第6章 设备管理
1)系统调用与库函数
不允许运行在用户态的应用进程，去直接调用运行在核心态（系统态）的OS过程。
应用进程在运行时，又必须取得OS所提供的服务。
于是：OS在用户层中引入了系统调用，应用程序可以通过它，间接调用OS中的I/O过程，对I/O设备进行操作。
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。
假脱机技术
多道程序技术，专门利用程序模拟脱机I/O的外围机，完成设备I/O操作。称这种联机情况下实现的同时外围操作为SPOOLing 技术（称为假脱机操作）
SPOOLing技术的使用:
当用户进程请求打印输出时,SPOOLing系统同意为它打印输出,但并不真正立即把打印机分配给用户进程,而只为它做两件事:
①由输出进程在输出井中为之请求一个空闲磁盘块区,并将要打印的数据送入其中.
②输出进程再为用户进程申请一张空白的用户请求打印表,并将用户的打印要求填入其中,再将该表挂在请求打印队列上.
守护进程（Daemon）是运行在后台 的一种特殊进程。它独立于控制终端并且周期性地执行某种任务或等待处理某些发生的事件。守护进程是一种很有用的进程。
Linux的大多数服务器就是用守护进程实现的。比如，Internet服务器inetd，Web服务器httpd等。同时，守护进程完成许多系统任务。比如，作业规划进程crond，打印进程lpd等。
共享打印机
打印机属于独占设备，利用SPOOLing技术可将其改造为一台可供多个用户共享的设备。
SPOOLing系统的特点
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。
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。
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。
现代OS中，几乎所有的I/O设备与处理机交换数据时，都用了缓冲区。
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。
使用缓冲区的方式：
1）单缓冲、多缓冲
2）循环缓冲
3）缓冲池（Buffer Pool）
1）单缓冲与多缓冲
单缓冲 每当用户进程发出一I/O请求时，OS在主存中为之分配一个缓冲区。CPU和外设轮流使用，一方处理完后等待对方处理。
单位：字符设备输入时，缓冲区用于暂存用户输入/输出的一行数据；块设备输入则是成块数据。
双缓冲
进一步加快输入和输出速度，提高设备利用率制，也称缓冲对换
输入：数据送入第一缓冲区，装满后转向第二缓冲区。
读出：OS从第一缓冲区中移出数据，送入用户进程，再由CPU对数据进行计算。
两个缓冲区，CPU和外设不再针对一块交替
可能实现连续处理无需等待对方。前提是CPU和外设对一块数据的处理速度相近。而如下图情况CPU仍需等待慢速设备。
多缓冲引入
I/O与CPU速度基本相匹配，采用双缓冲能获得较好的效果，基本上能并行操作。
但，若两者的速度相差甚远，双缓冲的效果仍不够理想；
为进一步协调速度差，可增加缓冲区数量，同时进行一定的多缓冲管理入和出的同步。
引入多缓冲机制。组织形式：循环缓冲、缓冲池。
2）循环缓冲
设置多块缓冲区；用循环结构组织，只供两个相关进程使用；顺一个方向放入或取出
①循环缓冲的组成
多个缓冲区。多个指针。
②循环缓冲区的使用
计算进程(CPU)和输入进程(I/O操作)可利用两个过程来使用循环缓冲区。
Getbuf过程：使用缓冲区时，可调用该过程
Releasebuf过程：计算进程：C->R；输入进程：C->G
一个时段只能用于输入或输出，不能同时双向通信。
③进程同步
两个进程的控制：输入进程和计算进程并行执行，如何控制相应的两个指针不断顺时针方向移动，这样就可能出现两种情况：
Nexti赶上Nextg。意味着输入速度大于计算速度，缓冲区满，只能阻塞输入进程等计算进程取，此情况称为系统受计算限制。
Nextg赶上Nexti。意味着输入速度低于计算速度，缓冲区空，只能阻塞计算进程等输入进程放，此情况称为系统受I/O限制。
3）缓冲池
循环缓冲的问题
不能同时双向通讯。利用率不高。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。
为提高缓冲区的利用率，目前广泛流行缓冲池，在池中设置多个可供若干个进程共享的缓冲区。
①缓冲池的组成
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。
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)
缓冲区的使用
Getbuf（队列，工作区）
Putbuf（队列，工作区）
同步控制
