操作系统——设备管理

1.设备管理概述

1.1设备分类

I/O设备的种类繁多，从OS观点来看，其重要的性能指标有：数据传输速率、数据的传输单位、设备的共享属性等。

1.1.1按传输速率分类

• 低速设备：指传输速率为每秒钟几个字节到数百给字节的设备，例如鼠标键盘等。
• 中速设备：指传输速率在每秒钟数千个字节至数十千个字节的设备。例如打印机等。
• 高速设备：指传输速率在数百千个字节至数兆字节的设备。例如磁带机等。

1.1.2按信息交换的单位分类

1. 块设备：指以数据块为单位来组织和传送数据信息的设备，属于有结构设备。典型有磁盘。

磁盘设备的基本特征：

• 传输速率高
• 它是可寻址的，即可随机地读写任意一块
• 磁盘设备的IO采用DMA方式

2. 字符设备：指以单个字符为单位来传送数据信息的设备，属于无结构设备。

字符设备基本特征是

• 传输速率较低
• 不可寻址，即不能确定输入时的源地址或输出时的目标地址
• 字符设备的I／O常采用中断驱动方式

1.1.13按资源分配角度分类

• 独占设备：指在一段时间内只允许一个用户（进程）访问的设备，大多数低速的I/O设备，如用户终端、打印机等属于这类设备。
• 共享设备：指在一段时间内允许多个进程同时访问的设备。
• 虚拟设备：指通过虚拟技术将一台独占设备变换为若干台供多个用户（进程）共享的逻辑设备。一般可以利用假脱机技术（SPOOLing技术）实现虚拟设备。

1.2设备控制器

• 设备的电子部分叫做设备控制器或适配器
• 设备控制器主要职责：控制一个或多个I／O设备，以实现I／O设备和计算机之间的数据交换。
• **设备控制器是CPU与I/O设备之间的接口，**它既要与CPU通信，又要与设备通信、还应具有按照CPU所发来的命令去控制设备工作的功能。
• 控制器一般由以下三部分组成：
  1. 设备控制器与处理器接口
  2. 设备控制器与设备接口
  3. I/O逻辑
• 设备控制器与处理机的接口用于实现CPU与设备控制器之间的通信，共有3类信号线：数据线、地址先、控制线。
• 数据线通常与3类寄存器相连接，它们有不同的地址：
  • 第1类是数据寄存器(可能有多个)，用于存放从设备送来的数据(输入)或从CPU送来的数据。
  • 第2类是控制寄存器(也可能有多个)，用于存放从CPU送来的控制信息。
  • 第3类是**状态寄存器(**可以简单到只有一位状态位)，用于存放设备的状态信息。

1.3设备管理的目标和功能

1.3.1设备管理的目标

• 提高设备的利用率，为此，尽量提高CPU与I/O设备之间的并行操作程度，利用的技术有：中断技术、DMA技术、通道技术、缓冲技术。
• 为用户提供方便、统一的界面。

1.3.2设备管理功能

• 设备分配：指设备管理程序按照一定的算法把某一个I/O设备、及其相应的设备控制器和通道分配给某一用户（进程），对于未分配到的进程，则插入等待队列中。

• 缓冲区管理：为了解决CPU与I/O之间速度不匹配的矛盾，在它们之间配置了缓冲区。这样设备管理程序又要负责管理缓冲区的建立、分配和释放。

• 实现物理I/O设备的操作

2.I/O控制方式

I/O的控制方式可分为：程序I/O方式、中断方式、DMA方式和通道方式。

本文涉及两种I/O系统：

1. 主机型系统以内存为中心，由通道方式控制I/O设备与内存的数据传送，体系结构如下：

2. 微机型I/O系统是总线结构，由中断或DMA控制I/O设备与内存的数据传送，体系结构如下：

2.1程序I/O方式

由于没有中断机构，处理机对I/O设备直接进行控制，采取程序I/O方式、 (Polling轮询)或称为忙-等待方式。

工作原理：在CPU向设备控制器发出一条I/O指令启动I/O设备进行数据传输时，要同时把状态寄存器中的忙/闲标志busy置为1，然后便不断地循环测试busy。当busy=l时，表示该I/O设备尚未输入完一个字(符)，CPU应继续对该标志进行测试，直至busy=0。实现如下：

