操作系统 第五章 IO管理 完结撒花

文章目录

• 第五章 IO管理
• • 00-IO设备的概念和分类
  • • 概念’
  • 01-IO控制器
  • 02-IO控制方式
  • • 2.1 程序直接控制方式
    • 2.2 中断驱动方式
    • 2.3DMA方式 ——直接存储器存取
    • 2.4通道控制方式
  • 03-IO软件层次结构
  • 04-核心子系统
  • 05-假脱机技术
  • 06-设备的分配与回收
  • • 设配分配考虑的因素
    • 静态分配和动态分配
    • 设备分配管理当中的数据结构
  • 设备分配的具体步骤
  • 07-缓冲区管理
  • • 缓冲区的作用(为什么要引入)
    • 单缓冲
    • 双缓冲
    • 循环缓冲区
    • 缓冲池

第五章 IO管理

00-IO设备的概念和分类

概念’

IO设备

UNIX系统把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

Write操作：向外部设备写出数据

Read操作：从外部设备读入数据

分类

1. 人机交互类

2. 存储设备

3. 网络通信

4. 块设备（磁盘块、内存块）——速率高，可寻址

5. 字符设备（鼠标、键盘，）——不可寻址，常采用中断驱动方式

01-IO控制器

• 机械部件

  • 执行具体的物理操作

• 电子部件（IO控制器或者叫设备控制器）

  • 通常是主办扩充槽的印刷电路板

  • 功能

    • 是CPU和机械部件的中介
    • 接收和识别CPU发出的命令——有相应的控制寄存器来存储CPU发出的命令和参数
    • 向CPU报告设备的状态————状态寄存器
    • 数据交换——————————数据寄存器：CPU和物理设备之间的数据缓冲
    • 地址识别——————————为了区分设备控制器的各个寄存器，需要给各个寄存器设置一个特定的“地址”。IO控制器通过CPU提供的地址来判断要做什么事

• IO控制器的组成

  • CPU与控制器的接口——各种需要的寄存器

  • I / O逻辑

    ? 对设备发出命令

  • 控制器与设备的接口

    ?

• CPU用控制线和地址线让IO逻辑给出指令，同时CPU给各个**寄存器（在IO控制器的与CPU接口的部分）**基于数据，IO逻辑返回给状态寄存器状态

• blablabla

• 注意：

• io控制器连接着多个设备

• 各种寄存器可能有多个

  • 所以要针对状态寄存器编址
    • 内存映像IO
      • 顺着内存的地址继续往下编址
      • 优点：简化了指令，直接当是在操作内存
    • 寄存器独立编址
      • 寄存器自己有从0开始的寄存器

02-IO控制方式

• 复习点：
  • 1. 完成一次读写操作的流程
    2. CPU干预的频率
    3. 数据传送的单位
    4. 数据的流向
    5. 主要缺点和主要优点

