操作系统学习笔记（八）

设备管理：

I/O系统：

用于实现数据输入、输出及数据存储的系统。

1  I/O设备

I/O设备的类型，可按设备使用特性、数据传输速率、设备共享属性等：
按设备使用特性分类：一：存储设备，外存或后备存储器、辅助存储器。二：输入、输出设备，如鼠标键盘扫描仪数字显示设备等。
按传输速率分类：一：低速设备，如键盘，鼠标器，语音，二：中速设备，如行式打印机，激光打印机，三，高速设备，如磁带机，光盘机。
按信息交换的单位分类：一：块设备，数据存取以数据块为单位，如磁盘可寻址。二：字符设备，如交互式终端，打印机，不可寻址
按设备共享属性分类：一：独占设备，二：共享设备，三：虚拟设备

设备与CPU之间有设备控制器，因此IO设备中应包含设备控制器的接口，包含三种类型的信号，控制信号、数据信号、状态信号。

2 设备控制器

主要职责：控制一个人或多个IO设备，以实现IO设备和计算机之间的数据交换，是CPU与IO设备的接口。常做成接口卡的形式。
其基本功能：接受和识别命令，数据交换，标识和报告设备状态，地址识别，数据缓冲，差错控制
其由三部分组成：设备控制器与处理机的接口、设备控制器与设备之间的接口、IO逻辑（负责译码）

3 I/O通道

引入的目的：使原来由CPU处理的IO任务转由通道承担。通道收到CPU的处理IO指令后，便从内存中取出本次通道要执行的通道程序，完成后向CPU发出中断
其没有自己的内存，与CPU共享内存。
通道可分为三种：字节多路通道，数组选择通道，数组选择通道，数组多路通道

I/O控制方式

程序IO方式：即忙等待方式，即CPU不断测试IO设备的状态，直到其就绪再执行下一步。
中断驱动方式：CPU与IO设备并行工作，当设备工作完后，向CPU发出中断信号，CPU花费少量时间处理后继续自己的事。
直接存储器访问（DMA)I/O控制方式：
按数据块传输，直接与内存传输，仅在一个或多个数据块开始和结束的时，才需要CPU干涉，减少了中断次数。
其组成：主机与DMA控制器的接口，DMA控制器与块设备的接口，IO控制逻辑

缓冲管理

其主要职责就是管理好IO设备与处理机之间放入缓冲区，并提供获得和释放缓冲的手段。

1 缓冲引入的需求

一、缓和CPU与IO设备之间速度不匹配的矛盾。
二、减少对CPU中断放入频率，放宽对CPU中断响应时间放入限制。
三、提高CPU与IO设备之间放入并行性。

2 循环缓冲

循环缓冲区由多个缓冲区和多个指针组成；
缓冲区：用于装输入数据的空缓冲区R、已装满数据放入缓冲区G以及计算进程正在使用的工作缓冲区C
指针：指向计算进程下一个可用缓冲区G的指针Nextg，指向输入进程下一次可用可用的空缓冲区R的指针Nexti，以及指向进程正在使用的缓冲区C的指针Current
循环缓冲放入使用可分为GetBuf和ReleaseBuf过程。、

3 缓冲池

由三个队列组成：空缓冲队列，输入队列，输出队列
其工作方式：收容输入，提取输入，收容输出，提取输出。

I/O软件

1 I/O 软件的设计目标和原则

目标：设法消除或屏蔽设备硬件内部的低级处理过程，为用户提供一个简单易用抽象的逻辑设备接口，具体如下：
一、与具体设备无关
二、统一命名
三、对错误的处理
四、缓冲技术
五、设备的分配与释放
六、IO控制方式
通常把IO软件组织分成四个层次：用户层软件、设备独立性软件、设备驱动程序、中毒那处理程序

2 中断处理程序

其主要工作：进行进程上下文切换，对处理中断信号源进行测试，读取设备状体和修改进程状态，其处理过程主要分为以下几个步骤：
1 唤醒被阻塞的驱动程序和进程
2 保存被中断进程的CPU环境
3 转入相应设备处理程序
4 中断处理
5 恢复被中断进程的现场

3 设备驱动程序

其处理过程：
1 将抽象要求转换为具体要求
2 检查IO请求的合法性
3 读出和检查设备状态
4 传送必要参数
5 工作方式的设置
6 启动IO设备

4 设备独立性软件

即设备无关性，应用程序独立于具体使用的物理设备
其主要功能主要有以下两个方面：
一、执行所有设备的公有操作
对独立设备的分配和回收
将逻辑设备名映射为具体的物理设备名，进一步找到响应的物理设备的驱动程序
对设备进行保护，进制用户直接访问设备
缓冲管理、差错控制
提供独立于设备的逻辑块
二、向用户层或者文件软件提供统一接口。

5 用户层的I/O软件

设备分配

为防止诸进程对系统资源的无序竞争，特规定系统设备不允许用户自行使用，必须由系统统一分配

1 设备分配中的数据结构

设备控制表，控制器控制表，通道控制表，系统设备表

2 设备分配时应考虑的因素

设备的固有属性、设备分配算法、设备分配时的安全性、设备独立性

3 SPOOLing技术

将一台IO设备虚拟成多台逻辑IO设备，允许多个用户共享一个物理IO设备。

磁盘存储器的管理

1 磁盘性能简述

磁盘访问时间：
寻道时间Ts：把磁头移动到指定磁道上的时间。
旋转延迟时间Tr：指定扇区移动到磁头下面所经历的时间
传输时间Tt:Tt = b/rN,r为磁盘每秒的转数，N为一条磁道上的字节数

2 磁盘调度

有以下几个算法：先来先服务，最短寻道时间优先，扫描算法，循环扫描算法，NStepSCAN和FSCAN调度算法。

3 磁盘高速缓存

Disk Cache：利用内存中的存储空间来暂存从磁盘中读出的一系列盘块的信息，是逻辑上属于磁盘，物理上是驻留在内存的盘块

4 提高磁盘I/O速度的其他方法

提前读，延迟写，优化物理块的分布，虚拟盘