5.2 设备独立性软件

5.2 I/O核心子系统

1. IO核心子系统

• I/O软件层次
  • 用户层软件
  • 设备独立性软件
  • 设备驱动程序
  • 中断处理程序
  • 硬件
• 设备独立性软件、设备驱动程序、中断处理程序属于操作系统的内核部分， 即“I/O系统”或称"I/O核心子系统"
  • 因此I/O核心子系统要实现的功能其实就是中间三层要实现的功能
  • 考研中, 我们需要重点理解和掌握的功能是:
    • I/O调度
    • 设备保护
    • 假脱机技术(SPOOLing技术)
      • 假脱机技术需要使用到磁盘这种设备的设备独立性软件提供的服务, 所以假脱机技术一般是在用户层软件实现的
    • 设备分配与回收
    • 缓冲区管理(即缓冲与高速缓存)
      • 除了假脱机技术外, 其他几种功能都是在设备独立性软件实现的

1.1 I/O调度

• 用某种算法确定一个好的顺序来处理各个I/O请求
  • 如: 磁盘调度(先来先服务、最短寻道优先算法、SCAN算法、C-SCAN算法、LOOK算法、C-LOOK算法)
  • 当多个磁盘I/O请求到来时, 用某种调度算法确定满足I/O请求的顺序
  • 同理, 打印机等设备也可以用先来先服务、优先级算法、短作业优先等算法来确定I/O调度顺序

1.2 设备保护

• 操作系统需要实现文件保护功能, 不同的用户对各个文件有不同的访问权限
  • 如: 只读、读和写等
• 在UNIX系统中, 设备被看做是一种特殊的文件, 每个设备也会有对应的FCB。当用户请求访问某个设备时, 操作系统根据FCB中记录的信息来判断该用户是否有相应的访问权限, 以此实现"设备保护"的功能(参考"文件保护"小节)

2. 假脱机技术

2.1 脱机技术

• 手工操作阶段: 主机直接从I/O设备获得数据, 由于设备速度慢, 主机速度很快, 人机速度矛盾明显, 主机要浪费很多时间来等待设备

• 批处理阶段: 引入了脱机输入/输出技术(用磁带完成)

  • 在外围控制机的控制下, 慢速输入设备的数据先被输入到更快捷的磁带上, 之后主机可以从快速的磁带上读入数据, 从而缓解了速度矛盾
  • 为什么称为"脱机"?
    • 脱离主机的控制进行的输入/输出操作
  • 引入脱机技术后, 缓解了CPU与慢速I/O设备的速度矛盾; 另一方面, 即使CPU在忙碌, 也可以提前将数据输入到磁带; 即使慢速的输出设备正在忙碌, 也可以提前将数据输出到磁带

2.2 假脱机技术(SPOOLing技术)

• 是用软件的方式模拟脱机技术

• SPOOLing系统的组成如下:

• 在磁盘上开辟出两个存储区域 -- "输入井" 和 "输出井"
  • "输入井"模拟脱机输入时的磁带, 用于收容I/O设备输入的数据
  • "输出井"模拟脱机输出时的磁带, 用于收容用户进程输出的数据
• 要实现SPOOLing技术, 必须要有多道程序技术的支持, 系统会建立"输入进程" 和 "输出进程"
  • "输入进程"模拟脱机输入时的外围控制机
  • "输出进程"模拟脱机输出时的外围控制机
• 输入缓冲区 和 输出缓冲区是在内存中的缓冲区
  • 在输入进程的控制下, "输入缓冲区"用于暂存从输入设备输入的数据, 之后再转存到输入井中
  • 在输出进程的控制下, "输出缓冲区"用于暂存从输出井送来的数据, 之后再传送到输出设备上

