1 设备管理概述

1.1 系统总线结构

系统总线上传输的信息有——数据 地址 其他控制状态定时信号

系统总线其实有几类

如下图 CPU总线 存储器总线 和I/O总线

其中北桥芯片组把处理器和存储器分成了两个总线

南桥芯片连接在I/O总线上

I/O总线上连着众多的I/O设备

当然I/O总线和I/O设备之间通过设备管理器进行连接控制

那么设备管理器的结构是怎样的呢？

1.2 设备控制器通用结构

控制不同的外设需要不同的设备控制器，将系统总线和设备侧的接口连在一起

1.3 I/O设备的模型

对于外部设备而言，他们的设备如下

2 I/O端口

I/O设备中非常重要的一部分就是外设寄存器（也叫做I/O端口，下文我们都叫做I/O端口了）（存储着设备状态，数据等）

控制需要了解外设寄存器值，读取数据也是从相应的寄存器值读取

I/O端口通常包括：控制寄存器、状态寄存器和数据寄存器三大类

所以这里就牵扯出一个问题，CPU下达指令读或写某个I/O端口（寄存器），需要知道那个寄存器在哪里，也就是说寄存器的地址是什么，这就涉及到I/O端口的编址以及寻址

2.1 寻址方式

统一编址方式（内存映射方式）

与主存空间统一编址，主存单元和I/O端口在同一个地址空间

独立编址方式（特殊I/O指令方式）

单独编号，不和主存单元一起编，使成为一个独立的I/O地址空间，例如Intel处理器

3 驱动程序

控制外设进行输入输出的底层I/O软件是驱动程序，由设备生产商制作，包括 设备控制器中有哪些用户可以访问的寄存器、控制状态寄存器的每一位的含义，通信协议等等

驱动程序通过访问 I/O端口控制外设进行I/O

​ 比如 读取控制命令送到控制寄存器来启动外设工作

​ 读取状态寄存器了解外设和设备控制器的状态

​ 访问数据缓冲寄存器进行数据的输入和输出

实现这种访问操作是通过I/O操作完成的，他是一种特权指令

4 基本I/O控制方式

有如下四种

4.1 程序直接控制

​ 程序查询I/O方式

原理 由CPU负责直接控制I/O操作，不涉及中断或DMA（Direct Memory Access）。

方法

计算机从外部设备读取数据到存储器，每次读一个字的数据。对读入的每个字， CPU 需要对外设状态进行循环检查，直到确定该字已经在I/0 控制器的数据寄存器中

优点 简单、易于实现。

缺点

在程序直接控制方式中，由于CPU 的高速性和I/0设备的低速性，致使CPU 的绝大部分时间都处于等待I/0 设备完成数据I/0 的循环测试中，造成了CPU 资源的极大浪费。在该方式中， CPU 之所以要不断地测试I/0 设备的状态，就是因为在CPU 中未采用中断机构，使I/0 设备无法向CPU报告它已完成了一个字符的输入操作。

4.2 中断I/O方式

​ 中断I/O方式

原理 设备在完成操作后发出中断信号，通知CPU进行数据传输。

方法

中断驱动方式的思想是，允许I/0 设备主动打断CPU 的运行并请求服务，从而“解放"CPU, 使得其向I/0 控制器发送读命令后可以继续做其他有用的工作。

优点： 提高CPU利用率，减少了对CPU的占用。

缺点

中断方式在一些情况下可以提高CPU利用率，但在一些情况下，字符式设备，其中断频率太高，来回切换的话也会耗费处理机较多时间

核心是因为什么？

是因为上面两种方式都需要经过CPU处理？

什么叫经过CPU处理

是外设输入数据流大概是这样的： 【外围设备->I/O控制器的数据寄存器->CPU寄存器->存储器】，这就叫经过CPU，或者说传输数据的过程需要CPU的干预

于是引出了下面的DMA(直接在I/O设备和内存之间建立数据通路)

4.3 DMA方式

磁盘等高速外设设备所用的方式

原理

​ 基本思想 在高速外设和主存间直接传送数据

​ 由专门硬件**（即DMA控制器）**控制总线进行传输，注意这里不是CPU了

方式

1. 基本单位是数据块（前面是一个字）。
2. 所传送的数据，是从设备直接送入内存的，或者相反。
3. 仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时，才需CPU 干预，整块数据的传送是在DMA控制器的控制下完成的。

