设备管理 - ICDE

4.1 设备管理基础

4.1.1 设备管理概述

I/O设备：输入输出设备、外围设备、外部设备、外设。用于计算机系统与外部世界的信息交换或存储。
I/O系统：I/O设备及其接口线路、控制部件、通道和管理软件
I/O操作：内存和外设间的信息传送操作。
- 影响计算机系统的通用性和可扩充性
- 影响计算机系统的综合处理能力及性价比

I/O设备分类

信息传输视角

输入设备：键盘、鼠标、扫描仪
输出设备：显示器、打印机
输入输出设备：磁盘驱动器、网卡

交互功能视角

人机交互设备：鼠标、键盘、显示器
存储设备（==存储大量信息并快速检索==）：磁盘驱动器、光盘驱动器
机机通信设备：网卡、调制解调器

设备管理视角

字符设备：鼠标、显示器，以==字符为单位==进行信息交换
块设备：磁盘，以固定大小的==数据块为单位==进行信息交换
网络设备：机机通信设备（网卡），即可抽象为字符设备也可抽象为块设备

设备管理的目标

解决设备与CPU速度的不匹配，使主机和设备充分并行工作，提高设备使用效率
操作系统将所有设备都定义为文件，统一在文件系统之下
屏蔽设备的物理细节和操作过程，配置驱动程序，提供统一界面
1. 抽象为裸设备
2. 抽象为设备文件

设备管理的功能

设备中断处理
缓冲区管理
设备的分配和去配
设备驱动调度
虚拟设备的实现

设备管理的实现层次

I/O硬件
- I/O设备及其接口路线
- 控制部件
- 通道
I/O软件
- 系统I/O软件
- 用户空间I/O软件

4.1.2 I/O控制方式

设备控制器

优势：引入控制器后，通过传递简单参数就可进行I/O操作，大大简化系统的设计，有利于计算机系统对各类控制器和设备的兼容性

模块化和通用性的设计目标 =》机械部件 + ==电子部件==

电子部件：==设备控制器==；系统与设备控制器交互；设备控制器具体控制设备进行I/O。

设备控制器是 CPU 和设备之间的接口，具有以下功能：

接收和识别 CPU或通道发来的命令 =》控制寄存器
实现数据交换 =》数据寄存器
发现和记录设备及自身的状态信息，供CPU处理时使用 =》状态寄存器
当连接多台设备时，识别设备地址 =》对寄存器寻址

注意：一个I/O控制器可能对应多个设备；数据寄存器、状态寄存器和控制寄存器也可能有多个。

I/O控制方式

轮询方式

==CPU和I/O设备串行操作==

读写数据：1、从I/O模块中读取字 2、往存储器中写入字

中断方式

==CPU与I/O设备并行工作==

处理器发送指令给控制器，然后继续执行指令 =》I/O操作完成后，控制器发起中断请求 =》...

一旦涉及大量数据传输，就会需要频繁的中断处理，消耗较多CPU的时间

DMA方式

DMA：Direct Memory Access 直接存储器存取

内存和设备之间有一条数据通路==成块==地传送数据，无须CPU干预，实际数据传输操作由DMA直接完成。

处理器向DMA发出I/O命令，继续自己的工作 =》 DMA完成数据传输后，中断处理器

注意：DMA控制器并不是每次直接读入一整块的数据，也是一个字一个字的传输，从 I/O设备 =》DR =》内存

一次读写一个或多个块（多个块必须是连续的）

==周期窃取==：同时通过总线访问主存时，CPU让出总线占有权给DMA

DMA的总线类型

I/O通道

==通道控制器==，用于完成逻辑上独立的I/O任务。

主机、通道、控制器和设备之间采用四级连接，实施三级控制，一个CPU连接若干个通道，一个通道连接若干个控制器，一个控制器连接若干个设备。

处理器不再执行I/O指令，而是在主存中组织通道程序，由I/O通道执行，CPU与通道高度并行工作

CPU启动指定通道上的设备，通道控制设备进行操作，CPU执行其他任务 =》 I/O操作完成，中断处理器处理I/O操作结束事件。

CPU作用	等待设备	内存数据交换
轮询方式	需要	需要
中断方式	不需要	需要
DMA方式	不需要	不需要
I/O通道	不需要	不需要

I/O功能的演化

处理器直接控制外围设备
增加了控制器或I/O模块：程序控制

处理器开始从外围设备接口的具体细节中分离出来
采用中断方式的控制器或I/O模块
I/O模块通过DMA直接控制存储器
I/O模块被增强为单独的处理器，有专门为I/O设计的指令集
I/O模块有自己的局部存储器，本身就是一台计算机