2.2中断控制方式

在输入时，当设备控制器收到 CPU发来的读命令后，便准备接收从相应输入设备送来的数据。一旦数据进入数据寄存器，控制器便通过控制线向CPU发送一中断信号，由CPU检查输入过程中是否出错，若无错，便向控制器发取走数据的信号，然后便通过控制器将数据写入指定内存单元。流程图如下：

2.3DMS控制方式

为了进一步减少CPU对I/O的干预，引入了直接存储器访问DMA控制方式。

• DMA方式是一种完全由硬件执行I／O数据交换的工作方式，它需要使用一个专门的DMA控制器（DMAC），DMAC中有控制状态寄存器、传送字节计数器、内存地址寄存器和数据缓冲寄存器。
• 在这种方式中，DMAC采用盗窃总线控制权的方法从CPU接管对总线的控制，成批的数据交换不经过CPU而直接在内存和I／O设备之间进行。
• DMA方式下的数据传送过程可分为三个阶段：
  1. 预处理阶段：当进程要求设备输入数据时，CPU把准备存放输入数据的内存起始地址以及要传送的字节数分别送入DMAC中的内存地址寄存器和传送字节计数器。
  2. 后处理阶段：DMAC在传送完所有字节时，通过中断请求线发出中断信号。CPU在接收到中断信号后，转入中断处理程序进行后续处理。中断处理结束后，CPU返回到被中断的进程中，或切换到新的进程上下文环境中，继续执行。

2.4I/O通道控制方式

2.4.1I/O通道控制方式的引入

• 通道技术可以进一步减少 CPU的干预，即把对一个数据块为单位的读（或写）的干预，减少到对一组数据块为单位的读（或写）的有关的控制和管理的干预。
• 可实现 CPU、通道和I/O设备三者之间的并行工作，从而更有效地提高了整个系统的资源利用率和运行速度。

2.4.2通道程序

通道是通过执行通道程序，并与设备控制器来共同实现对I/O设备的控制。通道程序是由一系列的通道指令所构成。

2.4.3通道类型

可以把通道分成以下三种类型：

1.字节多路通道

它适用于连接低速或中速设备，如打印机、终端等。

2.数组选择通道

适于连接高速设备（如磁盘机、磁带机），但是这种通道的利用率较低。

3.数组多路通道

这种通道既具有很高的数据传输速率，又能获得令人满意的通道利用率。

2.4.4通道工作原理：

• 通道地址字 CAW：记录通道程序在内存中的地址
• 通道命令字 CCW：保存正在执行的通道指令
• 通道状态字 CSW：存放通道执行后的返回结果
• 通道数据字 CDW：存放传输数据

cpu在执行用户程序时遇到I/O请求后：

1. 操作系统根据该请求生成通道程序放入内存，并将该通道程序的首地址放入通道地址字CAW中。
2. 之后执行“启动I/O”指令，启动通道工作。通道接收到“启动I/O”指令后。
3. 从CAW中取出通道程序的首地址，并根据首地址取出第一条指令放入通道命令字CCW中，同时向CPU发回答信号，使CPU可继续执行其他程序。
4. 而通道则开始执行通道程序，与CPU并行完成I/O设备数据传输工作。
5. 当通道传输完成最后一条指令时停止工作，向CPU发I/O中断。CPU接收中断信号，执行中断子程序，从通道状态字CSW中取得有关通道状态信息，决定下一步做什么。

3.缓冲技术

目前为了解决CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾，在所有的**I/O设备与处理机（内存）**之间，都使用了缓冲区来交换数据。

