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# 第七章 设备管理
计算机中负责管理I/O的机构称为I/O系统（硬件和软件的组合）
## IO 设备的 I/O 控制方式
- **程序控制 I/O**
在一个设备的操作没有完成时，控制程序一直检测设备的状态，直到该操作完成，才能进行下一个操作。
- **中断驱动 I/O**
I/O 操作由程序发起，在操作完成时，由外设向CPU发出中断，通知该程序，数据的每次读写通过 CPU。
- **优点**：在外设进行数据处理 时，CPU不必等待，可以继 续执行该程序或其他程序。 提高了CPU的利用率。中断技术使得CPU和外设之间的并行工作成为可能。
- **缺点**：**数据仍然需要通过CPU进行传输**，由于CPU每次处理的数据量少，因此这种方式**只适于数据传输率较低的设备**。
- **直接存储访问 I/O**
对I/O设备的控制由DMA控制器完成，在DMA控制器的作用下，设备和主存之间可以成批地进行数据交换，而不用CPU的干涉。
- **优点：** CPU 只需干预 I/O 的开始和结束，适于高速设备
- **通道控制方式 I/O**
可进一步减少CPU的干预，即把对一个数据块的读(写)为单位的干预，减少为对一组数据块的读(写)及有关的控制和管理为单位的干预。 **一个通道控制多台设备**。CPU仅在I/O操作的开始和结束时花费少量时间处理与I/O有关的工作。**实现CPU、通道和I/O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。
**通道的类型：**
- **字节多路通道**：使用时间片轮转，轮流为各个子通道服务
- **数组选择通道**：高速传输数据，不支持并发
- **数组多路通道**：高速传输，支持并发
**通道的工作原理：**
## IO 设备的分类
- **按数据组织分类**
- **块设备：**指以**数据块为单位**来组织和传送数据信息的设备。它属于**有结构**设备。块设备的基本特征是 **传输速率较高**，通常每秒钟为几兆位；它是**可寻址**的，即可随机地读/写任意一块；磁盘设备的I/O采用DMA方式。
- **字符设备：**指**以单个字符为单位**来传送数据信息的设备。这类设备**一般用于数据的输入和输出**(交互式终端、 打印机)。它属于无结构设备。
- **按数据传输率分类**
低速设备、中速设备、高速设备
- **资源分配角度分类**
- **独占设备：**在一段时间内只允许一个用户（进程）访问的设备。（终端、打印机）
- **共享设备：**在一段时间内允许多个进程同时访问的设备。（磁盘）
- **虚拟设备：**通过虚拟技术将一台独占设备变换为若干台供多个 用户（进程）共享的逻辑设备。（SPOOLing）
## IO 设备管理软件
- **中断处理程序**
解决高速处理设备和低速输入输出设备之间的矛盾，提高系统工作效率。
- **设备驱动程序**
接受来自与设备无关的上层软件的抽象请求；进行与 设备相关的处理。
- **与设备无关的系统软件**
是建立在设备驱动程序之上的，与具体设备无关的I/O功能的集合
- **用户空间的 I/O 软件**
Spooling系统：构成虚拟设备
- 提高了I/O的速度，缓和了CPU与低速I/O设备速度不匹配的矛盾
- 利用高速共享设备，将独占设备改造为共享设备。
- 实现了虚拟设备功能：用户都感到独占了一台设备。
## 缓冲
### 引入缓冲的原因：
- 缓和CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾
- 减少对CPU的中断频率，放宽对中断响应时间的限制
- 提高CPU和I/O设备之间的并行性
### 缓冲技术的分类
- 单缓冲、双缓冲、环形缓冲、缓冲池
### UNIX 的缓冲区管理
为方便对缓冲区进行管理，UNIX系统设置了三种队列。
- **自由 buf 队列**
在Unix系统中，一个可被分配作它用的缓冲存储区，其相应的 buf 位于自由buf队列中。 自由buf队列采用 FIFO 管理算法。一个缓存被释放时，其相应的 buf 被送入自由buf队列的队尾；当要求分配一个缓存时，从队首取出一个buf，它所管理的缓存就可被“移作它用”。
- **设备 buf 队列**
每类设备都有一个buf队列。 一个缓存被分配用于读、写某类块设备上的某一字符块时，其相应的buf就进入该类设备的buf队列，**除非被“移作它用”，否则一直保留在该队列中**。
- **NODEV 设备队列**
当系统需要使用缓存，但不与特定的设备字符块相连时，则将分配到的缓存控制块buf送入NODEV设备队列。用于传参以及存放文件系统的资源管理块
**一个可以移作他用的缓存buf，同时处于原设备buf队列中和自由buf队列中。**
1. 缓存buf内容不变，如若还要用，直接从自由buf队列中抽出。避免了重复、费时的I/O操作过程，从而大大提高了系统的效率。
2. 如果要将一个缓存重新分配，只需要将它从自由buf队列和设备 buf队列中同时抽出，送入新的设备buf队列。实现了进程对有限缓存的共享。
**字符设备缓存**
- 自由字符缓存队列：由空闲的字符缓存构成自由队列。
- I/O字符缓存队列：字符设备通过字符缓存进行输入或输出。各个正被使用的字符缓 存按照它们的不同用途形成多个I/O队列，每个队列设置一个控制块