Notes@Tsukino

第12周_星期二_第2大节

15分钟阅读

第12周 星期二 第2大节 设备管理

  • 视频：screen_操作系统与分布式计算_第12周_星期二_第2大节.mp4
  • 字幕：transcripts/第12周_星期二_第2大节.srt

时间轴

  • [17:56] 进入设备管理模块
  • [25:14] 设备分类：字符设备/块设备/网络设备
  • [27:35] I/O体系结构：端口、接口、总线、设备控制器
  • [41:12] 程序直接控制方式（CPU轮询）
  • [43:40] 中断驱动I/O方式
  • [53:29] DMA直接存储器访问
  • [58:44] 通道控制方式（I/O处理机）
  • [01:15:50] 独占设备 vs 分时共享设备，SPOOLing
  • [01:23:02] I/O软件层次：中断处理→设备驱动→设备无关→用户层
  • [01:49:02] 缓冲技术：单缓冲、双缓冲、循环缓冲
  • [02:18:04] 磁盘物理结构及访问时间

设备管理概述

设备管理是操作系统最后一大核心功能模块。核心目标：

  • 提高CPU与I/O设备的并行程度（CPU高速 vs I/O低速的矛盾）
  • 屏蔽设备硬件差异，为上提供统一使用接口
  • 设备独立性：上层软件不因底层硬件更换而修改

设备管理主要任务：

  1. 记录/掌握设备使用状态
  2. 完成设备的分配与释放
  3. 缓冲区管理
  4. 物理I/O操作（驱动程序）
  5. 提供统一接口、设备访问控制
  6. I/O缓冲与调度

设备分类

类型功能传输单位典型设备
字符设备（人机交互）人与机器交互字符鼠标、键盘、显示器
块设备（存储）数据读写存储块/扇区硬盘、光盘、U盘
网络设备网络通信报文网卡

I/O体系结构

基本概念

  • I/O端口：I/O总线上设备的地址集，每个设备寄存器对应一个端口号
  • I/O接口：端口与设备控制器之间的硬件电路
  • I/O总线：CPU与I/O设备之间的数据通路
  • 设备控制器（I/O固件）：介于CPU与设备之间的电子部分

I/O设备组成

  • 机械部分：设备本身的外观/机械组件
  • 电子部分 = 设备控制器：操作系统实际打交道的对象，负责接收CPU命令、控制机械部分工作

设备控制器寄存器

  1. 控制寄存器：接收CPU发来的读写指令
  2. 状态寄存器：记录设备状态（忙/闲/正常/故障）
  3. 数据缓冲寄存器：暂存传输数据

控制器还负责比特流→字节/块的组装转换。磁盘控制器将串行位流组装为字节块，存入内部缓冲区，校验数据正确性后传入用户缓冲区。

I/O控制方式演变

1. 程序直接控制方式（CPU轮询）

  • 工作原理：CPU直接控制I/O全过程（发指令→测试状态→传数据→等待完成）
  • 优点：实现简单，无额外硬件
  • 缺点：CPU全程等待低速I/O，资源极大浪费
  • 示意图：CPU反复检查设备状态寄存器，忙则等待

2. 中断驱动I/O方式

  • 工作原理：CPU发指令后即可执行其他任务；设备完成时发中断通知CPU；CPU响应中断、完成数据传输
  • 优点：CPU与I/O设备可并行工作，CPU利用率显著提高
  • 缺点：CPU仍需参与每次数据传输（通过寄存器转发），数据量有限，频繁中断对磁盘等高速设备效率仍低

3. DMA方式（直接存储器访问）

  • 工作原理：
    1. CPU向DMA控制器发送指令（操作类别、设备地址、内存缓冲区地址、数据量）
    2. CPU转去做其他工作
    3. DMA接管总线控制权，直接在外设与内存之间传输数据（不经过CPU寄存器转发）
    4. 传输完成后DMA向CPU发中断报告
  • 优点：CPU只干预开始和结束，数据传输无需CPU参与
  • 应用：磁盘访问均采用DMA方式。DMA控制器可集成于磁盘控制器或主板共享

4. 通道控制方式（I/O处理机）

  • 本质：通道是一个专用的I/O处理机（简单处理机），聚焦于执行I/O操作
  • 工作原理：
    1. CPU发出一条I/O指令，给出通道程序的首地址
    2. 通道读取通道程序，自行执行I/O操作
    3. 完成后通道与设备一起发中断报告CPU
  • 与DMA区别：通道有自己的指令系统，可以执行通道程序；一个通道可服务多个设备
  • 优点：进一步减少CPU干预，CPU与通道可并行，不同通道及外设间也可并行
  • 通道类型：
    • 字节多路通道：连接慢速设备（键盘、打印机）
    • 数组多路通道：连接高速存储设备（磁盘）
    • 选择通道

独占设备 vs 分时共享设备 & SPOOLing

独占设备

  • 一次只能由一个进程使用（如打印机）
  • 申请时必须检查设备状态：空闲→分配，占用→阻塞等待

分时共享设备

  • 可以交替服务多个进程的I/O请求（如磁盘）
  • 每次I/O操作独立可中断，不同进程的I/O请求可交错执行
  • 申请时无需检查占用状态，只需增加使用者计数

SPOOLing（假脱机技术）

  • 核心思想：用外存（磁盘）空间把独占设备改造为逻辑上可共享的虚拟设备
  • 工作流程（以打印机为例）：
    1. 打印任务并非直接发送给打印机
    2. 在磁盘上开辟缓冲池（输入井/输出井）
    3. 打印数据先写入磁盘缓冲池
    4. 打印守护进程按顺序从缓冲池取出文件逐项打印
  • 效果：物理上独占的打印机在用户看来可以共享（多个程序可同时提交打印任务）

