操作系统第六章设备管理

1. I/O系统的基本功能及模型

1)主要功能：
隐藏物理设备细节，方便用户
用户使用抽象的I/O命令即可
实现设备无关性，方便用户
用户可用抽象的逻辑设备名来使用设备，同时也提高了OS的可移植性和易适应性。
提高处理机和设备的并行性，提高利用率：缓冲区管理
对I/O设备进行控制：控制方式、设备分配、设备处理
确保对设备正确共享：虚拟设备及设备性等
错误处理
2)I/O/系统的层次结构和模型
层次结构：系统中的设备管理模块分为若干个层次
层间操作：下层为上层提供服务，完成输入输出功能中的某些子功能，并屏蔽功能实现的细节。

I/O系统的组成

包括：
需要用于输入、输出和存储信息的设备；
需要相应的设备控制器；
控制器与CPU连接的高速总线；
有的大中型计算机系统，配置I/O通道；
1）I/O设备的类型
I/O设备的类型繁多，从OS的观点，按其重要的性能指标进行分类如下：
按传输速率分类：
低速、中速、高速（键盘、打印机、磁盘）
使用：存储设备、输入输出设备
按信息交换的单位分类：
块设备：有结构、速率高、可寻址、DMA方式控制
字符设备：无结构、速率低、不可寻址、中断方式控制
2）设备控制器
设备并不直接与CPU通信
计算机中的一个实体——“设备控制器”负责控制一个或多个I/O设备，以实现I/O设备和计算机之间的数据交换。
控制器是CPU与I/O设备之间的接口，作为中间人接收从CPU发来的命令，并去控制I/O设备工作，以使处理机脱离繁杂的设备控制事务。
3）I/O通道
①I/O通道设备的引入
设备控制器已大大减少CPU对I/O的干预
（如承担了选择设备，数据转换、缓冲等功能）
但当主机的外设很多时，CPU的负担仍然很重。
在CPU和设备控制器之间增设一个硬件机构：“通道”
设置通道后
CPU只需向通道发送一条I/O指令即可不再干预后续操作。
通道形成通道程序，执行I/O操作，完成后向CPU发中断信号。

主要目的：

设备驱动程序

与设备无关的I/O软件

~~
设备性的基本含义：
指应用程序中所使用的设备，不局限于使用某个具体的物理设备，也称为设备无关性。
为了实现设备性，在设备驱动程序之上设置一层软件，称为与设备无关的I/O软件，或设备性软件。
设备无关的软件是I/O系统最高层软件，但它和其下的设备驱动程序之间的界限，将随操作系统和设备的不同而有所差异。
设备分配
多道环境下，系统中设备是所有进程共享的。要防止无序竞争，提高外设资源的利用率。需由OS进行统一、合理的设备分配。
1）数据结构
2）设备分配需考虑的因素
3）设备的分配过程
1）设备分配中的数据结构
记录相应设备或控制器的状态，及对设备或控制器进行控制所需的信息。所需数据结构：
设备控制表
控制器控制表
通道控制表
系统设备（总）表
2）设备分配需考虑的因素
设备固有属性：独占、共享、独占但可虚拟。根据属性采取互斥、次序调度、虚拟等不同分配策略。
设备分配算法（对不同进程的设备请求序列，如何进行选择），常采用两种：
FCFS
优先级高者优先
设备分配的安全性：进程开始I/O后就阻塞直到I/O完成。不“请求和保持”（安全的）；允许连续I/O请求，是不安全的，此类分配方式需进行安全性检查。
设备性
用户IO请求中使用逻辑名申请某类设备，实际物理名称是系统根据设备类型分析分配后才确定的。
3）独占设备的分配过程
1.基本分配步骤（一个有通道的例子）：
分配设备：
根据请求设备名，查找SDT，找到DCT；
状态、安全性等因素都可能导致本申请进程阻塞，挂入DCT等待队列中。
2.分配控制器
通过1步分配设备后，从DCT找到COCT；
检查COCT状态字，若忙碌，进程PCB挂到其等待队列
3.分配通道
COCT找到CHCT
判断状态，…
当上述三步都通过后，才可启动设备进行数据传输
设备分配程序的改进细节
1.增加设备的性
进程使用逻辑设备名提出I/O请求。
系统从SDT中依次找下去，直到找到一个该类设备中空闲可用的进行分配。
2.考虑多通路情况
控制器、通道也是反复查找，直到找到一条通路。