6.第六章 I O设备管理

这是一篇关于6.第六章 I O设备管理的思维导图。操作系统：是一种复杂的系统软件，是不同程序代码、数据结构、数据初始化文件的集合，可执行。

6.第六章：I/O设备管理

• I/O系统的组成:
  • I/O系统的组成：
    • I/O系统包括：【I/O设备】，【设备控制器】，【通道】
    • I/O系统要通过【总线】与CPU、内存相连
  • I/O系统的结构:
    • 微机I/O系统：
      • CPU与内存之间可以直接进行信息交换
      • 但是不能与设备直接进行信息交换，必须经过【设备控制器】
    • 主机I/O系统：
      • 主机I/O系统采用四级结构，包括【主机】、【通道】、【控制器】和【设备】
      • 一个通道可以控制多个设备控制器
      • 一个设备控制器也可以控制多个设备
  • I/O设备的分类：
  • 设备控制器：
    • 什么是设备控制器：
      • 设备控制器是【CPU与I/O设备之间的接口】，接收I/O的命令并【控制设备完成I/O工作】
      • 设备控制器是一个【可编址设备】，连接多个设备时可有多个设备地址
    • 【背】设备控制器的功能：
      • 接收和识别命令
      • 数据交换
        • 通过【数据寄存器】进行数据交换
      • 设备状态的了解和报告
      • 地址识别
      • 数据缓冲
      • 差错控制
    • 设备控制器的组成：
  • I/O通道：
    • 定义：
      • 一种特殊的处理机，它具有执行I/O指令的能力，并通过执行通道程序来控制I/O操作
      • 大型主机系统中【专门用于I/O的专用计算机】
    • 工作方式：
      • 引入通道能够使CPU从控制I/O操作的任务中解脱，【使CPU与I/O并行工作】，提高CPU利用率和系统吞吐量
• I/O控制方式:
  • 控制方式的目的：
    • 尽量【减少】主机对输入/输出控制的【干预】，【提高】主机与输入/输出的【并行程度】
  • 四中控制方式：
    • 轮询控制方式：
      • 工作方式：
        • 主机试图发送I/O控制命令之前
        • 先通过反复检测设备控制器状态寄存器的【忙/闲标志位】
        • 若设备“忙”，主机继续检测该标志位
        • 直到该位为“空闲”，主机发送I/O指令
      • 缺点：
        • 使CPU经常处于【循环测试状态】
        • 造成【CPU的极大浪费】
        • 影响整个进程的【吞吐量】
    • 中断控制方式：
      • 【背】中断控制方式：
        • 进程执行，发出I/O请求，若I/O设备不忙，向设备发送I/O指令
        • 若设备忙，等待阻塞进程
        • 若设备工作完毕，通过中断控制器发送终端请求信号，CPU响应中断，执行中断处理程序
        • 唤醒被阻塞的进程，执行进程，向设备发出I/O指令，CPU继续调度分配进程
        • 本次I/O结束后，设备控制器通发送中断请求，告知CPU本次数据传输结束
      • 优点：
        • 使CPU和I/O设备在某些时间段上【并行工作】
        • 提高CPU的利用率和系统的【吞吐量】
    • DMA控制方式：
      • DMA控制器结构：
        • DMA【与主机的接口】
        • DMA【与设备的接口】
        • 【I/O控制逻辑】
      • DMA控制器中的寄存器：
        • 命令/状态寄存器CR：
          • 接收【从CPU发来的I/O命令或有关控制信息、设备状态】
        • 内存地址寄存器MAR：
          • 【存放内存地址】
          • 输出数据时，存放【输出数据】在【内存的起始地址】
          • 输入数据时，存放【输入数据将要】被放入【内存的起始地址】
        • 数据寄存器DR：
          • 用于暂存DMA传输中要【输入或输出的数据】
        • 数据计数器DC：
          • 指示DMA，本次向CPU发中断信号前要【读或写数据的次数】
      • DMA控制方式工作流程：