4.1.3 总线与I/O

单总线结构

将CPU、主存和I/O模块连接到同一总线

优点：结构简单，易于扩充

缺点：共用总线，设备多时总线压力大，传输时延长，且慢速外设占用带宽多

待补充

4.2 设备管理软件

4.2.1 I/O软件的实现层次

I/O软件的设计目标

设计目标
- 高效性：最关注磁盘I/O的效率
- 通用性：用统一标准的方法来管理所有设备
设计思路：层次结构，低层软件屏蔽硬件细节，高层软件与用户友好交互
主要问题
- 设备无关性
  - 访问设备的程序与具体物理设备无关
- 出错处理
  - 数据传输中的错误应该尽可能在靠近硬件的地方处理，尽量在低层次处理
- 同步（阻塞）——异步（中断驱动）传输
  - 异步传输：CPU启动I/O后可以继续执行其他工作，直到中断到达
  - 同步传输：阻塞方式，让启动I/O的进程阻塞等待，直到数据传输完成
- 独占型外围设备和共享型外围设备
  - 建立数据缓冲区，让数据到达与离去率相匹配，提高系统吞吐率

I/O软件的层次结构

4.2.2 I/O软件的实现

I/O中断驱动程序

位于操作系统底层，与硬件密切相关
设备向CPU提出中断请求时，CPU响应并转入中断处理程序执行，通常做的工作
- 检查设备状态寄存器，判断中断原因
- 若传输有错：向上层软件报告设备的出错信息，实施重新执行
- 若正常结束：唤醒等待传输的进程，使其转换为就绪态
- 若有等待传输的I/O命令：通知相关软件启动下一个I/O请求

设备驱动程序

包括与设备密切相关的所有代码
把用户提交的逻辑I/O请求转化为物理I/O操作的启动和执行，如设备名=》端口地址，逻辑记录=》物理记录，逻辑操作=》物理操作

独立于设备的I/O软件

对设备驱动程序的统一接口
设备命名
- 设备都被看作文件，通过路径名进行寻址
- 设备不仅具有文件名，且支持与文件相关的所有系统调用，open、close、read等
- 设备文件依赖于inode来实现，文件目录并不能区分文件名是代表一个磁盘文件或设备文件。但是inode中的内容是不一样的，磁盘文件的inode包含指向数据块的指针，而设备文件的inode则包含指向内核设备驱动程序的指针，用来控制设备的I/O
设备保护
- 设备保护需要检查用户是否有权访问所申请的设备（I/O指令是特权指令，通过系统调用间接供用户使用）
- Unix/Linux中对I/O设备的特别文件采用rwx保护机制，对文件的保护规则也适用于I/O设备
提供与设备无关的块尺寸
- 屏蔽不同磁盘扇区大小并向高层软件提供统一大小的逻辑块
缓冲区管理
- 通过缓冲区来消除填满速率和清空速率之间的影响，块设备和字符设备都需要缓冲技术，可在主存建立缓冲区的方式解决
分配与状态跟踪
- 静态、动态、虚拟分配
出错处理和报告
- 错误处理多数由驱动程序完成，低层软件完成不了的情况，交给高层软件处理

用户空间的I/O软件

库函数实现的I/O系统调用
库函数将与应用程序链接在一起，形成可执行代码装入主存，库函数也是I/O系统的一部分
库函数所做的工作只是将系统调用所需要的参数放在合适的位置，然后陷入内核，由内核函数实现真正的I/O操作

I/O缓冲

目的

解决CPU与设备之间速度不匹配的矛盾
协调逻辑记录大小与物理记录大小不一致的问题
提高CPU和设备的并行性
减少I/O操作对CPU的中断次数
放宽对CPU中断响应时间的要求

面向块：数据存储和传送以块为单位，块的大小通常固定，可以通过块号访问数据（磁盘和磁带）

面向流：设备以字节流的方式传输数据（终端、打印机、通信端口、鼠标和其他指示设备以及大多数非辅存的其他设备）

I/O缓冲区

在内存中开辟的存储区，专门用于临时存放I/O操作的数据

单缓冲技术

输入传送的数据放到缓冲区中，传送完成时，进程将该块移动到用户空间，并立即请求另一块，称为超前（预先输入）

双缓冲技术

循环缓冲技术

使得I/O操作能够跟得上进程的执行

4.3 独占型外围设备的分配

设备分配

设备特性：独占设备、共享设备和虚拟设备三类

管理和分配外围设备的技术：独占方式、共享方式和虚拟方式

4.3.1 设备独立性

用户通常不指定物理设备，而是指定逻辑设备，使得用户进程和物理设备分离开来，再通过其他途径建立逻辑设备和物理设备之间的映射（系统需要提供逻辑设备名和物理设备名的对应表）

