设备管理

I/O系统组成

1. I/O设备：打印机和磁盘
2. I/O设备控制器
3. I/O通道

四级结构

$存储器 \rightarrow I/O通道 \rightarrow I/O控制器 \rightarrow I/O设备$

4. 总线

I/O控制方式(4种)

cpu与外部设备之间信息交换方式

1. cpu与外部设备的关系
2. 传输信息的方式

程序I/O方式

1. 定义：cpu通过执行测试指令判断I/O设备状态busy
   1. 0
   2. 1
2. cpu与I/O串行工作
3. 每次只能传输一个字符

中断控制

1. 定义：因为内部某些原因，cpu停止当前程序的执行而转去执行中断服务程序(I/O操作)，当中断程序执行完以后，又返回到中断的程序继续执行

2. 分类

   1. 硬中断
   2. 软中断

3. 中断的过程

   1. 保存中断现场(入栈)
      1. PSW(状态寄存器)
      2. PC(程序寄存器)
   2. 转入中断服务程序执行($中断向量 \rightarrow 入口地址$)
   3. 返回中断(出栈)：$PC+1 \rightarrow PC$

   数据寄存器：存放一个字符

   cpu与I/O设备在启动中断操作的时候只串行，而其他都是并行

   $中断频率高 \rightarrow cpu的干预多$

4. 中断方式适用于打印机(字符设备)

DMA控制方式

1. 定义：在DMA控制器的控制下，完成cpu与I/O设备的信息交换

2. DMA控制器的组成

   寄存器，控制逻辑与I/O设备的接口

   四个寄存器：DR(数据寄存器)，MAR(内存地址寄存器)，DC(数据计数器)，CR(命令/状态寄存器)

3. 传输用系统总线

4. cpu与I/O设备并行工作(周期的挪用)

   1. cpu执行简单指令(访问cpu寄存器)(几乎可以做到并行)
   2. cpu执行复杂指令(访问内存)(不可以并行)

中断驱动与DMA控制方式的区别

1. 产生中断的频率不同
2. 数据传输方式不同

I/O通道控制(了解)

I/O通道控制

缓冲区

缓冲的引入

1. 缓和CPU与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

实现方法

1. 内存(连续一片存储空间，作为缓冲区)

2. 寄存器

   例：在分页系统中：快表(联想寄存器)

两种缓冲区(数据块处理时间的计算)

1. 单缓冲：设置一个与数据块大小相等的缓冲区

   

   处理过程

   1. T：从I/O设备输入到单缓冲的时间
   2. M：从单缓冲取出数据传送到内存工作区的时间
   3. C：cpu执行时间

   其中，T,M为串行工作，T,C并行工作

   一个数据块处理：T+M+C

   多个数据块处理：MAX(T,C)+M

   例：假设把磁盘上一个数据块中的信息输入一单缓冲区的时间T为100us,将缓冲区的数据传送到用户区的时间M为50us，CPU对这一块数据进行计算的时间C为50us。请问系统对一块数据的处理时间为多少

   解：

   单个为：100+50+50=200us

   例：设系统缓冲区和用户工作区均采用单缓冲区，从外设读入1个数据块到系统缓冲区的时间为100，从系统缓冲区读入1个数据块到用户工作区的时间为5，对用户工作区中的1个数据块进行分析的时间为90，问：进程从外设读入并分析2个数据块的最短时间是多少？

   解：

   

   $T_1+M_1+T_2+M_2+C_2$=100+5+100+5+90=300us

   例：已知有包括10个数据块的文件用单缓冲进行数据处理，其中从磁盘输入到缓冲区的时间是15us；再从缓冲区传送到内存时间为5us，最后对数据块执行时间为1us

   解：

   $T_1+M_1+C_{10}+(10-1) \times 20$=15+5+1+9 X 20=201us

2. 双缓冲

   1. 缓冲区1
   2. 缓冲区2

   

   处理过程

   1. T：从I/O设备输入到单缓冲的时间
   2. M：从单缓冲取出数据传送到内存工作区的时间
   3. C：cpu执行时间

   其中，T,M为并行工作，T,C并行工作

   一个数据块处理：T+M+C

   多个数据块处理：MAX(T,M+C)

   例：假设把磁盘上一个数据块中的信息输入一双缓冲区的时间T为100us,将缓冲区的数据传送到用户区的时间M为50us，CPU对这一块数据进行计算的时间C为50us。请问系统对一块数据的处理时间为多少？

   单个为：100+50+50=200us

   例：设系统缓冲区和用户工作区均采用双缓冲区，从外设读入1个数据块到系统缓冲区的时间为100，从系统缓冲区读入1个数据块到用户工作区的时间为5，对用户工作区中的1个数据块进行分析的时间为90，问：进程从外设读入并分析2个数据块的最短时间是多少？

   解：

   $T_1+T_2+M_2+C_2$=100+100+5+90=295us

   例：已知有包括10个数据块的文件用双缓冲进行数据处理，其中从磁盘输入到缓冲区的时间是15us；再从缓冲区传送到内存时间为5us，最后对数据块执行时间为1us

   解：

   $T_1+T \times 9 +M_{10}+C_{10}$=150+6=156us

SPOOLing技术

1. 引入的原因

   1. 脱机：外围机，磁盘
   2. 联机：CPU，内存

2. 假脱机：$脱机 \rightarrow 联机$

   定义：在主机的直接控制下，实现脱机输入，输出功能,此时的外围操作与CPU对数据的处理同时进行。

3. 组成

   1. 磁盘：输入井和输出井(大量磁盘空间)

      一个暂时存放输入和输出的数据

   2. 内存，输入buffer和输出buffer(少量内存)

   3. 两道程序(进程)：输入/输出进程(多到程序设计技术)

4. 操作

   1. 输入：I/O设备$\rightarrow$ 输出buffer$\rightarrow$输出井
   2. 输出：输入井$\rightarrow$输出buffer$\rightarrow$I/O设备

5. 应用

   打印机：独占设备$\rightarrow$共享设备

6. 特点

   1. 提高I/O速度：

      对低速设备操作——>变为对输入/出#操作。

   2. 将独占设备改造为共享设备

      分配设备的实质时分配输入/出#

   3. 实现了虚拟设备功能

磁盘存储器

硬件特性

空间分配(第六章：文件管理)

1. 存储

   盘片(柱面)$\rightarrow$扇区$\rightarrow$数据块

2. 以磁头设置划分

   1. 固定头
   2. 移动头

3. 移动头磁盘访问时间

   1. 寻道时间($T_s$)
   2. 寻找扇区的时间($T_r$)
   3. 传输时间($T_t$)

   $T_r$，$T_t$磁盘的机械特性

磁盘调度算法

1. 先来先服务FCFS

   访问要求：从已知磁头所在的磁道开始按照进程访问的顺序依次读取

2. 最短寻道时间优先SSTF

   访问要求：离当前的磁头距离最近的磁道先进行访问

3. 扫描(SCAN)算法

   规定访问方向：从里到外(磁盘号增加)或从外到里(磁盘号减少)

   访问要求：

   1. 访问方向(来访问)
   2. 再探究反方向访问剩下的磁道

4. 循环扫描(CSCAN)算法

   访问要求：只有一个方向

例：磁盘请求服务队列中要访问的磁道分别为38、6、37、100、14、124、65、67，磁头上次访问了20磁道，当前处于30磁道上，试采用FCFS、SSTF和SCAN调度算法，分别计算磁头移动的磁道数