3.1缓冲的引入

引入的主要原因是：

1. 改善CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾
2. 可以减少对CPU的中断频率，放宽对中断响应时间的限制
3. 提高CPU和I／O设备之间的并行性

3.2缓冲的类型

缓冲有硬件缓冲和软件缓冲之分。

• 硬件缓冲是指以专用的寄存器作为缓冲区。
• 软件缓冲是指在操作系统的管理下，在内存中划出若干个单元作为缓冲区

根据缓冲区设置个数的多少，可分为单缓冲、双缓冲和多缓冲。根据缓冲区的从属关系，可以分为专用缓冲区和缓冲池。

3.2.1单缓冲

CPU从磁盘上读一块数据进行计算要分三步：

1. 先从磁盘把一块数据读入到缓冲区中（花时间T）；
2. 然后由操作系统将缓冲区的数据传送到用户区（花时间M）；
3. 最后由CPU对这一块数据进行计算（花时间C）。

这样处理一个数据时间为（T+M+C）

当连续读入一组数据时：
读入某数据的第一步（输入时间T）和读入它前一个数据的最后一步（计算时间C）是可以并行执行的，这样就提高了CPU和外设的利用率。连续处理一个数据时间 = max (T，C) + M。

3.2.2双缓冲

当读入某数据的第一步（输入时间T）和读入它前一个数据的后二步（传送时间M和计算时间C）二者的并行工作：
连续处理一个数据时间= max(T，(M+C))。

3.2.3循环缓冲

由于数据I/O多数是间断的，可增加缓冲区的个数来改善CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾，循环原理如图：

3.2.4缓冲池

• 对于同时用于输入/输出的公用缓冲池，至少含有三种类型的缓冲区：

  空缓冲区、装满输入数据的缓冲区和装满输出数据的缓冲区。

• 为了管理上的方便，可将相同类型的缓冲区链成一个队列，于是就形成三个队列：空缓冲区队列emq、输入缓冲区队列inq和输出缓冲区队列outq。

• 还应有四种工作缓冲区;

  1. 用于收容输入数据的工作缓冲区（hin）
  2. 用于提取输入数据的工作缓冲区（sin）
  3. 用于收容输出数据的工作缓冲区（hout）
  4. 用于提取输出数据的工作缓冲区（sout）

• 缓冲池有收容输入、提取输入、收容输出和提取输出四种工作方式

3.2.5UNIX系统的缓冲技术

• UNIX系统采用缓冲池技术，来平滑和加快文件信息从内存到磁盘的传输，并充分利用以前从磁盘读入已传入用户区、但仍在缓冲区的数据。

• 当从磁盘上读数据时：

  • 如果数据已经在缓冲区中，则核心就直接从缓冲区中读出，而不必从盘上读
  • 当数据不在缓冲区时，核心先把数据从磁盘传送到缓冲区，再由缓冲区读出

4.I/O系统软件

4.1I／O系统的目标—设备独立性

为了提高操作系统的可适应性和可扩展性，目前几乎所有的操作系统都实现了设备的独立性。

• 除了直接与设备打交道的低层软件之外，其他部分的软件并不依赖于硬件。
• I/O软件独立于设备，就可以提高设备管理软件的设计效率。
• 逻辑设备是实际物理设备属性的抽象，它并不限于某个具体设备。

实现设备独立性功能，带来两个好处：

1. 设备分配时的灵活性
2. 易于实现I/O重定向

为了实现设备的独立性，必须在驱动程序之上设置一层软件，称为设备独立性软件，其主要功能有以下两个方面：

1. 执行所有设备的公有操作；
2. 向用户层（或文件层）软件提供统一的接口。

4.2I／O软件分层结构

• I／O软件采用分层结构，它把软件组织成为一系列的层，低层参与隔离硬件特征，使其它部分软件不依赖硬件；而高层则参与向用户提供一个友好的、清晰而统一的接口。

• I／O软件一般共分4层：中断处理程序、设备驱动程序、与设备无关的操作系统软件，以及用户级软件(指用户空间的I／O软件)

