操作系统第六章--设备管理

I/O系统的功能、模型和接口
- I/O系统的基本功能
  - 1. 隐藏物理设备的细节
  - 2. 与设备的无关性
  - 3. 提高处理机和I/O设备的利用率
  - 4. 对I/O设备进行控制
  - 5. 确保对设备的正确共享
  - 6. 错误处理
- I/O系统的层次结构和模型
  - I/O软件的层次结构
    - 用户层软件
    - 设备独立性软件
    - 设备驱动程序
    - 中断处理程序
- I/O系统接口
  - 块设备接口
  - 流设备接口
  - 网络通信接口
I/O设备和设备控制器
- I/O设备
  - 1)按使用特性分类
    - 存储设备：也称外存、辅存，如磁盘
    - I/O设备：键盘、鼠标、打印机；输入设备，输出设备和交互设备（如显示器）
  - 2)按传输速率分类
    - 低速：键盘、鼠标
    - 中速：打印机
    - 高速：磁盘、磁带机、光盘机
- 设备控制器：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
  - 设备控制器的基本功能
  - 设备控制器的组成
    - 设备控制器与处理机的接口
    - 设备控制器与设备的接口
    - I/O逻辑
- 内存映像I/O（驱动程序访问控制）
  - 利用特定的I/O指令
  - 内存映像I/O
- I/O通道
  - I/O通道设备的引入：独立完成I/O操作的组织、管理及其结束处理，减少CPU对I/O的干预
  - 通道类型
    - 字节多路通道：1对多子通道
    - 数组选择通道：只含有一个分配型子通道
    - 数组多路通道：含有多·个分配型子通道
  - 瓶颈问题解决：增加通路而不是通道
    - 说人话：把一个设备连接到多个控制器上，一个控制器连接到多个通道上
  - 通道控制控制器，设备在控制器控制下工作
中断机构和中断处理程序
- 中断简介
  - 中断和陷入
    - 外中断：CPU暂停正在执行的程序，保留CPU环境后，自动转去执行该I/O设备的中断处理程序；执行完后，再回到断点，继续执行原来的程序。
    - 陷入（内中断）：由CPU内部事件所引起的中断，如非法指令、地址越界等。
  - 中断向量表和中断优先级
    - 中断向量表：存放每个中断的处理程序的入口地址，由中断控制器确定中断请求的中断号，然后用中断号查中断向量表获得处理程序的入口地址，以便可以执行处理程序。
    - 中断优先级：多个中断同时出现时，用以区别它们的紧急程度。
  - 对多中断源的处理方式
    - 屏蔽（禁止）中断：中断处理不再响应中断
    - 嵌套中断：在优先级的中断处理中响应更高优先级的中断，从而形成嵌套
- 中断处理程序
  - 测定是否有未响应的中断信号。通常的中断在一条指令执行完后进行检查并处理。
  - 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CPU的现场并退出中断。
设备驱动程序
- 主要任务
  - 接收上层软件发来的抽象I/O要求，如read或write命令，再把它转换为具体要求后，发送给设备控制器，启动设备去执行；反之，它也将由设备控制器发来的信号传送给上层软件。
- 设备驱动程序概述
  - 设备驱动程序的功能
    - 接受上层命令并转换为设备的低级命令
    - 检查I/O命令的合法性
    - 启动I/O设备，但不执行I/O操作（由控制器执行）
    - I/O设备中断处理
  - 设备驱动程序的特点
  - 设备处理方式
- 设备驱动程序的处理过程
  - 将抽象I/O请求转换为具体要求。
  - 对请求服务进行合法性检查。
  - 读取设备的状态寄存器检查设备的状态。
  - 传送必要的参数
  - 启动I/O设备
- 对I/O设备的控制方式（重点）
  - 程序轮询
    - 启动I/O操作时把状态寄存器中的忙/闲标志busy 置为1，然后循环检查状态寄存器中的忙/闲标志busy是否变为0，以判断I/O操作是否结束，在确定结束后再进行下一步操作。（不停地问数据输入好了没有）
  - 中断
    - 即当某进程要启动某个I/O设备工作时，便由CPU向相应的设备控制器发出一条I/O命令，然后立即返回继续执行原来的任务。
    - 以字(节)为单位进行I/O的
  - 直接存储访问DMA
    - (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
  - I/O通道和I/O处理机
    - 数据传输的单位由一个数据块变为一组数据块
    - 通道是通过执行通道程序并与设备控制器共同实现对I/O设备的控制的。通道程序是由一系列通道指令(或称为通道命令)所构成的。
与设备无关的I/O软件
- 与设备无关软件的基本概念
  - 设备独立性：应用程序中所用的设备，不局限于使用某个具体的物理设备。
  - 为了实现设备独立性,必须再在设备驱动程序之上设置一层软件,称为与设备无关的I/O软件,或设备独立性软件.
