第11天深入理解操作系统：探讨I/O设备管理原理论述
第十一章：设备管理
操作系统作为系统资源的管理者，其中提供的功能之一就是设备管理
1、I/O 设备概念
I/O 就是输入/输出（Input/Output），I/O 设备就是可以将数据输入到计算机，或者可以接收计算机输出数据的外部设备，属于计算机中的硬件部件。比如：
- 鼠标、键盘：输入型设备
- 显示器：输出型设备
- 移动硬盘：即可输入、又可输出的设备
在UNIX系统中，将外部设备抽象为一种特殊的文件，用户可以使用与文件操作相同的方式对外部设备进行操作。比如：
- Write操作：向外部设备写出数据
- Read操作：从外部设备读入数据
2、I/O 设备的分类
1、按使用特性分类
- 人机交互类外部设备：用于人机交互，数据传输速度慢，比如鼠标、键盘、打印机等
- 存储设备：用于数据存储，数据传输速度快，比如移动硬盘、光盘等
- 网络通信设备：用于网络通信，数据传输速度介于上述二者之间，比如调制解调器等
2、按传输速率分类
- 低速设备：传输速率为每秒几个到几百字节，比如鼠标、键盘等
- 中速设备：传输速率为每秒数千至上万个字节，比如激光打印机等
- 高速设备：传输速率为每秒数千字节至干兆字节的设备，比如磁盘等
3、按信息交换的单位分类
- 块设备： 数据传输的基本单位是块，传输速率较高，可寻址，即对它可随机地读/写任一块，比磁盘等
- 字符设备： 数据传输的基本单位是字符，传输速率较慢，不可寻址，在输入/输出时常采用中断驱动方式，比如鼠标、键盘等
3、I/O控制器(输入/输出硬件)
1、I/O设备的组成
I/O设备有以下两部分组成
- 机械部件：I/O设备的机械部件主要用来执行具体I/O操作。如我们看得见摸得着的鼠标/键盘的按钮；显示器的LED屏;移动硬盘的磁臂、磁盘盘面。
- 电子部件(I/O控制器、 设备控制器)：I/O设备的电子部件通常是一块插入主板扩充槽的印刷电路板。控制器是用于操作端口，总线或设备的一组电子器件。
2、I/O控制器
CPU无法直接控制I/O设备的机械部件，因此I/O设备设备还要有一个电子部件作为CPU和I/O设备机械部件之间的“中介”，用于实现CPU对设备的控制。
这个电子部件就是I/O控制器，又称设备控制器。CPU可控制I/O控制器，又由I/O控制器来控制设备的机械部件。
I/O控制器的功能：
- 接受和识别CPU发出的命令：如CPU发来的read/write命令，I/O控制器中会有相应的控制寄存器来存放命令和参数
- 向CPU报告设备的状态：I/O控制器中会有相应的状态寄存器，用于记录I/O设备的当前状态。如:1表示空闲，0表示忙碌
- 数据交换：I/O控制器中会设置相应的数据寄存器。输出时，数据寄存器用于暂存CPU发来的数据，之后再由控制器传送设备【通过I/O逻辑】。输入时，数据寄存器用于暂存设备发来的数据，之后CPU从数据寄存器中取走数据。
- 地址识别：类似于内存的地址，为了区分设备控制器中的各个寄存器，也需要给各个寄存器设置一个特定的“地址”。I/O控制器通过CPU提供的“地址”来判断CPU要读/写的是哪个寄存器
3、I/O控制器的组成
现代计算机系统使用的设备控制器通常有4种寄存器，它们分别是状态、控制、数据输入、数据输出寄存器，简介如下。
- 状态寄存器。状态寄存器包含些主机可以读取的、 指示各种状态的位信息 ，如当前任务是否完成，数据寄存器中是否有数据可以读取，是否出现设备故障等。
- 控制寄存器。主机通过控制寄存器向设备发送命令或改变设备状态。例如，串口控制器中的一位选择全工通信或单工通信，另一位控制是否进行奇偶校验，第三位设置字长为7位或8位，其他位选择串口通信所支持的速度。
- 数据输人寄存器。数据输人寄存器用于存放数据以被主机读取。
- 数据输出寄存器。主机向数据输出寄 存器写人数据以便发送。
数据寄存器通常为1~4个字节。有的控制器有FIFO芯片，可以保留多个输入或输出数据以扩展控制器的能力，FIFO芯片还可以保留少量的突发数据直到设备或主机米接收此数据。
值得注意的小细节:
