设备管理的主要对象是 I/O 设备，可能还会涉及到设备管理器和 I/O 通道。基本的任务是完成用户提出的 I/O 请求，提高 I/O 速率以及提高 I/O 设备的利用率。本节主要部分包括 I/O 系统，I/O 控制方式，缓冲管理，I/O 软件，设备分配和磁盘存储的管理。
I/O系统
I/O 系统是用于实现数据输入、输出和存储的系统。需要相应的设备控制器和高速总线。
I/O设备
- 分类：
- 按照使用特性分：存储设备，输入/输出设备
- 按照速率分类：低速设备，中速设备，高速设备
- 按照信息交换的单位分类：块设备，字符设备。
- 按照共享属性分类：独占设备，共享设备，虚拟设备。
- 接口：数据信号线：控制信号线，状态信号线。
设备控制器
- 基本功能：接受和识别命令、数交换、标志和报告设备的状态、地址识别、数据缓冲和差错控制。
- 组成：寄存器（数据寄存器（接受来自 CPU 或 I/O 逻辑），控制/状态寄存器），I/O 逻辑，控制器与设备的接口。
- 信号交换：
- 与 CPU 信号交换：数据线（连接数据寄存器和控制/状态寄存器），地址线，控制线
- 与设备的交换：接口，每个接口一般包含数据、控制和状态三种类型的信号。(根据 CPU 发来的地址信号区选择具体设备)
- I/O 逻辑：实现设备控制。
I/O通道
- I/O 通道一类特殊的处理机。指令类型单一，主要局限于 I/O 操作相关。没有内存，程序在主机内存中。
- 类型：
- 字节多路通道：包含多个子通道，按照字节交叉方式工作。时间片轮转方式共享主通道。
- 数组选择通道：一段时间仅执行一个通道程序，控制一台设备进行数据传送。
- 数组多路通道：包含前两者的优点。
- 瓶颈：通道数量少。解决方法：多通道共享给多个控制器。
总线系统
- ISA Industry Standard Architecture 总线/ Extended ISA 总线
- 局部总线：VESA Video Electronic Standard Association 总线和 PCI Peripheral component Interface 总线
I/O控制方式
程序I/O方式
- 几乎不采用，CPU 不断检测控制器状态判断是否完成 I/O 操作，处于忙等待。
中断驱动I/O方式
- I/O 控制器和 CPU 并行，提高 CPU 利用率。
- 仍以字节为单位。
直接存储器访问(DMA)I/O控制方式
- DMA Direct Memory Access 特点：
- 数据基本单位：数据块。
- 数据是内存和设备间的传输。
- 仅在一个或多个数据块传输的开始和结束才需要 CPU 干预。整个传送过程是在控制器下完成的。
- DMA 控制器组成：主机与 DMA 控制器的接口，DMA 控制器与块设备的接口，I/O 控制逻辑。
- 设置四类寄存器：命令/状态寄存器（CR），内存地址寄存器（MAR），数据寄存器（DR），数据计数器（DC）。
I/O通道控制方式
- I/O 通道方式：CPU 对数据块的的 I/O 操作以组为单位。实现了 CPU、通道和 I/O 设备三者并行操作。
- 通道程序：操作码，内存地址，计数，通道程序结束位 P，记录结束标志 R。
缓冲管理
缓冲的引入
- 缓解 CPU 与 I/O 设备速度不匹配
- 减少 CPU 中断频率
- 提高 CUPU 与 I/O 设备的并行性
单缓冲和双缓冲
- 单缓冲：可能出现一个进程尚未完成对缓冲的使用，后一进程想要使用缓冲。
- 双缓冲机制，也称为缓冲对换。减缓设备并行冲突。
- 双机通信：单缓冲则类似半双工通信，双缓冲类似全双工通信。
循环缓冲
- 引入多缓冲，形成循环缓冲形式。缓解两进程速度不匹配的问题。
- 循环缓冲的组成：
- 多缓冲区：多个大小相同的缓冲区。其中分为空缓存，装满缓冲，工作缓冲。
- 多指针：下一个可用空缓冲 Nextg，下一个可用满缓冲 Nexti，正在工作的缓冲区 C。
- 可能还需要计数，互斥量等。
- 使用：
- Getbuf 过程
- Releasebuf 过程
- 进程同步：两个指针速度不匹配会出现不同进程对系统的限制。
缓冲池
- 缓冲池 Buffer Pool：设置多个可供若干进程共享的缓冲区。
- 同时具备输入和输入的公用缓冲池一般包括三类缓冲区：空缓冲区；装满输入数据的缓冲区；装满输出数据的缓冲区。
- 相同类型缓冲区一般排成三个队列。
- 还有相应的工作缓冲区：分别用于输入/输出数据的收容/提取缓冲，所以还有四类工作缓冲。
- 考虑到互斥和同步的问题：工作流程如下
-
Procedure Getbuf(type) begin Wait(RS(type)); Wait(MS(type)); B(number):=Takebuf(type); Signal(MS(type)); end Procedure Putbuf(type) begin Wait(MS(type)); Addbuf(type, number); Signal(MS(type)); Signal(RS(type)); end - 缓冲区工作方式；分别由收容输、提取输入、收容输出、提取输出四种工作方式。
