OS复习——设备管理

OS复习——设备管理

1. I/O设备分类

没有找到确切的网络设备的定义，欢迎读者提供相关资料！

• 字符设备：在I/O传输过程中以字符为单位存储、传输信息的设备，如键盘、打印机等。传输速率低、不可寻址。

• 块设备：在I/O传输过程中以数据块为单位存储、运输信息的设备，如硬盘、U盘等。传输速率较高、可寻址（随机读写），每个块都有自己的地址，还可以在设备的任意位置读写一定长度的数据。

• 网络设备：

2. I/O端口地址

​ 接口电路中每个寄存器都具有唯一的地址，所有I/O端口地址形成I/O端口的地址空间，受OS保护。I/O指令形式与I/O地址是相互关联的，主要有以下形式：

• 内存映像编址（内存映像I/O模式）：控制器的内存/寄存器作为物理内存空间的一部分
• I/O独立编址（I/O专用指令）：Intel体系架构in/out指令

3. I/O控制技术

3.1 程序控制

​ 程序控制I/O，也称轮询或查询方式I/O，它由CPU代表进程向I/O模块发出指令， 然后进入忙等状态， 直到操作完成之后进程才能够继续执行。

工作过程：

1. 应用程序提出了一个读数据的请求；

2. 设备驱动程序检查设备的状态；

3. 如果状态正常，就给设备发出相应的控制命令；

   4. 不断地去测试这个设备是否完成了这次执行过程，实际上就是一个轮询；
   5. 设备控制器完成操作，把数据送给应用程序；
   6. 应用程序继续进行相应的处理。

3.2 中断驱动

​ 中断驱动，当I/O操作结束后由设备控制器主动地来通知设备驱动程序说这次结束， 而不是设备驱动程序不断地去轮询看看设备的状态。

工作过程：

1. 用户程序提出I/O请求；
2. 设备驱动程序检查设备的状态；
3. 如果设备已经准备好，那么就向设备发出控制命令；
4. 将状态记录在设备状态表中，CPU继续其他工作；
5. 设备完成工作后向CPU发中断信号，转入中断处理程序；
6. 中断处理程序发现这是一个正常地完成了控制命令的信号后，把结构提交给设备管理程序；
7. 设备管理程序会从设备状态表里查询是哪一个请求的完成；
8. 把相应的数据送到应用程序；
9. 通知应用程序可以据需执行。

3.3 直接内存访问（DMA）

工作过程：

1. 由程序设置DMA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I/O操作；
2. DMA控制器完成内存与外设的成批数据交换；
3. 在操作完成时由DMA控制器向CPU发出中断。

DMA控制器中的寄存器：

• 命令/状态寄存器（CR）：用于接收从CPU发送来的I/O命令，或有关控制信息，或设备的状态。
• 内存地址寄存器（MAR）：在输入时，它存放把数据从设备传送到内存的起始目标地址；在输出时，它存放由内存到设备的内存源地址。
• 数据寄存器（DR）：用于暂存从设备到内存，或从内存到设备的数据。
• 数据计数器（DC）：存放本次CPU要读或写的字（节）数。

优点：

• CPU只需干预I/O操作的开始和结束，而后续成批的数据读写则无需CPU控制，适于高速设备。

缺点：

• 数据传送的方向、存放数据的内存地址及传送数据的长度等都由CPU控制，占用了CPU时间。
• 每个设备占用一个DMA控制器，当设备增加时，需要增加新的DMA控制器。

3.4 通道技术（Channel）

​ I/O通道是专门负责输入输出的处理器，独立于CPU，有自己的指令体系。可执行由通常指令组成的通道程序，因此可以进行较为复杂的I/O控制。通道程序通常由操作系统所构造，放在内存里。

​ 优点：执行一个通道程序可以完成几组I/O操作，与DMA相比，减少了CPU干预。

​ 缺点：费用较高。

4. I/O软件的组成与分层设计

4.1 I/O相关软件的层次关系

分层设计思想：

• 把I/O软件组织成多个层次；
• 每一层都执行OS所需的功能的一个子集，它依赖于更低一层所执行的更原始的功能，从而隐藏这些功能的细节；同时又给高一层提供服务；
• 较低层更多的考虑硬件的特性，并向较高层软件提供接口；
• 较高层不依赖于硬件，并向用户提供一个友好的、清晰的、简单的、功能更强的接口。

