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第10章 设备管理内容提要 概述 技术模式 讨论I/O管理模块设计和对主要设备的管理 设计目标：有效性（性能）、通用性 层次模型 I/O硬件 设备驱动程序 I/O子系统 磁盘调度 SPOOL 习题 I/O技术模式和设备控制器 技术模式 编程I/O 中断驱动I/O 直接存储访问DMA 设备控制器：负责与CPU的接口 早期：无设备控制器，由CPU直接控制I/O 中断技术和独立于CPU的设备控制 直接存储访问DMA：启动时给出交换数据的内存地址、交换的字节数和外存的起始地址，并存入外存的控制器。随后的数据交换由外存控制器和内存之间进行，CPU只是在每条指令结束时，查询是否由DMA要求，若有，则让出总线一个周期。所有数据交换完毕后，向CPU发出中断请求。 I/O通道：独立编程的I/O处理器。CPU使用外设时只需指出由I/O处理器执行的I/O程序的首地址。 I/O系统的层次模型 I/O系统的层次模型各层概述 抽象和分层： 抽象：以更概括的方式抽取事物的共性 分层：逐层抽象。下层提供服务功能；上层用下层功能实现更抽象的功能。每层有明确环境（下层给）和职责（本层实现）。 I/O子系统：提供对所有设备都一致的接口。负责权限控制、缓存、设备命名等。 设备驱动程序接口：将上层对逻辑I/O的调用转换为对具体设备驱动程序的调用。 设备驱动程序：负责与具体设备的所有交互操作，还维护设备请求队列、管理和报告设备的状态，在有的系统中还包含中断管理。 I/O硬件与CPU之间的接口 I/O硬件组成 设备控制器（I/O接口） 控制和状态寄存器（CSR）：设备驱动程序写CSR，以向设备发出命令；读CSR，以读取设备的状态。 I/O空间：对设备控制器的寄存器的编址。 主存映射设备I/O模式 独立于主存的I/O空间模式 数据传送方式：可编程I/O（包括中断驱动I/O）、DMA DMA：启动I/O后，由设备直接与内存交换数据，直至完成规定传输或出错。 DMA控制器组成 设备驱动程序（功能） 执行进程提出的I/O请求（阻塞） 完成I/O后用中断向CPU报告完成情况，并准备好执行下一个请求 维护I/O请求队列 当有新的I/O请求到来时，对有些设备（如磁盘）要进行I/O设备请求队列的重新排队（按照某种策略），以优化系统性能，并按照一定算法挑选下一个被执行的I/O请求。 设备驱动程序（实现要点） 对下： 正确地利用设备控制器完成I/O工作（只有设备驱动程序知道操纵I/O设备的细节） 中断处理，取得I/O状态，出错重做 对上： 接收来自I/O子系统的逻辑I/O请求 报告I/O执行结果 对内： 逻辑I/O请求转换成对设备的具体调用格式 维护请求队列和重新排序。 设备驱动程序（数据结构） 设备分类：块设备、字符设备、其他设备（如时钟、显示器）、伪设备 设备开关表：定义了每个设备必须支持的入口点（对应于设备提供的各种功能） 块设备开关表：open, close, strategy 字符设备开关表:open,close, read, write, ioctr 块设备表iobuf（每个块设备一份）：说明该设备的I/O方式、完成情况和缓冲区使用情况的标识位，整个缓冲区的头尾指针，现在正在使用的设备的缓冲区的头尾指针，设备名，忙闲标志，允许重复执行的次数，….. 设备驱动程序（数据结构图示） I/O子系统（功能） 设备命名：提供一个一致的规范的命名方法和名字空间。 设备保护 提供与设备无关的块尺寸 缓冲技术 块设备的存储分配 独占设备的分配与释放 报告错误信息 I/O子系统（设备命名） 目标：独立于设备的软件应能够把设备的符号名映射到正确的设备上，而且设备的命名对用户来说应该是简单好用、便于记忆的。 有关概念： 主次设备号：主设备号是devsw表的索引 内部号和外部号 设备文件和路径名：根据“i – node”(描述文件属性和地址的数据结构）的内容可以区分是真正的文件，还是设备文件。 I/O子系统（为什么使用I/O缓冲区） I/O与CPU速度的严重不匹配：如果I/O直接与用户进程存区交换数据，导致该进程在I/O传输完成之前无法让出内存，也易发生死锁。 便于进程共享缓冲区中的数据，减少I/O传输的次数 便于在整块传送的数据中，挑选出用户进程所需要的数据段。 直接使用用户进程的存区进行I/O数据交换有可能引起死锁 I/O子系统（I/O缓冲区的实现） 磁盘调度 磁盘访问时间的组成：柱面定位、旋转延迟、传送。柱面定位占用时间最多。 磁盘调度算法： 先来先服务（FCFS） 最短查找时间优先（SSTF） 电梯扫描 循环扫描 先来先服务（FCFS） 最短查找时间优先（SSTF） 电梯扫描 循环扫描 虚拟设备和SPOOL系统 独占设备容易成为系统瓶颈：造成死锁可能性大、使用效率低 SPOOL：通过共享设备（