设备分配与回收、缓冲区管理

设备分配与回收

0. 是什么：设备分配的任务是按照一定的策略，为提出I/O请求的进程分配合适的设备，确保CPU与I/O设备之间能正常通信，还应分配相应的控制器和通道。
1. 设备分配管理中的数据结构
   • 设备控制表DCT：每个设备对应一张DCT，用于记录设备情况
     • 关键字段有：类型、标识符、状态、指向COCT的指针、重复执行次数或时间（当重复执行多次io后仍不成功会认为此次io失败）、等待队列指针（由进程PCB组成队列）
   • 控制器控制表COCT：每个控制器对应一张COCT，操作系统根据COCT的信息对控制器进行操作和管理
     • 关键字段有：控制器标识符、状态、指向CHCT的指针、等待队列指针
   • 通道控制表CHCT：每个控制器对应一张CHCT。操作系统根据CHCT的信息对通道进行操作和管理
     • 关键字段有：通道标识符、状态、指向COCT的指针、等待队列指针
   • 系统设备表SDT：记录整个系统中所有设备的情况，每个设备对应一个表目
     • 关键字段有：设备类型、设备标识符（即物理设备名）、DCT、驱动程序入口
2. 设备分配的步骤
   • 根据进程请求的物理设备名查找SDT
   • 根据SDT找到DCT
     • 若设备忙碌则将进程PCB挂到设备等待队列中
     • 若设备不忙碌则将设备分配给进程
   • 根据DCT找到COCT
     • 若控制器忙碌则将进程PCB挂到控制器等待队列中
     • 不忙碌则将控制器分配给进程
   • 根据COCT找到CHCT
     • 若通道忙碌则将进程PCB挂到通道等待队列中
     • 不忙碌则将通道分配给进程
   • 只有设备、控制器、通道三者都分配成功，这次设备分配才算成功。之后便可启动I/O设备进行数据传送

设备分配步骤的改进

• 改成根据进程请求的逻辑设备名（即设备类型）查找SDT。
• 增加一个逻辑设备表LUT：用户根据逻辑设备名查找SDT时若找到指定类型的、且空闲的设备，就将其分配给该进程。操作系统在LUT中新增一个表项
  • 逻辑设备表LUT建立了逻辑设备名与物理设备名之间的映射关系。如上所示，用户进程第一次使用设备时是用逻辑设备名向操作系统发出请求，然后操作系统查SDT找到空闲设备分配并在LUT中新增表项。若之后用户进程再通过相同的逻辑设备名请求使用该设备，操作系统通过LUT表即可知道该进程要使用哪个物理设备，也能知道该设备的驱动程序入口地址
  • LUT和DMT（Device Mapping Table设备映射表）是一个东西。DMT是Windows下的，LUT是Unix下的，都是建立逻辑设备名到物理设备名的映射关系（以便之后根据设备类型选择调用相应的驱动程序）。属于设备独立性软件要干的事情

3. 设备分配中应考虑的因素
   • 设备的固有属性：
     • 独占性
     • 共享性
     • 虚拟性
     • 原则是既要充分发挥设备的使用效率，尽可能地让设备忙碌，又要避免由于不合理的分配方法造成进程死锁
   • 设备的分配算法
     • 先来新服务
     • 高优先级优先
   • 设备分配中的安全性
     • 安全分配方式：进程只要发出一个I/O请求就立即阻塞，直到I/O完成才被唤醒。即一个进程在同一时间段内只能使用一个设备，发出I/O请求后就不能再请求任何资源。破坏了死锁产生的“请求和保持”条件，不会发生死锁。但对于同一个进程，CPU和I/O设备串行工作，进程推进的效率不高
     • 不安全分配方式：进程可以同时发出多个I/O请求，直到某个I/O设备不可用才阻塞。这种方式下一个进程可同时操作多个设备，使得进程快速推进。但分配不安全，可能造成死锁（可用银行家算法来避免死锁）
   • 设备独立性：将用户程序与具体物理设备隔离开来，即用户面对的是逻辑设备，而分配程序将逻辑设备转换为物理设备后，再根据要求的物理设备号进行分配
     • 使得系统增减或变更设备时不必修改源程序，便于处理I/O设备故障，提高系统可靠性，并使设备的分配更加灵活，提高设备的利用率

缓冲区管理

0. 有缓冲区和无缓冲区的对比：
   • 没有缓冲区的情况（输入）：磁盘每准备好一个字的数据（放在其设备控制器的数据寄存器中），就给操作系统发一个中断信号，操作系统的中断处理程序会把磁盘控制器里这个字复制到用户区（即用户进程可以访问的一个空间）。整个1KB都复制完之后，操作系统唤醒用户进程，P就可以使用这1KB的数据
     
   • 有缓冲区的情况（输入）：由于缓冲区是操作系统内核（I/O的设备无关性软件）实现的，因此缓冲区是设置在内存的内核空间中的。这种情况下是先让磁盘逐字地将数据输入到缓冲区中，缓冲区充满后操作系统会将其一口气复制到用户空间。逐字输入的过程（3）就可以交给DMA控制器，这样的话就减少了中断发生的频率（等缓冲区充满后才发一个中断，让操作系统内核将缓冲区的数据全部复制到用户空间）
     
1. 缓冲区的作用
   • 缓和CPU与I/O设备之间速度不匹配的矛盾：CPU可以把要输出的数据快速放入缓冲区，之后就可以做别的事。慢速的I/O设备可以慢慢从缓冲区取走数据
   • 减少对CPU的中断频率，放宽对CPU中断响应时间的限制
   • 解决数据粒度不匹配问题：如输出进程每次可以生成一块数据，但I/O设备每次只能输出一个字符
   • 提高CPU与I/O设备之间的并行性
2. 单缓冲：用户进程请求某种块设备读入若干块数据，操作系统在主存中为其分配一个缓冲区。用户进程的内存空间中，会分出一片工作区来接受输入/输出数据，一般默认工作区大小与缓冲区大小相同
   
   
3. 双缓冲：若用户进程请求某种块设备读入若干块数据，操作系统会在主存为其分配两个缓冲
   
   
   
   
4. 循环缓冲
5. 缓冲池
   • 三个队列：空缓冲队列、输入队列、输出队列
   • 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
     • 用于提取输出数据的工作缓冲区