设备管理

设备管理

• I/O系统的功能、模型和接口
• I/O设备和设备控制器
• 中断机构和中断处理程序
• 设备驱动程序
• 与设备无关的I/O软件
• 用户层的I/O软件
• 缓冲区管理
• 磁盘存储器的性能和调度

设备管理实现文件信息在存储介质与主存储器之间的传送，他们共同为用户使用文件提供方便。

一、I/O系统的功能、模型和接口

1)主要功能：
1、隐藏物理设备细节，方便用户

• 用户使用抽象的I/O命令即可

2、实现设备无关性，方便用户

• 用户可用抽象的逻辑设备名来使用设备，同时也提高了OS的可移植性和易适应性。

3、提高处理机和设备的并行性，提高利用率：缓冲区管理
4、对I/O设备进行控制：控制方式、设备分配、设备处理
5、确保对设备正确共享：虚拟设备及设备独立性等
6、错误处理
2）I/O系统的层次结构和模型

层次结构：系统中的设备管理模块分为若干个层次
层间操作：下层为上层提供服务，完成输入输出功能中的某些子功能，并屏蔽功能实现的细节。

• 中断处理程序
  • 处于I/O系统的底层，直接与硬件进行交互
• 设备驱动程序
  • 处于次底层，是进程和控制器之间的通信程序
  • 功能：将上层发来的抽象I/O请求，转换为对I/O设备的具体命令和参数，并把它装入到设备控制其中的命令和参数寄存器中
• 设备独立性软件
  包括设备命名、设备分配、数据缓冲等软件

接口
在I/O系统与高层接口中，根据设备类型的不同，又进一步分为若干个接口。主要包括：
块设备接口

• 数据的存取和传输都是以数据块为单位的设备。基本特征是传输速率较高、可寻址。磁盘设备的I/O常采用DMA方式。
• 特点
  ·1、隐藏了磁盘的二维结构：块设备接口隐藏了磁盘地址是二维结构的情况：每个扇区的地址需要用磁道号和扇区号来表示。
  2、将抽象命令映射为低层操作：块设备接口将上层发来的抽象命令，映射为设备能识别的较低层具体操作。

流设备接口

• 字符设备：
  数据的存取和传输是以字符为单位的设备。如键盘、打印机等。基本特征是传输速率较低、不可寻址，常采用中断驱动方式。
• get和put操作：
  由于字符设备是不可寻址的，因而对它只能采取顺序存取方式。（用户程序）获取或输出字符的方法是采用get和put操作。
• in-control指令：
  因字符设备的类型非常多，且差异甚大，系统以统一的方式提供了一种通用的in-control指令来处理它们（包含了许多参数，每个参数表示一个与具体设备相关的特定功能）。

网络通信接口
通过某种方式，把计算机连接到网络上。
操作系统必须提供相应的网络软件和网络通信接口，使得计算机能通过网络与网络上的其它计算机进行通信，或上网浏览。

二、I/O设备和设备控制器

1、i/o系统组成
包括：
需要用于输入、输出和存储信息的设备；
需要相应的设备控制器；
控制器与CPU连接的高速总线；
有的大中型计算机系统，配置I/O通道；

2、i/o设备类型

I/O设备的类型繁多，从OS的观点，按其重要的性能指标进行分类如下：

• 按传输速率分类：
  低速、中速、高速（键盘、打印机、磁盘）
  使用：存储设备、输入输出设备
• 按信息交换的单位分类：
  块设备：有结构、速率高、可寻址、DMA方式控制
  字符设备：无结构、速率低、不可寻址、中断方式控制
• 按设备的共享属性分类：
  独占：打印机
  共享：一个时刻上仍然是只被一个进程占用。可寻址、可随机访问的色后备。磁盘。
  虚拟：使一台独占设备变换为若干台逻辑设备，供给若干用户“同时使用”。

