操作系统-设备管理

基础知识

分类方式

• 按数据组织分类
  • 块设备
  • 字符设备
• 按资源分配分类
  • 独占设备
  • 共享设备
  • 虚拟设备
• 按数据传输速率分配
  • 低速设备
  • 中速设备
  • 高速设备

I/O软件层次结构

• 用户进程：进行I/O调用、格式化I/O、Spooling
• 设备无关软件：命名、保护、阻塞、缓冲、分配
• 设备驱动程序：置设备寄存器：检查状态
• 中断处理程序：当I/O结束时唤醒驱动程序
• 硬件：执行I/O操作

输入输出技术

• 程序控制（查询）方式
  • CPU主动查询外设是否完成数据传输，效率极低
• 程序中断方式
  • 外设完成数据传输后，向CPU发送中断，等待CPU处理数据，效率相对较高
  • 适用于键盘等实时性较高的场景
• DMA方式（直接主存存取）
  • CPU只需完成必要的初始化等操作，数据传输的整个过程都是由DMA控制器完成
  • 在主存和外设之间建立直接的数据通路，效率很高

虚设备和spooling技术

• 现状问题
  • 一台物理设备（互斥资源），例如打印机，在同一时间只能由一个进程使用，其他进程只能等待
  • 不知道什么时候打印空闲，极大的浪费了外设的工作效率
• spooling
  • 外设上建立两个数据缓冲区
    • 输入井
    • 输出井
  • 打印命令发出，数据会排队存储在缓冲区中
  • 打印机会自动按顺序打印，实现物理外设的共享
  • 每个进程都感觉在使用同一个打印机，这就是物理设备的虚拟化

磁盘结构

• 结构
  • 正反两个盘面
  • 每个盘面由多个同心圆
  • 每个同心圆是一个磁道，每个同心圆又被划分为多个扇区
  • 数据存放在一个个扇区中
• 读取数据
  • 磁头首先要寻找到对应的磁道
  • 等待磁盘进行周期旋转，旋转到指定的扇区，读取对应的数据
  • 寻道时间（耗时最长），指磁头移动到磁道所需的时间
  • 等待时间，等待读写扇区转到磁头下方所用的时间

寻道调度算法

• 先来先去服务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
  • 请求访问的磁道与当前磁道最近的进程优先调度
  • 产生饥饿现象，远处进程可能永远无法访问
• 扫描算法SCAN（电梯算法）
  • 磁头在磁盘上双向移动，会选择离磁头当前所在磁道最近的请求
  • 磁头永远都是从里向外或者从外向里一直移动完才掉头，与电梯类似
• 单向扫描调度算法CSCAN
  • 单向移动

知识思维导图