2.1 程序直接控制方式

1. 完成一次读写操作的流程（轮询）

2. CPU干预频率很频繁

3. 数据传送的单位——每次一个字

4. 数据的流向——

   读操作——IO设备-CPU-内存

   写操作——内存-CPU-IO设备

5. 优缺点：实现简单但是串行工作效率奇低

2.2 中断驱动方式

当CPU发出读写命令后，让等待IO进程的阻塞，CPU检测到中断信号之后，会保存当前进程的运行环境信息，去处理中断程序处理这个IO的事

1. 完成一次读写操作的流程

2. CPU干预的频率

   1. 低很多

3. 数据传送的单位

   1. 还是一个字

4. 数据的流向

   1. 同上

5. 主要缺点和主要优点

   相对程序直接控制方式CPU不用轮询了

   每个字和IO设备之间传输都要CPU停一下当前做的事，中断这个事需要保存和恢复当前运行进程的环境信息，时间开销大

2.3DMA方式 ——直接存储器存取

相对于中断驱动方式，用于块设备的IO有这样几个改进

1. 数据传送单位是块（磁盘块，内存块）

2. 数据直接在设备和内存之间流动

3. 仅在传输一组数据的开始和结束时才需要CPU干预

4. 数据的流向

   1. IO和内存（没有CPU）

5. 优缺点：

   1. 减少了CPU的介入，
   2. 但是没办法让CPU读写多个离散存储的数据块，还是会多次中断

2.4通道控制方式

弱鸡版的CPU

1. 流程

   1. CPU给通道发指令
   2. 通道执行内存中的通道程序
   3. 执行完向CPU发中断信号CPU进行后续处理（完成IO后需要做的事）

2. CPU干预的频率极低

3. 数据传送的单位

   1. 一组数据块（可以是离散的）

4. 数据的流向

   1. 内存和设备之间

5.优缺点

? 缺点：实现复杂，需要专门的通道硬件支持

优点：CPU、通道、IO设备可并行工作，资源利用率很高

03-IO软件层次结构

04-核心子系统

重点功能：

【IO调度】

用算法确定好的顺序处理各个请求

【设备保护】

设备有相应的FCB，也有访问权限控制

【假脱机技术】

【SPOOLing技术】

【设备分配与回收】

【缓冲区管理】

05-假脱机技术

SPOOLing技术，用软件的而方式模拟脱机技术

Spooling

• spooling系统的组成
  • 输入井和输出井——模拟脱机输入输出时的磁带
  • 输入进程和输出进程——模拟脱机输入输出的外围机
  • 输入缓冲区和输出缓冲区——内存中的缓冲区
• spooling如何共享打印机
  • 1. 磁盘输出井中为进程申请空闲缓冲区、把数据放在缓冲区里面
    2. 给用户进程申请一个打印请求表，把打印请求表填入表中，再把这个表挂到假脱机文件队列上
    3. 输出进程根据假脱机文件队列取一个请求表，进行输出

06-设备的分配与回收

设配分配考虑的因素

1. 设备的固有属性：独占设备、共享设备、虚拟设备

   1. 独占设备——一个时段只能分享给一个进程
   2. 共享设备——宏观共享微观交替
   3. 虚拟设备——采用SPOOLing技术将独占设备改造成虚拟的共享设备，可分配给多个进程使用

2. 设备分配算法

   1. 先来先服务
   2. 优先级高者优先
   3. 短任务优先

3. 设备安全分配方式

   1. 安全分配方式：为进程分配一个设备后就将进程阻塞，完成IO之后才将进程唤醒（串行的优缺点）
   2. 不安全分配方式：只有当某个io请求得不到满足的时候阻塞（并行的优缺点）

静态分配和动态分配

1. 静态分配

   1. 进程运行之前就给他分配所需的全部的资源

2. 进程运行过程中动态的申请设备资源

设备分配管理当中的数据结构

一个通道可以控制多个设备控制器，每个设备控制器可以控制多个设备

系统会给每一个设备配备一个设备控制表DCT，用于记录设备情况

• DCT
  • 设备类型
  • 设备（唯一）标识符
  • 设备状态
  • 指向控制器表的指针
  • 重复执行次数或时间（用于记录失败了几次，足够数量才认为这次io失败）
  • 设备队列的对手指针（正在等待该设备的进程队列（由进程PCB组成队列））

每个设备控制器都有一张控制器控制表COCT。操作系统根据COCT的信息对控制器进行操作和管理

• COCT
  • 控制器（唯一）标识符
  • 控制器状态
  • 指向通道表的指针
  • 控制器队列的队首指针（指向了正在等待这个设备控制器的进程）
  • 控制器队列的队尾指针（指向了正在等待这个设备控制器的进程）

**通道控制表CHCT：**每个通道都对应一张CHCT。

• CHCT
  • 通道标识符
  • 通道状态
  • 与同道链接的控制器表首地址
  • 通道队列的队首指针（指向等待通道的进程的等待队列）
  • 通道队列的队尾指针（指向等待通道的进程的等待队列）