4.2 设备独立性

• 为了实现设备独立性而引入了逻辑设备和物理设备这两个概念，在应用程序中，使用逻辑设备名称来请求使用某类设备，而系统在实际执行时，还必须使用物理设备名称。系统需具有将逻辑设备名称转换为某物理设备名称的功能，这非常类似于存储器管理所介绍的逻辑地址和物理地址的概念，在应用程序中使用的是逻辑地址，系统在分配和使用内存时，必须使用物理地址。
• 设备独立性的优点：
  • 设备分配时的灵活性，当进程以物理名称来请求使用指定设备时，如果该设备已经分配给其他进程或正在检修，而此时尽管还有几台其他的相同设备正在空闲，该进程仍然阻塞。但若进程能够以逻辑设备名称来请求某类设备时，系统可立即将该类设备中的任一台分配给进程，仅当所有此类设备全部分配完毕时，进程才会阻塞。
  • 易于实现I/O重定向，用于I/O操作的设备可以更换，而不必改变应用程序。例如，我们在调试一个应用程序时，可将程序的所有输出送往屏幕显示；而在程序调试完后，如需正式将程序的运行结果打印出来，此时便须将I/O重定向的数据结构——逻辑设备表中的显示终端改为打印机，而不必修改应用程序。
• 逻辑设备名到物理设备名的映射
  • 逻辑设备表（LUT）：系统必须设置一张逻辑设备表，用于将应用程序中所使用的逻辑设备名映射为物理设备名。该表的每个表目中包含了三项，逻辑设备名、物理设备名、设备驱动程序的入口地址。通过逻辑设备名，系统可以查找LUT，便可找到物理设备和驱动程序。
  • LUT的设置可以采用两种方式：
    • 在整个系统中设置一张LUT（由于系统中所有进程的设备分配情况都记录在同一张LUT中，因而不允许在LUT中具有相同的逻辑设备名，这就要求所有用户都不能使用相同的逻辑设备名，多用户下难以做到，单用户很好实现）。
    • 为每个用户设置一张LUT（每当用户登录时，便为该用户建立一个进程，同时建立一张LUT，并将该表放入进程的PCB中）。

4.3 设备驱动程序

• 与设备密切相关的代码放在设备驱动程序中，每个设备驱动程序处理一种设备类型。设备驱动程序的任务是接受来自与设备无关的上层软件的抽象请求，并执行这个请求。每一个控制器都设有一个或多个设备寄存器，用来存放向设备发送的命令和参数。设备驱动程序负责释放这些命令，并监督它们正确执行。
• 设备驱动程序的组成：
  • 自动配置和初始化子程序：检测所要驱动的硬件设备是否存在、是否正常。如果该设备正常，则对该设备及其相关的设备驱动程序需要的软件状态进行初始化。在初始化时被调用一次。
  • I/O操作子程序：调用该子程序是系统调用的结果。执行该部分程序时，系统仍认为是和调用进程属同一个进程，只是由用户态变成核心态。
  • 中断服务子程序：系统来接收硬件中断，再由系统调用中断服务子程序。因为设备驱动程序一般支持同一类型的若干设备，所以一般在系统调用中断服务子程序的时候，都带有一个或多个参数，以唯一标识请求服务的设备。
• 驱动程序的接口：
  • 驱动程序初始化函数：向操作系统登记该驱动程序的接口函数，该初始化函数在系统启动时安装入内核执行。
  • 驱动程序卸载程序，申请设备函数，释放设备函数
  • I/O操作函数：对独占设备，包含启动I/O的命令；对共享设备，将I/O请求挂入请求队列。
  • 中断处理函数：I/O完成做善后处理，一般是唤醒等待刚完成I/O求的阻塞进程，时期能进一步做后续工作；如果存在I/O请求队列，则启动下一个I/O请求。

