计算机操作系统 第六章：输入输出系统（3）

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6.5  与设备无关的I/O软件

6.5.1  与设备无关(Device Independence)软件的基本概念

6.5.2  与设备无关的软件

 6.5.3  设备分配

6.6  用户层的I/O软件

6.6.1  系统调用与库函数  

6.6.2  假脱机(Spooling)系统

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6.5  与设备无关的I/O软件

　　为了方便用户和提高OS的可适应性与可扩展性，在现代OS的I/O系统中，都无一例外地增加了与设备无关的I/O软件，以实现设备独立性，也称为设备无关性。其基本含义是：应用程序中所用的设备，不局限于使用某个具体的物理设备。为每个设备所配置的设备驱动程序是与硬件紧密相关的软件。

6.5.1  与设备无关(Device Independence)软件的基本概念

 
1. 以物理设备名使用设备
　　在早期OS中，应用程序在使用I/O设备时，都使用设备的物理名称，这使应用程序与系统中的物理设备直接相关。

2. 引入了逻辑设备名
　　为了实现与设备的无关性而引入了逻辑设备和物理设备两个概念。逻辑设备是抽象的设备名。

 3. 逻辑设备名称到物理设备名称的转换
　　在应用程序中，用逻辑设备名称使用设备虽然方便了用户，但系统却只识别物理设备名称，因此在实际执行时，还必须使用物理名称。为此，在系统中，必须具有将逻辑设备名称转换为某物理设备名称的功能。

6.5.2  与设备无关的软件

1. 设备驱动程序的统一接口
　　为了使所有的设备驱动程序有着统一的接口，一方面，要求每个设备驱动程序与OS之间都有着相同的接口，或者相近的接口，这样会使添加一个新的设备驱动程序变得很容易，同时在很大程度上方便了开发人员对设备驱动程序的编制。另一方面，要将抽象的设备名映射到适当的驱动程序上，或者说，将抽象的设备名转换为具体的物理设备名，并进一步可以找到相应物理设备的驱动程序入口。此外，还应对设备进行保护，禁止用户直接访问设备，以防止无权访问的用户使用。

2. 缓冲管理
　　无论是字符设备还是块设备，它们的运行速度都远低于CPU的速度。为了缓和CPU和I/O设备之间的矛盾、提高CPU的利用率，在现代OS中都无一例外地分别为字符设备和块设备配置了相应的缓冲区。缓冲区有着多种形式，如单缓冲区、双缓冲区、循环缓冲区、公用缓冲池等，以满足不同情况的需要。

3. 差错控制
　　由于设备中有着许多的机械和电气部分，因此，它们比主机更容易出现故障，这就导致I/O操作中的绝大多数错误都与设备有关。错误可分为如下两类：
　　(1) 暂时性错误。
　　(2) 持久性错误。

4. 对独立设备的分配与回收
　　在系统中有两类设备：独占设备和共享设备。对于独占设备，为了避免诸进程对独占设备的争夺，必须由系统来统一分配，不允许进程自行使用。每当进程需要使用某(独占)设备时，必须先提出申请。OS接到对设备的请求后，先对进程所请求的独占设备进行检查，看该设备是否空闲。若空闲，才把该设备分配给请求进程。否则，进程将被阻塞，放入该设备的请求队列中等待。等到其它进程释放该设备时，再将队列中的第一个进程唤醒，该进程得到设备后继续运行。

5. 独立于设备的逻辑数据块
　　不同类型的设备，其数据交换单位是不同的，读取和传输速率也各不相同，如字符型设备以单个字符(字)为单位，块设备是以一个数据块为单位。即使同一类型的设备，其数据交换单位的大小也是有差异的，如不同磁盘由于扇区大小的不同，可能造成数据块大小的不一致。设备独立性软件应能够隐藏这些差异而被逻辑设备使用，并向高层软件提供大小统一的逻辑数据块。与设备无关软件的功能如图6-16所示。

 6.5.3  设备分配

　　系统为实现对独占设备的分配，必须在系统中配置相应的数据结构。

1. 设备分配中的数据结构
　　在用于设备分配的数据结构中，记录了对设备或控制器进行控制所需的信息。在进行设备分配时需要如下的数据结构。
　　1) 设备控制表DCT
　　系统为每一个设备都配置了一张设备控制表，用于记录设备的情况，如图6-17所示。

 2) 控制器控制表、通道控制表和系统设备表
　　(1) 控制器控制表(COCT)。系统为每一个控制器都设置了用于记录控制器情况的控制器控制表，如图6-18(a)所示。　(2) 通道控制表(CHCT)。每个通道都有一张通道控制表，如图6-18(b)所示。
　　(3) 系统设备表(SDT)。这是系统范围的数据结构，记录了系统中全部设备的情况，每个设备占一个表目，其中包括有设备类型、设备标识符、设备控制表及设备驱动程序的入口等项，如图6-18(c)所示。