**系统设备表SDT：**记录了系统中全部设备的情况（用户用设备名请求的时候，系统从这里找）

• SDT
  • 每一个设备对应一个表目
    • 【设备类型】【设备标识符】【DCT设备控制表】【驱动程序入口】

设备分配的具体步骤

• 1. 根据进程请求的物理设备名查找SDT（物理设备名是进程请求分配设备时提供的参数）
  2. 根据SDT找DCT（操作系统在逻辑设备表LUT中新增一个表项）
  3. 根据DCT找COCT
  4. 根据COCT找CHCT

缺点：

1. 用户变成需要用【物理设备名】，用户不方便变成
2. 换个设备就运行不了
3. 进程请求的物理设备正在忙，即使系统中还有同类型的设备，进程也必须等待

改进方法

? 建立逻辑设备与物理设备名的映射机制，用户编程只用提供逻辑设备名

? 第一步更改成根据进程请求的逻辑设备名查找

两种逻辑设备表设置方式：

1. 整个系统只有一张LUT：各个用户使用的逻辑设备不允许重复，，适合单用户操作系统
2. 每个用户一张LUT：不同用户逻辑设备名可重复，适合多用户操作系统

07-缓冲区管理

缓冲区的作用(为什么要引入)

1. 缓和CPU和IO设备速度不匹配
2. 减少CPU的中断频率，
3. 解决数据粒度不匹配的问题
4. 提高COU和IO设备的并行性

单缓冲

假设某用户进程请求某种块设备读入若干的数据。

操作系统会在主存中为其分配一个缓冲区（默认是一个块）

缓冲区数据非空时，不能往缓冲区冲入数据，只能把缓冲区数据传出，才可以。且必须缓冲区满了才可以传出数据

求平均处理一个块要多久

假设初始状态为工作区满，缓冲区空，

• 计算时间就是
• 每次缓冲区给工作区数据的时间，CPU处理和块设备缓冲都不能工作，所以是个单独的时间
• 当缓冲区把数据都给工作区了之后，CPU处理和块设备缓冲一起开始工作，无论这两个哪个先完成都不能进行下一次缓冲传送，
• 所以一次的时间就是缓冲区把数据给工作区的时间加上CPU处理和块设备缓冲中时间更长的哪个

双缓冲

假设某用户进程请求某种块设备读入若干的数据。

操作系统会在主存中为其分配两个个缓冲区（默认是两个块）

循环缓冲区

多个大小相等的缓冲区连接成一个循环队列

in指针指向下一个可以冲入数据的空缓冲区

out指针指向下一个可以取出数据的满缓冲区

缓冲池

缓冲池由系统的共用的缓冲区组成

• 根据使用状况分为：

  • 空缓冲队列
  • 装满输入数据的缓冲队列
  • 装满输出数据的缓冲队列

• 根据功能分为：

  • 收容输入的工作缓冲区
  • 提取输出的工作缓冲区
  • 提取输入的工作缓冲区
  • 收容输出的工作缓冲区

• 四种操作：

  • 输入进程请求输入数据
    • 1. 【空缓冲队列】队头取下一块空缓冲区作为【收容输入的工作缓冲区】，
      2. 等上面 的【收容输入的工作缓冲区】充满了之后把它挂到【输入队列】的队尾上
  • 计算进程想要取得一块输入数据
    • 1. 【输入队列】的队头取下一块缓冲区把它作为【提取输入的工作缓冲区】
      2. 等上面【提取输入的工作缓冲区】被取空了之后就把他挂到【空缓冲队列】的队尾上
  • 计算进程想要将准备好的数据冲入缓冲区
    • 1. 从【空缓冲队列】队头取下一块作为【收容输出数据的工作缓冲区】
      2. 等上面的【收容输出数据的工作缓冲区】充满后再挂到【输出队列】的队尾
  • 输出进程请求输出数据
    • 1. 从【输出队列】队头取下一块作为【提取输出数据的工作缓冲区】
      2. 等上面的【提取输出数据的工作缓冲区】释放没了，再把它挂到【空缓冲队列队尾上】

来源：哈希瓜