【操作系统】设备管理
设备管理
- 一、I/O设备
- 1.1 I/O设备的概念和分类
- 1.2 I/O控制器
- 1.3 I/O控制方式
- 1.3.1 程序直接控制方式
- 1.3.2 中断驱动方式
- 1.3.3 DMA方式
- 1.3.4 通道控制方式
- 二、I/O软件层次结构
- 2.1 用户层软件（假脱机技术SPOOLing）
- 2.2 设备独立性软件（I/O调度和设备保护）
- 2.3 设备驱动程序
- 2.4 中断处理程序
- 三、磁盘
- 3.1 磁盘的结构
- 3.2 磁盘调度算法
- 3.2.1 先来先服务FCFS
- 3.2.2 最短寻找时间优先SSTF
- 3.2.3 扫描算法SCAN
- 3.2.4 LOOK调度
- 3.3 减少磁盘延迟时间的方法
一、I/O设备
1.1 I/O设备的概念和分类
1.2 I/O控制器
- I/O设备的机械部件主要用来执行具体I/O操作。如我们看得见摸得着的鼠标/键盘的按钮；显示器的LED屏；移动硬盘的磁臂、磁盘盘面。
- I/O设备的电子部件通常是一块插入主板扩充槽的印刷电路板。
- 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。
- 一个I/O控制器可能会对应多个设备；
- 数据寄存器、控制寄存器、状态寄存器可能有多个（如：每个控制/状态寄存器对应一个具体的设备），且这些寄存器都要有相应的地址，才能方便CPU操作。
- 有的计算机会让这些寄存器占用内存地址的一部分，称为内存映像I/O；另一些计算机则采用I/O专用地址，即寄存器独立编址。
1.3 I/O控制方式
1.3.1 程序直接控制方式
| 内容 | 说明 |
|---|---|
| 完成一次读/写操作的流程 |  |
| CPU干预的频率 | 很频繁，I/O操作开始之前、完成之后需要CPU介入，并且在等待I/O完成的过程中CPU需要不断地轮询检查。 |
| 数据传送的单位 | 每次读/写一个字 |
| 数据的流向 | 读操作(数据输入): I/O设备→CPU→内存 写操作(数据输出): 内存→CPU→I/O设备 每个字的读/写都需要CPU的帮助 |
| 主要缺点和主要优点 | 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(因此才称为“程序直接控制方式”) 缺点: CPU和I/O设备只能串行工作，CPU需要一直轮询检查，长期处于“忙等”状态，CPU利用率低。 |
1.3.2 中断驱动方式
- 引入中断机制。由于I/O设备速度很慢，因此在CPU发出读/写命令后，可将等待I/O的进程阻塞，先切换到别的进程执行。当I/O完成后，控制器会向CPU发出一个中断信号，CPU检测到中断信号后，会保存当前进程的运行环境信息，转去执行中断处理程序处理该中断。处理中断的过程中，CPU从I/O控制器读一个字的数据传送到CPU寄存器，再写入主存。接着，CPU恢复等待I/O的进程（或其他进程）的运行环境，然后继续执行。
| 说明 | |
|---|---|
| 完成一次读/写操作的流程 |  |
| CPU干预的频率 | 每次I/O操作开始之前、完成之后需要CPU介入。 等待I/O完成的过程中CPU可以切换到别的进程执行。 |
| 数据传送的单位 | 每次读/写一个字 |
| 数据的流向 | 读操作（数据输入）：I/O设备→CPU→内存 写操作（数据输出）：内存→CPU→I/O设备 |
| 主要缺点和主要优点 | 优点：与“程序直接控制方式”相比，在“中断驱动方式”中，I/O控制器会通过中断信号主动报告I/O已完成，CPU不再需要不停地轮询。 CPU和I/O设备可并行工作，CPU利用率得到明显提升。 缺点：每个在I/O设备和内存之间的传输，都需要经过CPU。而频繁的中断处理会消耗较多的CPU时间。 |
1.3.3 DMA方式
| 内容 | 说明 |
|---|---|
| 完成一次读/写操作的流程 |  |
| CPU干预的频率 | 仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时，才需要CPU干预。 |
| 数据传送的单位 | 每次读/写一个或多个块（注意：每次读写的只能是连续的多个块，且这些块读入内存后在内存中也必须是连续的） |
| 数据的流向 | 读操作（数据输入）：I/O设备→内存 写操作（数据输出）：内存→I/O设备 |
| 主要缺点和主要优点 | 优点：数据传输以“块”为单位，CPU介入频率进一步降低。数据的传输不再需要先经过CPU再写入内存，数据传输效率进一步提升。CPU和I/O设备的并行性得到提升。 |