优点 大大减轻了CPU的负担，提高了数据传输速率。

**缺点 需要额外的硬件支持，复杂度较高。

如何进一步提高资源利用率呢？当然是请更牛逼的通道，将苦逼的CPU尽可能的从累活中解放出来。

4.4 I/O通道控制方式

原理 使用专门的I/O通道控制器，它独立于CPU和主存储器，负责管理多个设备的I/O操作

方式

I/0 通道是指专门负责输入／输出的处理机。I/O通道方式是DMA方式的发展，它可以进一步 减少CPU的干预，即把对一个数据块的读（或写）为单位的干预，减少为对一组数据块的读（或写）及有关控制和管理为单位的干预。同时，又可以实现CPU、通道和I/0 设备三者的并行操作，从而更有效地提高整个系统的资源利用率。

优点： 高度并行化的数据传输，减少了对CPU的占用。

缺点： 需要更复杂的硬件支持，成本较高。

5 I/O管理中的重要思想

5.1 设备独立性

该思想旨在使应用程序与具体的I/O设备解耦，从而提高系统的灵活性、可移植性和可维护性。

5.2 SPOOLing技术

​ 即外围设备同时联机操作，又称作假脱机操作

什么是脱机I/O？

​ 脱机I/O 目的是为了解决CPU和I/O速度不匹配的问题，输入由一台抵挡计算机做中介

什么是假脱机？

​ 即模拟实现上面的脱机i/O

实现方法

​ OS利用两个进程分别模拟脱机I/O时外围机的功能

​ 其中一个进程负责将输入设备的数据传送到磁盘，另一个进程负责将数据从磁盘送到输出设备

组成

​ 1 输入输出井

​ 2 预输入进程和缓输出进程

5.3 I/O软件的多层模型

1 用户进程层——执行I/O系统调用，对I/O数据进行格式化

2 独立于设备的软件——实现设备的命名，分配，数据的缓冲，设备的保护，提高下层的统一接口

3 设备驱动程序，与设备有关的代码，向设备控制器发送命令，检测设备的执行状态

4 中断处理程序，负责I/O完成时，唤醒设备驱动程序的进程，进行中断处理

5 硬件层 实现物联I/O操作

6 磁盘I/O

磁盘一般分为固定结构和移动头磁盘两大类

固定头磁盘——每个盘面的每条磁道都有一个读写磁头，固定头磁盘各个磁头可并行读写，成本高

移动头磁道——每个盘面只有一个读写磁头

6.1 磁盘调度算法

目标 使得磁盘平均寻道时间最短

6.1.1 先来先服务 FCFS

按请求访问磁盘的先后次序进行调度

6.1.2 最短寻道时间优先 SSTF

选择处理与当前磁头距离最近的磁道请求，以减少寻道时间

6.1.3 扫描算法 电梯调度算法 SCAN

要求磁头臂仅沿一个方向移动，并在途中满足所有未完成的请求，直到最后一个磁道，再反方向

6.1.3 循环扫描 C-SCAN

要求磁头臂仅沿一个方向移动，并在途中满足所有未完成的请求，直到最后一个磁道，不反方向直接回到最后一个磁道，开始扫描

SSFT、SCAN、C-SCAN都存在“饿死现象”

即当一个或多个进程反复请求某个磁道I/O，垄断了整个磁盘，其他磁道得不到访问

6.1.4 N-Step-SCAN

将磁盘请求队列分成若干个长度为N的子队列

每一次SCAN处理一个子队列

6.1.5 FSCAN

使用2个子队列

当扫描开始时，所有请求都在一个子队列，另一个子队列为空，扫描过程中，所有新到的请求加入另一个子队列中，使得新请求服务延迟老请求处理完后

6.2 其他磁盘I/O性能的改善

高速缓存

合理分配磁盘空间

把有可能顺序访问的放到一块

提前读，延迟写，周期性的成簇写回

例题

尝试给出一种能够满足下列要求的I/O设备管理设计方案：

1 应用程序在访问设备时候，不需要关心设备的物理特性

2 应用程序申请使用某类设备时，不需要指定具体的物理设备

3 应用程序可以通过文件系统访问设备

设计方案：

为满足上述要求，可以设计一个综合管理系统，其设计思路如下：

1 采用分层的I/O软件模型 多层处理，如用户层，设备驱动程序等待。进行设备抽象，将不同类型的设备进行抽象，屏蔽设备的具体物理特性。通过设备抽象，应用程序可以以统一的方式访问各种设备，而无需关心设备的底层实现。

2 设备分组：将相同类型的设备进行分组，并为每个设备组分配一个唯一的标识符。应用程序在申请使用某类设备时，只需指定设备组的标识符，而无需指定具体的物理设备。

3 权限控制：设计合适的权限控制机制，确保应用程序只能访问其被授权的设备组和设备文件，以保护系统的安全性和数据的机密性。

数据结构

1 用类和结构定义抽象层，包括设备的通用属性，操作方法，事件等

2 用哈希表或映射存储设备组的标识符和相应的设备类型