5. 缓冲技术

5.1 使用缓冲技术的原因

• 匹配CPU与外设的不同处理速度
• 减少对CPU的中断次数
• 提高CPU和I/O设备之间的并行性
• 提高外设利用率

5.2 单缓冲

​ 每当用户进程发出一个I/O请求时，操作系统便在主存中为之分配一个缓冲区，T、M，C的定义见下图。由于T和C是可以并行的，当T>C时，系统对每一块数据的处理时间为M+T，反之，为M+C，系统对每一块数据的处理时间为Max(C，T) + M。

5.3 双缓冲

​ 两个缓冲区，CPU和外设都可以连续处理而无需等待对方。要求CPU和外设的速度相近。在双缓冲时，系统处理一块数据的时间可以粗略地认为是Max(C+M，T)，如果CT，则可使CPU不必等待设备输入。

​ 其中关于粗略，通常CPU计算时间C和I/O时间T应该远大于内存拷贝的时间M，所以在强调双缓冲的作用时，可主要比较C和T，直接用这两个量的关系说明CPU和外设的互相等待情况。

5.4 环形缓冲

​ 若CPU和外设的处理速度差较大，双缓冲效果不够理想，因此引入了多缓冲机制，可将多个缓冲组织成循环缓冲形式。对于用作输入的循环缓冲，通常是提供给输入进程或计算进程使用，输入进程不断向空缓冲去输入数据，而计算进程则从中提取数据进行计算。

​ 循环缓冲区的组成如下：

​ 多个缓冲区，在循环缓冲区中包括多个缓冲区，每个缓冲区的大小相同，作为输入的多缓冲区可分为三种类型，用于装输入数据的空缓冲区R、已装满数据的缓冲区G以及计算进程正在使用的工作缓冲区C。

​ 多个指针，作为输入的缓冲区可设置三个指针，用于指示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、以及用于指示计算进程正在使用的缓冲区C的指针Current。

5.5 缓冲池

​ 上述的缓冲区仅适用于某特定的I/O进程和计算进程，因而它们属于专用缓冲。当系统较大时，将会有许多这样的循环缓冲，这样会消耗大量的内存空间，而且利用率不高，为了提高缓冲区的利用率，引入缓冲池，在池中设置了多个可供若干个进程共享的缓冲区。对于既可以用于输出的公用缓冲区，其中至少包含有以下三种类型的缓冲区：空（闲）缓冲区、装满输入数据的缓冲区和装满输出数据的缓冲区。

​ 为了管理方便，将相同类型的缓冲区链成一个队列，形成了：空缓冲队列emq，输入队列inq，输出队列outq。

​ 缓冲区可以工作在收容输入、提取输入、收容输出、提取输出四种工作方式下。

• 收容输入：在输入进程需要输入数据时，便调用Getbuf(emp)过程，从空缓冲队列的队首取出一个空缓冲区，把它作为收容输入工作缓冲hin，然后，把数据输入其中，装满后再调用Putbuf(inq, hin)过程，将该缓冲区挂在输入队列上。
• 提取输入：当计算进程需要输入数据时，调用Getbuf(inq)过程，从输入队列队首取出一个缓冲区，作为提取输入工作缓冲区sin，计算进程从中提取数据，计算进程用完该数据后，再调用Putbuf(emq, sin)过程，将该缓冲区挂到空缓冲队列emq上。
• 收容输出：当计算进程需要输出时，调用Getbuf(emq)过程从空缓冲区队列emq的队首取出一
  个空缓冲区，作为收容输出工作缓冲区hout，当其中装满输出数据后，又调用Putbuf(outq, hout)过程，将该缓冲区挂在outq末尾。
• 提取输出：由输出进程调用Getbuf(outq)过程，从输出队列队首取出一个装满输出数据的缓冲区，作为提取输出工作缓冲区sout，在数据提取完后，再调用Putbuf(emq, sout)过程，将该缓冲区挂在空缓冲队列末尾。

