第四章-设备管理

4.1-设备管理概述

⭐设备管理的目标

1. 解决设备和CPU速度的不匹配，使两者充分并行工作
2. 屏蔽设备的具体操作细节，配置驱动程序，提供统一接口

设备控制器

• CPU和物理设备之间的接口

• 组成

⭐IO控制方式

轮询

• CPU向控制器发送I/O命令，轮询I/O结果。
• 若设备未就绪，则重复，直至设备就绪。
• 设备就绪，CPU执行内存交换

中断

• CPU向控制器发出I/O命令，然后干其他事情
  • 如果进程支持异步IO，就不用换进程
  • 否则进程挂起，换进程
• 控制器在设备就绪后向CPU发出中断
• CPU响应中断，进行内存交换

DMA

• CPU向DMA模块发出I/O命令

• 处理器干其他事，DMA负责等设备就绪和传送数据

• DMA数据传完之后中断CPU

• DMA一般用周期窃取的方式访问内存。因为CPU大部分情况下用Cache，这时空闲的主存就能被DMA高效利用

I/O通道

• 没看懂是啥

总线

• 解决I/O速度不匹配的问题
• 不同总线结构的本质是让速率相近的设备在一条总线上

单总线

三级总线

南北桥

4.2-I/O软件的实现

设计目标

效率：改善设备效率，尤其是磁盘

通用：用统一标准来管理所有设备

⭐I/O软件的层次结构

从低到高为

• I/O中断处理程序
• I/O设备驱动程序
• 独立于设备的I/O软件
• 用户空间的I/O软件

I/O中断处理程序

位于OS底层，和设备联系紧密

数据传输结束后产生I/O中断，CPU响应请求并转入中断处理程序

功能：检查设备状态寄存器，根据状态进行相关操作

• 报错
• 正常结束，唤醒请求这个I/O的进程
• 其他

I/O设备驱动程序

• 初始化设备

• 逻辑I/O请求转化为物理I/O操作

• 监督设备正确执行，缓冲区纠错

独立于设备的I/O软件

执行适用于所有设备的常用I/O功能

• 设备命名：通过路径名寻址设备
• 设备保护：用户是否有权访问设备
• 提供与设备无关的数据单位：字符/块
• 缓冲技术：调整CPU与I/O速度不匹配
• 分配和状态跟踪：分配设备
• 错误处理/报告：驱动无法处理的错误

用户空间的I/O软件

• 库函数
• 虚拟设备软件，如Spooling

缓冲技术

目的

• 速度不匹配
• 协调逻辑记录大小和物理记录大小的不匹配
• 提高并行
• 减少I/O对CPU的中断次数
• 放宽中断响应时间

缓冲区

放在主存中

缓冲技术类型

• 单缓冲
• 双缓冲
• 循环缓冲

4.3-设备分配-独占型外围设备

独占型外围设备：一次只能由一个进程独占使用

⭐分配方式

• 静态分配：进程运行前申请
• 动态分配：进程随用随申请

分配设备的数据结构

• 设备类表：存不同类设备的信息
• 设备表：存一类设备中不同物理设备的信息

4.5-虚拟设备-SPOOLing系统

SPOOLing系统

SPOOLing-外部设备联机并行操作-假脱机技术

处在用户空间的I/O软件层

核心思想：用高速的磁盘设备来模拟慢速的字符设备，缩短进程在内存中的驻留时间

实现

• 预输入程序：输入设备通过预输入程序把数据输到输入井就可以干其他事情了

• 缓输出程序：输出全都计算好了，输出设备就通过缓输出程序慢慢把这一堆数据输完

• 井交换程序：控制作业进程和井的数据交换

补充-磁盘调度

FIFO-先进先出

按顺序处理请求

SSTF-最短服务时间优先

每次找距离当前磁头最近的任务

• 会饥饿

SCAN-扫描

一次只沿一个方向扫

磁头移动到最外或最内磁道才掉头

⭐LOOK-电梯调度

一次只沿一个方向扫

磁头移动到最外或最内任务才掉头

CSCAN-循环扫描

只会沿一个方向扫

磁头到磁道末端后，返回另一端末端开始扫