        • 【背】DMA控制方式：
          • • CPU要读数据块时，向磁盘控制器发送一条读命令
          • • CPU将该命令被送到【命令寄存器CR】
            • 【起始地址】送入【MAR寄存器】
            • 【字节数】送入【DC寄存器】
          • • 启动DMA控制器进行数据传输，待数据全部传输完毕后，DMA向CPU【发送中断请求】
    • 通道控制方式：
      • 可以使I/O更大程度地独立于主机CPU的I/O控制方式
• 缓冲管理:
  • 内容：
    • 缓冲区是用来【保存两个设备之间或设备与应用程序之间传输数据的内存区域】
    • 由于CPU的速度远远高于I/O设备，为了尽可能使【CPU与设备并行工作】，提高系统的性能，通常需要操作系统在设备管理软件中提供缓冲区管理功能
  • 缓冲的引入：
    • 引入缓冲的主要原：
      • 处理数据流的【生产者与消费者之间的速度差异】
      • 协调【传输数据大小不一致】的设备
    • 引入缓冲的主要作用：
      • 引入缓冲区除了可以【缓和CPU与I/O设备之间速度不匹配】的矛盾，还能【提高CPU和I/O设备之间的并行性】
  • 单个缓冲：
    • 最简单的缓冲类型，在主存储器的系统区中只设立【一个缓冲区】
    • 用户进程发出I/O请求时，操作系统为该操作分配一个位于主存的缓冲区
  • 双缓冲（缓冲交换）：
    • 当一个进程往这一个缓冲区中传送数据时，操作系统正在清空或填充另一个缓冲区
  • 循环缓冲：
    • 在数据到达和数据离去的速度差别很大的情况下，需要增加缓冲区的数量
    • 缓冲区构成图：
    • 两个过程：
      • Getbuf过程：
        • 消费者进程要【使用缓冲区中数据】时调用
        • 生产者进程要【使用空缓冲区装数据】时调用
      • Releasebuf过程：
        • 进程使用完缓冲区后，调用Releasebuf过程【释放缓冲区】
  • 缓冲池：
    • 定义：
      • 公共缓冲池中设置多个可供若干进程共享的缓冲区，提高缓冲区的利用率
    • 【可略】缓冲池的组成：
      • 3种类型的缓冲区：
        • 空缓冲区
        • 装满输入数据的缓冲区
        • 装满输出数据的缓冲区
      • 3种缓冲队列：
        • 空缓冲队列
        • 输入队列
        • 输出队列
      • 4种工作缓冲区：
        • 收容输入数据的缓冲区
        • 提取输入数据的缓冲区
        • 收容输出数据的缓冲区
        • 提取输出数据的缓冲区
      • 4种工作方式：
        • 收容输入
        • 提取输入
        • 收容输出
        • 提取输出
• 设备分配:
  • 设备分配中的数据结构：
    • 定义：支持设备分配的数据结构需要记录设备的状态（忙或空闲）、设备类型等基本信息
    • 四种表：
      • 设备控制表DCT：
        • 系统为每个设备建立一张设备控制表，多台设备控制表构成设备控制表集合。每张设备控制表包含【设备类型】、【设备标识符】、【设备状态】等信息
      • 控制器控制表COCT：
        • 系统为每个控制器设置一张用于【记录该控制器信息】的控制器控制表，通常包含【控制器标识符】、【控制器状态等信息】
      • 通道控制表CHCT：
        • 系统为每个通道设备设一张通道控制表，通常包含【通道标识符】、【通道状态】等信息
      • 系统设备表SDT：
        • 记录了【系统中全部设备】的情况，每个设备占一个表目，其中包括【设备类型】、【设备标识符】、【设备控制表】及设备驱动程序的入口地址
  • 设备分配：
    • 设备的固有属性：
      • 独占性
      • 共享性
      • 可虚拟性
    • 设备分配算法：
      • 先来先服务分配算分
      • 基于优先权分配算法
    • 设备分配方式：
      • 安全分配方式
      • 不安全分配方式
  • 设备独立性：
    • 含义：
