【操作系统】第五章：设备管理

设备管理

5.1.1 IO设备的概念和分类

什么是I/O设备

将数据输入到计算机，或者可以接收计算机输出数据的外部设备

I/O设备的分类–按使用特性分类

I/O设备的分类–按传输速率分类

I/O设备的分类–按信息交换的单位分类

5.1.2 IO控制器

IO设备的机械部件

IO设备的电子部件

CPU无法直接控制I/O设备的机械部件，因此I/O设备还要有一个电子部件作为CPU和I/O设备机械部件之间的"中介"，用于实现CPU对设备的控制。

这个电子部件就是I/O控制器，又称设备控制器。担当一个管家的角色。

IO控制器的功能：

1. 接收和识别CPU发出的命令（老板发话）
2. 向CPU报告设备的状态（回答老板）
3. 数据交换（交换资料）
4. 地址识别

IO控制器的组成

5.1.3 IO控制方式

程序直接控制方式

操作流程：

1. CPU向控制器发出读指令。设备启动。
2. 轮询检查控制器的状态（一直循环检查，直到设备准备完成）
3. 设备准备好后将数据传送给控制器，并且报告自身状态
4. 控制器将输入的数据放到数据寄存器中，并将状态改为已就绪状态
5. CPU发现状态寄存器变了之后开始从数据寄存器中读取数据放到CPU的寄存器中，再把CPU的寄存器中的数据放入内存中
6. 如CPU还要继续读入数据，在发出下一条指令

为什么将数据读入到CPU寄存器中还要放到内存中？

以一个C语言程序为例，需要读入一个变量a，a创建在内存中，读入数据后还要将数据赋值给a。

还可能是因为读入的数据接下来还要用。

CPU干预的频率

很频繁，在IO操作之前，完成之后需要CPU接入，并且在等待IO设备完成的过程中CPU需要不断地轮询检查

数据传送地单位

每次读/写一个字

数据的流向

读操作：IO设备->CPU（寄存器）->内存

写操作：内存->CPU（寄存器）->IO设备

每次读写都需要CPU的参与

优点

实现简单，在读/写指令之后，加上实现循环检查的一系列指令即可。

缺点

CPU和IO设备只能串行工作，CPU需要一直轮询检查，并且CPU长期处于忙等状态，资源利用率低。

中断驱动方式

如何解决忙等问题：让CPU不在一直轮询检查下去，IO设备完成之后在提醒CPU去读入，实现了并行。提高了资源利用率。

缺点：每次都只能读入一个字的数据，效率依然很低。

DMA方式

解决每次只能读入一个字的问题，改成读入一个块，而且中间不需要经过CPU。

缺点：每次只能读入一个数据块或连续的数据块，CPU还是需要发出多条指令。

通道控制方式

CPU只能每次发出一条指令读入一个数据块，可以将CPU要读入数据的通道程序告诉通道，让它来执行，等它执行完后在告诉我。

一个通道可以控制多个IO控制器

一个IO控制器可以控制多个IO设备

总结

5.1.4 IO软件层次结构

从用户提出请求到得到应答之间所经历的部分。

用户层软件

设备独立性软件

1. 向上层提供统一的调用接口（如read/write系统调用）
2. 设备的保护
3. 差错处理
4. 设备的分配和回收
5. 数据缓冲区管理
6. 建立逻辑设计名到物理设备名的映射关系，根据设备类型选择调用相应的驱动程序。

设备驱动程序

中断处理程序

5.2.2 缓冲区管理

缓冲区的作用

CPU读写速度块，IO设备读写速度慢。假如CPU写十个字节数据，每输出一个IO处理一个，但IO设备处理的非常慢，IO设备处理完后就会发出一个中断，让CPU去写下一个数据，这样产生了大量的中断，导致效率很低，资源利用率不高。

所以引入了缓冲区，CPU把要输出的数据都放到缓冲区中，IO设备自己去处理内存中的缓冲区数据。这样就缓和了CPU和IO设备之间速度不匹配的矛盾。（比如菜鸟驿站，不在一个一个送到家中，而是让人自己去取）。也减少了对CPU的中断频率，放宽对CPU中断相应时间的限制。

