第六章 I/O设备管理
I/O系统的组成
I/O系统不仅包括 各种I/O设备，还包括与设备相连的 设备控制器，有些系统还配备了专门用于输入/输出控制的专用计算机（通道），此外：I/O系统要通过总线与CPU、内存相连。
I/O系统的结构
I/O系统的结构分为两大类：
- 微机I/O系统；
- 主机I/O系统；
微机I/O系统
CPU与内存之间可以直接进行信息交换，但是 不能直接与设备进行信息交换，必须经过 设备控制器。
主机I/O系统
主机I/O系统采用四级结构，包括：主机、通道、设备控制器和设备。
一个通道可以控制多个设备控制器。
一个设备控制器可以控制多个设备。
I/O设备的分类
- 按传输速率分类：
- 低速设备：鼠标、键盘
- 中速设备：打印机
- 高速设备：磁盘机、磁带机、光盘机
- 按信息交换单位分类：
- 块设备：磁盘
- 字符设备：打印机
- 按设备的共享属性分类：
- 独占设备：必须作为临界资源以 互斥形式访问，如：打印机
- 共享设备：允许 多个进程共同访问 的设备，如：磁盘
- 虚拟设备：通过 虚拟技术 把一台物理设备变成若干逻辑的设备
设备控制器
设备控制器是 CPU与I/O设备之间的接口，接收I/O命令并 控制设备 完成I/O工作。
设备控制器是一个 可编址设备，链接多个设备时可有多个设备地址。
设备控制器的功能
- 接收和识别命令；
- 数据交换：通过 数据寄存器 进行数据交换；
- 设备状态的了解和报告；
- 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：
- 数据线；
- 地址线；
- 控制线；
- 设备控制器与设备的接口，接口中的3类信号为；
- 数据；
- 状态；
- 控制信号；
- I/O逻辑，主要由两部分构成：
- 指令译码器；
- 地址译码器；
I/O通道
一种特殊的处理机，它具有执行I/O指令的能力，并通过执行通道程序来控制I/O操作。
大型主机系统中 专门用于I/O的专用计算机。
引入通道能够使CPU从控制I/O操作的任务中解脱，使 CPU与I/O并行工作，提高CPU利用率和系统吞吐量。
I/O控制方式
目的：尽量 减少 主机对输入/输出控制的 干预，提高 主机与输入/输出的 并行程度。
- 轮询控制方式：早期；
- 中断控制方式：引入中断机制后；
- DMA控制方式：提高输入输出性能；
- 通道控制方式：使输入/输出更大程度地独立于主机CPU；
轮询控制方式
工作流程：
- 主机试图发送I/O控制命令之前，先通过 反复检测设备控制器状态寄存器的忙/闲标志位；
- 若设备“忙”，主机继续检测该标志位；
- 直到设备“空闲”，主机发送I/O指令；
缺点：
使CPU经常处于 循环检测状态，造成 CPU的极大浪费，影响整个进程的 吞吐量。
中断控制方式
现在计算机系统广泛采用中断控制方式完成对I/O控制。
工作流程：
- CPU执行过程中，发出输入/输出请求；
- 若此时I/O设备不忙，则向设备控制器发出I/O指令；
- 若此时I/O设备忙，则进程阻塞等待；
- 当处于“忙”状态的设备工作完毕，通过中断控制器发出中断请求信号；
- CPU响应中断，执行对应该设备的中断处理程序，然后唤醒因等待该设备而被阻塞的进程；
- CPU继续执行这个进程时，向设备控制器发出I/O指令，然后CPU被调度程序分配给某个进程，继续执行某个进程；
- 本次I/O结束后，设备控制器通过CPU发送中断请求信号，告知CPU本次数据传输结束；
优点：
使CPU和I/O设备在某些时间段上 并行工作，提高 CPU利用率 和 系统吞吐量。
