操作系统设备管理

操作系统实现对外接设备的管理功能，主要是I/O设备，unix适用将外部设备抽象为特殊文件，用户用与外部文件相同的方法操作外部设备，具体又可以分为：
人机交互类外部设备，如鼠标键盘等，这类设备数据传输速度慢；
存储设备，传输速度快，
网络通信设备，速度介于二者之间，
也可以根据信息交换的单位分类，分为字符设备和块设备，字符设备传输慢，不可寻址，常采用中断驱动方式，块设备传输快，可寻址。

设备组成

设备由机械部件，电子部件组成，电子部包括I/O控制器和设备控制器，用于实现cpu对设备的控制，具体实现过程如下：

I/O控制器有相应的控制寄存器，用于接收和识别cpu发出的命令，寄存器中存放来自cpu的命令和参数
状态寄存器记录当前设备的状态，向cpu报告设备状态
数据寄存器用于暂存数据，实现cpu和设备的数据交换
cpu判断区分各寄存器，实现地址识别

I/O控制器

组成

cpu与控制器的接口，cpu由控制线发出命令，用地址线指明操作设备，数据线输入输出数据
I/O逻辑，接收识别cpu命令，对设备发出命令
控制器与设备的接口，实现控制器与设备的通信

一个I/O控制器可能对应多个设备，为了简化指令，与内存统一编址；寄存器可能有多个需要编址，可用内存映像I/O，使对设备的操作与内存一致，也可采用寄存器独立编址，采用I/O专用地址进行单独编址，该方法需要设置专门指令来实现对控制器的操作。

I/O控制方式

即采取什么样的方式来控制I/O设备的数据读写。

程序直接控制方式
1，cpu向控制器发指令，设备启动
2，cpu轮询检查状态寄存器状态，1为未就绪
3，设备准备好后，报告自身状态，将数据传送给控制器
4，控制器将输入的数据放到数据寄存器中，状态改为0就绪状态
5，cpu发现设备已就绪，将数据寄存器中的内容读入cpu寄存器，再放入内存
该方法cpu不断轮询检查，干预频繁，每次只能读写一个字，每个字的读写都需要cpu控制，好处是实现简单，软件即可实现，但cpu和I/O设备只能串行工作，cpu需要一致检查，利用率低。

中断驱动方式
cpu发出I/O指令后，将等待I/O的进程阻塞，切换进程执行，I/O完成后控制器向cpu发出中断信号，cpu检测后保存当前进程运行环境信息，转去执行中断处理程序，从I/O控制器读一个字的数据传送到cpu寄存器，再写入内存，cpu恢复等待进程的运行环境后继续执行。
cpu在每个周期末尾检查中断，中断保存恢复运行环境有性能开销，cpu只在I/O操作的开始完成阶段介入，等待过程可以切换过程执行，解放cpu效率，但每次只能读写一个字，大量传输时中断处理的开销大，读写还需要经过cpu寄存器中转，浪费空间。

直接存储器存储器存取DMA
主要用于块设备，数据传送的单位是块，数据直接在内存和设备交互，仅在传输开始和结束时需要cpu干预，只能读写连续的块，存入的内存也连续，cpu指挥DMA执行读写操作，具体构成如下：

数据寄存器DR，暂存数据
内存地址寄存器MAR，表示输入输出位置
数据计数器DC，剩余读写字节数
命令/状态寄存器CR，存放cpu发来的I/O指令或设备状态信息

该方法传输单位大，cpu介入频率低，传输不需要经过cpu，并发性能得到提升，但cpu一次指令只能读写连续的块。

通道控制方式
适用硬件实现，可识别执行一系列通道指令。
1，cpu向通道发出I/O指令，指向程序需要的I/O设备
2，通道执行内存中的通道程序，指明数据量和读写位置
3，通道执行完任务后，向cpu发出中断指令，cpu进行处理
有I/O任务时cpu只要给通发指令让其执行即可，通道自身与程序交互，通道程序自己有任务清单，相当于简易cpu，cpu干预极低，完成一组数据块才发出中断，并行工作资源利用率高，但实现复杂，需要专门通道硬件支持。

I/O软件层次结构

用户层，实现用户交互的接口，如库函数，适用系统调用，请求操作系统内核的服务
设备独立性软件，也称设备无关性软件，与设备硬件特性无关的功能在此实现，实现设备保护，差错处理，设备分配回收，数据缓冲区管理，
设备驱动程序，向上提供统一的调用接口，负责对硬件设备的具体控制，因为不同硬件特征不同，运行方式也不同，需要厂商提供特定驱动完成
中断处理程序，I/O任务完成时，I/O控制器发送一个中断信号，系统根据中断信号类型和硬件直接交互，找到相应中断处理程序并执行

