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第五章 磁盤管理 - I/O控制，緩沖區管理

目錄

• 第五章 磁盤管理 - I/O控制，緩沖區管理
• • • I/O 設備
    • • • 按使用特性分類
        • 按傳輸速率分類
        • 按信息交換的單位分類
    • I/O 控制器
    • • 為什么有 I/O 控制器？
      • I/O 控制器在哪里？
      • • 主要功能
        • 組成
        • 兩種寄存器編址方式
    • I/O 控制方式
    • • 程序解控制方式
      • 中斷驅動方式
      • DMA 方式
      • • DMA 控制器
      • 通道控制方式
      • I/O 控制方式總結
    • I/O 軟件層次結構
    • I/O 核心子系統
    • • • SPOOLing 技術（假脫機技術）
        • 設備的分配與回收
        • 設備分配管理中的數據結構
        • 優化后的設備分配步驟
    • 緩沖區管理
    • • • 單緩沖策略
        • 雙緩沖策略
        • 循環緩沖區
        • 緩沖池

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I/O 設備

UNIX系統將外部設備抽象為一種特殊的文件，用戶可以使用與文件操作相同的方式對外部設備進行操作。

按使用特性分類

人機交互類外部設備、存儲設備、網絡通信設備

按傳輸速率分類

低速設備、中速設備、高速設備

按信息交換的單位分類

塊設備（傳輸快，可尋址）、字符設備（傳輸慢，不可尋址，常采用中斷驅動方式）

I/O 控制器

為什么有 I/O 控制器？

想要把 printf("hello, world”) 這樣的用戶I/O請求，轉換為對設備的控制命令，并完成設備I/O任務，需要I/O軟件與I/O硬件之間的協調工作。

為達到模塊化、通用性的設計目標，通常將I/O設備（又稱外圍設備、控制設備）中的 機械部件 和 電子部件 分開處理。CPU無法直接控制 I/O設備 的 機械部件，因此 I/O 設備還要有一個 電子部件 作為 CPU 和 I/O 設備機械部件之間的“中介”，用于實現CPU對設備的控制。這個 電子部件 就是 I/O控制器，又稱設備控制器。CPU可控制I/O控制器，又由I/O控制器來控制設備的機械部件。

操作系統與控制器交互，而非與設備交互，外設通過電纜與設備控制器（I/O接口）進行數據、狀態和控制信息的傳送。

I/O 控制器在哪里？

I/O控制器（I/O接口）在 擴展卡 或者 南橋芯片 內，通過I/O總線、北橋芯片連接CPU

I/O硬件建立了外設與主機之間的“通路”：主機 — 北橋 — I/O總線 — 南橋（設備控制器） — 電纜 — 外設

主要功能

• 接收和識別 CPU 發出的命令（要有控制寄存器）
• 向 CPU 報告設備的狀態（要有狀態寄存器）
• 數據交換（要有數據寄存器，暫存輸入 / 輸出的數據）
• 地址識別（由 I/O 邏輯實現）

組成

• CPU 與控制器之間的接口（實現控制器與 CPU 之間的通信）
• I/O 邏輯（負責識別 CPU 發出的命令，并向設備發出命令）
• 控制器與設備之間的接口（實現控制器與設備之間的通信）

兩種寄存器編址方式

• 內存映射 I/O
  • 控制器中的寄存器與內存統一編址
  • 可以采用對內存進行操作的指令來對控制器進行操作
• 寄存器獨立編址
  • 控制器中的寄存器獨立編址
  • 需要設置專門的指令來操作控制器

I/O 控制方式

程序解控制方式

優點：實現簡單。在讀/寫指令之后，加上實現循環檢查的一系列指令即可（因此才稱為“程序直接控制方式”）

? 缺點：CPU和I/O設備只能串行工作，CPU需要一直輪詢檢查，長期處于“忙等”狀態，CPU利用率低。

中斷驅動方式

優點：與“程序直接控制方式”相比，在“中斷驅動方式”中，I/O控制器會通過中斷信號主動報告I/O已完成，CPU不再需要不停地輪詢。CPU和I/O設備可并行工作，CPU利用率得到明顯提升。