      • 应用程序独立于具体使用的物理设备
    • 内容：
      • 【应用程序】中，使用【逻辑设备名称】来请求使用某类设备
      • 系统在【实际执行】时，必须使用【物理设备名称】
    • 【背】设备独立性的好处：
      • 应用程序与物理设备无关
      • 易于处理输入/输出设备的故障
      • 提高了系统的可靠性，增加了设备分配的灵活性
      • 系统增减或变更外围设备时不需要修改应用程序
    • 设备独立软件的功能：
      • 执行所有设备的公有操作：
        • 包括独占设备的分配与回收、【将逻辑设备名转换为物理设备名】、对设备进行保护等
      • 向用户层软件提供统一的接口：
        • 向应用软件和最终用户提供简单、统一的访问接口
    • 独占设备的分配程序：
      • 分配设备
      • 分配控制器
      • 分配通道
  • SPOOLing技术：
    • 含义：
      • 在多道程序环境下，利用一道程序来模拟脱机输入时的外围控制机的功能把低速I/O设备上的数据传送到高速输出磁盘上，再利用另一道程序来模拟脱机输出时外围控制机的功能，把数据从磁盘传送到低速输出设备上
      • 这种在【联机情况下实现的同时外围操作】称为SPOOLing
    • SPOOLing的组成：
      • 【背】组成部分：
        • 输入井和输出井
        • 输入缓冲区和输出缓冲区
        • 输入进程SPi和输出进程SPo
        • 请求I/O队列
    • 【背】利用SPOOLing技术实现共享打印机：
      • 由输出进程在输出井中申请空闲盘块区，并将要打印的数据送入其中
      • 输出进程再为用户申请并填写一张用户请求打印表，将该表放到请求打印队列上
    • 【背】SPOOLing的特点：
      • 提高了I/O速度
      • 将独占设备改造为共享设备
      • 实现了虚拟设备功能
• I/O软件原理:
  • I/O软件管理：
    • 内容：
      • 输入输出软件的总体目标是【将软件组织成一种层次结构】
      • 【低层软件】用来屏蔽硬件的具体细节
      • 【高层软件】则主要是为用户提供一个简洁、规范的界面
    • 四个层次：
      • 用户层软件：
        • 向系统发出I/O请求，显示I/O操作的结果，提供用户与设备的接口
      • 与设备无关的软件层：
        • 完成设备命名、设备分配、设备独立性和缓冲管理等功能
      • 设备驱动程序：
        • 与硬件关系最密切，包括设备【服务程序】和【中断处理程序】
      • 中断处理程序（底层）
  • 设备管理软件的功能：
    • 实现I/O设备的独立性
    • 错误处理
    • 异步传输
    • 缓冲管理
    • 设备的分配和释放
    • 实现I/O控制方式
  • 中断处理程序：
    • I/O中断处理程序的作用是【将发出I/O请求而被阻塞的进程唤醒】
  • 设备驱动程序：
    • 设备驱动程序【是I/O进程与设备控制器之间的通信程序】，其主要任务是接受上层软件发来的抽象的I/O请求，如read和write命令，把它们转换为具体要求后，发送给设备控制器启动设备去执行
  • 与硬件无关的I/O软件：
    • 设备命名
    • 设备保护
    • 提供独立于设备的块大小
    • 为块设备和字符设备提供必要的缓冲技术
    • 块设备的存储分配
    • 分配和释放独立设备
    • 错误处理
• 磁盘管理:
  • 内容：
    • 磁盘存储器不仅【容量大，存取速度快】，而且可以实现【随机存取】，是存放大量程序和数据的理想设备
    • 磁盘管理的重要目标是提高【磁盘空间利用率】和【磁盘访问速度】
  • 磁盘结构：
    • 磁盘结构图：
    • 一个物理记录存储在一个扇区上，磁盘存储的物理记录数目是由【扇区数】、【磁道数】及【磁盘面数】决定的
    • 磁盘类型：
      • 固定头磁盘：
        • 在每条磁道上都有读/写磁头
      • 活动头磁盘 (移动头)：
        • 每一个盘面仅配有一个磁头
    • 磁盘访问时间：
      • 寻道时间：
