思维导图：
关于设备管理
1）管理对象：
I/O设备和相应的设备控制器（I/O系统组成）
2）基本任务：
完成用户提出的I/O请求，
提高I/O速率、改善I/O设备的利用率。
为更高层进程方便使用设备提供手段
一、I/O系统的功能、模型和接口
1)主要功能：
1.1隐藏物理设备细节，方便用户：用户使用抽象的I/O命令即可
1.2实现设备无关性，方便用户：用户可用抽象的逻辑设备名来使用设备，同时也提高了OS的可移植性和易适应性。
1.3提高处理机和设备的并行性，提高利用率：缓冲区管理
1.4对I/O设备进行控制：控制方式、设备分配、设备处理
1.5确保对设备正确共享：虚拟设备及设备独立性等
1.6错误处理
2)I/O/系统的层次结构和模型
1.层次结构：系统中的设备管理模块分为若干个层次
2.层间操作：下层为上层提供服务，完成输入输出功能中的某些子功能，并屏蔽功能实现的细节。
3.I/O软件的分层：①用户层软件②设备独立软件③设备驱动程序④中断处理程序
4.I/O软件系统的层次
4.1中断处理程序
处于I/O系统的底层，直接与硬件进行交互
4.2设备驱动程序
处于次底层，是进程和控制器之间的通信程序
功能：将上层发来的抽象I/O请求，转换为对I/O设备的具体命令和参数，并把它装入到设备控制其中的命令和参数寄存器中
4.3设备独立性软件
包括设备命名、设备分配、数据缓冲等软件
5. I/O系统接口
在I/O系统与高层接口中，根据设备类型的不同，又进一步分为若干个接口。主要包括：
块设备接口
流设备接口
网络通信接口
二、I/O设备和设备控制器
1）I/O设备的类型
1.1按传输速率分类：
低速、中速、高速（键盘、打印机、磁盘）
1.2使用：存储设备、输入输出设备
1.3按信息交换的单位分类：
块设备：有结构、速率高、可寻址、DMA方式控制
字符设备：无结构、速率低、不可寻址、中断方式控制
1.4按设备的共享属性分类：
独占：打印机
共享：一个时刻上仍然是只被一个进程占用。可寻址、可随机访问的色后备。磁盘。
虚拟：使一台独占设备变换为若干台逻辑设备，供给若干用户“同时使用”。
2.I/O设备中的接口
与控制器的接口有三种类型的信号
数据信号线(进出数据转换、缓冲后传送)
控制信号线(读\写\移动磁头等控制)
状态信号线
2）设备控制器
设备并不直接与CPU通信
①基本功能
接收和识别CPU命令（控制寄存器：存放命令和参数）
标识和报告设备的状态（状态寄存器）
数据交换（数据寄存器）
地址识别（控制器识别设备地址、寄存器地址。地址译码器）
数据缓冲（协调I/O与CPU的速度差距）
差错控制
②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
③处理机与设备控制器间
实现CPU与设备控制器之间的通信。
共有三类信号线：
数据线：数据线通常与两类寄存器相连接，第一类是数据寄存器；第二类是控制/状态寄存器。
地址线
控制线
3）I/O通道
①I/O通道设备的引入
设备控制器已大大减少CPU对I/O的干预
（如承担了选择设备，数据转换、缓冲等功能）
但当主机的外设很多时，CPU的负担仍然很重。
在CPU和设备控制器之间增设一个硬件机构：“通道”
设置通道后：CPU只需向通道发送一条I/O指令即可不再干预后续操作。
通道形成通道程序，执行I/O操作，完成后向CPU发中断信号。
②通道类型
根据其控制的外围设备的不同类型，信息交换方式也可分为以下三种类型：
2.1字节多路通道
一个通道常通过多个子通道连接多个设备控制器
多个设备，通过非分配型子通道以字节为单位交叉轮流使用主通道传输自己的数据。
2.2数组选择通道
针对高速设备：分配型子通道