6. SPOOLing技术

​ 利用假脱机技术（SPOOLing），也称为虚拟设备技术可把独享设备变成具有共享特征的虚拟设备，从而提高设备利用率。在多道程序系统中，专门利用一道程序（SPOOLing程序）来完成对设备的I/O操作。

​ SPOOLing程序和外设进行数据交换，SPOOLing程序预先从外设读取数据并加以缓冲，在以后需要的时候输入到应用程序；SPOOLing程序接受应用程序的输出数据并加以缓冲，在以后适当的时候输出到外设。

​ 应用程序进行I/O操作时，只是和SPOOLing程序交换数据，可以称为“虚拟I/O”。应用程序实际上是从SPOOLing程序的缓冲池中读出数据或把数据送入缓冲池，而不是跟实际的外设进行I/O操作。

​ SPOOLing系统由三部分组成：

​ 输入井和输出井，这是在磁盘上开辟的两个大存储空间。输入井是模拟脱机输入时的磁盘设备，用于暂存I/O设备输入的数据，输出井是模拟脱机输出时的磁盘，用于暂存用户程序和输出数据。

​ 输入缓冲区和输出缓冲区，缓和CPU与磁盘之间速度不匹配，在内存中开辟的两个缓冲区，输入缓冲区用于暂存由输入设备送来的数据，以后再传送到输入井，输出缓冲区用于暂存从输出井送来的数据，以后再传送给输出设备。

​ 输入进程SPi和输出进程SPo，利用两个进程来模拟脱机I/O的外围控制机，其中进程SPi模拟脱机输入时的外围控制机，将用户要求的数据从输入机通过输入缓冲区再送到输入井，当CPU需要输入数据时，直接从输入井读入内存；进程SPo模拟脱机输出时的外围控制机，把用户要求输出的数据先从内存送到输出井，待输出设备空闲时，再将输出井中的数据经过输出缓冲区送到输出设备上。

​ SPOOLing技术的特点：

​ 高速虚拟I/O操作：应用程序的虚拟I/O比实际I/O速度提高，缩短应用程序的执行时间（尽快完成计算，并释放占用的计算机资源）。另一方面，程序的虚拟I/O操作时间和实际I/O操作时间分离开来。

​ 实现对独享设备的共享：由SPOOLing程序提供虚拟设备，可以对独享设备依次共享使用。

7. 磁盘存储管理

7.1 磁盘的工作原理

• 基本概念：
  • 扇区：扇片被分成许多扇形的区域。
  • 磁道：盘点上以盘片中心为圆心，不同半径的同心圆。
  • 柱面：磁盘中，不同盘片相同半径的磁道所组成的圆柱。
  • 每个磁盘有两个面，每个面都有一个磁头。

• 磁盘的组织：
  • 读一个扇区需要“柱面/磁头/扇区”三个参数；
  • 现代磁盘驱动器可以看做一个一维的逻辑块的数组，逻辑块是最小的传输单位；
  • 一维逻辑块数组按顺序映射到磁盘的扇区。
    • 扇区0是最外面柱面的第一个磁道第一个扇区；
    • 该映射是先按磁道内扇区顺序，再按柱面内磁道顺序，再按从外到内的柱面顺序来排序的。
  • 绝大多数磁盘都有一些缺陷扇区，因此映射必须用磁盘上的其他空闲扇区来替代这些缺陷扇区。对于磁盘，每个磁道的扇区数并不是常量。

7.2 磁盘访问时间

• 寻道时间Ts：这是把磁臂（磁头）从当前位置移动到指定磁道上所经历的时间。该时间是启动磁盘的时间s与磁头移动n条磁道所花费的时间之和。Ts=m*n+s。式中，m是一常量，它与磁盘驱动器的速度有关。
• 旋转延迟时间Tr：这是指定扇区移动到磁头下面所经历的时间。对于硬盘，典型的旋转数据为3600r/min，每转需时16.7ms，平均旋转延迟时间Tr为8.3ms。对于软盘，其旋转速度为300或600r/min，这样，平均Tr为50~150ms。Tr=1/(2r)，r为转速。
• 传输时间Tt：这是指把数据从磁盘读出，或向磁盘写入数据所经历的时间，Tt的大小与每次所读/写的字节数b，旋转速度r（以秒计），以及磁道上的字节数N有关。Tt=b/(rN)。
• Ta=Ts+1/(2r)+b/(rN)，访问时间=寻道时间+旋转延迟时间+传输时间
• 在访问时间中，寻道时间和旋转延迟时间占据了访问时间的大头，且基本上都与所读/写数据的多少无关。可见，适当地集中数据（不要太零散）传输，将有利于提高传输效率。

