第四章 设备管理
4.1 I/O系统
★ 设备管理的基本功能
- 为进程管理计算机系统提供接口；
- 按照相关算法分配和释放I/O设备；
- 实现CPU和I/O设备之间、I/O设备和I/O设备之间的并行操作；
- 实现其它功能，如缓冲区的管理、实现设备的独立性、虚拟性等。
★ 设备的分类
- 使用特性（存储设备、输入输出设备）
- 传输速率（低速，中速，高速）
- 信息交换单位（块设备、字符设备）
- 共享属性（独占设备、共享设备、虚拟设备）
★ 块设备 vs 字符设备
块设备 ：用于存储信息；信息存取的基本单位是数据块；传输速率高且可寻址
字符设备：用于数据的输入输出；基本单位是字符；传输速率较低且不可寻址
★ 设备控制器
概念：CPU与I/O设备之间的接口；可控制一个或多个设备；可编址设备，设备地址与设备一一对应
基本功能包括：接收和识别命令、数据交换、标识和报告设备的状态、地址识别、数据缓冲和差错控制。
4.2 I/O控制方式
★ 程序I/O方式
CPU代表进程给I/O模块发送I/O命令，该进程进入忙等待，等待操作完成，才可以继续执行。
★ 中断驱动I/O
CPU代表进程给I/O模块发送I/O命令，然后，如果该进程不需要等待I/O，则继续执行后续指令，否则当前进程阻塞，CPU调度其他进程。I/O模块完成操作后，处理器被该模块中断。
★ DMA控制方式
在外围设备和内存之间开辟直接的数据交换通路，成批地进行数据交换，减轻 CPU处理负担。（基本单位：数据块）
（即可以在没有处理器参与的情况下，从内存中移出或者往内存中移入一块数据，仅在传送开始和结束时要用到处理器）
| . | 无中断 | 使用中断 |
|---|---|---|
| 通过处理器实现I/O和内存间的传送 | 程序控制I/O | 中断驱动I/O |
| I/O和内存间直接传送 | 直接存储器访问 | （DMA） |
★ DMA控制方式与中断控制方式的区别：
| . | DMA控制方式 | 中断驱动方式 |
|---|---|---|
| 中断频率 | 一块数据全部传送结束时才中断CPU | 每次传输一个数据即产生中断 |
| 数据传输 | 数据传送在DMA控制器的控制下完成 | 数据传送在中断处理时由CPU控制完成 |
★ I/O通道控制方式
通道通过执行通道程序，并与设备控制器共同实现对I/O设备的控制的。通道程序由一系列通道指令(或称为通道命令)所构成的。
与DMA控制方式的区别：
DMA控制方式需要CPU来控制传输的方向、数据块大小和传输的内存位置，而通道控
制程序中这些信息是由通道控制的。
4.3 缓冲管理
★ 缓冲的引入
（如果一个进程发出一个I/O命令并被挂起等待结果，然后在开始I/O操作前被换出，那么该进程被阻塞，其等待I/O事件的发生，I/O操作也被阻塞，它等待该进程被换入。为避免死锁，在发出I/O请求前，参与I/O操作的用户存储空间必须被立即锁定在内存中，即使这个I/O操作正在排队，并且在一段时间内不会执行。同样的考虑也适用于输出操作。所以，为避免这些开销和低效操作，在输入请求发出前就开始执行输入传送，并且在输出请求发出一段时间之后才开始执行输出传送。）
- 缓和CPU与I/O设备之间速度不匹配的矛盾
- 减少对CPU的中断频率
- 提高CPU和I/O设备之间的并行性
★ 缓冲的类型
无缓冲：
单缓冲：
输入传送的数据被放到系统缓冲区中。当传送完成时，进程把该块移到用户空间，并立即请求另一块（这叫做预读或预先输入）。这样做的原因时期望这块数据最终会被使用。由于输入发生在系统内存中而不是用户进程内存，因此操作系统可以将该进程换出。
双缓冲/缓冲对换：
多缓冲（循环缓冲、多缓冲队列）
★ SPOOLing技术（磁盘中的缓冲）
在磁盘中建立I/O缓冲区，缓和CPU的高速性与I/O设备低速性间的矛盾。
在联机(即CPU控制)情况下实现的同时外围操作称为SPOOLing，或称为假脱机操作；
通过SPOOLing技术便可将一台独占物理I／O设备虚拟为多台逻辑I／O设备，从而允许多个用户共享一台物理I／O设备。
组成：输入（输出）进程；输入（输出）井；输入（输出）缓冲
4.4 设备管理软件层次结构
(1)用户进程
(2)设备硬件无关层：实现设备映射功能，把逻辑I/O设备映射到物理I/O设备
设备独立性/设备无关性：应用程序独立于具体使用的物理设备
(3)设备硬件相关层：实现设备驱动功能，控制物理I/O设备以便完成实际的I/O操作
(4)设备硬件
4.5 设备分配
设备分配算法：
- 先来先服务
- 优先级高者优先
安全性： - 安全分配方式
- 不安全分配方式
4.6 磁盘存储器管理
磁盘访问时间 = 寻道时间 + 旋转延迟时间 + 传输时间
寻道时间TS = m * n + s （m-常数，n-移动磁道数，s-启动磁臂时间）
旋转延迟Tr = 1/(2r) （r-磁盘转速-单位：转数/单位时间）
传输时间Tt= b/(rN) （b-每次读写的字节数，r-磁盘转速，N-一条磁道上的字节数）
磁盘调度算法：
4.7 RAID
由来：辅存性能的提高速度远远低于处理器和内存性能的提高速度，那么可以通过使用多个并行的组件来获得额外的性能。-------> 独立并行运行的磁盘阵列的开发
独立磁盘冗余阵列（Redundant Array of Independent Disks）RAID