- 一个I/O控制器可能会对应多个设备;
- 数据寄存器、控制寄存器、状态寄存器可能有多个(如：每个控制/状态寄存器对应一个具体的设备)，且这些寄存器都要有相应的地址，才能方便CPU操作。有的计算机会让这些寄存器占用内存地址的一部分，称为内存映像I/O；另一些计算机则采用I/O专用地址，即寄存器独立编址。
4、I/O控制器的两种寄存器编址方式
内存映像 Vs 独立编址
4、I/O控制方式(输入/输出控制)
I/O控制方式： 即操作系统用什么样的方式来控制I/O设备的数据读、写
可以分为：
- 程序直接控制方式
- 中断驱动方式
- DMA方式
- 通道控制方式
需要注意的问题：
- 完成一次读、写操作的流程
- CPU干预的频率
- 数据传送的单位
- 主要优缺点
4.1、程序直接控制方式
key word : 轮询
1、程序直接控制方式下，完成一次读/写操作的流程
2、CPU干预的频率
很频繁，I/O操作开始之前、完成之后需要CPU介入，并且，在等待I/O完成的过程中CPU需要不断地轮询检查。
3、数据传送的单位：每次读/写一个字
4、数据的流向
- 读操作(数据输入)：I/O设备→CPU【指的是CPU的寄存器】→内存
- 写操作(数据输出)：内存→CPU→I/O设备
- 每个字的读/写都需要CPU的帮助
5、主要缺点和主要优点
- 优点：实现简单。在读/写指令之后，加上实现循环检查的一系列指令即可(因此才称为“程序直接控制方式”)
- 缺点: CPU和I/O设备只能串行工作，CPU需要一直轮询检查， 长期处于“忙等”状态，CPU利用率低。
4.2、中断驱动方式
由于程序直接控制方式CPU利用率低，忙等，所以提出了中断驱动方式。
引入中断机制。由于I/O设备速度很慢，因此在CPU发出读/写命令后，可将等待I/O的进程阻塞，先切换到别的进程执行。当I/O 完成后，控制器会向CPU发出一个中断信号，CPU检测到中断信号后，会保存当前进程的运行环境信息，转去执行中断处理程序 处理该中断。处理中断的过程中，CPU从I/O控制器读一个字的数据传送到CPU寄存器，再写入主存。接着，CPU恢复等待I/O的进 程(或其他进程)的运行环境，然后继续执行。
完成一次读/写操作的流程(见下图，Key word:中断)
注意:
- CPU会在每个指令周期的末尾检查中断;
- 中断处理过程中需要保存、恢复进程的运行环境，这个过程是需要一定时间开销的。 可见，如果中断发生的频率太高，也会降低系统性能。
2. CPU干预的频率
- 每次I/O操作开始之前、完成之后需要CPU介入。
- 等待I/O完成的过程中CPU可以切换到别的进程执行。
3.数据传送的单位：每次读/写一个字
4.数据的流向
- 读操作(数据输入)：I/O设备→CPU→内存
- 写操作(数据输出)：内存→CPU→IO设备
5.主要缺点和主要优点
- 优点： 与“程序直接控制方式”相比，在“中断驱动方式”中，I/O控制器会通过中断信号主动报告I/O已完成，CPU不再需要不停地轮询。CPU和I/O设备可并行工作，CPU利用率得到明显提升。
- 缺点： 每个字在I/O设备与内存之间的传输，都需要经过CPU。而频繁的中断处理会消耗较多的CPU时间。
4.3、DMA方式
虽然中断驱动方式解决了程序直接控制方式的问题，但是每一次只能读/写一个字，导致CPU频繁切换，耗费了很多时间。于是人们又发明了DMA方式。
与“中断驱动方式”相比，DMA方式( Direct Memory Access，直接存储器存取。主要用于块设备的I/O控制)有这样几个改进:
- 数据的传送单位是“块”。不再是一个字、一个字的传送;
- 数据的流向是从设备直接放入内存，或者从内存直接到设备。不再需要CPU作为“快递小哥”。
- 仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时，才需要CPU干预。
DMA控制器：
- DR (Data Register,数据寄存器)：暂存从设备到内存，或从内存到设备的数据。