        • 磁头移动到磁道需要的时间
      • 旋转延迟时间：
        • 磁头旋转到扇区需要的时间
      • 传输时间：
        • 读写数据经历的时间
  • 磁盘调度算法：
    • 六种调度算法：
      • 先来先服务 (FCFS)
      • 最短寻道时间优先 (SSTF)
      • 扫描算法 (SCAN)
      • 循环扫描算法 (CSCAN)
      • NStepSCAN和FSCAN调度算法
    • 具体算法：
      • 先来先服务 (FCFS)：
        • 特点：
          • 最简单的磁盘调度算法
          • 根据进程请求磁盘的先后顺序进行调度
        • 优缺点：
          • 优点：
            • 公平、简单，且每个进程的请求都能依次得到处理，不会出现某一进程的请求长期得不到满足的情况
          • 缺点：
            • 平均寻道时间较长
        • 图：
        • 访问顺序：
          • 1 2 3 4
      • 最短寻道时间优先 (SSTF)：
        • 特点：
          • 该算法选择的进程：其要求【访问的磁道与当前磁头所在的磁道距离最近】，以使每次的寻道时间最短
        • 优缺点：
          • 优点：
            • 每次的寻道时间最短，较之FCFS有更好的寻道性能
          • 缺点：
            • 可能导致某个进程发生“饥饿”现象
        • 图：
        • 访问顺序：
          • 3 1 2
      • 扫描算法 (电梯调度算法，SCAN)：
        • 特点：
          • 不仅考虑到要访问的磁道与当前磁道的距离，更优先考虑磁头当前的移动方向
        • 优缺点：
          • 优点：
            • 有较好的寻道性能，防止“饥饿”现象
          • 缺点：
            • 有时候进程请求被大大推迟
        • 图：
        • 访问顺序：
          • 3 2 1
      • 磁臂粘着
      • 循环扫描算法 (CSCAN)：
        • 特点：
          • 在扫描算法的基础上，规定磁头是【单向移动】的。将最小磁道号紧接着最大磁道号构成循环，进行循环扫描
        • 图：
        • 访问顺序：
          • 3 2 1 4
      • 总结归纳：
        • 先来先服务 (FCFS)：
          • 按先后顺序走
        • 最短寻道时间优先 (SSTF)：
          • 离着近的走
        • 扫描算法 (电梯调度算法，SCAN)：
          • 顺着走，走到谁读谁，掉头继续走
        • 循环扫描算法 (CSCAN)：
          • 顺着走，走到谁读谁，从头顺着走
      • NStepSCAN和FSCAN：
        • NStepSCAN：
          • 将磁盘请求队列分成【若干个】长度为N的【子队列】
          • 磁盘调度将按【FCFS算法】依次处理这些子队列
          • 每处理一个队列时又是按照【SCAN算法】
          • 对一个队列处理后，再处理其他队列
        • FSCAN：
          • 将磁盘请求队列分成【两个子队列】
          • 一个是由当前所有请求磁盘访问的进程形成的队列
          • 由磁盘调度按【SCAN算法】进行处理
          • 将新出现的所有请求磁盘访问的进程
          • 放入另一个等待处理的请求队列
  • 提高磁盘I/O速度的方法：
    • 提前读：
      • 减少读数据的时间
    • 延迟写：
      • 减少写磁盘的次数
    • 优化物理块的分布：
      • 减少磁臂移动距离
    • 虚拟盘：
      • 存放临时文件
    • 磁盘高速缓存：
      • 逻辑上属于磁盘，物理上在内存中