操作系统复习笔记（四）——设备管理

一、 I/O系统

I/O设备

类型

按传输速率高低

• 低速设备：每秒几个字节至数百个字节。键盘、鼠标器、语音输入输出设备
• 中速设备：每秒钟数千个字节至数万个字节。打印机、激光打印机
• 高速设备：数百千个字节至数十兆字节。磁带机、磁盘机、光盘机

按信息交换单位

• 块设备：磁盘。传输效率高，可寻址
• 字符设备：用于数据输入输出。打印机、鼠标

系统总线

• ISA总线
• EISA总线
• PCI总线：PCI既可以连接ISA，EISA等总线，又可支持pentium的64位系统 ,我们现在使用的PC基本都是PCI总线。最大传输速率4GB/sec

二、 I/O控制方式：

程序I/O方式

在该方式中，CPU不断地测试I/O设备的状态。由于CPU的高速性和I/O设备的低速性， 致使CPU的绝大部分时间都处于等待I/O设备完成数据I/O的循环测试中，造成对CPU的极大浪费。就是因为在CPU中无中断机构。

中断驱动I/O控制方式

在I/O设备输入每个数据的过程中，由于无须CPU干预，因而可使CPU与I/O设备并行工作。仅当输完一个数据时，才需CPU花费极短的时间去做些中断处理。可见，这样可使CPU和I/O设备都处于忙碌状态.

直接存储器访问DMA I/O控制方式

仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时，才需CPU干预，整块数据的传送是在控制器的控制下完成的。减少了CPU对I/O的干预，进一步提高了CPU与I/O设备的并行操作程度。
① 数据传输的基本单位是数据块，即在CPU与I/O设备之间，每次传送至少一个数据块；
② 所传送的数据是从设备直接送入内存的，或者相反；
③ 仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时，才需CPU干预，整块数据的传送是在控制器的控制下完成的。可见，DMA方式较之中断驱动方式，又是成百倍地减少了CPU对I/O的干预，进一步提高了CPU与I/O设备的并行操作程度。

三、 中断处理程序

• 唤醒被阻塞的驱动程序进程
• 保护被中断的CPU环境
• 转入相应的设备处理程序
• 中断处理
• 恢复被中断的进程的现场

四、设备驱动程序

功能

(1) 接收由I/O进程发来的命令和参数.
(2) 检查用户I/O请求的合法性.
(3) 发出I/O命令,启动I/O设备去完成指定的I/O操作.
(4) 及时响应由控制器或通道发来的中断请求，并根据 其中断类型调用相应的中断处理程序进行处理。
(5) 对于设置有通道的计算机系统，驱动程序还应能够根据用户的I/O请求，自动地构成通道程序。

流程

五、与设备无关的I/O软件

设计目标

（1）与具体设备无关
（2）统一命名
（3）对错误的处理
（4）缓冲技术
（5）设备的分配和释放
（6）I/O控制方式

层次和功能

六、 磁盘存储器管理

磁盘性能简述

磁盘的类型

• 固定头磁盘：这种磁盘在每条磁道上都有一读/写磁头，所有的磁头都被装在一刚性磁臂中。这种结构的磁盘主要用于大容量磁盘上。
• 移动头磁盘：每一个盘面仅配有一个磁头，也被装入磁臂中。为能访问该盘面上的所有磁道，该磁头必须能移动以进行寻道。由于其结构简单， 故仍广泛应用于中小型磁盘设备中。

磁盘访问时间

• 寻道时间（移动头磁盘）：
  这是指把磁臂(磁头)移动到指定磁道上所经历的时间。该时间是启动磁臂的时间s与磁头移动n条磁道所花费的时间之和， 即
  Ts=m×n+s
  其中，m是一常数，与磁盘驱动器的速度有关，对一般磁盘， m=0.2；对高速磁盘，m≤0.1，磁臂的启动时间约为2 ms。 这样，对一般的温盘，其寻道时间将随寻道距离的增加而增大， 大体上是5~30 ms。
• 旋转延迟时间：
  这是指定扇区移动到磁头下面所经历的时间。对于硬盘，典型的旋转速度大多为5400 r/min，每转需时11.1 ms，平均旋转延迟时间Tτ为6.55 ms；如果旋转速度为7200r/min，平均Tτ为4.16 ms。
• 传输时间:
  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和旋转速度有关 .

磁盘调度

先来先服务(FCFS)

最短寻道时间优选（SSTF）

扫描算法（SCAN）

SSTF算法虽然能获得较好的寻道性能， 但却可能导致某个进程发生“饥饿”(Starvation)现象。因为只要不断有新进程的请求到达， 且其所要访问的磁道与磁头当前所在磁道的距离较近，这种新进程的I/O请求必须优先满足。对SSTF算法略加修改后所形成的SCAN算法， 即可防止老进程出现“饥饿”现象。

循环扫描算法

磁盘高速缓存

磁盘的告诉缓存形式

是指利用内存中的存储空间，来暂存从磁盘中读出的一系列盘块中的信息。因此，这里的高速缓存是一组在逻辑上属于磁盘， 而物理上是驻留在内存中的盘块。高速缓存在内存中可分成两种形式。

• 在内存中开辟一个单独的存储空间来作为磁盘高速缓存，其大小是固定的，不会受应用程序多少的影响；
• 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时(作为磁盘高速缓存)共享。此时高速缓存的大小不再是固定的。当磁盘I/O的频繁程度较高时，该缓冲池可能包含更多的内存空间；而在应用程序运行得较多时，该缓冲池可能只剩下较少的内存空间。