五、设备管理
1.I/O体系结构
从上至下依次为
用户层IO：产生 I/O 请求、格式化 I/O、Spooling
设备独立性软件：用于实现用户程序与设备驱动器的统一接口、设备命令、设备保护及设备
分配与释放等等，同时为设备管理与数据传送提供必要的存储空间。
设备驱动程序：与硬件直接相关，负责具体实现系统对设备发出的操作指令，驱动IO设备
工作的驱动程序。
中断处理程序：用户保存被中断进程的CPU环境，处理完并回复被中断程序的现场后，返
回到被中断进程。
硬件：执行 I/O 操作
2.I/O控制方式
- 采用轮询的可编程 I/O 方式
- 易于实现，但 CPU 和 I/O 设备只能串行工作，CPU 效率较低
- 采用中断的可编程 I/O 方式
- 比上一种方法有优势，但数据中的每一个字在存储器与 I/O 控制器之间的传输都要经过 CPU ，这就导致这种方式仍会消耗较多的 CPU 时间
- 直接存储器访问（DMA）方式
- DMA 控制时，传输基本单位是数据块，只有传送开始和结束时才需要 CPU 的参与，CPU 利用率较高
- I/O通道方式（通道是一种特殊的硬件）
- I/O 通道传送基本单位是一组数据块，有更高的自主权，CPU 利用率更高
总结：整个 I/O 控制方法的发展，总的来说就是四个字 ——“简政放权”：减轻 CPU 对所有操作控制的压力，让合适的 “人”（如其他专门硬件）去处理合适的 “事”（如这里的 I/O 操作）。
3.I/O分配中的数据结构和分配方法
3.1.1设备分配中的数据结构
设备控制表（DCT）
控制器控制表（COCT）、通道控制表（CHCT）、系统设备控制表（SDT）
上述几种数据结构之间的关系
- DCT 与 COCT 一一对应
- CHCT 与 COCT 一对多（一个通道可谓多个设备控制器服务）
- SDT 整个系统只有 一张
3.2.1分配方法
设备分配的安全性指分配设备时防止发生死锁
设备分配时应考虑到的因素：1）设备固有属性；2）设备分配算法；3）设备分配时的安全性4）
设备独立性
设备的固有属性：1）独占性设备；2）共享性设备；3）可虚拟设备
设备分配算法：1）先来先服务；2）优先级高者有优先。
设备分配中的安全性：1）安全分配方式：放弃了“请求和保持”条件，因此也导致了CPU与IO串行工作
不安全分配方式：具备“请求和保持”条件，可能造成死锁，但也导致了一个进程可同时操作多个设备
4.1通道和通道程序
4.1.1通道
通道是通过执行通道程序，并与设备控制器共同实现对IO设备的控制的。由一系列通道指令（命令）构成。与一般机器指令不同，在他的每条指令中，都包含如下信息:
- 操作码 2. 内存地址 3. 技计数 4. 通道程序结束位 5. 记录结束标志
4.1.2通道程序
- 通道程序由一系列通道指令构成。
- 通道指令构成如下：
- 操作码：包括 读 写 控制 等操作
- 内存地址：操作数据的内存首址
- 计数：操作数据的字节数（与上一项 内存地址 相加，即可获得操作数据的内存范围）
- 通道程序结束位 P ：P = 1 表示本条指令是通道程序的最后一条指令
- 记录结束标志 R ：R = 0 表示本条指令和下一条指令处理的数据是同一条记录；R = 1 表示这是处理某条记录的最后一条指令
5.设备独立性及其实现方法
5.1.1设备独立性
---- 为了提高OS的可适应性和可扩展性，在现代OS中都毫无例外地实现了设备独立性（Device Independence），也称为设备无关性。
---- 其基本含义是：应用程序独立于具体使用的物理设备。为了实现设备独立性而引入了逻辑设备和物理设备这两个概念。
---- 在应用程序中，使用逻辑设备名称来请求使用某类设备；而系统在实际执行时，还必须使用物理设备名称。
具体含义：基本含义：应用程序独立于具体使用的物
好处：1）设备分配时的灵活性；2）易于实现IO重定向
5.2.1实现方法
- 逻辑设备表
在应用程序中使用逻辑设备名来请求使用某类设备，在系统中设置一张逻辑设备表（LUT），用于将逻辑设备名映射成物理设备名。表的表目中包含三项：逻辑设备名，物理设备名和设备驱动程序的入口地址
- 建立逻辑设备表的两种方式：
1）在整个系统中只设置一张LUT，适用于单用户系统
2）为每个用户设置一张LUT。
6.虚拟设备和SPOOLing技术
SPOOLing（假脱机）技术可以将一台物理IO设备虚拟为多台逻辑IO设备，允许多个用户共享一台物理IO设备。实质上是一种以空间换时间的技术
SPOOLing是对脱机输入、输出系统的模拟。必须建立在多道程序功能的基础上，而且还要此资料免费共享
有高速随机外存的支持，通常采用磁盘存储技术。
SPOOLing主要有三个组成部分：
- 输入井和输出井，在磁盘上开辟的两个大存储空间，输入井是模拟脱机输入的磁盘设备，用于暂存IO设备输出得数据，输出井是模拟脱机输出的设备，用于暂存用户程序的输出数据。
- 输入缓冲区和输出缓冲区，为缓和CPU和IO设备速度不匹配的矛盾，在内存中开辟两个缓冲区：输入和输出缓冲区，输入缓冲区用来暂存由输入设备送来的数据，以后在传送到输入井；输出缓冲区用于暂存从输出井送来的数据，以后在传送给输出设备。
- 输入进程和输出进程：利用这两个进程模拟脱机IO时的外围控制机。其中输入进程模拟脱机输入时的外围控制机，将用户要求的数据从输入机通过输入缓冲区在送到输入井，当CPU需要输入数据时，直接从输入井读到内存；输出进程模拟输出时的外围控制机，把用户要求输出的数据先从内存送到输出井，待输出设备空闲时，再将输出井中的数据经过输出缓冲区送到输出设备上。
优点：
1）提高了I/O的速度。
2）将独占设备改造为共享设备。
3）实现了虚拟设备功能。
7.缓冲管理
缓冲区
操作 | 所需时间 |
磁盘 → 缓冲区 | T |
缓冲区 → 用户区 | M |
CPU 处理 | C |
7.1.1单缓冲区
- 每块数据处理时间为
- max(C, T) + M
7.1.2双缓冲区
- 每块数据处理时间为
- max(C+M, T)
单缓冲机制不允许双方同时向对方发送数据，而双缓冲可以。
时间计算小结：能并行的放在 max 内取大的，再和只能串行的任务时间相加
7.1.3循环缓冲
包含多个大小相等的缓冲区，每个缓冲区中由一个链接指针指向下一个缓冲区，构成一个环形。
7.1.4缓冲池
在池中设置多个可供进程共享的缓冲区。
组成：1）空闲缓冲区（空缓冲队列；2）装满输入数据的缓冲区（输入缓冲队列）；3）装满输出数据的缓冲区（输出缓冲队列）。
8.设备处理与I/O软件
IO软件总体设计目标是高效率和通用性。
I/O软件应实现目标：
1）与具体设备无关；2）统一命名；3）对错误的处理；4）缓冲技术；5）设备分配和释放；6）IO控制方式
四个层次：
用户层软件、设备独立性软件、设备驱动程序、中断处理程序
9.设备分配
设备分配的目的是视设备为资源进行分配，也就牵扯到了分配的算法。详见处理机调度算法的先来先服务算法与优先级高有限服务算法