如果输出进程每次输出一块数据，但IO设备每次只输出一个字符，那就只能一个字符一个字符的输出，这样效率就太低了。

提高了CPU和IO设备之间的并行性能。

单缓冲

双缓冲

结论：处理一个数据块的平均耗时位Max(T，C+M）

单/双缓冲在通信时的区别

循环缓冲区

将多个大小相等的缓冲区链接成一个循环队列

in指针指向下一个可以冲入数据的空缓冲区

out指针指向下一个可以取出数据的满缓冲区

缓冲池

缓冲池由系统中共用的缓冲区组成，这些缓冲区按使用状况可以分为：空缓冲队列、装满输入数据的缓冲队列（输入队列），装满输出数据的缓冲数列（输出队列）

输入进程请求输入数据

1. 将空缓冲队列的一个缓冲区拿出来放到收容输入的缓冲区中
2. 数据充满之后放到输入队列的队尾上

计算进程想要取得一块输入数据

1. 将输入队列的队头加入到提取输入的缓冲区中
2. 完成后将缓冲区加入到空缓冲区的队尾上

5.2.3 设备的分配和回收

设备分配要考虑的因素

1. 设备的固有属性

设备的固有属性可以分为三种：

独占设备：一个时段只能分配给一个进程（入打印机）

共享设备：可同时分配给多个进程使用（如磁盘），各进程往往时宏观上同时共享使用设备，而微观上交替使用

虚拟设备：采用SPOOLing技术将独占设备改造成虚拟的共享设备，可同时分配给多个进程使用（共享打印机）

2. 设备分配算法

先来先服务，优先级高者优先，短任务优先

3. 设备分配的安全性

静态分配和动态分配

设备管理中的数据结构

5.2.4 假脱机技术

什么是脱机技术

脱机：脱离主机的控制进行的输入输出操作

引入了脱机技术，缓解了CPU与慢速IO设备的速度矛盾，即使CPU在忙碌，也可以提前将数据输入到磁带，即使慢速的输出设备正在忙碌，也可以提前将数据输出到磁带。

假脱机技术–输入井和输出井

假脱机技术是用软件的方式模拟脱机技术

输入井模拟脱机输入时的磁带，用于收容IO设备输入的数据

输出井模拟脱机输出时的磁带，用于收容用户进程输出的数据

假脱机技术–输入进程和输出进程

这边能输入，那边能输出，两个进程可以同时进行。

假脱机技术–输入/输出缓冲区

共享打印机原理分析

1. 在磁盘的输出井中为进程申请一个空闲缓冲区，并将要打印的数据送入其中
2. 为用户进程申请一张空白的打印请求表，并将用户的打印请求填入表中，在将该表挂到假脱机文件队列上。
3. 当打印机空闲时，输出进程会从文件队列的队头取出一张打印请求表，并根据表中的要求将要打印的数据从输出井传送到缓冲区，在输出到打印机进行打印。

5.3.1 磁盘的结构

磁盘、磁道、扇区

磁盘的表面由一些磁性物质组成，可以用这些磁性物质来记录二进制数据。

磁盘被分为一个个磁道，每个磁道存储的数据量相同。

一个磁盘又会被分为各个扇区，每个扇区存储的数据量相同。

如何在磁盘中读写数据

磁盘的物理地址

5.3.2 磁盘调度算法

一次磁盘读/写操作需要的时间

寻道时间：在读写数据前，将磁头移动到指定磁道所花的时间。

延迟时间：通过旋转磁盘，使磁头定位到目标扇区所需要的时间。

传输时间：从磁盘读出或向磁盘写入数据所经历的时间。

先来先服务算法

规则：根据进程请求访问磁盘的先后顺序进行服务。

优点：公平

缺点：如果有大量进程竞争使用磁盘，请求访问的磁道很坟山，则FCFS在性能上很差，寻道时间长。

扫描算法

LOOK调度算法

循环扫描算法

C-LOOK算法

5.3.3 减少磁盘延迟时间的方法

交替编号

磁盘地址结构的设计

错位命名

5.3.4 磁盘的管理

磁盘的初始化

引导块

坏块的管理