第五章-设备管理

这是一篇关于第五章-设备管理的思维导图，包含功能、 设备分类、设备的物理特性差异、设备控制器、 I/O软件、 缓冲技术、 驱动调度技术等。

设备管理

• 功能
  • 设备的中断处理
    • 提高并行度，提高效率
  • 缓冲区管理
    • 速度不一，提高效率
  • 设备的分配和去配
    • 进程多，设备少
  • 设备驱动调度
    • 大量读写请求，合理调度以进一步提高效率
  • 虚拟设备及其实现
    • 改造独占设备，提高使用效率
• 设备分类
  • 基于分配特性
    • 独享设备
    • 共享设备
    • 虚拟设备
  • 基于工作特性
    • 输入/输出设备
    • 存储设备
  • 基于信息交换单位
    • 块设备
    • 字符设备
• 设备的物理特性差异
  • 数据表示方式不同
  • 传输单位不同
  • 数据传输速率不同
• I/0控制方式
  • 轮询方式
    • 使用查询指令测试设备控制器的忙闲状态位，决定主存和设备是否能交换数据，如果不能则重复查询，直到可以交换数据为止。 轮询方式使用： 1)查询指令：查询设备是否就绪； 2)读/写指令：当设备就绪时，执行数据交换； 3)转移指令：当设备未就绪时，执行转移指令转向查询指令继续查询。 轮询方式的缺点： 一旦CPU启动I/O设备，便不断查询I/O设备的准备情况，而不能干其他事情，浪费CPU时间； I/O准备就绪后，CPU参与数据传送工作，也不能干其他事情； CPU和I/O设备串行工作，使主机不能充分发挥效率，整个系统效率很低。
  • 中断方式
    • 传输过程： 1. 进程发出I/O请求，CPU加载控制信息到 设备控制器，进程放弃CPU（等待） 2. 设备控制器检查状态寄存器内容，根据I/O请求，执行相应的I/O操作，传输完成后发出中断信号 3. CPU收到并响应I/O中断后，转向处理该设备的I/O中断处理程序执行 4. 中断处理程序执行数据读取操作，将I/O缓冲寄存器的内容写入主存，将发出请求的进程设为就绪态，操作结束后退出中断处理程序，返回中断前的执行状态 5. 进程调度程序在适当时刻恢复原进程执行 特点： I/O操作的完成还是需要CPU参与（中断处理程序中，在内存和缓冲区之间拷贝数据）。 缓冲区大小有限，装满了就会中断，中断次数可能很多。 不必忙式查询I/O准备情况，CPU和I/O设备可实现部分并行，与程序查询的串行工作方式相比，使CPU资源得到较充分利用。
  • DMA方式
    • DMA：直接存储器存取（Direct Memory Access） 期望：I/O设备能直接与主存交换数据而不占用CPU 数据传输步骤： 1. CPU把存放数据的内存起址及要传输的字节数分别存入地址寄存器和字节计数器，把状态寄存器的允许中断位置1，启动设备进行数据传输。 2. CPU将总线让给DMA控制器。在DMA进行数据传输时，CPU不再使用总线，而是DMA控制器获得总线控制权。 3. 请求I/O的进程被阻塞，等待I/O完成。 4. DMA按地址寄存器指示，不断与内存进行直接的数据传输，并修改地址寄存器和字节计数器的值。当DMA的字节计数器为0时，传输停止，向CPU发出中断请求。 5. CPU接受该中断请求，转相应中断处理程序进行善后处理，结束这次I/O。 优点： 无需中断去传输数据，进一步解放CPU； 实现简单，中小型计算机中广泛使用。 缺点： 功能单一（主要是读写，而且只能写到一个连续区域），不能进行复杂的I/O操作。 窃用总线，影响CPU效率。
  • 通道方式
    • 通道：一个独立于CPU的、专门用来管理输入/输出操作的处理机 作用：控制设备与内存直接进行数据交换。在CPU启动通道后，由通道执行通道程序，完成CPU所交给的I/O任务。 为了使通道能取到通道程序去执行，必须把存放通道程序的内存起址告诉通道。 传输步骤： 1. 进程提出I/O请求后，CPU发start命令，指明I/O操作、设备号和对应的通道。把数据传输的任务交给通道。 2. 发出I/O请求的进程被阻塞，进程调度程序把CPU分配给另一个进程使用。 3. 通道接收CPU发来的启动命令，调出通道程序执行，设备与CPU并行工作。 4. 通道执行通道程序中的通道命令字，指示设备完成规定的操作，与内存储器进行数据交换。 5. 数据传输完毕，通道向CPU发出中断请求。 6. CPU响应通道提出的中断请求，对这次I/O进行善后处理，把阻塞进程的状态变为就绪，重新参与对CPU的竞争。
• 设备控制器
  • 接收和识别命令
    • 设备控制器应能接收和识别CPU发来的命令，由于命令可能带有参数，所以控制器应设有寄存器。
  • 数据交换
    • 控制器设有数据寄存器用于双向数据交换。
  • 标识和报告设备状态
    • 控制器设有状态寄存器，用于记录设备状态，供CPU使用。
  • 地址识别
    • CPU通过“地址”与设备通信，设备控制器应能识别它所控制的设备地址以及其各寄存器的地址。控制器应配有地址译码器。
  • 数据缓冲
    • 由于CPU和设备间速度不匹配，所以控制器应具有缓冲功能。
  • 差错控制
    • 对I/O设备送来的数据进行差错检测，并向CPU报告。
• I/O软件
  • 设计目标
    • 提高外部设备利用率
    • 提高便利、统一的使用界面
  • 四个层次
    • I/O中断处理程序
    • 设备驱动程序
    • 与设备无关的操作系统I/O软件
    • 用户层I/O软件
• 缓冲技术
  • 硬缓冲
  • 软缓冲
  • 单缓冲
  • 双缓冲
  • 多缓冲
  • 高速缓存
• 驱动调度技术
  • 磁盘的结构
  • 磁盘访问过程
    • 读写磁盘的过程，可用（柱面号，盘面号，扇区号）来定位任意一个“磁盘块”。访问操作如下： （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。
  • 磁盘臂调度算法
    • “先来先服务”算法 “最短查找时间优先”算法 “电梯调度”算法 “扫描”算法 “分步扫描”算法 “单向扫描”算法