- MAR ( Memory Address Register，内存地址寄存器)：在输入时，MAR表示数据应放到内存中的什么位置;输出时MAR表示要输出的数据放在内存中的什么位置。
- DC ( Data Counter,数据计数器)：表示剩余要读/写的字节数。
- CR (Command Register，命令/状态寄存器)：用于存放CPU发来的I/O命令，或设备的状态信息。
1.完成一次读/写操作的流程(见下图)
2. CPU干预的频率： 仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时，才需要CPU千预。
3. 数据传送的单位： 每次读/写一个或多个块(注意:每次读写的只能是连续的多个块,且这些块读入内存后在内存中也必须是连续的)
4. 数据的流向(不再需要经过CPU)
1. 读操作(数据输入)：I/O设备→内存
2. 写操作(数据输出)：内存->I/O设备
5. 主要缺点和主要优点
1. 优点： 数据传输以“块”为单位，CPU介入频率进-一步降低。 数据的传输不再需要先经过CPU再写入内存，数据传输效率进一步增加。CPU和I/O设备的并行性得到提升。
2. 缺点: CPU每发出一条I/O指令，只能读/写一个或多个连续的数据块。如果要读/写多个离散存储的数据块，或者要将数据分别写到不同的内存区域时，CPU要分别发出多条I/O指令，进行多次中断处理才能完成。
4.4、通道控制方式
通道控制方式是为了解决DMA方式连续存储的问题
通道: 一种硬件，可以理解为是“弱鸡版的CPU”(与CPU相比，通道可以执行的指令很单一，并且通道程序是放在主机内存中的，也就是说通道与CPU共享内存)。通道可以识别并执行一系列通道指令，cpu告诉通道我已经把你要执行的任务放在了内存，你去取一下，然后照着这个任务清单去做，做完了给我发个信息
1.完成一次读/写操作的流程(见右图)
2. CPU干预的频率： 极低，通道会根据CPU的指示执行相应的通道程序，只有完成一组数据块的读/写后才需要发出中断信号，请求CPU干预。
3. 数据传送的单位： 每次读/写一组数据块
4. 数据的流向( 在通道的控制下进行)
1. 读操作(数据输入)：I/O设备→内存
2. 写操作(数据输出)：内存→I/O设备
5. 主要缺点和主要优点
- 缺点：实现复杂，需要专门的通道硬件支持
- 优点： CPU、通道、I/O设备可并行工作，资源利用率很高。
4.5、四种方式总结
5、I/O软件的层次结构
1、I/O软件层次结构
2、用户层软件
3、设备独立性软件
3.1、六大功能
设备独立性软件，又称设备无关性软件。与设备的硬件特性无关的功能几乎都在这一层实现。
主要实现的功能:
- 向上层提供统一的调用接口( 如read/write系统调用)
- 设备的保护：原理类似与文件保护。设备被看做是一种特殊的文件，不同用户对各个文件的访问权限是不一样的，同理，对设备的访问权限也不一样。
- 差错处理：设备独立性软件需要对一些设备的错误进行处理
- 设备的分配与回收
- 数据缓冲区管理 可以通过缓冲技术屏蔽设备之间数据交换单位大小和传输速度的差异
- 建立逻辑设备名到物理设备名的映射关系;根据设备类型选择调用相应的驱动程序
用户或用户层软件发出I/O操作相关系统调用的系统调用时，需要指明此次要操作的I/O设备的逻辑设备名(eg:去学校打印店打印时，需要选择打印机1/打印机2/打印机3，其实这些都是逻辑设备名)。设备独立性软件需要通过“逻辑设备表(LUT, Logical Unit Table)”来确定逻辑设备对应的物理设备，并找到该设备对应的设备驱动程序
3.2、逻辑设备表—LUT
操作系统系统可以采用两种方式管理逻辑设备表(LUT) :
- 第一种方式，整个系统只设置一张LUT，这就意味着所有用户不能使用相同的逻辑设备名，因此这种方式只适用于单用户操作系统。
- 第二种方式，为每个用户设置一张LUT，各个用户使用的逻辑设备名可以重复，适用于多用户操作系统。系统会在用户登录时为其建立一个用户管理进程，而LUT就存放在用户管理进程的PCB中。...