2.3 共享打印机原理分析

• 独占式设备

  • 只允许各个进程串行使用的设备, 一段时间内只能满足一个进程的请求
  • 例子: 若进程1正在使用打印机, 则进程2请求使用打印机时必然阻塞等待

• 共享设备

  • 允许多个进程"同时"使用的设备(宏观上同时使用, 微观上可能是交替使用), 可以同时满足多个进程的使用要求

• 打印机是种"独占式设备", 但是可以用SPOOLing技术改造成"共享设备"

• 原理分析:

  • 当多个用户进程提出输出打印的请求时，系统会答应它们的请求，但是并不是真正把打印机分配给他们，而是由假脱机管理进程为每个进程做两件事:
    • 在磁盘输出井中为进程申请一个空闲缓冲区(也就是说，这个缓冲区是在磁盘上的)，并将要打印的数据送入其中
    • 为用户进程申请一张空白的打印请求表，并将用户的打印请求填入表中(其实就是用来说明用户的打印数据存放位置等信息的)，再将该表挂到假脱机文件队列上。当打印机空闲时，输出进程会从文件队列的队头取出一张打印请求表，并根据表中的要求将要打印的数据从输出井传送到输出缓冲区，再输出到打印机进行打印。用这种方式可依次处理完全部的打印任务
  • 虽然系统中只有一台打印机, 但每个进程提出打印请求时, 系统都会为它们在输出井中为其分配一个存储区(相当于分配了一个逻辑设备), 使每个用户进程都觉得自己在独占一台打印机, 从而实现对打印机的共享
  • SPOOLing技术可以把一台物理设备虚拟成逻辑上的多台设备, 可将独占式设备改造成共享设备

3. 设备的分配与回收

3.1 设备分配时应该考虑哪些因素

• 设备的固有属性
  • 独占设备: 一个时段只能分配给一个进程(如打印机)
  • 共享设备: 可同时分配给多个进程使用(如磁盘), 各进程往往是宏观上同时共享使用设备, 而微观上交替使用
  • 虚拟设备: 采用SPOOLing技术将独占设备改造成虚拟的共享设备, 可同时分配给多个进程使用(如采用SPOOLing技术实现的共享打印机)
• 设备分配算法
  • 先来先服务、优先级高者优先、短任务优先...
• 设备分配中的安全性
  • 从进程运行的安全性上考虑, 设备分配有两种方式:
  • 安全分配方式: 为进程分配一个设备后就将进程阻塞, 本次I/O完成后才将进程唤醒
    • Eg: 考虑进程请求打印机打印输出的例子
    • 一个时间段内每个进程只能使用一个设备
    • 优点: 破坏了"请求和保持"条件, 不会死锁
    • 缺点: 对于一个进程来说, CPU和I/O设备只能串行工作
  • 不安全分配方式: 进程发出I/O请求后, 系统为其分配I/O设备, 进程可继续执行, 之后还可以发出新的I/O请求, 只有某个I/O请求得不到满足时才将进程阻塞
    • 一个进程可以同时使用多个设备
    • 优点: 进程的计算任务和I/O任务可以并行处理, 使进程迅速推进
    • 缺点: 有可能发生死锁(采用死锁避免、死锁的检测和解除处理死锁问题)

3.2 静态分配和动态分配

• 静态分配: 进程运行前为其分配全部所需资源, 运行结束后归还资源
  • 破坏了"请求和保持"条件, 不会发生死锁
• 动态分配: 进程运行过程中动态申请设备资源

3.3 设备分配管理中的数据结构

• ”设备、控制器、通道“之间的关系“:

  • 一个通道可控制多个设备控制器, 每个设备控制器可控制多个设备

  

• 设备控制表(DCT)

  • 系统为每个设备配置一张DCT, 用于记录设备情况

  

• 控制器控制表(COCT)

  • 每个设备控制器都会对应一张COCT, 操作系统根据COCT的信息对控制器进行操作和管理

  

• 通道控制表(CHCT)

  • 每个通道都会对应一张CHCT, 操作系统根据CHCT的信息对通道进行操作和管理

  