• 现代操作系统通过使用重构设备驱动程序技术，简化了驱动程序的安装。

4.3中断方式I/O处理

在使用中断的微机系统中，执行输入请求的处理步骤：

1. 应用进程请求读操作
2. 设备启动程序
3. 设备启动程序把输入命令存入设备控制器的命令寄存器中，从而启动设备。
4. 设备启动程序将相应信息写入到设备状态表的设备对应表项中
5. 经过一段时间设备完成了I／O操作后，设备控制器发出中断请求，中断CPU上运行的进程，从而引起CPU运行中断处理程序
6. 中断处理程序确定是哪个设备引起的中断，然后转移到该设备对应的设备处理程序执行
7. 设备处理程序重新从设备状态表中，找到等待I／O操作的状态信息
8. 设备处理程序拷贝设备控制器的数据寄存器的内容到用户进程的内存区
9. 设备处理程序返回给应用进程控制权，从而继续运行

4.4用户空间的软件I/O–SPOOLing系统

早期批处理系统中使用的虚拟技术是以脱机方式工作的。

4.4.1什么是 SPOOLing技术

在联机情况下实现的同时与外围设备联机操作的技术称为（SPOOLing），或称为假脱机技术。

4.4.2SPOOLing系统的组成

SPOOLing系统是对脱机输入、输出工作的模拟，它必须有**高速随机外存（硬盘）**的支持。
SPOOLing系统主要有以下三部分：

1. 输入井和输出井
2. 输入缓冲区和输出缓冲区
3. 输入进程SPi和输出进程SPo

4.4.3共享打印机

独享设备通过SPOOLing技术，可以将它改造为一台可供多个用户共享的设备，共享打印机技术已被广泛地用于多用户系统和局域网络。为此，SPOOLing系统创建一个特殊进程，称为守护(daemon)进程，以及一个特殊目录，称为SPOOLing目录

5.设备的分配

5.1设备分配的策略

5.1.1根据设备的固有属性而采取的策略

• 独享方式：独享方式是指将一个设备分配给某进程后，便一直由它独占，直至该进程完成或释放该设备为止，系统才能将该设备分配给其它进程使用。
• 共享方式：指将共享设备（磁盘）同时分配给多个进程使用。
• 虚拟方式：指通过高速的共享设备，把一台慢速的以独占方式工作的物理设备改造成若干台虚拟的同类逻辑设备，这就需要引入SPOOLing技术。虚拟设备属于逻辑设备。

5.1.2设备分配算法

• 先来先服务
• 优先级高者优先

5.2独享设备的分配程序

主机系统的独享设备分配程序是负责向对系统提出I/O请求的进程分配设备，及其相应的控制器和通道。

5.2.1设备分配中数据结构

数据结构有：系统设备表（SDT）、设备控制表（DCT）、控制器控制表（COCT）、通道控制表（CHCT）。

• 系统为每一个设备都配置了一张设备控制表（DCT），用于记录该设备的情况。
  • 设备队列的队首指针：设备请求队列或简称为设备队列。其队首指针指向队首PCB，在有的系统中还设置了队尾指针。
  • 设备状态
  • COCT表指针：该指针指向与该设备相连接的控制器的控制表。在具有多条通路的情况下，一个设备可与多个控制器相连接。
  • 重复执行次数

5.2.2单通道的系统设备分配程序

对于具有单通道的系统，则当进程提出I/O请求后，系统依次查找上图的SDT和DCT、COCT、CHCT四个表，分别从中找出设备、相连的控制器、通道，根据相应表目状态字可知它是否正忙（DCT表目还要看状态字是否等待）。若忙，便将请求I／O进程的PCB挂在它的等待队列上；否则，便将它分配给进程。