1.3.4 通道控制方式
| 内容 | 说明 |
|---|---|
| 完成一次读/写操作的流程 |  |
| CPU干预的频率 | 极低，通道会根据CPU的指示执行相应的通道程序，只有完成一组数据块的读/写后才需要发出中断信号，请求CPU干预。 |
| 数据传送的单位 | 每次读/写一组数据块 |
| 数据的流向（在通道的控制下进行） | 读操作（数据输入）：I/O设备→内存 写操作（数据输出）：内存→I/O设备 |
| 主要缺点和主要优点 | 缺点：实现复杂，需要专门的通道硬件支持 优点：CPU、通道、I/O设备可并行工作，资源利用率很高。 |
| 完成一次读/写的过程 | CPU干预频率 | 每次 I/O 的数据传输单位 | 数据流向 | 优缺点 |
|---|---|---|---|---|
| 程序直接控制方式 | CPU发出I/O命令后需要不断轮询 | 极高 | 字 | 设备→CPU→内存内存→CPU→设备 |
| 中断驱动方式 | CPU发出I/O命令后可以做其他事，本次I/O完成后设备控制器发出中断信号 | 高 | 字 | 设备→CPU→内存内存→CPU→设备 |
| DMA方式 | CPU发出I/O命令后可以做其他事，本次I/O完成后DMA控制器发出中断信号 | 中 | 块 | 设备→内存内存→设备 |
| 通道控制方式 | CPU发出I/O命令后可以做其他事。通道会执行通道程序以完成I/O，完成后通道向CPU发出中断信号 | 低 | 一组块 | 设备→内存内存→设备 |
二、I/O软件层次结构
2.1 用户层软件（假脱机技术SPOOLing）
- “假脱机技术”，又称“SPOOLing技术”是用软件的方式模拟脱机技术。
- 当多个用户进程提出输出打印的请求时，系统会答应它们的请求，但是并不是真正把打印机分配给他们，而是由假脱机管理进程为每个进程做两件事：
- 在磁盘输出井中为进程申请一个空闲缓冲区（也就是说，这个缓冲区是在磁盘上的），并将要打印的数据送入其中；
- 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（其实就是用来说明用户
的打印数据存放位置等信息的），再将该表挂到假脱机文件队列上。
- 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输出缓冲区，再输出到打印机进行打印。用这种方式可依次处理完全部的打印任务
- 虽然系统中只有一个台打印机，但每个进程提出打印请求时，系统都会为在输出井中为其分配一个存储区（相当于分配了一个逻辑设备），使每个用户进程都觉得自己在独占一台打印机，从而实现对打印机的共享。
2.2 设备独立性软件（I/O调度和设备保护）
-
I/O调度：用某种算法确定一个好的顺序来处理各个1/O请求。
-
设备保护：设备被看做是一种特殊的文件，每个设备也会有对应的FCB。当用户请求访问某个设备时，系统根据FCB中记录的信息来判断该用户是否有相应的访问权限，以此实现“设备保护”的功能。
2.3 设备驱动程序
2.4 中断处理程序
三、磁盘
3.1 磁盘的结构
- 可用（柱面号，盘面号，扇区号）来定位任意一个“磁盘块”。
①根据“柱面号”移动磁臂，让磁头指向指定柱面；
②激活指定盘面对应的磁头；
③磁盘旋转的过程中，指定的扇区会从磁头下面划过，这样就完成了对指定扇区的读/写。
3.2 磁盘调度算法
3.2.1 先来先服务FCFS
- 根据进程请求访问磁盘的先后顺序进行调度。
- 优点：公平
- 缺点：如果有大量进程竞争使用磁盘，请求访问的磁道很分散，则FCFS在性能上很差，寻道时间长
3.2.2 最短寻找时间优先SSTF
- SSTF算法会优先处理的磁道是与当前磁头最近的磁道。可以保证每次的寻道时间最短，但是并不能保证总的寻道时间最短。（其实就是贪心算法的思想，只是选择眼前最优，但是总体未必最优）
- 优点：性能较好，平均寻道时间短
- 缺点：可能产生“饥饿”现象
3.2.3 扫描算法SCAN
只有磁头移动到最外侧磁道的时候才能往内移动，移动到最内侧磁道的时候才能往外移动。这就是扫描算法（SCAN）的思想。由于磁头移动的方式很像电梯，因此也叫电梯算法。
3.2.4 LOOK调度
扫描算法（SCAN）中，只有到达最边上的磁道时才能改变磁头移动方向，事实上，处理了184号磁道的访问请求之后就不需要再往右移动磁头了。LOOK调度算法就是为了解决这个问题**，如果在磁头移动方向上已经没有别的请求，就可以立即改变磁头移动方向**。（边移动边观察，因此叫LOOK）
3.3 减少磁盘延迟时间的方法