（1）独占：一段时间内只允许一个用户访问的设备；

（2）共享：允许多个进程同时访问的设备；

（3）虚拟：通过虚拟技术奖多个独占设备变换为若干台供多个用户共享的逻辑设备（Spooling技术实现）。

3、i/o设备中的接口

与控制器的接口有三种类型的信号

• 数据信号线(进出数据转换、缓冲后传送)
• 控制信号线(读\写\移动磁头等控制)
• 状态信号线

4、设备控制器
设备并不直接与CPU通信

控制器是CPU与I/O设备之间的接口，作为中间人接收从CPU发来的命令，并去控制I/O设备工作，以使处理机脱离繁杂的设备控制事务。

①基本功能

接收和识别CPU命令（控制寄存器：存放命令和参数）
标识和报告设备的状态（状态寄存器）
数据交换（数据寄存器）
地址识别（控制器识别设备地址、寄存器地址。地址译码器）
数据缓冲（协调I/O与CPU的速度差距）
差错控制

②组成
设备控制器与处理机的接口
设备控制器与设备的接口
I/O逻辑

I/O逻辑

通过一组控制线与处理机交互
CPU要启动一个设备时，
将启动命令发送给控制器；
同时通过地址线把地址发送给控制器
控制器的I/O逻辑对收到的地址和命令进行译码，再根据所译出的命令选择设备进行控制。

I/O通道

主要目的：

建立更独立的I/O操作，解放CPU。

• 数据传送的独立
• I/0操作的组织、管理及结束处理也尽量独立。

实际上I/O通道是一种特殊的处理机：

• 指令类型单一，只用于I/O操作；
• 通道没有内存，它与CPU共享内存

通道类型
根据其控制的外围设备的不同类型，信息交换方式也可分为以下三种类型：

• 字节多路通道
• 数组选择通道
• 数组多路通道

三、中断机构和中断处理程序：

中断在操作系统中有特殊而重要的地位，没有它就不可能实现多道程序。

中断是I/O系统最低的一层，也是设备管理的基础。

中断简介

⑴中断和陷入

中断：CPU对I/O设备发来的中断信号的一种响应，中断是由外部设备引起的，又称外中断。
陷入：由CPU内部事件所引起的中断，通常把这类中断称为内中断或陷入（trap）。
中断和陷入的主要区别：是信号的来源。

⑵中断向量表

中断向量表：为每种设备配以相应的中断处理程序，并把该程序的入口地址，放在中断向量表的一个表项中，并为每一个设备的中断请求，规定一个中断号，它直接对应于中断向量表的一个表项中。

⑶对多中断源的处理方式

①屏蔽（禁止）中断：
所有中断都将按顺序依次处理。
当处理机正在处理一个中断时，将屏蔽掉所有新到的中断，让它们等待，直到处理机已完成本次中断的处理后，处理机再去检查并处理。
优点是简单，但不能用于对实时性要求较高的中断请求。

②嵌套中断：

中断优先级：系统根据不同中断信号源，对服务要求的紧急程度的不同，它们分别规定不同的优先级。
当同时有多个不同优先级的中断请求时，CPU优先响应最高优先级的中断请求；
高优先级的中断请求，可以抢占正在运行低优先级中断的处理机，该方式类似于基于优先级的抢占式进程调度。

处理流程

四、设备驱动程序：

设备驱动程序是I/O系统的高层与设备控制器之间的通信程序，其主要任务：

• 接收上层软件发来的抽象I/O要求，如read、write等命令；
• 再把它转化为具体要求，发送给设备控制器，启动设备去执行。
• 反方向，它也将由设备控制器发来的信号，传送给上层软件。

功能

(1)接收由与设备无关的软件发来的命令和参数，并将命令中的抽象要求，转换为与设备相关的低层操作序列；
(2)检查用户I/O请求的合法性，了解I/O设备的工作状态，传递与I/O设备操作有关的参数，设置设备的工作方式；
(3)发出I/O命令，如果设备空闲，便立即启动I/O设备，完成指定的I/O操作；如果设备忙碌，则将请求者挂在设备队列上等待；
(4)及时响应由设备控制器发来的中断请求，并根据其中断类型，调用相应的中断处理程序进行处理。

