《计算机操作系统》学习笔记（五）---设备管理

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一、I/O系统

I/O设备的分类

1. 按传输速率分类：低速设备（键盘，鼠标）、中速设备（激光打印机）、高速设备（磁带机、磁盘机）

2. 按信息交换的单位分类：字符设备、块设备

3. 按设备的共享属性分类：独占设备、共享设备、虚拟设备

2、设备控制器

主要职责是控制一个或多个I/O的设备。

1. 设备控制器的基本功能：

（1）接收和识别命令（CPU->设备）

（2）标识和报告设备状态（设备->CPU）

（3）数据交换

（4）地址识别

（5）数据缓冲

（6）差错控制

1. 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

3、I/O通道

I/O通道是一种特殊的处理机，具有执行I/O指令的能力。其目的就是为了独立的I/O操作，它不仅数据的传送能够独立于CPU，对于I/O操作的组织、管理及其结束处理也能够独立。

通道类型有:

1. 字节多路通道（控制器->通道轮流交叉传输一个字节）

2. 数组选择通道（控制器->通道按顺序一个控制器传输完所有字节再到下一个）

3. 数组多路通到（控制器->通道轮流交叉传输一组字节）

4、总线系统

ISA-->EISA-->VESA-->PCI（目前最流行的）

二、I/O控制方式

1、程序I/O方式

CPU定时查询设备的状态，若有数据需要输入或需要输出，即开始数据传输，否则下个时刻继续查询

2、中断驱动I/O控制方式

如：CPU向设备控制器发送读命令，设备控制器收到命令后便去控制相应的输入设备读数据，当数据进入数据寄存器后，控制器便通过控制线向CPU发送中断信号，由CPU检查输入过程是否差错，若无错即通过控制器以及数据线，将数据写入内存指定单元。每个数据从设备到控制器的输入过程中，无须CPU干预，可使CPU与I/O设备并行工作。

3、直接存储器访问DMAI/O控制方式

中断驱动I/O控制方式时的CPU是以字节为单位进行干预的，如果将其用于块设备，显然极其低效。

该方式的特点：

（1）数据传输的基本单位是数据块；

（2）所传送的数据是从设备直接读入内存的，或者相反；

（3）仅在传送一个或多个数据块的开始或结束时，才需要CPU干预，数据块的传输是在控制器的控制下完成的。

4、I/O通道控制方式

I/O通道方式是DMA方式的发展，它可进一步减少CPU的干预，即把对一个数据块的读写为单位的干预，减少为对一组数据块的读写以及有关的控制和管理为单位的干预。

三、缓冲管理

设备管理中，引入缓冲区的主要原因，可归纳为以下几点：

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. 提高CPU和I/O设备之间的并行性。

缓冲类型有三种：

1. 单缓冲

2. 双缓冲

3. 循环缓冲

三种缓冲区：无数据的空缓冲区R、有数据的满缓冲区G、计算进程正用的缓冲区C

三个指针：

计算进程下一可用缓冲Nextg（对应G）

输入进程下一可用缓冲Nexti（对应R）

计算进程正在使用缓冲Current（对应C）

两个过程：Getbuf和Releasebuf

1. 缓冲池

三种队列：空缓冲队列（emq）、输入队列（inq）、输出队列（outq）三个队列；

四种缓冲：

用于收容输入数据的工作缓冲区的工作缓冲区（hin）

用于提取输入数据的工作缓冲区（sin）

用于收容输出数据的工作缓冲区（hout）

用于提取输出数据的缓冲区（sout）四个工作缓冲区

两个过程：Getbuf和Putbuf

四、设备分配

设备分配中的数据结构

1. 设备控制表DCT

2. 控制器控制表COCT

3. 通道控制表CHCT

4. 系统设备表SDT

设备分配中的考虑因素

1. 设备固有属性：独占设备，共享设备（容易造成死锁），虚拟设备

2. 设备分配算法：先来先服务，优先级高者优先

3. 设备分配安全性

4. 设备独立性：设立一层独立性软件，（1）执行所有设备的公共操作（面向设备），（2）向用户层软件提供统一接口（面向用户）

SPOOLing技术（伪脱机操作）

与脱机操作差不多，只是有两点不一样：

1. 输入进程与输出进程模拟外围机

2. 脱机操作是使用整个磁盘来缓存作业，而SPOOLing技术只是从磁盘中划分出“输出井”和“输出井”来缓存作业

六、设备处理

设备驱动程序的特点：

驱动程序主要是指在请求I/O的进程与设备控制器之间的一个通信和转换程序。它将进程的I/O请求经过转换后，传送给控制器；又把控制器中的记录的设备状态和I/O操作完成情况及时地反映给请求I/O的进程。

设备驱动的特点：

1. 驱动程序与设备控制器和I/O设备的硬件特性紧密相关，对不同类型的设备应该配置不同的驱动程序。

2. 驱动程序与I/O设备所采用的I/O控制方式紧密相关。

3. 由于驱动程序与硬件紧密相关，因而其中的一部分必须用汇编语言写。

驱动程序分两部分：

1. 设备驱动程序（驱动设备进行I/O）

2. 设备中断处理程序（设备I/O后处理相关）

七、磁盘存储器管理

磁盘访问

访问时间=寻到时间+旋转延迟时间+传输时间

磁盘调度

1. 先来先服务FCFS

2. 最短寻道时间优先SSTF

3. 扫描算法（电梯调度算法）SCAN

4. 循环扫描算法CSCAN

5. N-Step-SCAN调度算法（FCFS与SCAN的结合体）

   廉价磁盘冗余阵列

   RAID0级：仅提供并行交叉存取

   RAID1级：具有磁盘镜像功能，备份用

   RAID3级：具有并行传输功能，有一专门的校验盘

   RAID5级：具有并行传输功能，没有专门的校验盘，校验信息螺旋方式散布在所有数据盘