3.3、为什么不同的设备需要不同的驱动程序呢？
各式各样的设备，外形不同，其内部的电子部件(I/O控制器)也有可能不同
举几个假设的例子：
不同设备的内部硬件特性也不同，这些特性只有厂家才知道，因此厂家须提供与设备相对应的驱动程序，CPU执行驱动程序的指令序列，来完成设置设备寄存器，检查设备状态等工作
4、设备驱动程序
注：驱动程序一般会以一个独立进程的方式存在。
5、中断处理程序
如1所示，用户通过调用用户层软件提供的库函数发出的I/O请求
- 用户层软件通过“系统调用”请求设备独立性软件层的服务
- 设备独立性软件层根据LUT调用设备对应的驱动程序
- 驱动程序向I/O控制器发出具体命令
- 等待I/O完成的进程应该被阻塞，因此需要进程切换，而进程切换必然需要中断处理
当I/O任务完成时，I/O控制器会发送一个中断信号，系统会根据中断信号类型找到相应的中断处理程序并执行。中断处理程序的处理流程如下:
5、总结回顾
理解并记住I/O软件各个层次之间的顺序，要能够推理判断某个处理应该是在哪个层次完成的(最常考的是设备独立性软件、设备驱动程序这两层。只需理解一个特点即可：直接涉及到硬件具体细节、且与中断无关的操作肯定是在设备驱动程序层完成的；没有涉及硬件的、对各种设备都需要进行的管理工作都是在设备独立性软件层完成的)
6、I/O核心子系统以及功能
1、假脱机技术
注：假脱机技术(SPOOLing 技术)需要请求“磁盘设备”的设备独立性软件的服务，因此一般来说假脱机技术是在用户层软件实现的。但是408大纲又将假脱机技术归为"I/O核心子系统"的功能，因此考试时还是以大纲为准。
2、I/O调度
I/O调度：用某种算法确定一个好的顺序来处理各个I/O请求。
如：磁盘调度(先来先服务算法、最短寻道优先算法、SCAN算法、C-SCAN算法、LOOK算法、C-LOOK算法)。当多个磁盘I/O请求到来时，用某种调度算法确定满足I/O请求的顺序。同理，打印机等设备也可以用先来先服务算法、优先级算法、短作业优先等算法来确定I/O调度顺序。
3、设备保护
操作系统需要实现文件保护功能，不同的用户对各个文件有不同的访问权限(如:只读、读和写等)。
在UNIX系统中，设备被看做是一种特殊的文件，每个设备也会有对应的FCB。当用户请求访问某个设备时，系统根据FCB中记录的信息来判断该用户是否有相应的访问权限，以此实现“设备保护”的功能。(参考“文件保护”小节)
7、Spool假脱机技术
0、思维导图
1、什么是脱机技术？
这里温习一下手工操作阶段：主机直接从I/O设备获得数据，由于设备速度慢，主机速度很快。人机速度矛盾明显，主机要浪费很多时间来等待设备，因为手工阶段的速度慢问题，引入了脱机技术：
2、假脱机技术