特点

(1)驱动程序是与设备无关的软件和设备控制器之间通信和转换的程序。
(2)驱动程序，与设备控制器和I/O设备的硬件特性，紧密相关。
(3)驱动程序与I/O设备所采用的I/O控制方式紧密相关。
(4)由于驱动程序与硬件紧密相关，因而其中的一部分必须用汇编语言编写。
(5)驱动程序应允许可重入，一个正在运行的驱动程序常会在一次调用完成前被再次调用。

处理过程

控制方式

• 程序I/O方式
• 
• 中断驱动I/O方式
• 
• 直接存储器访问DMA（字节—块）
  • 组成
  • 主机与DMA控制器的接口；
  • DMA控制器与块设备的接口；
  • I/O控制逻辑。
  • 工作流程
• I/O通道控制方式（组织传送的独立）
• 宗旨：减少主机对I/O控制的干预，将CPU从繁杂的I/O控制事物中解脱出来
• DMA适用于读一个连续的数据块；
  如一次读多个数据块到内存不同区域，须由CPU分别发送多条I/O指令、进行多次DMA中断处理。再进一步减少CPU的干预（减少中断）， 引入通道。
• 实现对一组数据块的读（写）及有关的控制和管理为单位的干预。此时，CPU只需发一条I/O指令，给出通道程序的首地址及要访问设备即可。

• CPU、通道和I/O设备三者的并行操作，提高整系统资源利用率。

设备无关性

• 指用户编程时所用的设备名（逻辑上的）与实际物理设备无关；

好处：
设备分配时的灵活性
易于实现I/O重定向

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（总）表

四、缓冲区管理：

3、缓冲技术

（1）缓和CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾；

（2）减少对CPU的中断频率；

（3）提高CPU和I/O设备之间的并行性

缓冲技术：

操作系统中把利用缓冲区来缓解处理器与外围设备之间工作速度不匹配的矛盾而采用的技术。操作系统中采用的缓冲技术有单缓冲技术、双缓冲技术和缓冲池技术。

单缓冲：

OS在主存中为之分配一个缓冲区。
CPU和外设轮流使用，一方处理完后等待对方处理。

假定一个用户进程要处理磁盘上的某个文件。操作系统就先从磁盘上找到该文件，再把该文件的第一块信息读到缓冲区，接着把缓冲区中内容传送到用户工作区。这时趁用户正在处理信息时可把磁盘文件的下一块信息预读到缓冲区。

双缓冲：

1、两个缓冲区，CPU和外设不再针对一块交替
2、可能实现连续处理无需等待对方。前提是CPU和外设对一块数据的处理速度相近。而如下图情况CPU仍需等待慢速设备。

用户进程需要读信息时，操作系统启动外围设备，把用户需要的后继信息读入缓冲区1，在把缓冲区1中的信息传送给用户进程的同时，可把用户需要的后继信息读入缓冲区2。这样，当用户进程处理完来自缓冲区1的信息后，系统可从缓冲区2中把信息直接传送给用户进程。

循环缓冲

• 多个缓冲区。大小相同，三种类型：
  预备装输入数据的空缓冲区R
  装满数据的缓冲区G
  计算进程正在使用的现行工作缓冲区C
• 多个指针。
  指示正在使用的缓冲区C的指针Current
  指示计算进程下一个可取的缓冲区G的指针Nextg
  指示输入进程下次可放的缓冲区R的指针Nexti

缓冲池

• 循环缓冲的问题
  不能同时双向通讯
• 利用率不高。缓冲区是专用缓冲。（每个进程都要维护自己的一个循环缓冲区），使用有剩余时也不给其他进程使用，消耗大量内存空间。
• 系统并发程序很多时，许多这样的循环缓冲需要管理，比较复杂。
  为提高缓冲区的利用率，目前广泛流行缓冲池，在池中设置多个可供若干个进程共享的缓冲区。

