操作系统（第七单元）

第七章 设备管理

7.1 I/O 管理概述

I/O管理的功能 ：
监视设备的状态
进行设备分配
完成I/O操作
缓冲管理

I/O硬件组成：
单总线
传统三级总线
采用南北桥的多级总线（PCI总线、E/ISA总线）
采用I/O通道的多级总线

设备的类型：

1. 设备管理划分
   块设备（存储设备）
   字符设备
   网络设备

2. 交互功能划分
   人机交互设备
   存储设备
   机机通信设备

3. 信息传递方向划分
   输入设备
   输出设备
   输入输出设备

4. 共享特征划分
   独享设备
   共享设备

设备之间的差异
（1）数据速率。
（2）数据传输单位。
（3）管理程序。文件管理、存储管理、虚拟存储管理
（4）控制的复杂度。
（5）数据编码。
（6）出错条件。

设备控制器分为两类：
一类用于控制字符设备控制器，另一类控制块设备控制器。

设备控制器的功能
1）接收和识别CPU发来的命令——控制寄存器
2）数据交换（CPU-控制器，控制器-设备）——数据寄存器
3）了解设备的状态（就绪否），报告给CPU——状态寄存器
4）地址识别——地址译码器
5）数据缓冲区（IO/设备和CPU速率不匹配）
6）差错控制（若数据有误，报告CPU，CPU要求重传）

设备控制器的组成
（1）控制器与CPU之间接口——用于控制设备与总线之间交换数据。
数据寄存器：用于存放CPU与设备间的数据
控制/状态寄存器：用于存放从CPU送来的控制信息或设备 状态信息。
（2）控制器与设备之间接口——用于根据CPU发来的地址信号，去选择一个设备接口。
（3）I/O逻辑——用于实现对设备的控制。由I/O逻辑对收到的地址进行译码，在根据译出的命令对所选设 备进行控制。

设备通道
当外设很多时，CPU 负担过重，为此在CPU与控制器之间增加通道。
通道是特殊的处理机，与处理机区别：

1. 它指令单一。 仅限于与I/O相关指令。
2. 没有自己内存。 与CPU共享主机内存。

通道的类型：
字节多路通道（按时间片轮询，共享主通道）
数组选择通道
数组多路通道

通道的连接方式：
单通路I/O（容易引起瓶颈）
多通路

7.2 I/O控制方式

I/O数据控制方式的发展经历了四个阶段 ：

1. 程序直接控制方式 （轮询）：
   CPU需要等待设备就绪，且参与数据传送
2. 中断驱动方式：
   CPU无需等待设备就绪，但响应中断后参与数据传送
3. DMA控制方式 ：
   CPU在数据传送开始和结束时参与，与主存进行数据交换时不参与
4. 通道方式

磁盘控制器DMA
命令寄存器CR
内存地址寄存器MAR
数据寄存器DC
CAW----通道程序的内存起始地址
CCW----通道程序指令寄存器
CSW----存放通道程序结果的寄存器

通道指令
格式：操作码 计数 内存地址 通道程序结束位P 记录结束位R

7.3 I/O系统

设备管理层次：I/O硬件、I/O软件

I/O硬件 ：
I/O设备、以及接口线路、控制器、通道
I/O软件：
1）用户空间I/O软件（用户态）
2）系统I/O软件（核心态） ：设备独立性软件 、设备驱动软件、中断处理程序

设备独立性又称设备无关性。

设备独立性的优点 ：

1. 设备分配时的灵活性
2. 易于实现I/O重定向
3. 设备独立性的实现——逻辑设备表
4. 操作系统实现逻辑设备到物理设备的转换。

设备的固有属性：
独享设备、共享设备、虚拟设备

Spooling（假脱机）技术是虚拟技术和虚拟分配的实现

Spooling组成

1. 外存上设输入井、输出井
2. 内存设输入缓冲区、输出缓冲区
3. 系统设置预输入程序和预输出程序

Spooling特点

1. 将一台设备虚拟成多台设备
2. 将低速设备虚拟成快速设备
3. 提高了I/O的速度。
4. 将独占设备改造为共享设备。
5. 实现了虚拟设备功能。

设备分配

系统设备表（SDT）系统设置一张系统设备表，记录了系统中全部设备的情况，每个设备对应一个表目。
设备控制表（DCT）系统为每个设备配置一张DCT，用于记录本设备情况。
控制器控制表（COCT）每个设备控制器都会对应一张COCT。操作系统会根据COCT的信息对控制器进行操作管理，每个控制器可以控制多个设备。
通道控制表（CHCT）每个通道都会对应一张CHCT。操作系统会根据CHCT的信息对通道进行操作管理，每个通道可以控制多个控制器。

