操作系统基础之设备管理

设备管理

设备管理的主要对象是I/O设备以及设备控制器和I/O通道，主要任务是：完成用户提出的I/O请求，提高I/O速率以及提高I/O设备的利用率，主要功能是：缓冲区管理、设备分配、设备处理、虚拟设备以及实现设备独立性等

I/O系统

• I/O设备的类型
  • 按照设备使用特性分类
    • 存储设备
    • 输入输出设备
  • 按照速率分类
    • 低速设备：键盘、鼠标、语音的输入输出等
    • 中速设备：行式打印机、激光打印机
    • 高速设备：磁带机、磁盘机、光盘机
  • 按照信息交换的单位分类
    • 块设备：信息存取总是以块为单位
    • 字符设备：信息存取以字符为单位
  • 按照设备的共享属性
    • 独占设备：需要互斥访问
    • 共享设备：可寻址、可随机访问
    • 虚拟设备
• 设备与控制器之间的接口
  • 设备一般不是与CPU直接通信，而是通过设备控制器通信
  • 数据信号线
  • 控制信号线
  • 状态信号线
• 设备控制器：CPU和I/O设备之间的接口，接收从CPU发来的命令，并且控制I/O设备进行工作
  • 责职：控制一个或者多个I/O设备，以实现I/O设备和计算机之间的数据交换
  • 基本功能
    • 接收和识别命令：接收识别CPU发出的命令
    • 数据交换：实现CPU与控制器之间，控制器与设备之间的数据交换
    • 标识和报告设备的状态：记下设备的状态供CPU了解
    • 地址识别：识别所控制的每个设备的地址
    • 数据缓冲
    • 差错控制
  • 组成
    • 设备控制器与处理机接口：用于实现CPU与设备控制器之间的通信
    • 设备控制器与设备的接口：一个接口对应一个设备
    • I/O逻辑：用于实现对设备的控制
• I/O通道
  • 作用：介于CPU和设备控制器之间，建立独立的I/O操作，使数据的传送能独立于CPU
  • 本质：一种特殊的处理机，具有执行I/O指令的能力，并通过通道程序控制I/O操作，但与CPU共享内存
  • 类型
    • 字节多路通道
    • 数组选择通道
    • 数组多路通道
• 总线系统
  • 计算机系统中的各个部件之间的联系，都是通过总线来实现的

I/O控制方式

宗旨：尽量减少主机对I/O控制的干预，把主机从繁杂的I/O控制事务中解脱出来

• 程序I/O方式：不断去查看是否已经完成
• 中断驱动I/O方式：以字节为单位
• 直接存储器访问(DMA)I/O控制方式
  • 基本单位是数据库
  • 传送的数据直接从设备送入内存，或者相反
  • 仅在传送一个或者多个数据块的开始和结束时，才需要CPU的干预
• DMA控制器的组成

缓冲管理

• 单缓冲
• 双缓冲
• 循环缓冲
• 缓冲池

I/O软件

• I/O软件的设计目标和原则
  • 与具体设备无关
  • 统一命名
  • 对于错误的处理
  • 缓冲技术
  • 设备的分配和释放
  • I/O控制方式
• 四个层次
  • 用户层软件
  • 设备独立性软件
  • 设备驱动程序
  • 中断处理程序
    • 唤醒被阻塞的驱动程序
    • 保护被中断进程的的CPU环境
    • 转入相应的设备处理程序
    • 中断处理
    • 恢复被中断进程的现场

设备分配

系统设备不允许用户自行使用，必须由系统统一分配

• 设备分配中的数据结构
  • 设备控制表(DCT)：每个设备均有，记录本设备的情况
  • 控制器控制表、通道控制表、系统设备表
• 设备分配时考虑的因素
  • 设备的固有属性
    • 独占设备
    • 共享设备
    • 虚拟设备
  • 设备分配算法
    • 先来先服务
    • 高优先级优先
  • 设备分配中的安全性
    • 安全分配方式：发出请求后阻塞，CPU与I/O是串行工作
    • 不安全分配方式：仅当所请求的设备被占用时才阻塞，应该进行安全性计算
• 独占设备的分配程序
  • 基本的设备分配程序
    1. 分配设备
    2. 分配控制器
    3. 分配通道
  • 设备分配程序的改进
    • 增加设备的独立性
    • 考虑多通路情况
• SPOLLing技术
  • 原理：在联机情况下实现的同时外围操作或者称为假脱机操作(利用多道技术，来模拟脱机输入、输出时的外围控制机功能)，其实就是通过程序模拟硬件，其中磁盘用于模拟设备，进程用于模拟处理器，缓冲区用于缓冲
  • 系统组成
    • 输入井和输出井：在磁盘上开辟的两大存储空间，用于模拟脱机输入输出时的磁盘设备，用于暂存I/O设备的数据
    • 输入缓冲区和输出缓冲区：在内存上开辟的两大缓冲区，用于暂存输入输出设备的数据
    • 输入进程SPi和输出进程SPo：用两个进程来模拟脱机I/O时的外围控制机，等到设备真正空闲时，再讲数据传输过去
  • 共享打印机：接收请求，然后送到打印机列表
  • 特点
    • 提高了I/O速度
    • 将独占设备改造为共享设备
    • 实现了虚拟设备功能

磁盘存储器的管理

• 磁盘性能简介
  • 数据组织形式和格式
    • 磁道、扇区、...
  • 磁盘类型
    • 固定磁头：每个磁道都有一个读写头
    • 移动磁头：每个盘面仅由一个读写头，需要寻道等操作
  • 磁盘访问时间
    • 寻道时间：Ts = m * n + s // s：启动磁臂时间，n：移动n个磁道的时间，m与磁盘驱动器速度有关的常数
    • 旋转延迟时间：指定扇区移动到磁头下面所需要的时间
    • 传输时间：t = b/(r*N)
• 磁盘调度
  • 目标：使磁盘的平均寻道时间最小
  • 先来先服务(FCFS)
    • 根据进程请求访问磁盘的先后顺序进行调度
  • 最短寻道时间优先(SSTF Shortest Seek Time First)
    • 思想：选择与当前磁头距离最近的磁道，使得每次寻道时间最短，但不保证平均寻道时间最短
    • 缺点：可能导致饥饿现象，也就是某个进程得不到资源
  • 扫描算法(SCAN)
    • 思想：从一个方向访问直到尽头，再反方向(1 - 2 -3 -4 -3 -2 -1 )
  • 循环扫描算法(CSCAN)
    • 思想：(1 - 2 -3 -4 -1 -2 -3- 4)
  • NStepSCAN算法
    • 思想：将请求的进程队列分成若干个长度为N的子队列，每个队列按照SCAN算法执行
  • FSCAN算法
    • 思想：只将队列分成两个子队列，一个保存当前的进程，另一个保存扫描过程中出现的进程
• 磁盘高速缓存
  • 利用内存中的存储空间作为磁盘的高速缓存，实际上并不存在一个设备称之为磁盘高速缓存
  • 数据交付方式
    • 数据交付：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
    • 指针交付：将指向高速缓存区中某个区域的指针交给请求者进程
  • 置换算法
    • 最近最久未使用
    • 访问频率
    • 可预见性
    • 数据一致性
  • 周期性写回磁盘
• 提高磁盘效率的其他方法
  • 提前读
  • 延迟写
  • 优化物理块的分配
  • 虚拟盘
• 廉价磁盘冗余阵列(RAID)