设备管理 - 软考备战（十九）
操作系统（四）
参考资料：
计算机操作系统学习笔记（四）：设备管理 — I/O 管理 - 知乎
设备管理（设备管理概念、设备驱动程序）-腾讯云开发者社区-腾讯云
操作系统（15）-----I/O设备管理(万字总结~)(1)-阿里云开发者社区
目录
3.4 设备管理
3.4.1 设备管理概述
1. I/O设备的分类
按传输速率分类
低速设备：键盘、鼠标。
中速设备：打印机。
高速设备：磁盘、磁带。
按信息交换单位分类
块设备：以数据块为单位传输，可寻址，如磁盘（传输速率高，随机访问）。
字符设备：以字符为单位传输，不可寻址，如键盘、打印机（传输速率低，常采用中断方式）。
按共享属性分类
独占设备：一段时间内只允许一个进程访问（如打印机）。
共享设备：一段时间内允许多个进程交替访问（如磁盘）。
虚拟设备：通过SPOOLing技术将独占设备变为逻辑上的共享设备。
2. I/O软件层次结构
用户层软件
产生I/O请求，解析用户命令（如C语言的printf库函数）。
设备独立性软件（逻辑I/O）
实现“设备独立性”，将逻辑设备名映射为物理设备名；
进行差错控制；提供统一的系统调用接口。
设备驱动程序
直接与硬件相关，将上层命令转换为设备控制器能理解的具体操作（如将“读扇区”转为寄存器读写）。
中断处理程序
最底层软件，当I/O完成时被唤醒，进行善后处理。
3. I/O控制方式
程序直接控制方式（轮询）
CPU不断查询设备状态。
缺点：
CPU与设备串行工作，CPU利用率极低，“忙等”。
中断驱动方式
CPU发出命令后做其他事，I/O完成后发中断信号。
优点：
实现了CPU与I/O并行。
缺点：
数据传输单位小（字/字节），频繁中断消耗CPU时间。
DMA方式（直接存储器访问）
数据传输单位为数据块；
数据直接在内存与设备间传输，无需CPU干预。
仅在传输开始和结束时需要CPU干预。
通道方式
独立的I/O处理器，可执行通道程序。
一个通道可控制多台设备。
优点：
CPU负担最轻，并行性最高。
3.4.2 I/O核心子系统
1. 缓冲管理
目的
缓和CPU与I/O设备速度不匹配的矛盾；减少对CPU的中断频率；解决数据粒度不匹配问题。
单缓冲
设一个缓冲区，CPU处理数据时，设备只能等待。
处理时间约 T + C（T为设备输入时间，C为CPU处理时间）。
双缓冲
设两个缓冲区，交替使用。
若 T < C，处理时间约 C；
若 T > C，处理时间约 T。
循环缓冲
多个缓冲区链接成环，适用于输入/输出速度相差不大的情况。
缓冲池
公用缓冲区集合，由OS管理，既可输入也可输出，利用率最高。
2. 设备分配与回收
设备分配的数据结构
- DCT（设备控制表）：记录设备状态（忙/闲）、等待队列指针。
- COCT（控制器控制表）。
- CHCT（通道控制表）。
- SDT（系统设备表）：系统范围内的设备资源表。
设备分配策略
先来先服务。
优先级高者优先。
设备独立性
应用程序使用逻辑设备名请求设备，系统在运行时将其映射为物理设备名。
好处是提高了程序的适应性，不依赖于具体物理设备。
3.4.3 磁盘存储器管理
1. 磁盘结构
磁盘由多个盘片组成，每面有磁道，多个盘面对应磁道形成柱面。
扇区：磁盘物理块，最小的读写单位。
2. 磁盘访问时间
3. 磁盘调度算法
先来先服务 (FCFS)
按请求到达顺序服务。
公平，简单，但寻道距离长，效率低。
最短寻道时间优先 (SSTF)
选择距离当前磁头最近的请求。
性能优于FCFS，但可能导致“饥饿”现象（远端请求长时间得不到服务）。
扫描算法 (SCAN / 电梯算法)
磁头沿一个方向移动到底，途中服务所有请求，然后反向移动。
消除了饥饿，性能较好。
循环扫描算法 (CSCAN)
单向移动（如从外向内），到达边缘后直接跳回起点（不服务），重新开始扫描。
消除了SCAN算法中边缘请求响应时间变化大的问题，响应时间更均匀。
3.4.4 虚拟设备与SPOOLing技术
1. SPOOLing技术原理
定义
在磁盘上开辟“输入井”和“输出井”，利用外围处理机（实际上是预输入程序和缓输出程序）实现I/O。
组成
输入井/输出井：磁盘上的缓冲区，模拟物理设备。
输入缓冲区/输出缓冲区：内存缓冲区。
预输入程序/缓输出程序：负责将数据从设备读到井，或从井写到设备。
2. 实现设备虚拟化
工作流程
核心优势
将独占设备（如打印机）改造为共享设备。
实现了I/O操作的“脱机”处理，提高了I/O速度。
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