在脱机技术的基础上人们发明了更好的假脱机技术，“假脱机技术”，又称“SPOOLing技术”，是用软件的方式模拟脱机技术。SPOOLing 系统的组成如下：
输入井和输出井
输入进程与输出进程
输入输出缓冲区
共享打印机原理分析——假脱机技术的一种应用
先了解一下独占和共享设备，以此引出假脱机技术如何实现对独占设备的共享：
- 独占式设备--只允许各个进程串行使用的设备。一段时间内只能满足一个进程的请求。
- 共享设备--允许多个进程“同时”使用的设备(宏观上同时使用，微观上可能是交替使用)。可以同时满足多个进程的使用请求。
打印机是种“独占式设备”，但是可以用SPOOLing技术改造成“共享设备”。独占式设备的例子：若进程1正在使用打印机，则进程2请求使用打印机时必然阻塞等待
当多个用户进程提出输出打印的请求时，系统会答应它们的请求，但是并不是真正把打印机分配给他们，而是由假脱机管理进程为每个进程做两件事:
-
在磁盘输出井中为进程申请一个空闲缓冲区(也就是说，这个缓冲区是在磁盘上的)，并将要打印的数据送入其中;
-
为用户进程申请一张空白的打印请求表，并将用户的打印请求填入表中(其实就是用来说明用户的打印数据存放位置等信息的)，再将该表挂到假脱机文件队列上。当打印机空闲时，输出进程会从文件队列的队头取出一张打印请求表，并根据表中的要求将要打印的数据从输出井传送到输出缓冲区，再输出到打印机进行打印。 用这种方式可依次处理完全部的打印任务
-
打印请求完成后，请求表从打印队列删除，执行后续队列的打印任务
虽然系统中只有一个台打印机，但每个进程提出打印请求时，系统都会为在输出井中为其分配一个存储区(相当于分配了一个逻辑设备)，使每个用户进程都觉得自己在独占一台打印机，从而实现对打印机的共享。SPOOLing技术可以把一台物理设备虚拟成逻辑上的多台设备，可将独占式设备改造成共享设备。
8、I/O设备的分配与回收
0、思维导图和概述
在多用户多进程系统中，由于用户和进程的数量多于设备数，因而必然会引起对设备资源的争夺，确定适合设备特性且能满足用户需要的设备分配方式和设备分配策略是十分重要的。根据设备特性的不同，设备分配有静态分配和动态分配两种方式。设备分配常用的分配算法有先请求先服务和优先级最高者优先这两种分配算法。
1、设备分配时应该考虑的因素
设备的固有属性
设备的固有属性可分为三种:独占设备、共享设备、虚拟设备。
- 独占设备--一个时段只能分配给-一个进程(如打印机)
- 共享设备--可同时分配给多个进程使用( 如磁盘)，各进程往往是宏观上同时共享使用设备, 而微观上交替使用。
- 虚拟设备---采用SPOOLing技术将独占设备改造成虚拟的共享设备，可同时分配给多个进程使用(如采用SPOOLing技术实现的共享打印机)
设备分配算法
- 先来先服务
- 优先级高者优先
- 短任务优先
- .......