 2. 设备分配时应考虑的因素
　　系统在分配设备时，应考虑如下几个因素：
　　1) 设备的固有属性
　　设备的固有属性可分成三种，对它们应采取不同的分配策略：
　　(1) 独占设备的分配策略。
　　(2) 共享设备的分配策略。
　　(3) 虚拟设备的分配策略，虚拟设备属于可共享的设备，可以将它同时分配给多个进程使用。

2) 设备分配算法
　　对设备分配的算法，通常只采用以下两种分配算法：
　　(1) 先来先服务。
　　(2) 优先级高者优先。

3) 设备分配中的安全性
　　从进程运行的安全性上考虑，设备分配有以下两种方式：
　　(1) 安全分配方式。
　　(2) 不安全分配方式。

3. 独占设备的分配程序   
　　1) 基本的设备分配程序
　　我们通过一个例子来介绍设备分配过程。当某进程提出I/O请求后，系统的设备分配程序可按下述步骤进行设备分配：
　　(1) 分配设备。
　　(2) 分配控制器。
　　(3) 分配通道。

2) 设备分配程序的改进
　　在上面的例子中，进程是以物理设备名提出I/O请求的。如果所指定的设备已分配给其它进程，则分配失败。或者说上面的设备分配程序不具有与设备无关性。为获得设备的独立性，进程应使用逻辑设备名请求I/O。

6.5.4  逻辑设备名到物理设备名映射的实现

1. 逻辑设备表LUT(Logical Unit Table)
　　在逻辑设备表的每个表目中包含了三项：逻辑设备名、物理设备名和设备驱动程序的入口地址，如图6-19(a)所示。

 2. 逻辑设备表的设置问题
　　在系统中可采取两种方式设置逻辑设备表：
　　第一种方式，是在整个系统中只设置一张LUT。
　　第二种方式，是为每个用户设置一张LUT。

6.6  用户层的I/O软件

6.6.1  系统调用与库函数  

1. 系统调用
　　一方面，为使诸进程能有条不紊地使用I/O设备，且能保护设备的安全性，不允许运行在用户态的应用进程去直接调用运行在核心态(系统态)的OS过程。但另一方面，应用进程在运行时，又必须取得OS所提供的服务，否则，应用程序几乎无法运行。为了解决此矛盾，OS在用户层中引入了一个中介过程——系统调用，应用程序可以通过它间接调用OS中的I/O过程，对I/O设备进行操作。

 

 2. 库函数
　　在C语言以及UNIX系统中，系统调用(如read)与各系统调用所使用的库函数(如read)之间几乎是一一对应的。而微软定义了一套过程，称为Win32 API的应用程序接口(Application Program Interface)，程序员利用它们取得OS服务，该接口与实际的系统调用并不一一对应。用户程序通过调用对应的库函数使用系统调用，这些库函数与调用程序连接在一起，被嵌入在运行时装入内存的二进制程序中。

6.6.2  假脱机(Spooling)系统

1. 假脱机技术  
　　在20世纪50年代，为了缓和CPU的高速性与I/O设备低速性间的矛盾，而引入了脱机输入、脱机输出技术。该技术是利用专门的外围控制机，先将低速I/O设备上的数据传送到高速磁盘上，或者相反。这样当处理机需要输入数据时，便可以直接从磁盘中读取数据，极大地提高了输入速度。反之，在处理机需要输出数据时，也可以很快的速度把数据先输出到磁盘上，处理机便可去做自己的事情。

2.  SPOOLing的组成
　　如前所述，SPOOLing技术是对脱机输入/输出系统的模拟，相应地，如图6-21(a)所示，SPOOLing系统建立在通道技术和多道程序技术的基础上，以高速随机外存(通常为磁盘)为后援存储器。SPOOLing的工作原理如图6-21(b)所示。

 SPOOLing系统主要由以下四部分构成：
　　(1) 输入井和输出井。
　　(2) 输入缓冲区和输出缓冲区。
　　(3) 输入进程和输出进程。
　　(4) 井管理程序。

3.  SPOOLing系统的特点
　　(1) 提高了I/O的速度。
　　(2) 将独占设备改造为共享设备。
　　(3) 实现了虚拟设备功能。

4. 假脱机打印机系统
　　打印机是经常用到的输出设备，属于独占设备。利用假脱机技术可将它改造为一台可供多个用户共享的打印设备，从而提高设备的利用率，也方便了用户。共享打印机技术已被广泛地用于多用户系统和局域网络中。假脱机打印系统主要有以下三部分：
　　(1) 磁盘缓冲区。
　　(2) 打印缓冲区。
　　(3) 假脱机管理进程和假脱机打印进程。

5. 守护进程(daemon)
　　前面是利用假脱机系统来实现打印机共享的一种方案，人们对该方案进行了某些修改，如取消该方案中的假脱机管理进程，为打印机建立一个守护进程，由它执行一部分原来由假脱机管理进程实现的功能，如为用户在磁盘缓冲区中申请一个空闲盘块，并将要打印的数据送入其中，将该盘块的首址返回给请求进程。另一部分由请求进程自己完成，每个要求打印的进程首先生成一份要求打印的文件，其中包含对打印的要求和指向装有打印输出数据盘块的指针等信息，然后将用户请求打印文件放入假脱机文件队列(目录)中。