设备管理
【1】设备管理概述
- 计算机系统的一个重要组成部分：
（1）I/O系统
（2）信息输入输出设备
（3）存储功能的设备
（4）设备控制器
- 设备管理的对象：I/O设备、设备控制器、I/O通道
- 设备管理的基本任务：
（1）完成用户的I/O请求
（2）提高I/O速度
（3）改善I/O设备的利用率
- 设备管理的功能
（1）缓冲区管理
（2）设备分配
（3）设备处理
（4）虚拟设备
（5）实现设备独立性……
【2】I/O系统
- 主机与外设之间的数据传送系统（传送！传送！传送！）
- I/O系统的结构：
（1）总线型结构
（2）通道型结构
- 与计算机连接的外部设备主要有：
（1）字符设备：一次只传送一个字符，数据传送速度低
（2）块设备：一次传送一个字符快，传送速度较高
【3】设备控制器
- 计算机的一个实体
- 设备控制器的职责：
控制一个或者多个I/O设备以实现I/O设备和计算机之间的数据交换
- 设备控制器是CPU和I/O设备之间的接口：
接收从CPU发送的命令，控制I/O设备工作，使得处理机从繁杂的控制事务中解脱出来
- 设备控制器是一个可编址的设备：
（1）控制一个设备：一个设备对应一个唯一地址
（2）控制多个设备：多个设备地址
- 设备控制器的分类：
（1）控制字符的设备控制器
（2）控制块的设备控制器扫描二维码关注公众号，回复： 11278432 查看本文章
- 设备控制器的基本功能：
（1）接收识别命令
（2）数据交换
（3）地址识别
（4）标识和报告设备的状态
（5）数据缓冲
（6）差错控制
- 设备控制器的组成：
（1）设备控制器和处理机的接口
（2）设备控制器和设备的接口
（3）I/O逻辑
设备控制器是CPU处理机和I/O设备之间的中间商，控制数据交换，减少CPU对I/O设备的直接操作，提高CPU利用效率
【4】通道
设备控制器减少了CPU对I/O设备的操作，但是当I/O设备数量增多时，设备控制器的数量也会增多，CPU的负担依然会增大
- IBM公司提出了 “通道” 概念
- 通道的作用：
实现CPU与I/O设备的速度匹配，使得CPU和I/O设备操作尽可能的并行工作，提高CPU的使用率
- 通道是一种通过执行通道程序管理I/O设备操作的控制器，它使得CPU和I/O设备有跟高的并行性
- 通道的任务：
由CPU执行的I/O任务交由通道完成，从而释放了CPU负担
- 通道使得数据传输独立于CPU，CPU专注于数据处理
数据传输过程
- 通道类型：
（1）字节多路通道：可以连接多台慢速I/O设备，以交叉方式传送数据——设备轮流使用通道与主存进行数据传送，且每次只传送一个字节，大大提高了通道利用率
（2）数组选择通道：可以连接多台快速 I/O设备，每次只能从中选择一台设备进行数据传输，数据以组方式传送，传输速度快，无法并行工作，通道利用率低
（2）数组多路通道：结合了（1）（2），结构上采用字节多通道，使子通道分时共享主通道；传输上采用数组方式，提高传输效率
【5】控制方式
- CPU速度快，I/O设备速度低——速度不匹配
1. 中断驱动I/O控制方式
- CPU处于被动状态，等到有设备请求时才响应，从而提高CPU的利用率。
- 每当设备完成一次I/O操作，便以中断形式通知CPU，然后进行相应的处理
- 由于每传送一个单位信息就要中断一次，故会消耗大量的CPU时间，速度较低
2. 直接存储器访问DMA控制
- DMA控制器，是一种在系统内部转移数据的独立外设
- 通常只有流量较大的外设才需要支持DMA
- 提高了IO速度，提升了CPU的利用率
- 数据传输单位：数据块
- 数据传输方向：设备控制器<——>内存
【6】缓冲管理
- 设备管理的主要矛盾：
高速CPU和低速I/O设备之间的速度不匹配
- 解决办法：增加缓冲
类似在计算机网络通信中也会出现高速发送设备和低速接收设备之间设置缓冲
- 缓冲作用：
（1）缓和CPU和I/O设备之间的速度不匹配
（2）提升CPU和I/O设备之间的并行性
（3）减少对CPU的中断频率
- 缓冲类别：
（1）单缓冲
（2）循环缓冲：按照循环链的方式组织
循环缓冲是一种合理组织多个缓冲区，实现I/O设备和CPU之间的异步访问
- 进程同步：
循环缓冲中，若输入输出速度相当，则运行平稳；
若速度差异较大，则会出现所有缓冲区均为空/满——要进行输入输出进程同步
- Nexti指针追上Nextg指针：输入速度 > 计算速度
- Nextg指针追上Nexti指针：输入速度 < 计算速度
【7】设备分配
- 设备分配有两个级别：
（1）作业级（静态分配）：作业提交之后，系统按照用户需求将相关设备以及资源全部分配给作业，结束释放资源
（2）进程级（动态分配）： 一般由CPU上运行的进程，提出I/O请求，设备分配程序按照一定的算法将可用的设备分配给进程
- 设备分配是对进程使用外设的管理
- 设备控制表（DCT）：系统给每一个外设都设置了一张设备控制表
- 设备分配总原则：
合理使用外设，避免死锁，提高设备利用率
| 设备类型 | 分配策略 |
|---|---|
| 独享设备（临界资源） | 分配给进程后则独占设备资源，进程结束后才释放 |
| 共享设备 | 可分配给多个进程，但要对各个进程的访问次序合理调度 |
| 虚拟设备 | 对一台物理设备采用虚拟技术，可变成多个逻辑上的虚拟设备，可同时分配给多个进程使用 |
- 设备分配算法：
（1）先来先服务FCFS：按照请求顺序
（2）优先级高者优先：给进程请求分配优先级
（3）设备分配安全性：按照是否安全
（在设备分配算法中设置安全性检测——例如：银行家算法）
- 设备的独立性
（1）绝对号：每台设备进入系统都会给定一个编号
（2）相对号码：为了提高外设使用率，用户只需要向OS说明所需要的外设类型，实际中具体哪个设备由OS依情况分配
- SPOOLing技术：
- 虚拟设备技术假脱机操作（Simultanence Peripheral Operations On-Line）
- 利用专门的外围控制器，将低速I/O设备上的数据传送到高速磁盘上或者将独享设备转化为共享虚拟设备，提高设备利用率
【8】磁盘存储器管理
- CPU与内存的访问速度要比磁盘快若干数量级
- 磁盘的类型：
（1）固定头：刚性磁臂，适用于大容量
（2）移动头：移动磁臂，适用于中小型容量