  - 1. 以物理设备名使用设备
  - 2. 引入了逻辑设备名
  - 3. 逻辑设备名称到物理设备名称的转换
- 与设备无关的软件
  - 1. 设备驱动程序的统一接口
  - 2. 缓存管理
  - 3. 差错控制
  - 4. 对独立设备的分配与回收
  - 5. 独立于设备的逻辑数据块
- 设备分配
  - 设备分配中的数据结构
    - 设备控制表DCT
    - 控制器控制表COCT、通道控制表CHCT、系统设备表SDT
  - 设备分配时应考虑的因素
    - 设备的固有属性（独占、共享、虚拟设备）
    - 设备分配算法（先来先服务、优先级高者优先）
    - 设备分配中的安全性（安全分配方式、不安全分配方式）
  - 独占设备的分配程序
    - 基本的设备分配程序（分配设备、分配控制器、分配通道）
- 逻辑设备名到物理设备名映射的实现
  - 逻辑设备表LUT
    - 在逻辑设备表的每个表目中包含了三项：逻辑设备名、物理设备名和设备驱动程序的入口地址
  - 逻辑设备表的设置问题
    - 第一种方式，是在整个系统中只设置一张LUT。　　
    - 第二种方式，是为每个用户设置一张LUT。
用户层的I/O软件
- 系统调用与库函数
  - 系统调用：应用程序可以通过它间接调用OS中的I/O过程，对I/O设备进行操作。
  - 库函数：用户程序通过调用对应的库函数使用系统调用，这些库函数与调用程序连接在一起，被嵌入在运行时装入内存的二进制程序中。
- 假脱机系统Spooling
  - 假脱机技术：利用专门的外围控制机，先将低速I/O设备上的数据传送到高速磁盘上，或者相反。
  - 系统组成
    - 输入井：收容I/O设备输入的信息；输出井：收容用户程序的输出数据
    - 输入缓冲区和输出缓冲区：缓和CPU和磁盘之间速度不匹配
    - 输入进程和输出进程
    - 井管理程序：控制作业与磁盘井之间信息的交换
  - 系统特点
    - 提高了I/O的速度
    - 将独占设备改造为共享设备
    - 实现了虚拟设备功能
  - 假脱机打印机系统
    - 磁盘缓冲区
    - 打印缓冲区
    - 假脱机管理进程和假脱机打印进程
  - 守护进程daemon：为打印机建立一个守护进程，由它执行一部分原来由假脱机管理进程实现的功能，如为用户在磁盘缓冲区中申请一个空闲盘块，并将要打印的数据送入其中，将该盘块的首址返回给请求进程。
缓冲区管理
- 缓冲的引入
  - (1) 缓和CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾。
  - (2) 减少对CPU的中断频率，放宽对CPU中断响应时间的限制。　　
  - (3) 解决数据粒度不匹配的问题。　　
  - (4) 提高CPU和I/O设备之间的并行性。
- 单缓冲区和双缓冲区
  - 单缓冲区：在单缓冲情况下，每当用户进程发出一I/O请求时，操作系统便在主存中为之分配一缓冲区
  - 双缓冲区：解决生产者和消费者在使用缓冲区时的互斥问题
- 环形缓冲区：将多个缓冲区构成环形，通过三个指针指明可用的缓冲区访问及当前使用的缓冲区
- 缓冲池：存在于主存，通过三个队列管理缓冲区
磁盘存储器的性能和调度
- 磁盘简述
  - 磁盘设备可包括一个或多个物理盘片，每个磁盘片分一个或两个存储面(Surface)，每个盘面上有若干个磁道(Track)，磁道之间留有必要的间隙(Gap)。为使处理简单起见，在每条磁道上可存储相同数目的二进制位。
  - 磁盘类型：固定头磁盘、移动头磁盘
  - 磁盘访问时间：寻道时间+旋转延迟+传输时间
- 早期的磁盘调度算法
  - 先来先服务FCFS
  - 最短寻道时间优先SSTF
- 基于扫描的磁盘调度算法
  - 扫描SCAN算法：解决优先级低的进程饥饿
    - 当磁头正在自里向外移动时，下一个访问的磁道是在当前磁道之外，又是距离最近的，直到访问到最外面的磁道后，更改磁臂为自外向里（顺着一个方向扫描到头）
  - 循环扫描CSCAN算法：解决新进程等待时间过长
    - 当扫描到头之后，直接从最里面的磁道开始扫描
  - NStepSCAN和FSCAN调度算法