输入输出管理：设备独立性软件

1.设备独立性软件

下图来自王道考研操作系统
I/O软件层次结构

下图来自程序员cxuan
I/O软件层次结构

1.0 设备独立性

设备独立性的概念
是指用户在程序中使用的设备与实际使用的设备无关，即在用户程序中仅使用逻辑设备名。也称为设备无关性。–摘自：设备管理 | I/O软件

下图来自设备管理 | I/O软件

1.1 设备分配与回收

设备分配时应考虑的因素
1.设备固有属性：独占式设备，共享设备，虚拟设备
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）各进程宏观上同时共享使用设备，微观上交替使用
虚拟设备：用SPOOLING技术将独占设备改造为虚拟共享设备，可同时分配给多个进程使用
2.设备分配算法：先来先服务、优先级高者优先、短任务优先等等
3.设备分配中的安全性：安全与否在于为进程分配完设备后，该进程是否被阻塞
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
一个时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，进程不被阻塞可以继续执行，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（死锁避免、死锁的检查和解除）

1.1.1 静态分配与动态分配

静态分配：进程运行前系统为其分配所需全部资源，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

1.1.2 设备分配管理中的数据结构

下图改编自王道考研操作系统
通道、控制器、设备之间的关系及其对应数据结构

下图来自王道考研操作系统
通道控制表（CHCT）一个通道一张CHCT，OS根据该表对通道进行操作和管理

下图来自王道考研操作系统
控制器控制表（COCT）一个控制器一张COCT，OS根据该表对控制器进行操作和管理

下图来自王道考研操作系统
设备控制表（DCT）一个设备一张DCT，用于记录设备情况

下图来自王道考研操作系统
系统控制表（SDT）记录系统中全部设备

1.1.3 设备分配的步骤

物理设备名->SDT->DCT->COCT>CHCT

注意：只有设备、控制器、通道三者都分配成功时，本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
下图改编自王道考研操作系统

上述设备分配中的缺点：
1.用户编程时必须使用“物理设备名”
2.若换了一个物理设备，则程序无法运行
3.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

1.1.4 设备分配步骤的改进方法

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

逻辑设备名->LUT->物理设备名->SDT->DCT->COCT>CHCT
下图改编自王道考研操作系统

1.2 缓冲区管理

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

缓冲区作用：

1. 缓和CPU与I/O设备之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. 解决数据粒度不匹配问题（如进程每次输出一块数据，I/O设备每次读取一个字符）
4. 提高CPU与I/O设备之间的并行性

下图来自王道考研操作系统

缓冲区特点
当数据流向为 CPU -> 缓冲区 -> I/O 时缓冲区的特点如下面两图
当数据流向为 CPU <- 缓冲区 <- I/O 时缓冲区的特点也一样

1.2.1 单缓冲

下图改编自王道考研操作系统
输入时间 (T) > 处理时间 (C) 的情况

采用单缓冲策略处理一块数据平均耗时 $\text{Max}(C,T)+M$

下图改编自王道考研操作系统
输入时间 (T) < 处理时间 (C) 的情况

下图来自王道考研操作系统

采用单缓冲策略处理一块数据平均耗时 $\text{Max}(C,T)+M$

1.2.2 双缓冲

下图改编自王道考研操作系统
输入时间 (T) > 处理时间 (C) + 传送时间 (M)的情况

采用双缓冲策略处理一块数据平均耗时 $\text{Max}(T,C+M)$

下图改编自王道考研操作系统
输入时间 (T) < 处理时间 (C) + 传送时间 (M)的情况

采用双缓冲策略处理一块数据平均耗时 $\text{Max}(T,C+M)$

下图改编自王道考研操作系统
输入时间 (2T) < 处理时间 (C) + 传送时间 (2M)的情况

采用双缓冲策略处理一块数据平均耗时 $\text{Max}(T,C+M)$

1.2.3 循环缓冲

下图来自王道考研操作系统

1.2.4 缓冲池

缓冲池由系统中共用的缓冲区组成
缓冲区按使用状况挂到不同队列上：空缓冲队列、装满输入数据的队列（输入队列）、装满输出数据的缓冲队列（输出队列）
根据一个缓冲区在实际运算中扮演的功能不同，设置了四种工作缓冲区：
1.用于收容输入数据的工作缓冲区（hin）
2.用于提取输入数据的工作缓冲区（sin）
3.用于收容输出数据的工作缓冲区（hout）
4.用于提取输出数据的工作缓冲区（sout）

下图来自王道考研操作系统
情况一：输入进程请求输出数据
从空缓冲队列中取出一块缓冲区作为hin，冲满数据后将该缓冲区挂到输入队列队尾

下图来自王道考研操作系统
情况二：计算进程想取得一块输入数据
从输入队列对头取得一块冲满数据的缓冲区作为sin，此缓冲区中数据被进程提取完后变为空缓冲区，将其挂到空缓冲队列队尾

下图来自王道考研操作系统
情况三：计算进程想要将准备好的数据冲入缓冲区
从空缓冲队列中取得一块缓冲区作为hout，进程将输出数据冲满此缓冲区后，挂到输出队列队尾，以备I/O设备读取

情况四：输出进程请求输出数据
从输出队列中取得一块冲满数据的缓冲区作为sout，该缓冲区中数据被取走后，缓冲区变为空缓冲区，将其挂到空缓冲队列