DMA控制方式
DMA控制器结构：
- DMA 与主机的接口；
- DMA 与设备的接口；
- I/O控制逻辑；
DMA控制器中的寄存器：
- 命令/状态寄存器，CR：用于接收从CPU发来的 I/O命令或有关控制信息、设备状态；
-
内存地址寄存器，MAR：存放地址；
- 在输出数据时，存放输出数据在内存的起始地址；
- 在输入数据时，存放输出数据将要被放入内存的起始地址；
- 数据寄存器，DR：用于暂存DMA传输中 要输入或输出的数据；
- 数据计数器，DC：指示DMA，本次向CPU发中断信号前要 读或写数据的次数；
工作流程：
- 当CPU要从磁盘读入一个数据块时，就向磁盘控制器发送一条读命令；
- 该命令被送到DMA的命令寄存器CR中，同时CPU将本次读入数据将要放在内存中的地址地址送DMA的MAR寄存器，将本次要读的次数送入DC寄存器；
- 然后启动DMA控制器进行数据传输，在DMA控制传输过程中，CPU可以执行其他的进程，当本次读入的数据全部传输完毕后，DMA向CPU发送中断请求；
缓冲管理
缓冲区是用来 保存两个设备之间或设备与应用程序之间传输数据的内存区域。
由于CPU的速度远远高于I/O设备，为了 尽可能使CPU与设备并行工作，提高系统的性能，通常需要操作系统在设备管理软件中提供缓冲区管理功能。
缓冲的引入
在数据到达速率与数据离去速率不同的地方，都可以引入缓冲区。
引入缓冲的原因：
- 处理数据流的 生产者与消费者之间的速度差异；
- 协调传输 数据大小不一致 的设备；
引入缓冲的主要作用：
- 缓和 CPU与I/O设备之间 速度不匹配 的矛盾；
- 提高 CPU和I/O设备之间 并行性；
单缓冲
最简单 的缓冲类型，在主存储器的系统区中 只设立一个缓冲区。
用户进程发出I/O请求时，操作系统为该操作分配一个位于主存的缓冲区。
双缓冲（缓冲交换）
当一个进程往这一个缓冲区中传输数据（或从这个缓冲区读取数据）时，操作系统正在清空（或填充）另一个缓冲区，这个技术称为双缓冲（Double Buffering），或缓冲交换（Buffering Swapping）。
循环缓冲
在数据到达和数据离去的速度差别很大的情况下，需要增加缓冲区的数量。
多个缓冲区：
- 空缓冲区R；
- 已装满数据的缓冲区G；
- 现行工作缓冲区C；
多个指针：
- Nextg：用于指出 消费者进程下一个可用的装有数据的缓冲区；
- Nexti：用于指出 生产者这进程下一个可用的空缓冲区；
- Current：用于指出进程 正在使用的工作缓冲区；
Getbuf过程：
- 消费者进程要 使用缓冲区数据 时调用；
- 生产者进程要 使用空缓冲区装数据 时调用；
Releasebuf过程：
进程使用完缓冲区后，使用Releasebuf过程 释放缓冲区；
缓冲池
公共缓冲池中设置多个可供若干进程共享的缓冲区，提高缓冲区的利用率。
缓冲池的组成：
- 3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；
- 3种缓冲队列：
- 空缓冲队列；
- 输入队列；
- 输出队列；
- 4种工作缓冲区：
- 收容输入数据的缓冲区；
- 提取输入数据的缓冲区；
- 收容输出数据的缓冲区；
- 提取输出数据的缓冲区；
设备分配
设备分配中的数据结构
支持设备分配的数据结构需要记录设备的状态（忙或空闲）、设备类型等基本信息。
- 设备控制表，DCT - Device Control Table
- 控制器控制表：COCT - Controller Control Table
