 |
一、中断处理程序
用于保存被中断进程的CPU环境，转入相应的中断处理程序进行处理，处理完毕再恢复被中断的进程的现场后，返回到被中断的进程。
中断可以嵌套，不可以递归。
二、驱动程序
用于具体实现系统对设备发出的操作指令，驱动I/O设备工作的驱动程序。
抽象-->具体
通信 主机与控制
三、设备独立性
- 定义：应用程序独立于具体的物理设备
- 实现
系统中必须设置一张逻辑设备表LUT,其每个表目屮包含了逻辑设备名称、物理设备名称 和设备驱动程序入口地址三项。当应用程序用逻辑设备名称请求分配 I/O设备时，系统为 它分配相应的物理设备，并在LUT中建立一个表目。以后进程利用该逻辑设备名称请求 I/O操作时，便吋从LUT中得到物理设备名称和驱动程序入口地址。
3.易于实现设备重定向，灵活
四、虚拟设备和spooling技术
- 假脱机（spooling技术）
在联机情况下实现同时外围操作的技术。
2.组成
(1) 输入井和输出井。这是在磁盘上开辟出来的两个存储区域。输入井模拟脱机输入 时的磁盘，用于收容I/O设备输入的数据。输出井模拟脱机输出时的磁盘，用于收容用户 程序的输出数据。输入/输出井中的数据一般以文件的形式组织管理，我们把这些文件称为 井文件。一个文件仅存放某一个进程的输入(或者输出)数据，所有进程的数据输入(或输出) 文件链接成为一个输入(或输出)队列。
(2) 输入缓冲区和输出缓冲区。这是在内存中幵辟的两个缓冲区，用于缓和CPU和磁 盘之间速度不匹配的矛盾。输入缓冲区用于暂存由输入设备传送的数据，之后再传送到输 入井。输出缓冲区用于暂存从输出井传送的数据，之后再传送到输出设备。
(3) 输入进程和输出进程。输入进程也称为预输入进程，用于模拟脱机输入时的外闱 控制机，将用户要求的数据从输入设备传送到输入缓冲区，再存放到输入井。当CPU需要 输入设备时，直接从输入井读入内存。输出进程也称为缓输出进程，用于模拟脱机输出时 的外围控制机，把用户要求输入的数据从内存传送并存放到输出井，待输出设备空闲时， 再将输出井中的数据经过输出缓冲区输出至输出设备上。
(4) 井管理程序。用于控制作业与磁盘井之间信息的交换。当作业执行过程中向某台 设备发出启动输入或输出操作请求时，由操作系统调用井管理程序，由其控制从输入井读 取信息或将信息输出至输出井。
3.特点
（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
4.原理
预输入，缓输出，井管理