缺點：每個字在I/O設備與內存之間的傳輸，都需要經過CPU。而頻繁的中斷處理會消耗較多的CPU時間。

DMA 方式

DMA 控制器

DR（Data Register，數據寄存器）：暫存從設備到內存，或從內存到設備的數據。
MAR（Memory Address Register，內存地址寄存器）：在輸入時，MAR表示數據應放到內存中的什么位置；輸出時MAR表示要輸出的數據放在內存中的什么位置。
DC（Data Counter，數據計數器）：表示剩余要讀/寫的字節數。
CR（Command Register，命令/狀態寄存器）：用于存放CPU發來的I/O命令，或設備的狀態信息。

優點：數據傳輸以“塊”為單位，CPU介入頻率進一步降低。數據的傳輸不再需要先經過CPU再寫入內存，數據傳輸效率進一步增加。CPU和I/O設備的并行性得到提升。

缺點：CPU每發出一條I/O指令，只能讀/寫一個或多個連續的數據塊。如果要讀/寫多個離散存儲的數據塊，或者要將數據分別寫到不同的內存區域時，CPU要分別發出多條I/O指令，進行多次中斷處理才能完成。

通道控制方式

通道：一種 硬件，可以理解為是“弱雞版的CPU”。通道可以識別并執行一系列 通道指令

缺點：實現復雜，需要專門的通道硬件支持

優點：CPU、通道、I/O設備可并行工作，資源利用率很高。

I/O 控制方式總結

I/O 軟件層次結構

• 用戶通過調用 用戶層軟件 提供的 庫函數 發出的I/O請求

• 用戶層軟件通過 系統調用 請求 設備獨立性軟件層 的服務

• 設備獨立性軟件層根據LUT調用設備對應的 驅動程序

• 驅動程序向 I/O控制器 發出具體命令

• 等待I/O完成的進程應該被阻塞，因此需要進程切換，而進程切換必然需要 中斷處理

I/O 核心子系統

I/O核心子系統要實現的功能，其實就是上述中間三層要實現的功能，包括：I/O調度、設備保護、假脫機技術（SPOOLing技術）、設備分配與回收、緩沖區管理（即緩沖與高速緩存）

SPOOLing 技術（假脫機技術）

在早期的手工操作計算機中，所謂脫機，即脫離主機的控制，由外圍控制機（磁帶機）進行輸入 / 輸出操作

現在的假脫機技術，是用軟件的方式模擬脫機技術。SPOOLing系統的組成如下：

打印機是種“獨占式設備”，SPOOLing技術可以把一臺物理設備虛擬成邏輯上的多臺設備，可將獨占式設備改造成共享設備。

設備的分配與回收

設備分配時應考慮的因素：設備的固有屬性、設備的分配算法、設備分配中的安全性

設備的固有屬性可分為三種：獨占設備、共享設備、虛擬設備。

• 獨占設備——一個時段只能分配給一個進程（如打印機）
• 共享設備——可同時分配給多個進程使用（如磁盤），進程往往宏觀上共享使用設備，微觀上交替使用。
• 虛擬設備——采用SPOOLing技術將獨占設備改造成虛擬的共享設備，可同時分配給多個進程使用（如采用SPOOLing技術實現的共享打印機）

設備的分配算法：

• 先來先服務
• 優先級高者優先
• 短任務優先

設備分配中的安全性：

• 安全分配方式：為進程分配一個設備后就將進程阻塞，本次I/O完成后才將進程喚醒。破壞了死鎖發生的“請求和保持”條件，不會導致死鎖。
• 不安全分配方式：進程發出I/O請求后，系統為其分配I/O設備，進程可繼續執行，之后還可以發出新的I/O請求。直到只有某個I/O請求得不到滿足時，才將進程阻塞。有可能發生死鎖，可以使用銀行家算法避免。

設備分配管理中的數據結構

設備控制表（DCT）：系統為每個設備配置一張DCT，用于記錄設備情況。包含：

• 設備類型：如，打印機/掃描儀/鍵盤
• 設備標識符：即物理設備名，系統中的每個設備的物理設備名唯一
• 設備狀態：忙碌/空閑/故障…
• 指向控制器表的指針：每個設備由一個控制器控制，該指針可找到相應控制器的信息
• 重復執行次數或時間：當重復執行多次I/O操作后仍不成功，才認為此次I/O失敗
• 設備隊列的隊首指針：指向正在等待該設備的進程隊列（由進程PCB組成隊列）

