操作系统总结 设备管理

I/O系统

I/O设备

• I/O设备的类型
  
  1. 按设备的使用特性分类：存储设备、输入/输出设备
  2. 按传输速率分类：低速、中速、高速设备
  3. 按信息交换的单位分类：块设备、字符设备
  4. 按设备的共享属性分类：独占设备、共享设备、虚拟设备

设备与控制器的接口

• 数据信号线
• 控制信号线
• 状态信号线

设备控制器

设备控制器是计算机中的一个实体，其主要职责是控制一个或多个I/O设备，以实现I/O设备和计算机之间的数据交换。它是计算机和设备的接口，接受CPU发来的指令，以使理机中繁杂的设备控制实务中解脱出来。

• 基本功能
  
  1. 接受和识别命令
  2. 数据交换
  3. 标识和报告设备的状态
  4. 地址识别
  5. 数据缓冲
  6. 差错控制
• 设备控制器的组成
  
  1. 设备处理器和处理机的接口
  2. 设备控制器与设备的接口
  3. I/O逻辑

I/O通道

I/O通道是一种特殊的处理机，它具有执行I/O的能力，并通过执行通道程序来控制I/O操作。但其指令简单、与CPU共享内存

• 通道类型

  1. 字节多路通道
  2. 数组选择通道
  3. 数组多路通道

• 瓶颈问题
  通过增加设备到主机间的通路而不增加通道

总线系统

• ISA
• EISA
• VESA
• PCI

---

I/O控制方式

程序I/O方式

浪费大量CPU时间与资源

中断驱动I/O控制方式

由CPU向设备控制器发指令，有专门的设备控制处理I/O请求。

直接存储器访问I/O控制方式

• DMA I/O控制方式

  1. 数据传输的基本单位是数据块
  2. 其传输的数据是直接传入到内存的，不用再经过CPU处理
  3. 仅在一个和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下完成的。

• DMA控制器组成

• DMA工作过程

I/O通道控制方式

• I/O通道的引入
• 通道程序

缓冲管理

缓冲区的引入

• 缓和CPU与I/O设备间速度不匹配问题
• 减少对CPU的中断频率，放宽对CPU中断相应时间
• 提高CPU和O/I之间的并行性

单缓冲和双缓冲

单缓冲

每个计算机只有一个缓冲区。

双缓冲

每个计算机有两个缓冲区，可以在进程读缓冲的时候同时向另一个缓冲区写缓冲。在两台电脑通信的时候，可以双向发送信息。

循环缓冲

循环缓冲的组成

• 多个缓冲区

  1. 多个缓冲区
  2. 多个指针

• 循环缓冲区的使用

  1. Getbuf
  2. Releasebuf

• 进程同步
  使用输入循环队列，可使输入进程和计算进程并行执行。

缓冲池

• 缓冲池的组成
  
  1. 空缓冲区
  2. 装满输入数据的缓冲区

3. 装满输出数据的缓冲区

1. 输入队列
2. 空缓冲队列

3. 输出队列

   • Getbuf过程和Putbuf过程

   • 缓冲区的工作方式

4. 收容输入 数据进程输入数据
5. 提取输出 输出进程输出数据
6. 提取输入 计算检查输出数据
7. 收容输出 计算进程输出数据

---

I/O软件

I/O软件的设计原则和目标

• 与具体设备无关
• 统一命名
• 对错误的处理
• 缓冲技术
• 设备的分配和释放
• I/O控制方式

I/O软件的四个层次

1、用户软件层

实现与用户交互的接口，用户可以直接调用在用户层提供的，与I/O调用有关的库函数，对设备进行操作

2、设备独立软件

负责实现与设备驱动器的统一接口、设备命名、设备的保护以及设备的分配和释放等、同时为设备管理和数据传送提供必要的存储空间。

3、设备驱动程序

与硬件直接相关，负责具体实现系统对设备发出的指令，驱动I/O设备工作的驱动程序。

4、中断处理程序

用于保护被中断进程的CPU环境，转入相应的中断处理程序进行，处理，处理完后再恢复被中断程序。

中断处理程序

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

设备驱动程序

1、设备驱动程序的功能

2、设备处理方式

3、设备驱动程序的特点

4、设备驱动程序的处理过程

设备独立性软件

1、设备独立性的概念

2、设备独立性软件

3、设备逻辑名到物理设备名映射的实现

---

设备分配

设备分配的数据结构

• 设备控制表
• 控制器控制表、通道控制表和系统设备表

设备分配时应考虑的因素

• 设备的固有属性
• 设备分配算法
• 设备分配中的安全性

独占设备的分配程序

• 基本的设备分配程序
• 设备分配程序的改进

SPOOLing技术

• 内容
• 组成
• 共享打印机
• SPOOLing系统的特点

磁盘存储器的管理

磁盘性能简述

1、数据的组织和格式

磁盘设备可包括一或多个物理盘片，每个磁盘片分一个或两个存储面，每个磁盘面被组织成了若干个环心，这种环称为磁道，各磁道之间留有必要的间隙。

2、磁盘的类型

• 固定头磁盘
• 移动头磁盘

3、磁盘的访问时间

• 寻道时间
  把磁臂移动到指定磁道上所经历的时间
• 旋转延迟时间
  扇区移动到磁头下面的时间
• 传输时间
  把数据从磁盘读出或向磁盘写入数据所经历的过程

磁盘调度

1、先来先服务 FCFS

其根据进程请求访问磁盘的先后次序进行调度，公平，简单。

2、最短寻道时间优先 SSTF

其要求访问的磁道与当前磁头所在的距离最近，以使每次寻道时间最短。

3、扫描算法 SCAN

该算法不仅考虑到欲访问的磁道与当前磁道间的距离，更优先考虑的是磁头当前的移动方向。其下一个考虑的对象，应是其欲访问的磁道在当前磁道方向上，又是距离最近的，1 ----->2  2------>1 即循环扫描。

4、循环扫描算法 CSCAN

其与扫描算法不同的地方是其扫描方式不同
1----->2 磁头返回到1  1----->2

5、NStepSCAN 和 FSCAN

磁盘高速缓存

其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。

数据交付方式

• 数据交付
• 指针交付

置换算法

• 访问频率
• 可预见性
• 数据的一致性

周期的回写磁盘

提高磁盘I/O的其他方法

1、提前读

2、延迟写

3、优化物理块的分布

4、虚拟盘

廉价磁盘冗余阵列

• 并行交叉存取
• RAID的分级
• RAID的优点