OS-S5 设备管理

§5 设备管理

C1 IO 管理

1）功能：

• 提供统一的独立于设备的用户接口：命令接口和编程接口
• 分配和释放设备
• 设备访问控制：并发访问和差错处理、访问权限控制
• IO缓冲和IO调度，提升IO效率

2）分层设计思想：每一层执行OS功能的一个子集，依赖于第一层的更原始的功能，同时为高一层服务。高层不依赖于硬件，为用户提供友好清晰简单的功能强的接口

• 用户层次：IO系统调用
• 中间层：逻辑IO → 设备IO → 调度控制
  • 逻辑IO：完成设备工作，分配回收设备，准备数据
  • 设备驱动：驱动设备控制器
  • 设备控制器：IO调度
• 底层硬件

3）设备分类：

• 按数据组织形式：

  • 块设备：数据块传输，高速率，可寻址(随机读写)
  • 字符设备：字符传输，低速率，不可寻址

• 按用途：存储设备、传输设备、人机交互设备

• 按资源分配：

  • 独占设备：只允许进程互斥使用，通常是慢速设备，如打印机

  • 共享设备：多个进程交叉使用，如硬盘

  • 虚设备：一类设备上模拟另一类设备，共享设备上模拟独占设备，高速设备上模拟低俗设备，如Spooling技术将打印机变成共享设备

4）设备控制器：

• 功能：

  • 识别CPU指令
  • 数据交换：CPU ↔ 控制器 ↔ 设备
  • 设备状态记录和报告
  • 缓冲区
  • 数据差错检测

• 组成：

  • 面向CPU接口：数据寄存器、控制寄存器、状态寄存器，采取内存映射/专门IO指令访问
  • 面向设备接口：数据信号、控制信号、状态信号
  • IO逻辑：用于实现CPU对IO设备控制

• IO端口地址：接口电路中每个寄存器有唯一地址

  • 所有IO端口地址形成IO端口地址空间，受OS保护

  • IO编制与IO指令形式：

    • 内存映射编址- 内存映像IO

      • 控制器内存/寄存器作为物理内存空间一部分)
      • 不允许对控制寄存器的内存进行高速缓存
      • OS不应将其地址空间放入用户虚拟地址空间

    • IO独立编址 -专用IO指令

      • 优点：外设不占用内存地址空间；编程时易区分是内存操作还是IO操作
      • 缺点：IO指令少，不灵活
      • Intel体系架构in/out指令

5）设备驱动程序：

• 存放与设备密切相关的代码，每个处理一种设备类型

• 接受与设备无关的抽象请求并执行。驱动程序负责设置设备寄存器，并监督执行

• 组成

  • 自动配置和初始化子程序：检测设备并初始化，仅初始化一次
  • IO操作子程序：此时和调用程序仍是同一程序，只是转入内核态
  • 中断服务子程序：负责处理中断

• 和应用程序区别：没有main，以模块初始化函数为入口；初始化后不再允许，等待系统调用；不使用标准C库

• 动态装载：

  • UNIX将内核与设备驱动程序链接后重启系统
  • Windows使用一个文件告知操作系统，在重启时装载
  • USB及IEEE1384设备动态加载驱动程序，不需要重启

6）IO控制技术：

• 程序控制IO：轮询，适用于高速设备

  • 向设备驱动程序提出IO请求
  • 设备驱动程序查询状态寄存器，若准备好则设置控制寄存器
  • 轮询状态寄存器
  • 将数据寄存器数存回用户空间，告知完成

• 中断驱动方式：

  • 向设备驱动程序提出IO请求
  • 设备驱动程序查询状态寄存器状态，若准备好则设置控制寄存器
  • 将设备状态记录在设备状态表后执行其它工作
  • 设备完成IO后产生中断信号，中断处理程序交付设备管理程序
  • 查询设备状态表，拷贝数据给请求进程，解除请求进程IO阻塞

• 直接存储访问：DMA，适用于高速设备

  • 设置DMA控制器寄存器值

  • DMA控制器自动完成外设与内存数据拷贝

  • 完成后DMA发出中断

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  • 优点：CPU无需控制

  • 缺点：每个设备都占用一个DMA控制器，设备增加时需要新的控制器；DMA操作可能竞争总线

• IO通道控制方式：

  • IO通道：专门的IO处理器，独立于CPU，有自己的指令体系。通道指令组成通道程序，存放在内存中，允许复杂IO控制。

  • 优点：一个通道程序可完成多做IO操作，完成复杂IO控制。减少CPU干预；

    一个IO通道可控制多台设备（DMA不行）

  • 缺点：贵

  • 种类：

    • 字节多路通道：在多台设备间轮流切换，每次发一字节数据，适合中低速
    • 数组选择通道：为一台设备成组传送数据，适合高速设备
    • 数组多路通道：适用了多道程序设计的通道程序，为多台设备成组传送