控制器控制表（COCT）：每個設備控制器都會對應一張COCT。操作系統根據COCT的信息對控制器進行操作和管理。

• 控制器標識符：各個控制器的唯一ID
• 控制器狀態：忙碌/空閑/故障…
• 指向通道表的指針：每個控制器由一個通道控制，該指針可找到相應通道的信息
• 控制器隊列的隊首指針：指向正在等待該控制器的進程隊列（由進程PCB組成隊列）
• 控制器隊列的隊尾指針：同上

通道控制表（CHCT）：每個通道都會對應一張CHCT。操作系統根據CHCT的信息對通道進行操作和管理。

• 通道標識符：各個通道的唯一ID
• 通道狀態：忙碌/空閑/故障…
• 與通道連接的控制器表首址：可通過該指針找到該通道管理的所有控制器相關信息（COCT）
• 通道隊列的隊首指針：指向正在等待該通道的進程隊列（由進程PCB組成隊列）
• 通道隊列的隊尾指針：同上

系統設備表（SDT）：記錄了系統中全部設備的情況，每個設備對應一個表目。

優化后的設備分配步驟

根據進程請求的邏輯設備名查找SDT（注：用戶編程時提供的邏輯設備名其實就是“設備類型”，例如打印機）

查找SDT，找到用戶進程指定類型的、并且空閑的設備，將其分配給該進程。操作系統在邏輯設備表（LUT）中新增一個表項。

根據DCT找到COCT，若控制器忙碌則將進程PCB掛到控制器等待隊列中，不忙碌則將控制器分配給進程。

根據COCT找到CHCT，若通道忙碌則將進程PCB掛到通道等待隊列中，不忙碌則將通道分配給進程。

緩沖區管理

使用 硬件作為緩沖區 的成本較高，容量也較小，一般僅用在對速度要求非常高的場合（如存儲器管理中用的聯想寄存器，即 快表，由于對頁表的訪問頻率極高，因此使用速度很快的聯想寄存器來存放頁表項的副本）

一般情況下，更多的是利用內存作為緩沖區，“設備獨立性軟件”的緩沖區管理就是要組織管理好這些緩沖區

單緩沖策略

當緩沖區數據非空時，不能往緩沖區沖入數據，只能從緩沖區把數據傳出；當緩沖區為空時，可以往緩沖區沖入數據，但必須把緩沖區充滿以后，才能從緩沖區把數據傳出。

雙緩沖策略

假設某用戶進程請求某種塊設備讀入若干塊的數據。若采用雙緩沖的策略，操作系統會在主存中為其分配兩個緩沖區（若題目中沒有特別說明，一個緩沖區的大小就是一個塊）

結論：采用雙緩沖策略，處理一個數據塊的平均耗時為Max (T, C+M)

兩臺機器之間通信時，可以配置緩沖區用于數據的發送和接受。

注：管道通信中的“管道”其實就是緩沖區。要實現數據的雙向傳輸，必須設置兩個管道

循環緩沖區

將多個大小相等的緩沖區鏈接成一個循環隊列。

注：以下圖示中，橙色表示已充滿數據的緩沖區，綠色表示空緩沖區。

緩沖池

緩沖池由系統中共用的緩沖區組成。這些緩沖區按使用狀況可以分為：空緩沖隊列、裝滿輸入數據的緩沖隊列（輸入隊列）、裝滿輸出數據的緩沖隊列（輸出隊列）。

另外，根據一個緩沖區在實際運算中扮演的功能不同，又設置了四種工作緩沖區：

• 用于收容輸入數據的工作緩沖區（hin）

• 用于提取輸入數據的工作緩沖區（sin）

• 用于收容輸出數據的工作緩沖區（hout）

• 用于提取輸出數據的工作緩沖區（sout）

總結

以上是生活随笔為你收集整理的操作系统：第五章 磁盘管理 - I/O控制，缓冲区管理的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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