• 系统设备表(SDT)

  • 记录了系统中全部设备的情况, 每个设备对应一个表目

  

3.4 设备分配的步骤

• 步骤:
  • 根据进程请求的物理设备名查找SDT(注:物理设备名是进程请求分配设备时提供的参数)
  • 根据SDT找到DCT，若设备忙碌则将进程PCB挂到设备等待队列中，不忙碌则将设备分配给进程
  • 根据DCT找到COCT，若控制器忙碌则将进程PCB挂到控制器等待队列中，不忙碌则将控制器分配给进程
  • 根据COCT找到CHCT,若通道忙碌则将进程PCB挂到通道等待队列中，不忙碌则将通道分配给进程
• 注: 只有设备、控制器、通道三者都分配成功时, 这次设备分配才算成功, 之后便可启动I/O设备进行数据传送
  • 缺点:
    • 用户编程时必须使用“物理设备名”，底层细节对用户不透明，不方便编程
    • 若换了一个物理设备，则程序无法运行
    • 若进程请求的物理设备正在忙碌，则即使系统中还有同类型的设备，进程也必须阻塞等待
  • 改进方法:
    • 建立逻辑设备名与物理设备名的映射机制，用户编程时只需提供逻辑设备名
• 改进的步骤:
  • 根据进程请求的逻辑设备名查找SDT (注:用户编程时提供的逻辑设备名其实就是“设备类型”)
  • 查找SDT，找到用户进程指定类型的、并且空闲的设备，将其分配给该进程。操作系统在逻辑设备表(LUT) 中新增一个表项
  • 根据DCT找到COCT，若控制器忙碌则将进程PCB挂到控制器等待队列中，不忙碌则将控制器分配给进程
  • 根据COCT找到CHCT,若通道忙碌则将进程PCB挂到通道等待队列中，不忙碌则将通道分配给进程
• 逻辑设备表(LUT)
  • 逻辑设备表(LUT) 建立了逻辑设备名与物理设备名之间的映射关系
  • 某用户进程第一次使用设备时使用逻辑设备名向操作系统发出请求，操作系统根据用户进程指定的设备类型(逻辑设备名)查找系统设备表，找到一个空闲设备分配给进程，并在LUT中增加相应表项
  • 如果之后用户进程再次通过相同的逻辑设备名请求使用设备, 则操作系统通过LUT表即可知道用户进程实际要使用的是哪个物理设备了，并且也能知道该设备的驱动程序入口地址
  • 逻辑设备表的设置问题:
    • 整个系统只有一张LUT: 各用户所用的逻辑设备名不允许重复，适用于单用户操作系统
    • 每个用户一张LUT: 不同用户的逻辑设备名可重复，适用于多用户操作系统

4. 缓冲区管理

4.1 缓冲区的概念

• 缓冲区是一个存储区域，可以由专门的硬件寄存器组成，也可利用内存作为缓冲区

• 使用硬件作为缓冲区的成本较高，容量也较小，一般仅用在对速度要求非常高的场合(如**存储器*管理**中所用的联想寄存器，由于对页表的访问频率极高，因此使用速度很快的联想寄存器来存放页表项的副本)

• 一般情况下，更多的是利用内存作为缓冲区，“设备独立性软件”的缓冲区管理就是要组织管理好这些缓冲区

4.2 缓冲区的作用

• 缓和CPU与I/O设备之间速度不匹配的矛盾
  • CPU可以把要输出的数据快速地放入缓冲区, 之后就可以做别的事; 慢速的I/O设备可以慢慢从缓冲区取走数据
  • 数据输入时类似
• 减少对CPU的中断频率，放宽对CPU中断响应时间的限制
  • 如果没有缓冲区, 字符型设备每输出完一个字符就要向CPU发送一次中断信号
• 解决数据粒度不匹配的问题
  • 如输出进程每次可以生成一块数据, 但I/O设备每次只能输出一个字符
• 提高CPU与I/O设备之间的并行性