只有在设备、控制器和通道三者都分配成功时，这次的设备分配才算成功。

5.2.3设备分配程序的改进

为了提高可靠性和灵活性，通常采用多通路的I/O系统结构，此时对多个控制器和通道的分配，必须查找所有的控制器和通道，才能决定是否将该进程挂起。

6.磁盘I/O

提高磁盘I/O速度，系统应选择性能好的磁盘，采用好的磁盘调度算法和设置磁盘高速缓冲区。

6.1磁盘结构

磁盘存储器由磁盘驱动器、磁盘控制器和磁盘（片）三个部分组成。
按磁头的工作方式，可以分为活动头磁盘和固定头磁盘。

6.2数据的组织

6.2.1磁盘的容量

硬盘的容量 = 每扇区的字节数（512字节）×（扇区数/道）×（柱面数）×（磁头数）

6.3磁盘的访问时间

• 寻道时间TS：
  这是把磁头从当前位置移动到指定磁道上所经历的时间。该时间是启动磁盘的时间s与磁头移动n条磁道所花费的时间之和。
  即 TS ＝ m * n + s, 式中，m是一个常数，它与磁盘驱动器的速度有关。

• 旋转延迟时间Tr：
  Tr 是指定扇区移动到磁头下所经历的时间。

• 传输时间Tt：

  Tt 是指把数据从磁盘读出，或向磁盘写入数据所经历的时间，它的大小与每次所读／写的字节数b及旋转速度r(/秒)有关

6.4磁盘（移臂）调度算法

磁盘是可被多个进程共享的设备。

6.4.1先来先服务FCFS算法

先来先服务FCFS是一种最简单的磁盘调度算法。它根据进程请求访问磁盘的先后次序进行调度。
此算法的优点是公平、简单

6.4.2最短寻道时间优先SSTF算法

该算法总是为那些与当前磁头所在的磁道距离最近请求服务,也就是执行寻道时间最短的那个I/O请求。

6.4.3扫描（SCAN）算法

该算法不仅考虑到欲访问的磁道与当前磁道的距离，更优先考虑的是磁头的当前移动方向。由于这种算法中磁头移动的规律象电梯的运行，所以又称为电梯调度算法。

6.4.4循环扫描 CSCAN算法

这是SCAN算法的一种变种算法，是为了提供更均匀的等待时间而设计的。

6.4.5N-Step-SCAN算法

N步SCAN算法是将磁盘请求队列分成若干个长度为N的子队列，磁盘调度将按FCFS算法依次处理这些子队列，又按SCAN算法处理队列中的每一个请求.

6.4.6FSCAN算法

FSCAN算法实质上是N-Step-SCAN算法的简化。它只将磁盘请求访问队列分成两个子队列。一个是当前所有请求磁盘I/O的进程队列，由磁盘调度按SCAN算法进行处理。另一个队列则是在扫描期间，新出现的所有请求磁盘I/O的进程队列.

6.4.7调度算法总结

6.4.8固态硬盘与磁盘的区别

• 工作原理不同
  固态硬盘是以半导体状态做记忆介质，机械硬盘是以磁做记忆介质的
• 读写速度差别很大
  由于固态硬盘是半导体做记忆介质的，所以比机械硬盘的读写速度快得很多
• 安全级别相差很大
  固态硬盘是以半导体做记忆介质的，所以比机械硬盘抗震动和抗摔，完全性更高

6.4.9固态硬盘与磁盘的优缺点

• 固态硬盘优点
  无噪音、读写速度极快、防震动、发热量低、轻便
• 机械硬盘优点
  容量大，价格便宜
• 固态硬盘缺点
  价格高，容量小，固态硬盘有问PE写入次数有限
• 机械硬盘缺点
  噪音大，怕震动，发热量高，读写速度慢

注：固态硬盘的闪存完全擦写一次,算一次PE

end…