操作系统第五章 设备管理

设备管理的基本任务是完成用户提出的IO请求，提高Io速率以及提高IO设备的利用率。设备管理的主要功能有:缓冲区管理、设备分配、设备处理、虚拟设备及实现设备独立性。

I/O系统

I/O设备：

按设备的使用特性分类：存储设备、输入/输出设备

按传输速率分类：低俗设备、中速设备、高速设备

按信息交换的单位分类：块设备、字符设备

按设备的额贡献属性分类：独占设备、共享设备、虚拟设备

设备与CPU的通信通过与控制器间通信：



设备控制器的主要职能是控制一个或多个I/O设备，以实现Io设和计算机之间的数据交换。分类：一类是用于控制字符设备的控制器，一类是用于控制块设备的控制器。

设备控制器的基本功能：

接收和识别命令

数据交换

标识和报告设备的状态

地址识别

数据缓冲

差错控制

设备控制器的组成：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

为了减少CPU负担，在CPU和设备控制器之间增设了通道，其主要目的是为了建立独立的I/O操作，使一些由CPU处理的I/O任务由通道来承担。 I/O通道与一般的处理不同：一是指令类型单一，而是通道没有自己的内存。通道类型：

字节多路通道

数组选择通道

数组多路通道

总线系统：CPU、存储器以及各种I/O设备之间的联系总线来实现，性能指标可通过时钟频率，带宽和相应的总线传输速率来衡量。

ISA和EISA总线

局部总线：VESA总线、PCI总线

I/O控制方式

程序I/O方式:早期无中断机构，也称为忙-等待方式

中断驱动I/O控制方式

直接存储器访问（DMA）I/O控制方式：特点（1）数据传输单位是数据块（2）所传送的数据是从设备直接送入内存的，或者相反（3）仅在传送一个或对个数据块的开始和结束时，才需CPU干预

I/O通道控制方式：可完成对一组数据块的读写

缓冲管理

缓冲管理的职责是组织好这些缓冲区，并提供获得和释放缓冲区的手段。引入的原因是：

缓和CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾

减少对CPU的中断频率，放宽对CPU中断响应时间的限制

提高CPU和I/O设备之间的并行性

单缓冲区

双缓冲区：也称缓冲对换，适于输入输出速度基本匹配的情况

循环缓冲区：可使输入进程与计算进程并行执行

缓冲池：

设备分配

在进行设备分配时所需的数据结构：

设备控制表DCT：包含设备类型、设备标识符、设备状态、指向控制器表的指针、重复执行次数或时间、设备队列的队首指针

控制器控制表COCT：记录本控制器的情况

通道控制表CHCT：

系统设备表SDT：这是系统范围的数据结构，记录了系统中全部设备的情况

设备分配时应该考虑的因素：

设备的固有属性：独占性（独享分配策略）、共享性（注意进程访问的先后顺序）、可虚拟设备、

设备分配算法：先来先服务、优先级高者优先

设备分配时的安全性：安全分配方式、不安全分配方式

设备独立性：分配设备-分配控制器-分配通道

SPOOLing技术：也称假脱机操作可将一台物理I/O设备虚拟为多台I/O设备，同样允许多个用户共享一台物理I/O设备。

组合：输入井和输出井、输入缓冲区和输出缓冲区、输入进程SPi和SP0

磁盘存储器的管理

磁盘设备可包括一个或多个物理盘片，每个磁盘片分一个或两个存储面。每个磁盘面被组织成若干个同心环，这种环称为磁道，每个磁道又被逻辑上划分成若干个扇区，一个扇区成为一个盘块（数据块）。

每个扇区包括两个字段：标识符（利用磁道号，磁头号，扇区号来标识）、数据字段。

磁盘类型：固定头磁盘、移动头磁盘

磁盘访问时间：寻道时间+旋转延迟时间+传输时间

磁盘调度：先来先服务（仅适用于请求磁盘I/O的进程数目较少的场合），最短寻道时间优先（SSTF），扫描（SCAN）算法（避免饥饿现象），循环扫描算法（CSCAN），NstepSCAN算法和FSCAN算法

磁盘高速缓存：利用内存中的存储空间来暂存从磁盘中读出的一系列盘块中的信息，逻辑上属于磁盘，物理上驻留在内存。

廉价磁盘冗余阵列（RAID）