建立逻辑设备名到物理设备名的映射关系，根据设备类型选择用户相应的驱动程序，通过逻辑设备表LUT实现，具体有整个系统一张LUT和每个用户设置一张LUT两种方法。

I/O应用程序接口

用户层应用无法适用统一的系统调用接口完成所有类型设备的I/O，系统提供接口供底层硬件厂家实现，举例有：
字符设备接口，get、put读写一个字符
块设备，read、write、seek
网络模块接口，socket套接字，bind绑定端口，connect建立远程地址，read、write套接字读取数据，控制网卡，我们网络编程大多也要使用套接字实现，原来该方法这么底层，对应的计算机网络应该是运输层

设备驱动程序接口

不同硬件的驱动接口不统一，操作系统难以调用设备的驱动程序，所以操作系统要求统一标准驱动。

假脱机SPOOLING

为缓和手工操作输入输出的速度矛盾，批处理引入脱机输入输出技术，即脱离主机控制进行输入输出，假脱机就是适用软件方式模拟脱机技术，该技术在I/O的用户层实现，组成如下：

磁盘上开辟出两个存储区域，输入井和输出井，用于收容输入输出的数据
输入输出进程分别模拟脱机输入输出的外围控制机，作为数据中转站，与井交互

比如打印机为独占设备，可用SPOOLING技术改造为共享设备。

设备的分配回收

设备分配时硬考虑设备的固有属性，独立、共享、虚拟
分配算法有先进先出，优先级算法和短任务有限等
基于安全性考虑有两种策略：
安全分配，分配设备后进程阻塞，I/O完成后才唤醒，破坏请求和保持条件，不会死锁，cpu和I/O串行工作，利用率低
不安全分配，进程发出I/O请求后系统为其分配设备，进程可以继续执行，只有某个I/O请求得不到满足时才将进程阻塞，计算与I/O任务可并行处理，有可能发生死锁

静态分配，进程运行前分配全部所需资源，运行结束后归还资源
动态分配，运行进程中动态申请设备资源

设备分配管理中的数据结构

通道->控制器->设备
设备控制表DCT，每个设备配置一张，用于记录设备情况
控制器控制表COCT，每个设备控制器一张表，操作系统根据其对控制器进行操作和管理
通道控制表CHCT，操作系统用于管理通道
系统设备表SDT，记录操作系统中全部设备的情况，每个设备对应一个表项

设备分配的步骤

1，根据进程请求的物理设备名查找SDT，物理设备名是由进程请求时提供的参数
2，根据SDT找到DCT，若设备忙碌则将进程的PCB挂到设备的等待队列中，否则分配
3，根据DCT找到COCT，若设备忙碌则将进程的PCB挂到设备的等待队列中，否则分配
4，根据COCT找到CHCT，若设备忙碌则将进程的PCB挂到设备的等待队列中，否则分配
三次分配完成则设备分配成功

上述过程要求用户编程时适用物理设备名，更换物理设备会导致程序无法运行，请求的物理设备忙碌时，就算操作系统中有同类型设备，进程也需要阻塞等待，建立逻辑设备名与物理设备名的映射，再由操作系统进行映射可以极大提高效率，具体过程如下：
1，根据逻辑设备名查找SDT，确定设备类型
2，在SDT中找指定类型的空闲设备进行分配，操作系统在逻辑设备表LUT中新增表项
3，依次查找COCT和CHCT
上述过程会建立逻辑设备名和物理设备名的映射关系，再次请求时可直接找到对应物理设备，也可知驱动程序的入口地址

缓冲区管理

可以由专门的硬件寄存器组成，也可以利用内存作为缓冲区，作用如下：
缓和cpu与I/O设备直接速度不匹配的矛盾
减少对cpu的中断频率，放宽对cpu中断响应时间的限制
解决数据粒度不匹配的问题，输入输出数据的大小不同
提高cpu与I/O设备的并行性

单缓冲区管理

操作系统在主存分配一个缓冲区，大小为一个块，缓冲区非空时只能取，空了才能写，为空时只能写，满了才能取。

双缓冲区管理

分配两个缓冲区，用设备换并行，相互通信的机器设置双缓冲区可同时通信

循环缓冲区

多个大小相等的缓冲区链接成一个循环队列，in指针指向下一个可冲入数据的空缓冲区，out指针指向下一个可取出数据的满缓冲区。

缓冲池

系统中共用的缓冲区组成，根据使用状况可分为空缓冲队列和输入输出队列，根据功能不同分为收容输入，提取输入。

磁盘

磁盘结构

表面由磁性物质组成的用于记录二进制数据，盘面划分为刺刀，磁道划分为扇区，各扇区存放数据量相同，内侧道扇面面积，数据密度大，读写数据时磁头移动到磁道，磁盘旋转，让目标扇区从磁头下划过，一个磁盘可以由多个盘片组成，多个磁头，一个盘片可能有两个盘面，所有磁头在一个磁臂，同时进退，所有盘面中位置相同磁道组成柱面，用（柱面号，盘面号，扇区号）定位地址。

分类可分为：
活动头磁盘，固定头磁盘
可换盘磁盘，固定盘磁盘