操作系统复习——设备管理

I/O设备管理概述

I/O设备类型

1. 按信息组织特征分
   ① 块设备
   ② 字符设备
   ③ 络设备
2. 按共享属性分
   ① 独占设备
   ② 共享设备
   ③ 虚拟设备
3. 按使用特性分
   ① 输入设备
   ② 输出设备
   ③ 存储设备按
4. 传输速率分
   ① 低速设备
   ② 中速设备
   ③ 高速设备

I/O端口

1. 定义：可编址设备的另外一种
2. I/O port
3. 功能
   ① 完成数据的存储转发；
   ② 记录连接设备的状态；
   ③ 识别所连接设备的地址。

I/O系统的结构

1. 微型机I/O系统
   ① 无通道的I/O系统
   ② 以CPU为中心
2. 主机I/O系统
   ① 有通道的I/O系统
   ② 以主存为中心
   ③ 属于四级结构

I/O系统功能

1. 目的：为了提高CPU利用率而引入的。
2. 设备分配：按照—定策略，为申请设备的进程分配设备；
3. 设备映射——方便用户使用
   ① 隐藏物理设备的细节
   对设备进行抽象，隐藏物理设备的实现细节，向上层提供少量、抽象的读/写命令
   ② 实现设备的无关性
   用户不仅可以使用抽象的I/O命令，还可以使用抽象的逻辑设备名来使用设备
   ③ 提高处理机和I/O设备的利用率：I/O设备之间、IO设备与处理机之间应该能够并行操作
   ④ 对I/O设备进行控制
   ⑤ 确保对设备的正确共享：独占设备/共享设备
   ⑥ 错误处理

I/O系统软件结构

I/O控制方式发展宗旨

尽量减少CPU对I/O的干预，提高CPU利用率

程序I/O控制方式

1. 早期无中断系统，CPU对I/O设备的控制采取轮询(polling)的可编程I/O方式
2. “忙测试”过程:
   ① CPU向I/O控制器发—条I/O命令，启动l/O设备；
   ② 置设备状态寄存器中busy为1；
   ③ 循环测试busy，直到busy=0；
3. 缺点：CPU的绝大部分时间都处于等待I/O设备完成数据I/O的循环测试中
4. 特点：
   ① I/O基本单位是数据块(Block)；
   ② I/O是直接从设备入内存，或相反；
   ③ 一块/多块完成后，CPU才干预；
5. 工作过程：
   ① 进程I/O，CPU给控制器发送：I/O命令、内存/外存起址、传输字节数；
   ② CPU启动控制器进行数据I/O；
   ③ I/O完成，DMA向CPU发送中断信 ；
6. 每次传输一个块或几个连续块
7. 常用于块设备的I/O控制

通道控制方式

1. 工作过程：
   ① 进程l/O，CPU向通道发送I/O命令，给出通道程序的起址、需访问的设备等；
   ② 通道执行通道程序，完成I/O，并中断通知CPU
2. 每次传输一组数据块
3. 与DMA相比:
   ① 通道所需要CPU干预更少
   ② 多个不连续块的传递和存储
   ③ 减轻CPU的负载
4. 通道程序
   由—系列通道指令组成，包括有关操作码、
   内存地址、计数、结束位P等

缓冲管理

缓冲引入的原因

1. 缓和CPU与l/O设备间速度不匹配的矛盾
2. 减少CPU对I/O的干预
3. 提高CPU和I/O设备之间的并行程度

缓冲的种类

1. 单缓冲
2. 双缓冲
3. 循环缓冲
4. 缓冲池

单缓冲(Single Buffer)

1. 工作方式:进程发出I/O请求时，操作系统在主存分配一个缓冲区，通过缓冲区完成I/O.
   

   双缓冲(Double Buffer)

   **目的：**为了加快输入和输出速度，提高设备利用率，引入了双缓冲机制，也称为缓冲对换(Buffer Swapping)
   

   1. 循环缓冲区中包含多个大小相同的缓冲区，可分为三类:
      ① 装输入数据的空缓中区R
      ② 已装满数据的缓中区G
      ③ 计算进程正在使用的现行工作缓中区c
   2. 循环缓冲区的使用
      ① Getbufi过程
      ② Releasebuf过程

   缓冲池(Buffer Pool)

   1. 单、双、循环缓冲都属专用缓冲。缓冲池是公用缓冲，包含了一个管理的数据结构及一组操作函数的管理机制，用于管理多个缓冲区
   2. 目的：提高缓冲区的利用率，供多个进程共享；
   3. 循环池的组成
      （1）用户管理缓冲区的队列：空缓队列emg、输入队列ing、输出队列outq
      （2）用于标识缓冲池中各缓冲区动态过程的工作缓冲区
      ① 用于收容输入数据的工作缓冲区hin
      ② 用于收容输出数据的工作缓冲区hout
      ③ 用于提取输入数据的工作缓冲区sin
      ④ 用于提取输出数据的工作缓冲区sout

   设备分配

   功能:进程发出I/O请求时，按照一定的策略将I/O所需设备分配给进程。

   设备分配中的数据结构

   1. 设备控制表DCT(Device Control Table)：系统为每个设备配置—张DCT,用于记录该设备的相关参数。
   2. 控制器控制表COCT(Controller Control Table)
   3. 通道控制表CHCT(Channel Control Table)
   4. 系统设备表SDT(System Device Table)

   SPooLing系统

   1. 定义：通过在高速外存设置lI/O缓冲，将独占型设备改造成为可共享的虚设备。
   2. SPooLing系统的组成
      在线同时外围操作，Simultaneous Peripheral Operation On-Line
      （1）输入井/输出井
      ① 磁盘上开辟的存储区域，分别容纳输入/输出数据
      ② 井文件：数据—般以文件形式组织管理
      ③ 所有进程的数据文件链接成为队列
      （2）输入缓冲区/输出缓冲区
      ① 内存设置缓冲区，用于缓和CPU和磁盘之间速度不匹配的矛盾
      ② 分别作为输入设备输入或输出井到输出设备之间的缓冲
      （3）输入进程/输出进程
      （4）井管理程序
      控制作业与磁盘井之间的信息交换

   3. 声明：本站部分文章及图片源自用户投稿，如本站任何资料有侵权请您尽早请联系jinwei@zod.com.cn进行处理,非常感谢！