设备管理

这是一个设备管理知识点的思维导图，介绍了设备的基本概念与分类、控制器、控制方式、软件层次结构、核心子系统、假脱机技术、设备的分配与回收、缓冲区管理几个方面。

设备管理

• 1. I/O设备的基本概念与分类
  • 什么是I/O设备
    • 将数据 input/output(输入、输出）计算机的外部设备
  • 按使用特性分类
    • 人机交换类外部设备
    • 存储设备
    • 网络通信设备
  • 按传输速率分类
    • 低速设备
    • 中速设备
    • 高速设备
  • 按信息交换的单位分类
    • 块设备（传输块，可寻址）
    • 字符设备（传输慢，不可寻址，常采用中断驱动方式）
• 2. I/O控制器
  • 主要功能
    • 接受和识别CPU发出的命令（要有控制寄存器）
    • 向CPU报告设备的状态（要有状态寄存器）
    • 数据交换（要有数据寄存器，暂存输入、输出的数据）
    • 地址识别（由I/O逻辑实现）
  • 组成
    • CPU与控制器之间的接口（实现控制器与CPU之间的通信）
    • I/O逻辑（负责识别CPU发出的命令，并向设备发出命令）
    • 控制器与设备之间的接口（实现控制器与设备之间的通信）
  • 两种寄存器编址方式
    • 内存映射I/O
      • 控制器中的寄存器与内存统一编址
      • 可以采用对内存进行操作的指令来对控制器进行操作
    • 寄存器独立编址
      • 控制器中的寄存器独立编址
      • 需要设置专门的指令来操作控制器
• 3. I/O控制方式
  • 程序直接控制方式
    • CPU发出I/O命令后需要不断轮询
  • 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
  • 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
  • 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
• 4. I/O软件层次结构
• 5. I/O核心子系统
  • 子主题
• 6. 假脱机技术（SPOOLing技术）
  • 脱机技术
    • 外围控制机+更高速的设备-磁带
    • 作用：缓解设备与CPU的速度矛盾，实现预输入、缓输出
  • 假脱机技术
    • 又叫SPOOLing技术，用软件的方式模拟脱机技术
    • 输入井和输出井-模拟脱机输入/输出时的磁带
    • 输入进程和输出进程-模拟脱机输入/输出时的外围控制机
    • 输入缓冲区和输出缓冲区-内存中的缓冲区，输入、输出时的中转站
  • 共享打印机
    • 用SPOOLing技术将独占式的打印机虚拟成共享打印机
• 7. 设备的分配与回收
  • 应考虑的因素
    • 固有属性
      • 独占设备、共享设备、虚拟设备
    • 分配算法
      • 先来先服务、优先级高者优先，短任务优先等
    • 安全性
      • 安全分配方式、不安全分配方式
  • 静态分配与动态分配
    • 静态分配
      • 进程运行前为其分配全部所需资源，运行结束后归还资源
    • 动态分配
      • 进程运行过程中动态申请设备资源
  • 设备分配管理中数据结构
    • 设备控制表DCT
      • 每个设备对应一张DCT，关键字段：类型/标识符/状态/指向COCT的指针 等待队列指针
    • 控制器控制表COCT
      • 每个控制器对应一张COCT，关键字段：状态/指向CHCT的指针/等待队列指针
    • 通道控制表CHCT
      • 每个控制器对应一张CHCT，关键字段：状态/等待队列指针
    • 系统设备表 SDT
      • 记录整个系统中所有设备的情况，每个设备对应一个表目，关键字段：设备类型/标识符/DCT/驱动程序入口
  • 设备分配的步骤
    • 根据进程请求的物理设备名查找SDT：根据SDT找到DCT并分配设备；根据DCT找到COCT并分配控制器；根据COCT找到CHCT并分配通道
    • 注：只有设备、控制器、通道三者都分配成功时，这次设备分配才算成功，之后便可启动I/O设备进行数据传送
    • 缺点：用户编程时必须使用 物理设备名，若换了一个物理设备，则程序无法运行，若进程请求的物理设备正在忙碌，则即使系统中还有相同类型的设备，进程也必须阻塞等待
  • 设备分配步骤的改进
    • 用户编程时使用逻辑设备名申请设备，操作系统负责实现从逻辑设备名到物理设备名的映射（通过LUT）
    • 逻辑设备表的设置问题
      • 整个系统只有一张LUT：各用户所用的逻辑设备名不允许重复
      • 每个用户一张LUT：各个用户的逻辑设备名可重复
• 8. 缓冲区管理
  • 缓冲区的概念
    • 一般利用内存作为缓冲区
    • 缓解CPU与设备的速度矛盾、减少对CPU的中断频率、解决数据粒度不匹配的问题、提高CPU与设备之间的并行性
  • 单缓冲
    • 设备-（T）-缓冲区-（M）-工作区-（C）-处理
    • 处理一块数据平均耗时Max(C,T)+M
    • 分析问题的初始状态：工作区满，缓冲区空
  • 双缓冲
    • 处理一块数据平均耗时Max(T,C+M)
    • 分析问题的初始状态：工作区空，一个缓冲区满，另一个缓冲区空
  • 循环缓冲
    • 多个缓冲区链接成循环队列，in指针指向第一个空缓冲区，out指针指向第一个满缓冲区
  • 缓冲池
    • 三个队列
      • 空缓冲队列
      • 输入队列
      • 输出队列
    • 四种工作缓冲区
      • 用于收容输入数据的工作缓冲区、用于提取输入数据的工作缓冲区
      • 用于收容输出数据的工作缓冲区、用于提取输出数据的工作缓冲区