第五章 设备管理

I/O设备重要的性能指标有：数据传输速率，数据的传输单位，设备共享属性等。
I/O可分为:低速设备，中速设备，高速设备；可分为块设备，字符设备；可分为独占设备，共享设备，虚拟设备。
I/O设备到设备控制器有一根数据信号线和一根状态信号线，设备控制器到I/O设备有一根数据信号线和一根控制信号线。
设备控制器是:计算机中的一个实体，其主要职责是控制一个或多个I/O设备，以实现I/O设备和计算机之间的数据交换。
设备控制器的基本功能有：接收和识别命令，数据交换，标识和报告设备的状态，地址识别，数据缓冲，差错控制。
设备控制器由三部分组成：设备控制器与处理器的接口，设备控制器与设备的接口，I/O逻辑。I/O逻辑的作用是对收到的命令进行译码，来对所选设备进行控制。
I/O通道引入的目的是:使一些原来由CPU处理的I/O任务转由通道来承担。I/O通道其实是一种特殊的处理机，但也有其不同于处理机之处：指令类型单一，能执行的命令主要局限于与I/O操作有关的指令；通道没有自己的内存，而要与CPU共享内存。
通道三种类型：字节多路通道，数组选择通道，数组多路通道。
解决通道“瓶颈”问题的最有效的办法是:增加设备到主机间的通路而不增加通道。
总线的性能是:用总线的时钟频率、带宽和相应的总线传输速率等指标来衡量的。
由最早的ISA总线发展为EISA总线、VESA总线，进而到现在的PCI总线。
PCI在CPU和外设间插入一复杂的管理层，用于协调数据传输和提供一致的接口。
I/O控制方式由:最早的程序I/O方式，到中断驱动方式，再到DMA控制方式。（P152）
中断驱动方式中，CPU把工作通过中断交给设备控制器，然后转而继续执行原来的任务，而任务完成后，设备控制器通过中断告诉CPU，实现了CPU与I/O设备的并行工作。
DMA方式中，数据传输的基本单位是数据块；所传输的数据是从设备直接送入内存，或者相反；仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时，才需CPU干预。
DMA控制器由三部分组成：主机与DMA控制器的接口，DMA控制器与块设备的接口，I/O控制逻辑。
DMA控制器中设置有如下四类寄存器：命令/状态寄存器CR，内存地址寄存器MAR，数据寄存器DR，数据计数器DC。
DMA控制器的工作方式。（P154）
I/O通道方式是:DMA方式的发展。通道通过通道程序，与设备控制器共同实现对I/O设备的控制。
通道程序包含：操作码（读，写，控制等），内存地址，计数（操作的数据的字节数），通道程序结束位P（为1表示本条指令为通道程序的最后一条指令），记录结束标志R（为0表示本指令与下指令处理的数据同属一个记录，为1表示这是处理某记录的最后一条指令）
缓冲可以：1）缓和CPU和I/O设备间速度不匹配的矛盾；2）减少对CPU的中断频率，放宽对CPU中断响应时间的限制；3）提高CPU和I/O设备之间的并行性。
单缓冲，双缓冲，循环缓冲属于专用缓冲，现在多采用的是缓冲池。
缓冲池中三个队列：空缓冲队列emq，输入队列inq，输出队列outq；四种工作缓冲区：收容输入数据的工作缓冲区，提供输入数据的工作缓冲区，收容输出数据的工作缓冲区，提供输出数据的工作缓冲区。
Getbuf过程，Putbuf过程，缓冲区工作方式。（P160）
设备分配时需要的数据结构（表格）有:设备控制表DCT，控制器控制表COCT，通道控制表CHCT和系统设备表SDT等。
设备的固有属性可分为:独占性，共享性，可虚拟性。
设备分配算法通常只采用以下两种：先来先服务算法，优先权服务算法。
设备独立性（无关性）的基本含义是：应用程序独立于具体使用的物理设备。
设备独立性软件能执行所有设备的公用操作，向用户层（或文件层）软件提供统一接口。
逻辑设备表LUT将应用程序中所使用的逻辑设备名映射为物理设备名。
独占设备的分配程序：根据I/O请求中的物理设备名查找系统设备表SDT，找到该设备的设备控制表DCT；在系统把设备分配给请求I/O的进程后，再到其设备控制表DCT中找出该设备连接的控制器的控制器控制表COCT；在该控制器控制表COCT中又可找到与该控制器连接的通道的通道控制表CHCT。当设备、控制器和通道都分配成功时，分配成功。
在联机情况下实现的同时外围操作称为SPOOLing，或称为假脱机操作。SPOOLing技术是对脱机输入，输出系统的模拟。
SPOOLing系统主要有：输入井和输出井；输入缓冲区和输出缓冲区；输入进程SPi和输出进程SPo。
SPOOLing系统提高了I/O的速度，将独占设备改造为共享设备，实现了虚拟设备功能。
设备处理程序通常又称为设备驱动程序，是I/O进程和设备控制器之间的通信程序。
设备驱动程序的处理过程：将抽象要求转换为具体要求；检查I/O请求的合法性；读出和检查设备的状态；传送必要的参数；工作方式的设置；启动I/O设备。
中断处理程序的处理过程：唤醒被阻塞的驱动（程序）进程；保护被中断进程的CPU环境；转入相应的设备处理程序；中断处理；恢复被中断进程的现场。（P171）
磁盘设备包括:一个或多个盘片，每片两面，每面分为若干磁道，每磁道分为若干扇区。
根据磁头的类型，磁盘可分为固定头磁盘和移动头磁盘。
磁盘访问时间＝寻道时间＋旋转延迟时间＋传输时间
磁盘调度算法有：先来先服务，最短寻道时间优先，扫描算法，循环扫描算法，N-Step-SCAN和FSCAN调度算法等。
磁盘高速缓存是一组在逻辑上属于磁盘，而物理上是驻留在内存中的盘块。
UNIX系统中，每隔一定时间，强制性地将所有在高速缓存中已修改的盘块数据写回磁盘，MS-DOS发现某盘块数据修改，就立即写回磁盘（“写穿透，高速缓存”）。
提高磁盘I/O速度的其他方法还有提前读，延迟写，优化物理块的分布，虚拟盘。
RAID的优点有:可靠性高，磁盘I/O速度高，性能/价格比高。