操作系统—设备管理

I/O设备

I/O设备可以分为存储设备或输入输出设备；块设备或字符设备；低速中速高速设备。

I/O设备不是直接和cpu进行通信，而是通过设备控制器和cpu进行间接通信，cpu通过设备控制器去控制一个或多个设备。

设备控制器功能：①接收和识别cpu的命令；②数据交换；③标识和报告设备的状态；④地址识别；⑤数据缓存；⑥差错控制；



如上所示是设备控制器的结构图，主要分为与cpu的接口，与I/O设备的接口和I/O逻辑控制,I/O逻辑控制会对收到的地址进行译码。

I/O通道

I/O通道的引入是为了解决当外设多时，cpu任务负担重的问题，I/O通道设备是建立在cpu和设计控制器之间。I/O通道设备使得cpu从io任务中解放出来。当cpu 发出io指令后，io通道执行通道程序完成io任务，完成后向cpu发出中断信号。

I/O控制方式

I/O控制方法由四种：程序I/O方式（查询方式），中断方式，DMA方式，I/O通道控制方式。

①程序I/O方式：这种方式也可以称为查询方式，cpu不断地去查询设备控制器是否将数据放到了数据存储器中，或者从数据存储器存到设备中，当完成IO时cpu才能去干别的事。

②中断方式：这种方式当cpu发出指令后就可以去干别的事，当设备控制器把数据存在数据存储器后，向cpu发出中断请求，然后cpu再来处理这部分数据。

③DMA方式：虽然中断方式提高了cpu的利用率，但是数据寄存器有限，中断是以字节单位进行中断，也就是说读取或存储一个字节后就需要进行中断，那么其实cpu的利用率还是很低的，所以就诞生了DMA方式，这种方式由DMA控制器直接将设备中的数据以数据块为单位直接传输到内存中，当传输结束后才向cpu发起中断。

④IO通道控制方式：DMA虽然大大地提升了cpu的利用率，但是DMA只能传输一个连续的数据块。所以引入了IO通道的控制方式，IO通道控制方式可以传输不连续的数据块，减少了cpu干预。cpu通过对IO通道发出指令，然后让IO通道自己工作，等数据传输完才向cpu发起中断。

缓冲

缓冲可以缓和cpu和IO设备速度不匹配的问题，减少对cpu的中断频率。

缓冲又分为单缓冲，双缓冲，循环缓冲。缓冲使得设备控制器在搬运数据的同时使得cpu也能同时进行计算工作，大大地提升了cpu的利用率。

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不过现在用的比较多的是缓冲池，缓冲池中包含多个缓冲区。缓冲区又分为空缓冲区，装载输出数据的缓冲区和装载输入数据的缓冲区。

IO软件

io软件需要达到以下几个目标：与具体设备无关、统一命名、对错误的处理、缓冲技术、设备的分配与释放、屏蔽io控制方式的差异。

io软件又分为以下几个层次：用户层软件、设备独立性软件、设备驱动程序、中断处理程序。

用户层软件负责向上层用户提供接口。

设备独立性软件负责逻辑设备和物理设备的映射、缓冲、设备保护、设备分配及释放。

设备驱动程序负责驱动io设备工作。

spooling技术

spooling技术是缓和高速cpu和低速io设备速度不匹配的问题。通过外围控制机，以高速磁盘为介质来做脱机操作。也就是说把高速磁盘作为了一个中间介质来提升低速io设备的速度问题。同时spooling系统将独占设备变成了虚拟的逻辑共享设备。

磁盘存储器管理

①物理构成：

磁盘包括多个物理盘片，每个盘片有一个或两个存储面。每个磁盘被组织成多个同心环，称为磁道，每个磁道可存储相同位数的二进制位。每个磁道又被分为若干个扇区，每个扇区包含数据字段和控制字段。

②磁盘调度：

在磁盘中读取数据时，磁盘的寻道时间远远超过了数据传输时间。

那么磁盘调度就是要减少磁盘的平均寻道时间。

先来先服务：该调度算法未对磁盘寻道进行优化，只适合磁盘io请求少的情况。

最短寻道时间优先：该寻道方式是先访问近的磁道。

扫描算法：虽然最短寻道时间保证了每次寻道时间最短，但是可能会造成某些进程需要的数据一直距离磁头的位置比较远，造成长时间获取不到数据。这种算法又可以称为电梯算法，沿一个方向寻找最近的数据，直到该方向的磁道上没有请求。

循环扫描算法：循环扫描算法规定了磁盘的单向移动，例如只能从最里扫到最外，这样防止了刚被扫描过的磁盘又要被访问，而等待很长时间。

NStepSCAN算法和FSCAN算法：在前几种算法中会出现磁臂粘着的情况，如果在处理该磁道的时候，又有该磁道的请求，那么就会一直处理下去，使得无法处理别的请求。

NStepSCAN算法是将SCAN算法分成了N个队列，对一个队列采用SCAN算法，按FCFS算法处理这些队列。

FSCAN算法是对N步SCAN算法的化简，只分成了两个队列。

③磁盘缓存

磁盘缓存其实是内存中的一个空间。

④提高磁盘io的方法

提前读、延迟写、优化物理块的分布、虚拟盘