原因：如果直接指定某个物理设备的话，虽然会让设备分配变得简单，但是一旦该物理设备出现故障，即使系统中存在同类设备也不能运行

优点：1、应用程序和具体物理设备无关，变更设备时不需要修改源码。2、易于应对各种I/O设备故障，提高系统的可靠性。3、增加设备分配的灵活性，有利于更加有效地利用设备资源，实现多道程序设计。

4.3.2 独占型外围设备的分配

独占型外围设备：一次只能由一个进程独占使用

分配方式：1、静态分配，运行前申请，实现简单，防止死锁，但是降低设备利用率

2、动态分配，随用随分配，提高设备利用率

设备分配的数据结构：设备类表（记录各类设备的信息）设备表（记录某一类设备的信息）

设备分配算法（不知道重不重要）

根据设备类查找设备类表
若无空闲设备则等待设备
取得设备表首地址
查设备表发现空闲设备栏
若未发现空闲设备栏则等待设备
填占用进程号，逻辑设备名，分配设备

4.4 共享型外围设备的驱动

4.4.1 磁盘的物理结构

磁盘结构

磁盘由多个盘片组成
每个盘片一般有两个盘面（上下两个）
盘面包括多个同心圆结构的磁道
不同盘面上位于相同位置的磁道构成柱面
每个磁道分为固定多个扇区，相邻扇区组合成簇
物理块地址：柱面号，磁头号（盘面号），扇区号

磁盘读写数据的方式

寻道：控制移动臂到达指定柱面
旋转：等待要读写的扇区旋转到磁头下
选择磁头号，进行数据读写

磁盘存取时间

4.4.2 磁盘的驱动调度

磁盘可能同时接收到若干I/O请求，OS进行磁盘的驱动调度策略：1、移臂调度；2、旋转调度

移臂调度

目的：使移动臂的移动时间最短，从而减少寻道总时间

先来先服务（==FIFO/FCFS==）：移臂距离大，性能不好
优先级（==Priority==）
- 比较短的批作业和交互作业的优先级较高，而较长计算时间的长作业优先级较低
- 长作业等待时间较长
后进先出（==LIFO==）
- 把设备资源优先提供给最后到来的用户
- 局部性好，提高吞吐率，资源利用率高
- 可能出现“饿死”
最短服务时间优先（==SSTF==）：优先处理服务时间更短的请求（选择使磁头从当前位置开始移动的最少的请求），存在饥饿现象
扫描算法
- 单向扫描：移动臂向一个方向扫描，归途不提供服务
- 双向扫描（==SCAN==）：移动臂每次向一个方向移动，遇到最近的I/O请求便进行处理，到达最后一个柱面后再向反方向移动（双向到底）
- 电梯调度（==LOOK==）：双向扫描的改进，当前移动方向没有访问请求时，就改变移动方向（双向不到底）
- 循环扫描（==C-SCAN==）：把扫描限定在一个方向，当访问到沿某个方向的最后一个磁道时，磁头臂返回到磁盘相反方向磁道的末端（归途不提供服务），再次开始扫描（单向到底）
- ==C-LOOK==：循环电梯？循环扫描的改进，当移动方向没有访问请求的时候，改变移动方向（归途不提供服务）（单向不到底）
- ==N-step-SCAN==
  - 进程如果重复请求同一个磁道就会垄断整个设备，故采用分布扫描避免此类问题
  - 把磁盘请求队列分成长度为N的子队列，每一次用SCAN处理一个子队列，处理一个队列时，新请求必须添加到其他某个队列中。
- ==FSCAN==
  - 使用两个子队列
  - 开始扫描时，所有请求处于一个队列中，另一个队列为空；扫描过程中，新到的请求放入另一个队列中

旋转调度

目的：使得旋转延迟的总时间最少

循环排序：在最少旋转圈数内完成位于同一柱面的访问请求
- 旋转位置测定硬件和多磁头同时读写技术有利于提高旋转调度的效率
优化分布：通过信息在存储空间的排列方式来减少旋转延迟
- 交替排序：由于磁盘匀速运转，可能处理当前扇区数据时，下个扇区已经跳过了。所以，对扇区间隔编号，如交叉因子n:1表示相邻编号间会间隔n-1个扇区，这样当处理完扇区数据之后可能正好达到下一个编号的扇区。