设备利用子通道占用通道后，一段时间内一直独占，直至设备传送完毕释放。
利用率低。
2.3数组多路通道
结合上述两种方式。
含多个非分配型子通道。数据传送则按数组方式进行。
③“瓶颈”问题
由于通道价格昂贵，致使数量较少，使它成为I/O系统的瓶颈，进而造成系统吞吐量的下降。
三、中断机构和中断处理程序
1.中断简介
⑴中断和陷入
中断：CPU对I/O设备发来的中断信号的一种响应，中断是由外部设备引起的，又称外中断。
陷入：由CPU内部事件所引起的中断，通常把这类中断称为内中断或陷入（trap）。
中断和陷入的主要区别：是信号的来源。
⑵中断向量表
中断向量表：为每种设备配以相应的中断处理程序，并把该程序的入口地址，放在中断向量表的一个表项中，并为每一个设备的中断请求，规定一个中断号，它直接对应于中断向量表的一个表项中。
⑶对多中断源的处理方式
①屏蔽（禁止）中断
②嵌套中断
2.中断处理程序
主要工作
①进行进程上下文的切换
②对处理中断信号源进行测试
③读取设备状态
④修改进程状态
四、设备驱动程序
设备驱动程序是I/O系统的高层与设备控制器之间的通信程序，其主要任务：
接收上层软件发来的抽象I/O要求，如read、write等命令；
再把它转化为具体要求，发送给设备控制器，启动设备去执行。
反方向，它也将由设备控制器发来的信号，传送给上层软件。
1.驱动程序的功能
(1)接收由与设备无关的软件发来的命令和参数，并将命令中的抽象要求，转换为与设备相关的低层操作序列；
(2)检查用户I/O请求的合法性，了解I/O设备的工作状态，传递与I/O设备操作有关的参数，设置设备的工作方式；
(3)发出I/O命令，如果设备空闲，便立即启动I/O设备，完成指定的I/O操作；如果设备忙碌，则将请求者挂在设备队列上等待；
(4)及时响应由设备控制器发来的中断请求，并根据其中断类型，调用相应的中断处理程序进行处理。
2.设备驱动程序的特点
(1)驱动程序是与设备无关的软件和设备控制器之间通信和转换的程序。
(2)驱动程序，与设备控制器和I/O设备的硬件特性，紧密相关。
(3)驱动程序与I/O设备所采用的I/O控制方式紧密相关。
(4)由于驱动程序与硬件紧密相关，因而其中的一部分必须用汇编语言编写。
(5)驱动程序应允许可重入，一个正在运行的驱动程序常会在一次调用完成前被再次调用。
3.设备处理方式
具体分类
(1)为每一类设备设置一个进程，专门用于执行这类设备的I/O操作。这种方式比较适合于较大的系统；
(2)在整个系统中设置一个I/O进程，专门用于执行系统中所有各类设备的I/O操作。也可以设置一个输入进程和一个输出进程，分别处理系统中的输入或输出操作；
(3)不设置专门的设备处理进程，而只为各类设备设置相应的设备驱动程序，供用户或系统进程调用。这种方式目前用得较多。
4. 驱动程序处理过程
4.1I/O设备与控制器间的通信转换程序
了解抽象命令，了解控制器内部的寄存器结构
4.2与硬件密切相关，每类设备配备一种驱动程序
功能：接受解释指令（有通道的系统，自动通道程序）、相关判断、发送设备命令、响应中断
特点，控制方式不同程序不同，部分固化进硬件，代码可重入。
5. I/O控制方式
（1） 程序I/O方式
1.1cpu对I/O设备的控制采取程序I/O方式，或称忙—等待方式
1.2高速CPU空闲等待低速I/O设备，致使CPU极大浪费。
（2）中断驱动I/O方式
2.1CPU向相应的设备控制器发出一条I/O命令
2.2然后立即返回继续执行任务。
2.3设备控制器按照命令的要求去控制指定I/O设备。
2.4这时CPU与I/O设备并行操作。
2.5I/O设备输入数据中，无需CPU干预，因而可使CPU与I/O设备并行工作。从而提高了整个系统的资源利用率及吞吐量。
