第五章、裝置管理

目錄：

      1.概要

      2.I/O系統

      3.I/O控制方式

      4.緩衝管理

      5.裝置分配

      6.裝置處理

      7.磁碟儲存管理

一、概要

    I/O系統由I/O裝置、裝置控制器、I/O通道和匯流排組成。

     1)裝置管理的物件:

        1.I/O裝置

        2.裝置控制器

         3.I/O通道

     2)裝置管理的功能

        1.完成使用者提出的I/O請求

        2.提高I/O速度

        3.改善I/O裝置的利用率

    3)裝置管理的基本任務

        1.緩衝區管理

        2.裝置分配

        3.裝置處理

        4.虛擬裝置

        5.實現裝置的獨立性

二、I/O系統

    1)I/O裝置

         1.型別：按傳輸數率：   低速裝置 、中速裝置、高速裝置

                     按資訊交換的單位： 字元裝置、塊裝置

                     按裝置的共享屬性： 共享裝置、虛擬裝置

         2.與裝置控制器的介面：資料訊號、狀態訊號、控制訊號

    2)裝置控制器：

                 作用：是控制裝置進行資料傳送的裝置部件。它與CPU通過三種訊號連線，包括資料訊號、地址訊號、控制訊號。

                 功能：接受和識別命令、控制資料交換、裝置狀態收集和報告、地址識別、資料緩衝、差錯控制。

                 組成：裝置控制器與處理機的介面、裝置控制器與裝置的介面、I/O邏輯

    3)I/O通道：

                  作用：是裝置控制器和CPU之間的部件。                  

                  型別：位元組多路通道、陣列選擇通道、陣列多路通道

    4)匯流排 基本概念及分類：

           概念：一組能為多個部件共享的公共資訊傳送線路，是將計算機微處理器與記憶體晶片以及與之通訊的裝置連線起來的硬體通道。

           按其任務可分為三類：內部匯流排

                                           系統匯流排：前端匯流排：連線CPU到北橋晶片的匯流排。將CPU連線到主記憶體和通向磁碟驅動器、調變解調器以及網絡卡上

                                                           後端匯流排：連線CPU和外部快取(經常為第二級快取)

                                                           北橋的作用：北橋晶片主要負責實現與CPU、記憶體、AGP介面之間的資料傳輸，同時還通過特定的資料通道和南橋晶片相連線。

                                           外部匯流排

三、I/O控制方式

       1)作用：用於實現CPU對外部裝置的控制

       2)程式I/O控制方式：輪詢方式，CPU主動，效率很低，速度很慢，以位元組為單位

       3)中斷驅動程式：CPU被動，裝置主動，速度慢

       4)DMA控制方式：

           解決的問題：速度慢，浪費CPU資源

                             DMAC代替CPU控制資料傳輸

              特點：    以塊為單位，在裝置(控制器)和記憶體間傳輸資料

       5)I/O通道控制方式：

           解決的問題：進一步提高速I/O通道代替CPU控制資料傳輸

四、緩衝管理

      1)作用：緩和CPU和I/O裝置速度不匹配的矛盾

                   減少對CPU的中斷頻率，放寬對中斷響應時間的限制

                   提高CPU和I/O裝置之間的並行性

      2)單緩衝：I/O裝置和CPU之間只有一個緩衝區。當I/O裝置向緩衝區輸入時，CPU不能讀取緩衝區，反之亦然。

        存在的問題：輸入、輸出速度慢，裝置的利用率低。表現在I/O裝置和處理器不能並行工作。

      3)雙緩衝(緩衝對換):也稱迴圈對換。

        存在的問題：當速度不匹配時，效果退化到但緩衝機制的程度。

        解決辦法：增加緩衝區個數，按照迴圈鏈的方式組織緩衝區。

      4)迴圈緩衝

      5)緩衝池：

                    組成：空緩衝佇列emq、輸入佇列inq、輸出佇列outq

                    專用緩衝區：hin/sin/hout/sout

                    緩衝區的工作方式：收容輸入、提取輸入、收容輸出、提取輸出

五、裝置分配

         1)裝置分配中的資料結構：邏輯裝置表(LUT)、系統裝置表(SDT)、裝置控制表(DCT)、控制器控制表(COCT)、通道控制表(CHCT)

         2)裝置分配演算法：先來先服務演算法、優先順序高者優先

         3)裝置分配的安全性：安全分配方式、不安全分配方式、和"死鎖"部分的資源分配一致

      裝置獨立性：

        1)使用者編制程式使用的裝置與實際使用的裝置無關

        2)邏輯裝置名

        3)物理裝置名

六、裝置處理

     裝置驅動程式：

         概念：裝置驅動程式時驅動物理裝置和DMA控制器或I/O控制器等直接進行I/O操作的子程式的集合。它們負責設定相應裝置有關暫存器的值，啟動裝置進行I/O操作，指定操作的型別和資料流。

        功能：接受使用者的I/O請求、取出請求佇列中隊首請求，將相應裝置分配給它、啟動裝置工作，完成指定的I/O操作、處理來自裝置的中斷

        裝置處理方式：為每類裝置設定一個程序、在整個系統中設定一個I/O程序、不設定專門的I/O程序。

         裝置驅動程式的處理過程：

             1.將抽象要求轉換為具體要求

             2.檢查I/O請求的合法性

             3.讀出和檢查裝置的狀態

             4.傳送必要的引數

             5.方式的設定

             6.啟動I/O裝置

         中斷處理程式的處理過程：

             1.喚醒阻塞的驅動程式程序

             2.保護被中斷的程序的CPU環境

             3.分析中斷原因、轉入相應的裝置中斷處理程式

             4.進行中斷處理。

             5.恢復被中斷的程序現場。

七、磁碟儲存器管理

   1)資料的組織和格式：

           溫徹斯特硬碟：它的引數包括磁頭數、柱面數、扇區數和位元組數。各個盤面上的同一磁軌組成的一個柱面。每個磁軌有30個扇區。每個扇區儲存600個位元組，其中512個位元組儲存資料，其餘位元組儲存控制資訊。

           磁碟的型別：

                     固定頭磁碟：剛性磁臂，使用於大容量磁碟

                     移動頭磁碟：移動磁臂，使用於中小型磁碟裝置。

   2)磁碟I/O訪問時間：

          磁碟I/O時間由資料在磁碟上的物理記錄的位置決定

          物理記錄的位置：柱面號、磁頭號(盤面號)、扇區號

          總時間=柱面定位(尋道)時間+旋轉延遲時間+資料傳送時間

    3)磁碟I/O排程策略

            1.先進先出演算法

            2.優先順序演算法

            3.後進先出演算法

            4.短時間優先演算法

            5.掃描演算法(電梯演算法)

            6.迴圈掃描(注意和SCAN的區別)

            7.N步掃描演算法

            8.雙佇列掃描演算法

    4)固態硬碟

           形式：固態硬碟大部分被製作成與傳統硬碟相同的外殼尺寸。例如：1.8英寸、2.5英寸，並用來相互相容的介面。但有些固態硬碟也使用PCi Express或是Express Card作為介面來突破現有硬碟傳輸介面的速度，或是在有限空間中置放固態硬碟。

           優點：和傳統硬碟相比，固態硬碟具有低功耗、無噪聲、抗震動、低熱量的特點。這些特點不僅使得資料能更加安全的儲存，而且也延長了靠電池供電的裝置的連續元轉時間。

           缺點：目前固態硬碟普及的四大問題：成本、寫入次數、損壞時的不可挽救性及掉速。

    5)廉價磁碟冗餘陣列