设备驱动程序的特点

1. 驱动程序是与设备无关的软件和设备控制器之间通信和转换的程序。
2. 驱动程序，与设备控制器和I/O设备的硬件特性，紧密相关
3. 驱动程序与I/O设备所采用的I/O控制方式紧密相关。
4. 由于驱动程序与硬件紧密相关，因而其中的一部分必须用汇编语言编写。
5. 驱动程序应允许可重入，一个正在运行的驱动程序常会在 一次调用完成前被再次调用。

I/O中断是由外部设备引起，故又称外中断。
由CPU内部时间所引起的中断，称为陷入或者内中断。

中断优先级：
用户级线程中断优先级0，核心机线程中断优先级为1
硬中断优先级为3-31，软中断优先级为1-2。
硬中断由硬件产生相应的中断请求，软中断响应不及时。

对多中断源的处理方式 ：屏蔽中断、嵌套中断
INTR寄存器 ：有中断为1 没有中断为0
程序状态字PSW是8位寄存器，用于存放程序运行的状态信息。
程序计数器PC用来存放下一条指令的地址的。
访管中断：进程开始输入输出，进行系统调用时执行
I/O中断：进程输入输出结束，打断另一个进程运行时执行

7.4磁盘管理

磁盘类型：固定头磁盘、移动头磁盘
磁盘访问：寻道、旋转延迟、传输数据

一次磁盘访问时间T=Ts寻道时间+Tr旋转延迟时间+Tt传输时间=s磁盘启动时间+m平均跨越一道的时间×n跨越的道数+1/2r旋转速度+b要传送的字节数/r旋转速度N一个磁道中的字节数

磁盘访问：顺序访问、随机访问

提高磁盘I/O速度：

1. 研制更高性能的设备，加快其读写速度。
2. 设置高速大容量的设备缓冲区。
3. 采用好的I/O调度算法。

磁盘调度算法：
先来先服务FCFS：按磁盘访问请求到来的先后顺序进行服务
最短寻道优先SSTF：从当前磁头位置选择最短寻道时间的请求，即选择与当前磁头位置最近的待处理请求
扫描算法SCAN（电梯调度）：沿磁臂当前移动方向由近及远依次满足磁盘访问请求，至当前方向再无请求时磁臂转向，继续由近及远依次满访问请求
循环扫描算法C-SCAN：SCAN调度的变种，在一个移动方向上，随着移动不断处理请求。反向时空挡放回，直到最远请求，然后转向移动时再处理请求。
N-STEP-SCAN算法：将磁盘请求队列分成若干个长度为N的子队列，用FCFS依此处理这些子队列。在每个队列中用SCAN。
FSCAN算法：简单化为二个队列： 一个队列为：当前请求磁盘I/O的进程形成的队列。由SCAN处理。另一个队列为：新出现的请求磁盘I/O的进程形成的队列，这样一来，新的请求下次扫描时再处理。

平均寻道长度=n磁臂跨越道数/r磁盘访问次数

7.5缓存管理

缓冲的定义：
缓冲是在通信问题中，为了使通信双方的速度匹配而引入的一个中间层次，这个层次的速度比通信双方中较慢的一方快，而与较快的一方更匹配 。

缓冲类型 ：

1. CACHE（CPU内部）
2. I/O设备或控制器内部的纯硬件缓冲区 （打印机内部缓冲区，磁盘控制器纯硬件缓冲区）
3. 内存开辟的缓冲区 （I/O、文件）
4. 脱机I/O技术和SPOOLing技术 （外存、输入输出井）

缓冲管理处理一个数据块所用时间：

无缓冲时：T=t输入+t计算
单缓冲时：T=max（t计算，t输入）+t传输
双缓冲时：T=max（t传输+t计算，t输入）

循环缓冲区：用于两者速度相差甚远
以上的缓冲只能用于某一进程，他们属于专用缓冲。为了提高缓冲区的利用率，可采用公用缓冲池。

四种工作缓冲区：
用于收容输入数据的工作缓冲区hin ：输入进程输入数据
用于提取输入数据的工作缓冲区sin ：计算进程输入数据
用于收容输出数据的工作缓冲区hout ：计算进程输出数据
用于提取输出数据的工作缓冲区sout：输出进程输出数据

高速缓存
形式：一种是在内存开辟独立存储空间作为磁速缓存，大小固定；一种是吧未利用内存空间作为一个缓冲池。
数据交付：将高速缓存中的数据传送到请求进程的内存工作区。
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。
置换算法需要考虑：最近最久未使用、访问频率、可预见性、数据一致性
提高磁盘I/O其他方法：预先读、延迟写、虚拟盘