- 通道控制表：CHCT - Channel Control Table
- 系统设备表：SDT - System Device Table
设备控制表
系统为每个设备建立一张设备控制表，多张设备控制构成设备控制表集合。
每张设备控制表，包含：
- 设备类型；
- 设备标识符；
- 设备状态；
控制器控制表
系统为每个控制器设置一张 用于记录该控制器信息 的控制器控制表。通常包含：
- 控制器标识符；
- 控制器状态；
通道控制表
系统为每个通道设备设一张通道控制表，通常包含：
- 通道标识符；
- 通道状态；
系统设备表
记录了 系统中全部设备 的情况，每个设备占一个表目，其中包括：
- 设备类型；
- 设备标识符；
- 设备控制表；
- 设备驱动程序的入口地址；
设备分配的考虑因素
- 设备的固有属性；
- 设备分配算法；
- 设备分配方式；
设备的固有属性
- 独占性：独占设备 - 独享分配策略；
- 共享性：共享设备 - 可同时分配给多个进程使用；
- 可虚拟性：可虚拟设备 - 可同时分配给多个进程使用；
设备的分配算法
- 先来先服务：根据进程对某设备请求的先后顺序分配；
- 基于优先权的分配算法：对高优先权进程所提出的I/O请求也赋予高优先权；
设备分配方式
关键点：是否具备 “请求和保持” 的条件。
- 安全分配方式：发出I/O请求后进入阻塞状态；
- 不安全分配方式：仅当请求的设备被占用，进程才进入阻塞状态；
设备独立性
基本含义：应用程序独立于具体使用的物理设备
应用程序中，使用 逻辑设备名称 来请求使用某类设备。
系统在实际执行时，必须使用 物理设备名称。
实现设备独立性 带来的好处：
- 应用程序与物理设备无关；
- 易于处理输入/输出设别的故障；
- 提高了系统的可靠性，增加了设备分配的灵活性；
设备独立软件的功能：
- 执行所有设备的公有操作，包括：
- 独占设备的分配与回收；
- 使用 逻辑设备表LUT 将逻辑设备名称转换为物理设备名称；
- 对设备进行保护；
- 对用户层软件提供同一的接口；
独占设备的分配程序：
- 分配设备；
- 分配控制器；
- 分配通道；
SPOOLing技术
在多道程序环境下，利用 一道程序 来模拟 脱机输入 时的 外围控制机 的功能，把低速I/O设备上的数据传送到高速输出磁盘上，再利用 另一道程序 来模拟 脱机输出 时 外围控制机 的功能，把数据从磁盘传送到低速输出设备上。
这种在 联机情况下实现的同时外围操作 称为SPOOLing。
SPOOLing的 组成：
- 输入井和输出井；
- 输入缓冲区和输出缓冲区；
- 输入进程SPi和输出进程SPo；
- 请求I/O队列；
利用SPOOLing技术 实现共享打印机：
- 由输出进程在输出井中申请空闲盘区块，并将要打印的数据传入其中；
- 输出进程再为用户申请并填写一张用户请求打印表，将该表放到请求队列上；
SPOOLing的 特点：
- 提高 I/O速度；
- 将 独占 设备改造成 共享 设备；
- 实现了 虚拟设备 功能；
I/O软件管理
I/O软件原理
输入输出软件总体目标是 将软件组织成一种层次结构。
低层软件 用来屏蔽硬件的具体细节。
高层软件 则主要是为用户提供一个简洁、规范的界面。
设备管理的4个层次：
- 用户层软件：向系统发出I/O请求、显示I/O操作的结果、提供用户与设备的接口；
- 与设备无关的软件层：完成设备命名、设备分配、设备独立性和缓冲管理等功能；
- 设备驱动程序：与硬件关系密切，包括：设备服务程序、中断处理程序；
- 中断处理程序（底层）；