组成

对于既可输入又可输出的公用缓冲池，至少应含有下列三种类型的缓冲区：

• 空缓冲区；
• 装满输入数据的缓冲区；
• 装满输出数据的缓冲区；

为方便管理，将上述类型相同的缓冲区连成队列

• 空缓冲区队列（所有进程都可用）
• 输入队列（n个进程有各自的队列）
• 输出队列（n个进程有各自的队列）
  *（队列长度不固定，根据进程实际情况灵活变动，需要多少用多少）

四种工作方式：
收容输入：Getbuf(emq),hin；输入数据填入一空缓冲区；Putbuf(inq,hin)
提取输入： Getbuf(inq),sin；从输入缓冲队列中取出一数据区的内容；Putbuf(emq,sin)
收容输出： Getbuf(emq),hout；输出数据填入一空缓冲区；Putbuf(outq,hout)
提取输出： Getbuf(outq),sout；从输出缓冲队列中取一数据区的内容；Putbuf(emq,sout)

Spooling技术

Spooling系统的工作过程是操作系统初启后激活Spooling预输入程序使它处于捕获输入请求的状态，一旦有输入请求消息，Spooling输入程序立即得到执行，把装在输入设备上的作业输入到硬盘的输入井中并填写好作业表，以便在作业执行中要求输入信息时可以随时找到他们输出程序把硬盘上输出井的数据送到慢速的输出设备上。

组成

主要有三大部分（如下页图）

• 输入井和输出井：磁盘上开辟两大存储空间。输入井模拟脱机输入的磁盘设备，输出井模拟脱机输出时的磁盘。
• 输入缓冲区和输出缓冲区：为缓解速度矛盾，内存中开辟两大缓冲空间，输入缓冲区暂存输入设备送来的数据，再送给输入井；输出缓冲区暂存输出井送来的数据，再送输出设备。
• 输入进程和输出进程。
  • 用一进程模拟脱机输入时外围设备控制器的功能，把低速输入设备上的数据传送到高速磁盘上；
  • 用另一进程模拟脱机输出时外围设备控制器的功能，把数据从磁盘上传送到低速输出设备上。

特点

• 提高了I/O的速度。利用输入输出井模拟成脱机输入输出，缓和了CPU和I/O设备速度不匹配的矛盾。
• 将独占设备改造为共享设备。并没有为进程分配设备，而是为进程分配一存储区和建立一张I/O请求表。
• 最终，实现了虚拟设备功能。多个进程可“同时”使用一台独占设备。

五、磁盘调度：

磁盘是可被多个进程共享的设备。当有多个进程请求访问磁盘时，为了保证信息的安全，系统在每一时刻只允许一个进程启动磁盘进行I/O操作，其余的进程只能等待。

磁盘调度分为移臂调度和旋转调度，先进行移臂调度，然后进行旋转调度。

1、磁盘驱动调度：
1、FCFS
2、最短寻道时间优先SSTF

• 选择从当前磁头位置出发移动最少的磁盘I/O请求
  • 使每次磁头移动时间最少。
  • 不一定是最短平均柱面定位时间，但比FIFO算法有更好的性能。
  • 对中间的磁道有利，但可能会有进程处于饥饿状态（I/O请求总不被执行）。
    SSTF会导致“饥饿”现象
    总选择最近的磁道访问，远磁道请求的进程会长时间得不到执行。

3、扫描算法SCAN（磁盘电梯调度算法）
规定磁头移动方向：自里向外，再自外向里移动。
后续的I/O磁道请求，哪个在规定方向上距离最近，就先执行哪个。

SCAN的错过问题：
容易错过与当前磁道距离近，但方向不一致的磁道

3.1 循环扫描算法CSCAN
将SCAN规定的移动方向改为“单向移动”
由里向外后，再由里向外。
3.2 N-Step-SCAN算法
3.3 FSCAN算法

2、磁盘高速缓存：
内存中划出，对外存磁盘读写进行缓存的区域。
4 、其他提速方法
提前读
延迟写
优化物理块分布
虚拟盘
磁盘冗余阵列（高速、大容量磁盘系统）

最磁盘的访问总是由缺页引起的