6）设备独立性：

• 逻辑设备：用户使用逻辑设备名称请求使用设备，实际使用必须使用物理设备
• 逻辑设备表LUT：逻辑设备名+物理设备名+驱动入口地址。
  • 单LUT设备表：不允许有重复的逻辑设备名，多用户实用
  • 多LUT设备表：每个用户一张LUT
• 优点：设备分配灵活，可调度设备而不是固定设备；易于实现IO重定向

7）IO设备分配：

• 控制结构
  • 系统设备表SDT：记录设备状态和设备控制表DCT入口
  • 设备控制表DCT：
    • 设备(请求)队列队首指针：请求设备IO进程的PCB
    • 设备状态
    • 控制器表指针：设备的设备控制器
    • 重复执行次数：用于传输失败重试
  • 控制器表COCT：每个设备控制器有一张，描述IO控制器配置和状态，如DMA中断号、DMA数据通道的分配
  • 通道控制表CHCT：每个通道一张，描述通道状态
• 分配策略：
  • 安全性：
    • 安全分配：请求设备IO后阻塞
    • 不安全分配：请求IO后可继续请求其它设备IO，但应当进行安全性检测
  • 分配算法
  • 设备固有属性：独享、共享、虚拟
• 单/多通路IO设备分配：
  • 单/多通路：一个设备对应一个/多个控制器，控制器对应一个/多个通道
  • 分配设备：查SDT，找到DCT，死锁检测后分配
  • 分配设备控制器：DCT中找到COCT，若控制器空闲则分配
  • 分配通道：找到通道控制表CHCT，分配通道

8）假脱机技术(虚拟设备技术)：在设备和用户进程间建立缓冲区，中介IO

• 组成：
  • 输入井和输出井：模拟脱机输入输出的磁盘
  • 输入缓冲和输出缓冲区：缓解磁盘和CPU速度不匹配
  • 输入进程和输出进程：模拟脱机IO时的外围控制机。输入设备的输入先进入缓冲区，再送到输入井。数据输出先放到输出井，再送到输出缓冲区
• 作用：模拟共享设备；将虚拟IO时间和实际IO时间分离

C2 缓冲技术

1）缓冲技术：提高设备利用率（匹配CPU与外设处理速度、减少COU中断、提升CPU和IO设备并行度）

2）单缓冲：每发出一个IO请求边分配一个缓冲区

• 除第一块，每块处理时间为 $\max \{T_{处理},T_{取出}\}+T_{移动}$

3）双缓冲：CPU和外设连续处理而不必等待对方。即移动和处理同时

• 要求CPU与外设处理速度相近

• 除第一块，每块处理时间为 $\max \{T_{处理},T_{取出}\}$

4）环形缓冲：多个缓冲组织成环形。

• CPU与外设处理速度差异大
• 管理：
  • 缓冲区分空缓冲区、正在工作缓冲区、满缓冲区
  • 使用3个指针指示上述缓冲区的位置

5）缓冲池：提供多个可供进程共享的缓冲区

• 管理：
  • 缓冲区分输出缓冲、输入缓冲、空缓冲区
  • 相同类型缓冲组成链表
  • 四种工作方式：收容输入，收容输出，提取输入，提取输出

6）缓冲带来的问题：多次复制一个数据包

C3 IO性能

1）IO流程：

• 进程发起IO系统调用
• 陷入内核，进入IO处理
• 磁盘将文件载入内核内存空间
• 内核将文件复制到用户内存空间
• 数据完成复制，唤醒进程，退出内核态

2）阻塞与非阻塞IO

• 阻塞IO：调用结果返回前，进程被阻塞挂起

• 非阻塞IO：进程发起IO调用后，返回执行其它任务

3）IO多路复用：允许进程发起多个IO请求。当某个请求到位后，执行其它请求。全部请求到位再通知相应的进程。一二阶段都是阻塞的

5）事件驱动IO：IO第一阶段完成后，通知进程，使其第一阶段非阻塞。而第二阶段仍需要阻塞等待

6）异步IO：第二阶段数据复制完成再通知进程