每队设置一个互斥信号量MS；
判断每个队列是否有可用的缓冲区，需一个资源信号量RS。获取缓冲区时P（RS），释放时V（RS）。
缓冲池：可双向缓冲；缓冲区整体利用率高。
磁盘存储器的性能和调度
1）磁盘性能简述
首先与格式有关
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。
与速度有关
磁盘类型
固定磁头（每道一磁头）
移动磁头（每盘一磁头）
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:传输时间占总时间的比例最小，磁盘读写速度的提高要选择合适的调度算法，减少前两项用时，使所有作业的磁盘处理时间均衡。
2）磁盘调度方法
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。
目标：使平均寻道时间最少。
①FCFS
多个进程的磁盘I/O请求构成一个随机分布的请求队列。
磁盘I/O执行顺序按磁盘请求的先后顺序。
②最短寻道时间优先SSTF
选择从当前磁头位置出发移动最少的磁盘I/O请求
使每次磁头移动时间最少。
不一定是最短平均柱面定位时间，但比FIFO算法有更好的性能。
对中间的磁道有利，但可能会有进程处于饥饿状态（I/O请求总不被执行）。
③扫描算法SCAN（磁盘电梯调度算法）
SSTF会导致“饥饿”现象,总选择最近的磁道访问，远磁道请求的进程会长时间得不到执行。
SCAN算法,规定磁头移动方向：自里向外，再自外向里移动。
后续的I/O磁道请求，哪个在规定方向上距离最近，就先执行哪个。
循环扫描CSCAN
SCAN的错过问题：容易错过与当前磁道距离近，但方向不一致的磁道。
修改：将SCAN规定的移动方向改为“单向移动”。由里向外后，再由里向外。
改进：将磁盘请求队列分成长为N 的子队列；按FCFS选择子队列。队列内又按SCAN算法。
练习
虚拟设备是指：通过虚拟技术将一台独占设备改造成若干台逻辑设备，供若干个用户进程同时使用。
按信息交换单位分类，可将设备分为：块设备和字符设备。
通道是：一种负责I/O的处理机。
字节多路通道主要用作：连接大量的低速I/O设备。
从资源分配的角度看，操作系统将外部设备分为：独占型设备、共享型设备、虚拟设备。
根据信息交换方式的不同，可以将通道分为：字节多路通道、数据选择通道、数据多路通道。
设备独占性是指：应用程序独立于具体使用的物理设备。
缓冲技术中的缓冲池在：主存中。
进行设备分配时所需要的数据表格主要有：设备控制表、设备控制器控制表、通道控制表和系统设备表。
如果有多个中断同时发生，系统将根据中断优先级响应优先级最高的中断请求。若要调整中断事件的响应次序，可以利用：中断屏蔽。
在操作系统中，一种用空间换取时间的资源转换技术是：Spooling。
大多数低速设备都属于：独享设备。
为了实现CPU与外设的并行工作，系统引入了：中断和通道硬件机制。
在操作系统中，用户在使用I/O设备时，通常采用：逻辑设备名。
Spooling系统是由：磁盘中的输入井和输出井、内存中的输入缓冲区和输出缓冲区以及输入进程和输出进程组成。
引起中断发生的事件称为：中断源。
设备与内存之间的传输方式有：程序直接控制方式、中断控制方式、通道控制方式和DMA控制方式，其中通道方式占用CPU时间最短。
设备分配中的安全性是指：设备分配应保证不会引起进程死锁。
Spooling技术是指：在共享设备上模拟独占设备。由预输入程序将作业执行中需访问的数据预先读入到输入井中，缓输出程序则负责将输出井中的信息在输出设备上输出。
发生中断时，刚执行完的那条指令所在的单元号称为：断点，断点的逻辑后继指令的单元号称为：恢复点
访问磁盘过程
磁盘的访问总是由缺页引起的：
CPU给出地址，需要访问某存储单元；
并行进行TLB查找和cache查找；
TLB查找后申明没有找到；
停止并行查找，并通知操作系统处理；
操作系统检查页表，发现该页不在内存中，需要从硬盘调入。应该如何进行呢？
操作系统从主存中选择一页准备换出，为调入的页安排存放空间；
若被换出的页是“脏”页，需要将其写回磁盘存储；
操作系统申请I/O总线；
获得批准后，发送写命令给I/O 设备（磁盘）。 紧跟着传送需要写回的页的全部数据。
I/O控制器发现发给自己的写命令 ，加入到握手协议，并接受数据。
根据数据要写入的地址，读/写头移动到正确的柱面，同时，将数据接收到缓冲区。
寻道结束后，等待相应的扇区旋转到磁头下面，将数据写入扇区中。
在写入数据间隙，计算校验码并写入扇区中。
下一步，操作系统继续申请总线（如果还保持总线控制权，则不必申请）。
得到授权后，向磁盘发出读命令。
然后，磁盘识别地址，并转换为相应的地址段。
寻道，将读/写头移动到指定位置。
从指定扇区中读去数据，并进行校验。
磁盘申请I/O总线。
得到授权后，将数据通过总线送到内存。