7.3 磁盘调度算法

7.3.1 先来先服务

• 算法思想：按访问请求到达的先后次序服务；
• 优点：简单、公平；
• 缺点：效率不高，相邻两次请求可能会造成最内到最外的柱面寻道，使磁头反复移动，增加了服务时间，对机械也不利。

7.3.2 最短寻道时间优先

• 算法思想：优先选择距当前磁头最近的访问请求来进行服务，主要考虑寻道优先；
• 优点：改善了磁盘平均服务时间；
• 缺点：可能产生“饥饿”现象，造成某些访问请求长期等待等不到服务。

7.3.3 扫描（SCAN）算法

• 算法思想：当有访问请求时，磁头按一个方向移动，在移动过程中对遇到的访问请求进行服务，直到磁头步进到最内（最外）侧磁道调转扫描方向；
• 优点：克服了最短寻道优先的缺点，既考虑了距离，同时又考虑了方向；
• 缺点：但是由于是摆动式的扫描方法，两侧磁道被访问的频率仍低于中间磁道。

7.3.4 循环扫描（C-SCAN）算法

• 算法思想：
  • 按照所要访问的柱面位置的次序去选择访问者；
  • 移动臂到达最后一个柱面后，立即带动读写磁头快速返回到0号柱面；
  • 返回时不为任何的等待访问者服务；
  • 返回后可再次进行扫描。
• 优点：消除了对两端磁道请求的不公平

7.4 提高I/O速度的主要途径

• 选择性能好的磁盘
• 并行化
• 采用适当的调度算法
• 设置磁盘高速缓冲区：利用内存中的存储空间，暂存从磁盘中读出的一系列盘块中的信息。
  • 磁盘高速缓存的形式：
    • 在内存中开辟一个单独的存储空间作为磁盘高速缓存，其大小是固定的；
    • 把所有未利用的内存空间变为一个缓冲池，供请求分页系统和磁盘I/O（作为磁盘高速缓存）共享
  • 数据交付：将磁盘高速缓存中的数据传送给请求者进程。有以下两种形式：
    • 直接支付：直接将高速缓存中的数据，传送到请求者进程的内存工作区中。
    • 指针交付：只将指向高速缓存中某区域的指针，交付给请求者进程。
  • 置换算法（LRU）
  • 周期性写回：周期性地把所有在高速缓存中已修改的盘块数据写回磁盘。
• 优化数据布局
  • 优化物理块的分布：连续摆放，使磁头的移动距离最小，比如：安排一个文件的两块数据块在同一磁道，消除磁头在磁道间的移动。
  • 优化索引节点的分布：访问文件时，先访问索引节点，然后再去访问盘块；将磁盘上的所有磁道分成若干组，在每个组中都含有索引节点、盘块和空闲盘块表，使得索引节点盘块与存放文件的盘块间距离最小（如：Linux的磁盘文件逻辑结构）
• 提前读：顺序访问时，常采用提前读入下一块到缓冲区中
• 延迟写：将本应立即写回磁盘的数据挂到空闲缓冲区的队列的末尾。直到该数据块移到链头时才将其写回磁盘，再作为空闲区分配出去。
• 虚拟盘：利用内存空间去仿真磁盘（RAM盘）。虚拟盘与磁盘高速缓存的主要区别在于：虚拟盘中的内容完全由用户控制，而高速磁盘缓冲区中的内容是由OS控制的。

7.5 RAID技术

以上部分内容引自课件和《操作系统使用教程（第三版）》，如有侵权，请及时联系我删除！