（3）直接存储器访问DMA（字节—块）
①该方式的特点是：
数据传输的基本单位是数据块；
所传送的数据是从设备直接送入内存的，或者直接从内存进设备；不需要CPU操作。
CPU干预进一步减少：仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时，才需CPU干预，整块数据的传送是在控制器的控制下完成的。
宗旨：减少主机对I/O控制的干预，将CPU从繁杂的I/O控制事物中解脱出来。
②DMA控制器的组成
DMA控制器由三部分组成：
主机与DMA控制器的接口；
DMA控制器与块设备的接口；
I/O控制逻辑。
③DMA控制器中的寄存器
3.1数据寄存器DR：暂存设备到内存或从内存到设备的数据。
3.2内存地址寄存器MAR：它存放把数据从设备传送到内存的起始的目标地址或内存原地址。
3.3数据计数器DC：存放本次CPU要读或写的字（节）数。
3.4命令/状态寄存器CR：用于接收从CPU发来的I/O命令或有关控制和状态信息。
④DMA工作过程
（4）I/O通道控制方式
1.DMA适用于读一个连续的数据块；
2.实现对一组数据块的读（写）及有关的控制和管理为单位的干预。
3.此时，CPU只需发一条I/O指令，给出通道程序的首地址及要访问设备即可。
五、与设备无关的I/O软件
1.设备独立性的基本含义：
指应用程序中所使用的设备，不局限于使用某个具体的物理设备，也称为设备无关性。
为了实现设备独立性，在设备驱动程序之上设置一层软件，称为与设备无关的I/O软件，或设备独立性软件。
设备无关的软件是I/O系统最高层软件，但它和其下的设备驱动程序之间的界限，将随操作系统和设备的不同而有所差异。
2.逻辑设备名到物理设备名的映射
2.1逻辑设备表LUT（Logical Unit Table）
2.2LUT的设置问题
整个系统设置一张LUT（设备重名问题）
为每个用户设置一张LUT，记入各自PCB。
3.设备分配
多道环境下，系统中设备是所有进程共享的。要防止无序竞争，提高外设资源的利用率。需由OS进行统一、合理的设备分配。
1）数据结构
记录相应设备或控制器的状态，及对设备或控制器进行控制所需的信息。所需数据结构：
1.1设备控制表
系统为每一设备都配置一张
记录本设备的情况。
1.2控制器控制表
1.3通道控制表
1.4系统设备（总）表
2）设备分配需考虑的因素
2.1设备固有属性：独占、共享、独占但可虚拟。根据属性采取互斥、次序调度、虚拟等不同分配策略。
2.2设备分配算法（对不同进程的设备请求序列，如何进行选择），常采用两种：FCFS、优先级高者优先
2.3设备分配的安全性：进程开始I/O后就阻塞直到I/O完成。不“请求和保持”（安全的）；允许连续I/O请求，是不安全的，此类分配方式需进行安全性检查。
2.4设备独立性
用户IO请求中使用逻辑名申请某类设备，实际物理名称是系统根据设备类型分析分配后才确定的。
3）设备的分配过程
1.基本分配步骤（一个有通道的例子）：
1.1分配设备：
根据请求设备名，查找SDT，找到DCT；
状态、安全性等因素都可能导致本申请进程阻塞，挂入DCT等待队列中。
1.2分配控制器
通过1步分配设备后，从DCT找到COCT；
检查COCT状态字，若忙碌，进程PCB挂到其等待队列
1.3分配通道
COCT找到CHCT
判断状态，…
2.设备分配程序的改进细节
增加设备的独立性
考虑多通路情况
六、用户层的I/O软件
1)系统调用与库函数
2）设备分配中的虚拟技术—— SPOOLing技术
虚拟性是OS的四大特征之一。
多道程序技术将一台物理CPU虚拟为多台逻辑CPU，实现多个用户共享一台主机；
2.1如何将一台物理I/O设备虚拟为多台逻辑I/O设备，允许多个用户共享“同时使用” ？