设备管理软件的功能
- 实现I/O设备的独立性；
- 错误处理；
- 异步传输；
- 缓冲管理；
- 设备的分配和释放；
- 实现I/O控制方式；
中断处理程序的功能
将发出I/O请求而被阻塞的进程唤醒。
设备驱动程序的功能
设备驱动程序是 I/O进程与设备控制器之间的通信程序，其主要任务接受上层软件发来的抽象的I/O请求，如 read 和 write 命令，把它们转换为具体要求后，发送给设备控制器启动设备去执行。
与硬件无关的I/O软件的功能
- 设备命名；
- 设备保护；
- 提供独立于设备的块大小；
- 为块设备和字符设备提供必要的缓冲技术；
- 块设备的存储分配；
- 分配和释放独立设备；
- 错误处理；
磁盘管理
磁盘存储器不仅 容量大，存取速度快，而且可以实现 随机存取，是存放大量程序和数据的理想设备。
磁盘管理的 重要目标：提高磁盘 空间利用率 和磁盘 访问速度。
磁盘结构
一个物理记录存储在一个扇区上，磁盘存储的物理记录数目是由 扇区数、磁道数 及 磁盘面数 决定的。
磁盘类型：
- 固定头磁盘：在每条磁道上都有读/写磁头；
- 活动头磁盘（移动头）：每一个盘面仅配有一个磁头；
磁盘访问时间：
- 寻道时间：磁头移动到指定 磁道 所经历的时间；
- 旋转延迟时间：指定 扇区 移动到磁头下面所经历的时间；
- 传输时间：把数据从磁盘读取或向磁盘写入数据时所经历的时间；
花费磁盘访问时间 最长 的是：寻道时间和旋转延迟时间。
磁盘调度
磁盘调度的一个重要目标是 使磁盘的平均寻道时间最少。包括有：
- 先来先服务，First Come First Served, FCFS；
- 最短寻道时间优先，Shortest Seek Time First, SSTF；
- 扫描算法：SCAN；
- 循环扫描算法：CSCAN；
- NStepSCAN和FSCAN调度算法；
先来先服务，FCFS
最简单 的磁盘调度算法。
根据进行 请求访问磁盘的先后顺序 进行调度。
优点：公平、简单，且每个进程的请求都能依次得到处理，不会出现某一进程的请求长期得不到满足的情况
缺点：平均寻道时间较长
最短寻道时间优先，SSTF
该算法选择的进程：其 要求访问的磁道 与 当前磁头所在的磁道 距离 最近，以使每次的寻道时间最短。
优点：每次的寻道时间最短
缺点：可能导致某个进程发生 饥饿 现象
扫描算法，SCAN
又叫 电梯调度算法，不仅考虑到要访问的磁道与当前磁道的距离，更优先考虑磁头当前的移动方向。
优点：有较好的寻道性能，防止 “饥饿” 现象
缺点：有时候进程请求被大大推迟
循环扫描算法，CSCAN
在扫描算法的基础上，规定磁头是单向移动的。将最小磁道号紧接着最大磁道号构成循环，进行循环扫描。
NStepSCAN和FSCAN调度算法
NStepSCAN：FCFS + SCAN
- 将磁盘请求队列分成 若干个长度为N的子队列；
- 磁盘调度将按 FCFS算法 依次处理这些子队列；
- 每处理一个队列时又是按照 SCAN算法；
- 对一个队列处理后，再处理其他队列；
FSCAN：
- NStepSCAN算法的简化，将磁盘请求队列分成 两个子队列；
- 一个是由当前所有请求磁盘访问的进程形成的队列，由磁盘调度按 SCAN算法 进行处理；
- 将新出现的所有请求磁盘访问的进程，放入另外一个等待处理的请求队列；
提高磁盘I/O速度的方法
- 提前读，减少读数据的时间；
- 延迟写，减少写磁盘的时间；
- 优化物理块的分布，减少磁臂移动距离；
- 虚拟盘，RAM，存放临时文件；
- 磁盘高速缓存，暂存从磁盘中读出的信息；