设备分配中的安全性
从进程运行的安全性上考虑，设备分配有两种方式:
-
安全分配方式: 为进程分配一个设备后就将进程阻塞，本次I/O完成后将进程唤醒。(eg: 考虑进程请求打印机打印输出的例子)
- 一个时段内每个进程只能使用一个设备
- 优点：破坏了“请求和保持”条件，不会死锁
- 缺点：对于一个进程来说，CPU和I/O设备只能串行工作
- 一个时段内每个进程只能使用一个设备
-
不安全分配方式： 进程发出I/O请求后，系统为其分配I/O设备，进程可继续执行，之后还可以发出新的I/O请求。只有某个I/O请求得不到满足时才将进程阻塞。
- 一个进程可以同时使用多个设备
- 优点：进程的计算任务和I/O任务可以并行处理，使进程迅速推进
- 缺点：有可能发生死锁(死锁避免、死锁的检测和解除)
- 一个进程可以同时使用多个设备
2、静态分配与动态分配
静态分配： 进程运行前为其分配全部所需资源，运行结束后归还资源破坏了“请求和保持”条件，不会发生死锁
动态分配： 进程运行过程中动态申请设备资源
设备分配时应考虑设备的属性，有的设备仅适于一个应用程序独占，有的设备可方便地为多进程所共享。从设备分配的角度看，外部设备可以分为独占设备和共享设备两类：
- 对独占设备一般采用静态分配，一旦分配给一个应用程序，由其独占使用;
- 而共享设备则采用动态分配方法，并在进程一级实施，进程在运行过程中，需要使用某台设备进行I/O传输时向系统提出要求，系统根据设备情况和分配策略实施分配，一旦I/O传输完成，就释放该设备，这样使一台设备可以为多个进程服务，从而提高设备的利用率。
3、设备分配管理中的数据结构
设备、控制器、通道之间的关系：一个通道可控制多个设备控制器，每个设备控制器可控制多个设备。
设备控制表—DCT：系统为每个设备配置一张DCT，用于记录设备情况，注:“进程管理”章节中曾经提到过“系统会根据阻塞原因不同，将进程PCB挂到不同的阻塞队列中”
控制器控制表—COCT：每个设备控制器都会对应一张COCT。 操作系统根据COCT的信息对控制器进行操作和管理。
通道控制表—CHCT：每个通道都会对应一张CHCT。操作系统根据CHCT的信息对通道进行操作和管理。
系统设备表—SDT：记录了系统中全部设备的情况，每个设备对应-一个表目。
4、设备分配的步骤
- 根据进程请求的物理设备名查找SDT (注:物理设备名是进程请求分配设备时提供的参数)
- 根据SDT找到DCT，若设备忙碌则将进程PCB挂到设备等待队列中，不忙碌则将设备分配给进程。
- 根据DCT找到COCT，若控制器忙碌则将进程PCB挂到控制器等待队列中，不忙碌则将控制器分配给进程。
- 根据COCT找到CHCT，若通道忙碌则将进程PCB挂到通道等待队列中，不忙碌则将通道分配给进程。
注：只有设备、控制器、通道三者都分配成功时，这次设备分配才算成功，之后便可启动I/O设备进行数据传送
设备分配的改进步骤：
缺点:
- 用户编程时必须使用“物理设备名”，底层细节对用户不透明，不方便编程
- 若换了一个物理设备，则程序无法运行
- 若进程请求的物理设备正在忙碌，则即使系统中还有同类型的设备，进程也必须阻塞等待
改进方法： 建立逻辑设备名与物理设备名的映射机制，用户编程时只需提供逻辑设备名
- ①根据进程请求的逻辑设备名查找SDT (注:用户编程时提供的逻辑设备名其实就是“设备类型”)
- ②查找SDT,找到用户进程指定类型的、并且空闲的设备，将其分配给该进程。操作系统在逻辑设备表(LUT)中新增一个表项。
- ③根据DCT找到COCT,若控制器忙碌则将进程PCB挂到控制器等待队列中，不忙碌则将控制器分配给进程。
- ④根据COCT找到CHCT，若通道忙碌则将进程PCB挂到通道等待队列中，不忙碌则将通道分配给进程
逻辑设备表(LUT) 建立了逻辑设备名与物理设备名之间的映射关系。某用户进程第一次使用设备时使用逻辑设备名向操作系统发出请求，操作系统根据用户进程指定的设备类型(逻辑设备名)查找系统设备表，找到一个空闲设备分配给进程，并在LUT中增加相应表项。如果之后用户进程再次通过相同的逻辑设备名请求使用设备,则操作系统通过LUT表即可知道用户进程实际要使用的是哪个物理设备了，并且也能知道该设备的驱动程序入口地址。
逻辑设备表的设置问题:
- 整个系统只有一张LUT：各用户所用的逻辑设备名不允许重复，适用于单用户操作系统
- 每个用户一张LUT：不同用户的逻辑设备名可重复，适用于多用户操作系统