I/O软件层次结构

┌──────────────────────────────────────┐
│        用户层（系统调用接口）         │ ← 申请/读/写/释放设备
├──────────────────────────────────────┤
│      设备无关I/O软件（设备独立层）    │ ← 设备名→驱动映射、访问控制、缓冲管理
├──────────────────────────────────────┤
│          设备驱动程序                 │ ← 每类设备对应一个，与硬件紧密相关
├──────────────────────────────────────┤
│          中断处理程序                 │ ← 响应设备中断、报告完成
└──────────────────────────────────────┘

中断处理程序（最底层）

  • 设备完成I/O后产生中断，CPU响应后执行
  • 检查设备状态：正常→唤醒等待进程；错误→重试或向上报告
  • 对共享设备：从请求队列取下一个请求包继续执行

设备驱动程序

  • 操作系统底层唯一了解设备控制器细节的软件模块
  • 核心功能：设备初始化、启动数据传输、处理中断
  • 工作过程：将设备无关层的抽象请求转化为具体物理操作（如磁盘：定位柱面/磁道/扇区）
  • 将I/O请求封装为请求包，排入设备请求队列
  • 独占设备：申请失败时挂起进程；共享设备：排队等待
  • 驱动程序可动态加载/卸载（即插即用）

设备无关I/O软件（设备独立层）

  • 执行适用于所有设备的公共I/O功能
  • 核心任务：
    • 设备命名与映射：设备名 → 设备驱动程序
    • 设备访问控制：权限检查
    • 缓冲管理：预读（read ahead）与滞后写（delayed write）
    • 提供统一逻辑块尺寸
    • 存储设备的块分配
    • 出错处理：非操作故障（如磁盘物理损坏）向上报告

用户层

  • 系统调用接口：申请设备、读设备、写设备、释放设备
  • 字符设备：通过设备名直接调用（如 printf 默认输出到显示器，scanf 默认从键盘读入）
  • 块设备：通常通过文件系统间接访问；DBMS可绕过文件系统直接操控磁盘以提高效率
  • 网络设备：通过 socket/套接字等独立API访问

缓冲技术

目的

  • 平衡CPU处理速度与I/O传输速度之间的差距
  • 以空间换时间，提高I/O吞吐率

缓冲类型

  1. 单缓冲：OS在内核空间分配一个缓冲区；实现预读和滞后写
  2. 双缓冲：用户数据区↔缓冲区、缓冲区↔外设之间的数据交换可并行进行
  3. 循环缓冲：多个缓冲区构成环形，典型应用为生产者-消费者模型

预读与滞后写

  • 预读（read ahead）：提前将外存数据读入缓冲区，CPU访问时无需等待
  • 滞后写（delayed write）：写数据先存入缓冲区，缓冲满后再一次性写出

I/O请求完整流程（以读文件为例）

  1. 用户进程发读文件系统调用
  2. 设备无关I/O软件检查参数正确性
  3. 检查高速缓存中是否有目标数据（有则直接返回，效率高）
  4. 无缓存 → 将设备逻辑名转化为物理名，检查访问权限
  5. 封装I/O请求包，排入设备请求队列，阻塞当前进程
  6. 磁盘驱动程序获取请求，分配缓冲区，向磁盘控制器发启动读命令
  7. 磁盘控制器控制设备通过DMA传输数据（一个扇区为单位）
  8. 传输完成 → 控制器发中断
  9. CPU响应中断，调用中断处理程序
  10. 检查状态：正确 → 数据传入用户进程空间，唤醒等待进程；错误 → 重试（若干次仍错则报告故障）

磁盘物理结构与访问时间

物理结构

  • 多个盘面（platter），每个盘面对应一个磁头
  • 每个盘面有若干磁道（track）/ 柱面（cylinder）
  • 每个磁道划分为若干扇区（sector），每次读写以扇区为单位

磁盘地址组成

  • 盘面号 → 磁道号（柱面号） → 扇区号

磁盘访问时间

访问时间 = 寻道时间 + 旋转延迟 + 传输时间
时间分量说明软件可优化？
寻道时间磁头移动到目标磁道/柱面✅ 通过调度策略减少磁头移动距离
旋转延迟等待目标扇区旋转到磁头下✅ 可优化
传输时间数据从盘面读出传输❌ 由物理特性决定

寻道时间占比最大，OS通过磁盘调度策略（下节课）合理安排I/O请求顺序以最小化寻道时间。

I/O硬件发展脉络

CPU直接控制 → I/O指令引入 → 中断机制 → DMA → 通道（I/O处理机）

每一步都进一步将CPU从I/O操作中解放出来，提高CPU与I/O设备的并行程度。

考试/复习重点

  • 四种I/O控制方式对比：程序直接控制→中断→DMA→通道
  • DMA与通道的区别（DMA：固定功能控制器；通道：可编程I/O处理机，可服务多设备）
  • I/O软件四层架构及各层职责
  • SPOOLing技术原理（用磁盘空间将独占设备虚拟为共享设备）
  • 缓冲技术：单缓冲/双缓冲/循环缓冲 + 预读与滞后写
  • 磁盘访问时间公式 = 寻道 + 旋转延迟 + 传输（重点是寻道时间优化）
  • 设备控制器三大寄存器：控制、状态、数据缓冲
  • 设备分类：字符/块/网络设备

作业

  • 无

其他需要回看的片段

  • [53:29] DMA方式讲解
  • [01:15:50] SPOOLing打印机假脱机原理

关系图谱