5 设备管理— — IO组成 IO软件/缓冲/磁盘

I/O系统的组成：

1）需要用于输入、输出和存储信息的设备；

2）需要相应的设备控制器；

3）控制器与CPU连接的高速总线；

4）有的大中型计算机系统，配置I/O通道；

中断：

CPU对I/O设备发来的中断信号的一种响应，中断是由外部设备引起的，又称外中断。

中断处理流程：

1）测定是否有未响应的中断信号

2）保护被中断进程的CPU环境

3）转入相应的设备处理程序

4）中断处理

5）恢复CPU的现场

设备驱动程序：

(1)接收由与上层设备无关的软件发来的命令和参数，并将命令中的抽象要求，转换为与设备相关的低层操作序列；

(2)检查用户I/O请求的合法性，了解I/O设备的工作状态，传递与I/O设备操作有关的参数，设置设备的工作方式；  

(3)发出I/O命令，如果设备空闲，便立即启动I/O设备，完成指定的I/O操作；如果设备忙碌，则将请求者挂在设备队列上等待；

(4)及时响应由设备控制器发来的中断请求，并根据其中断类型，调用相应的中断处理程序进行处理。

I/O控制方式：

1）程序I/O方式 ：

cpu对I/O设备的控制采取程序I/O方式，或称忙—等待方式

高速CPU空闲等待低速I/O设备，致使CPU极大浪费。

2）中断驱动I/O方式

CPU向相应的设备控制器发出一条I/O命令 然后立即返回继续执行任务。 设备控制器按照命令的要求去控制指定I/O设备。 这时CPU与I/O设备并行操作。

但仍以字（节）为单位进行I/O，每当完成一个字（节），控制器便要请求一次中断。

3）直接存储器访问DMA（字节—块）

1、数据传输的基本单位是数据块；

2、所传送的数据是从设备直接送入内存的，或者直接从内存进设备；不需要CPU操作。

4）I/O通道控制方式（组织传送的独立）

实现对一组数据块的读（写）及有关的控制和管理为单位的干预。

CPU、通道和I/O设备三者的并行操作，提高整系统资源利用率。

如何将一台物理I/O设备虚拟为多台逻辑I/O设备，允许多个用户共享“同时使用” ？  ——SPOOLing技术

SPOOLing系统的组成：

1）输入井和输出井：磁盘上开辟两大存储空间。输入井模拟脱机输入的磁盘设备，输出井模拟脱机输出时的磁盘。

2）输入缓冲区和输出缓冲区：为缓解速度矛盾，内存中开辟两大缓冲空间，输入缓冲区暂存输入设备送来的数据，再送给输入井；输出缓冲区暂存输出井送来的数据，再送输出设备。

3）输入进程和输出进程。 用一进程模拟脱机输入时外围设备控制器的功能，把低速输入设备上的数据传送到高速磁盘上； 用另一进程模拟脱机输出时外围设备控制器的功能，把数据从磁盘上传送到低速输出设备上。

SPOOLing系统的特点:

1)提高了I/O的速度。利用输入输出井模拟成脱机输入输出，缓和了CPU和I/O设备速度不匹配的矛盾。

2)将独占设备改造为共享设备。并没有为进程分配设备，而是为进程分配一存储区和建立一张I/O请求表。

3)实现了虚拟设备功能。多个进程可“同时”使用一台独占设备。

I/O控制方式减少CPU对I/O的干预提高利用率； 缓冲则通过缓和CPU和I/O设备速度不匹配矛盾，增加CPU和I/O设备的并行性，提高利用率。 

                                                    缓冲：

引入缓冲的原因：

1）缓和CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾。

2）缓冲区数据成批传入内存，也可进一步减少对CPU的中断频率

最终目的：提高CPU和I/O设备的并行性。

使用缓冲区的方式：

1）单缓冲:

CPU和外设轮流使用，一方处理完后等待对方处理。

2）多缓冲 :

两个缓冲区，CPU和外设不再针对一块交替 可能实现连续处理无需等待对方。前提是CPU和外设对一块数据的处理速度相近。而如下图情况CPU仍需等待慢速设备。

双缓冲还适合双向通讯

3）循环缓冲：

设置多块缓冲区 用循环结构组织，只供两个相关进程使用 顺一个方向放入或取出       

4）缓冲池（Buffer Pool）：

系统将多个缓冲区形成一个缓冲池。 池中缓冲区为系统中所有的进程共享使用（如UNIX系统在块设备管理中设置了一个15个缓冲区组成的缓冲池）

类型：空缓冲区队列（所有进程都可用） 输入队列（n个进程有各自的队列） 输出队列（n个进程有各自的队列）

                                                磁盘：

数据的组织:

盘片、面、磁道、扇区

格式:

为方便处理，每条磁道存储容量相同，每个磁道上的每个扇区相当于一个盘块。磁盘”格式化”的过程就是按规定的格式规划盘块。

传输时间问题：

磁盘调度算法：

1）FCFS

2）最短寻道时间优先SSTF

3）扫描算法SCAN（磁盘电梯调度算法）

4）循环扫描算法CSCAN