回顾脱机技术
假脱机技术
2.2SPOOLing系统的组成
主要有三大部分（如下页图）
输入井和输出井
输入缓冲区和输出缓冲区
输入进程和输出进程
2.3SPOOLing系统的特点
2.3.1提高了I/O的速度。利用输入输出井模拟成脱机输入输出，缓和了CPU和I/O设备速度不匹配的矛盾。
2.3.2将独占设备改造为共享设备。并没有为进程分配设备，而是为进程分配一存储区和建立一张I/O请求表。
2.3.3最终，实现了虚拟设备功能。多个进程可“同时”使用一台独占设备。
七、缓冲区管理
1）缓冲管理
I/O控制方式减少CPU对I/O的干预提高利用率；
缓冲则通过缓和CPU和I/O设备速度不匹配矛盾，增加CPU和I/O设备的并行性，提高利用率。
1.引入缓冲区的主要原因：
缓和CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾。
缓冲区数据成批传入内存，也可进一步减少对CPU的中断频率
最终目的：提高CPU和I/O设备的并行性
2.使用缓冲区的方式：
1）单缓冲、多缓冲
2）循环缓冲
①循环缓冲的组成
2.1.1多个缓冲区。大小相同，三种类型：
预备装输入数据的空缓冲区R
装满数据的缓冲区G
计算进程正在使用的现行工作缓冲区C
2.1.2多个指针。
指示正在使用的缓冲区C的指针Current
指示计算进程下一个可取的缓冲区G的指针Nextg
指示输入进程下次可放的缓冲区R的指针Nexti
②循环缓冲区的使用
主要就是利用指针，操作上述不同类型缓冲区
③进程同步
Nexti赶上Nextg。
Nextg赶上Nexti。
3）缓冲池（Buffer Pool）
（1）循环缓冲的问题
不能同时双向通讯
利用率不高。缓冲区是专用缓冲。
系统并发程序很多时，许多这样的循环缓冲需要管理，比较复杂。
①缓冲池的组成
1.1对于既可输入又可输出的公用缓冲池，至少应含有下列三种类型的缓冲区：
空缓冲区；
装满输入数据的缓冲区；
装满输出数据的缓冲区；
1.2为方便管理，将上述类型相同的缓冲区连成队列
空缓冲区队列（所有进程都可用）
输入队列（n个进程有各自的队列）
输出队列（n个进程有各自的队列）
2.3工作状态决定了current有四种工作缓冲区：
收容输入数据的工作缓冲区；
提取输入数据的工作缓冲区；
收容输出数据的工作缓冲区；
提取输出数据的工作缓冲区；
②缓冲区的工作方式
四种工作方式：
收容输入：Getbuf(emq),hin；输入数据填入一空缓冲区；Putbuf(inq,hin)
提取输入： Getbuf(inq),sin；从输入缓冲队列中取出一数据区的内容；Putbuf(emq,sin)
收容输出： Getbuf(emq),hout；输出数据填入一空缓冲区；Putbuf(outq,hout)
提取输出： Getbuf(outq),sout；从输出缓冲队列中取一数据区的内容；Putbuf(emq,sout)
八、磁盘存储器的性能和调度
1）磁盘性能简述
1.1数据的组织和格式
盘片、面、磁道、扇区
为方便处理，每条磁道存储容量相同，每个磁道上的每个扇区相当于一个盘块。磁盘”格式化”的过程就是按规定的格式规划盘块。
1.2磁盘类型
固定磁头（每道一磁头）
移动磁头（每盘一磁头）
1.3访问时间的计算
寻道时间（到磁道）
旋转延迟（到扇区）
传输时间
2）磁盘调度方法
2.1对所有请求访问磁盘的进程进行合理调度，使对磁盘的平均访问时间最小。
2.2目标：使平均寻道时间最少。
2.3算法：
2.3.1FCFS
2.3.2最短寻道时间优先SSTF
2.3.3扫描算法SCAN（磁盘电梯调度算法）
循环扫描算法CSCAN
N-Step-SCAN算法
FSCAN算法