4.3 单缓冲

• 假设某用户进程请求某种块设备读入若干块的数据。若采用单缓冲的策略，操作系统会在主存中为其分配一个缓冲区(若题目中没有特别说明，一个缓冲区的大小就是一个块)

  • 注意: 当缓冲区数据非空时，不能往缓冲区冲入数据，只能从缓冲区把数据传出; 当缓冲区为空时，可以往缓冲区冲入数据，但必须把缓冲区充满以后，才能从缓冲区把数据传出

  

• 每处理一块数据平均需要多久?

  • T > C

    

  • T < C

    

  • 结论: 采用单缓冲策略, 处理一块数据平均耗时为 Max(C, T) + M

    • 可以这样理解:
    • 当T > C时, 认为T极大, 这样一次数据传输时间主要为T, 而由于单缓冲, T与M不能同时执行, 所以传输时间为 T + M
    • 当T < C时, 认为T无限接近于0, 相当于缓冲区总是满的状态, 这样一次的数据传输消耗的时间就是C + M

4.4 双缓冲

• 假设某用户进程请求某种块设备读入若干块的数据。若采用双缓冲的策略，操作系统会在主存中为其分配两个缓冲区(若题目中没有特别说明，一个缓冲区的大小就是一个块)

• 每处理一块数据平均需要多久?

  • 双缓冲题目中, 假设初始状态为: 工作区空, 其中一个缓冲区满, 另一个缓冲区空

  • T > C + M

    

  • T < C + M

    

  • 结论: 采用双缓冲策略, 处理一个数据块的平均耗时为 Max(T, C + M)

    • 可以这样理解:
      • 当T > C + M时, 认为T极大, 这样一次数据传输时间为T, 而由于双缓冲, T与M能够同时执行, 所以传输时间为 T
      • 当T < C + M时, 认为T无限接近于0, 相当于缓冲区总是满的状态, 这样一次的数据传输消耗的时间就是C + M

4.5 使用单/双缓冲在通信时的区别

• 两台机器之间通信时, 可以配置缓冲区用于数据的发送和接收

• 显然, 若两个相互通信的机器只设置单缓冲区, 在任一时刻只能实现数据的单向传输

• 若两个相互通信的机器设置双缓冲区, 则同一时刻可以实现双向的数据传输

4.6 循环缓冲

• 将多个大小相等的缓冲区链接成一个循环队列

4.7 缓冲池

• 缓冲池由系统中共用的缓冲区组成

• 这些缓冲区按使用状况可以分为: 空缓冲队列、装满输入数据的缓冲队列(输入队列)、装满输出数据的缓冲队列(输出队列)

• 另外，根据一个缓冲区在实际运算中扮演的功能不同，又设置了四种工作缓冲区: 用于收容输入数据的工作缓冲区(hin) 、用于提取输入数据的工作缓冲区(sin) 、用于收容输出数据的工作缓冲区(hout) 、用于提取输出数据的工作缓冲区(sout)

• 原理:
  • 输入进程请求输入数据
    • 从 空缓冲队列 队头取出一块空的缓冲区作为 收容输入数据的工作缓冲区(hin), 冲满数据后将缓冲区挂到输入队列队尾
  • 计算进程想要取得一块输入数据
    • 从 输入队列 队头取下一块缓冲区作为 提取输入数据的工作缓冲区(sin), 缓冲区读空后挂到空缓冲队列队尾
  • 计算进程想要将准备好的数据冲入缓冲区
    • 从 空缓冲队列 队头取出一块空的缓冲区作为 收容输出数据的工作缓冲区(hout), 冲满数据后将缓冲区挂到 输出队列 队尾
  • 输出进程请求输出数据
    • 从 输出队列 队头取下一块缓冲区作为 提取输出数据的工作缓冲区(sout), 缓冲区读空后挂到空缓冲队列 队尾