I/O软件
设备分配
设备分配中的数据结构
- 设备控制表 DCT：设备类型，设备标识符，设备状态，指向控制表的指针，重复执行次数或时间，设备队列的队首指针。
- 控制器控制表，通道控制表，系统设备表。
设备分配时考虑的因素
- 设备固有属性：独享设备，共享设备，虚拟设备。
- 分配算法：FIFS，优先级高者优先。
- 设备分配安全性：安全分配（常 I/O 请求则阻塞，摒弃“请求和保持”条件）和不安全分配。
设备独立性
- 设备独立性，也称为设备无关性：应用程序独立于具体使用的物理设备。引入逻辑设备和物理设备概念，所以具有逻辑设备名称转换为物理设备名称的功能。带来的好处：设备分配时的灵活性，易于实现 I/O 重定向。
- 设备独立性软件：执行所有设备的共有操作，向用户层（或文件层）软件提供统一接口
- 逻辑设备名到物理设备名的映射实现：逻辑设备表，LUT 的设置问题。
独占设备的分配程序
- 基本分配程序：分配设备：分配控制器，分配通道。三者都分配成功才算分配成功。
- 改进：增加设备对立性。考虑多通路情况（当所有通路或设备都忙才算忙）。
SPOOLing 技术
- 将一台物理 I/O 设备虚拟为多台逻辑 I/O 设备。允许多个用户共享一台物理 I/O 设备。
- SPOOLing Simultaneaus Periphenal Operation On-Line：用一道程序模拟脱机输出、输入时外围控制器的功能。
- 共享打印机：SPOOLing 系统同意打印，但并未立即打印。仅在输出进程中记录打印数据，并添加用户请求打印表到打印队列上。
- 特点：提高 I/O 速度，独占设备变为共享设备，实现虚拟设备功能。
设备处理
设备驱动程序的功能和特点
- 设备驱动程序的功能：
- 接受 I/O 进程发来的命令和参数，将抽象要求转换为具体要求。
- 检测用户 I/O 请求的合法性。
- 发出 I/O 命令
- 及时响应控制器或通道发来的中断请求
- 对于设置通道的计算机，驱动程序根据用户 I/O 请求，自动构成通道程序。
- 设备处理方式：
- 为每类设备设置一个进程
- 为整个系统设置一个 I/O 进程
- 不设置进程，仅为每类设备设置相应的设备处理程序（模块）以供调用。
- 特点：
- 驱动程序是 I/O 请求进程与设备控制器之间的一个通信和转换程序。
- 与设备控制器和 I/O 设备硬件特性相关。
- 与 I/O 设备采用的 I/O 控制方式紧密相关。
- 由于与硬件紧密相关，所以其中一部分必须由汇编语言书写。
设备驱动程序的处理过程
- 抽象要求转换为具体要求
- 检查 I/O 请求的合法性
- 读出和检查设备的状态
- 传送必要的数据
- 工作方式设置
- 启动 I/O 设备
磁盘存储器管理
磁盘性能概述
- 数据结构：磁盘设备，多个物理盘片，一到两个存储面，多个磁道*多个扇区。
- 磁盘类型：固定头磁盘（每个磁道一个头），移动头磁盘（每个盘面一个头）
- 访问时间：
- 寻道时间 $T_S = m \times n + s$，启动磁臂的时间 $s$ 加上移动 $n$ 条磁道所花费的时间和。
- 旋转延迟时间 $T_r$
- 传输时间 $T_t = b / rN$，$r$ 为每秒磁盘转数，$N$ 为一条磁道上的字节数，$b$ 为总字节数。
- 总时间：
$$ T_a = T_S + \frac{1}{2r} + \frac{b}{rN}$$
磁盘调度
- 先来先服务 FCFS：公平，简单，但平均寻道距离大，适用于请求磁盘 I/O 的进程数目较少的场合。
- 最短寻道时间优先 SSTF，Shortest Seek Time First：产生进程“饥饿”现象
- 扫描（SCAN）算法：磁头运动方向相同的最短寻道时间优先，其次才是最短寻道时间优先。可避免饥饿情况。
- 循环扫描（CSCAN）算法：在 SCAN 算法基础上，设定磁头仅单向移动，单向移动结束后，只需要将磁头移动到反方向欲访问的磁道上。
- NStepSCAN 和 FSCAN 调度算法：将新进入的磁盘请求与之前的磁盘请求分开成不同队列存储（NStep 则 N 个队列，FSCAN 则两个队列）。
磁盘高速缓冲 Disk Cache
- 磁盘高速缓存形式：逻辑上属于磁盘，物理上驻留在内存的盘块。
- 第一种：单独在内存中开辟一块空间作为磁盘高速缓存，大小固定。
- 第二种：将未利用的内存空间变成一个缓冲池，供请求分页系统和磁盘 I/O（磁盘高速缓存）时共享。
- 数据交付方式
- 数据交付：直接交付好俗缓存种的数据。
- 指针交付：将高速缓存中某个区域的指针交付给请求者进程。
- 置换算法
- 最近最久未使用原则
- 访问频率
- 可预见性
- 数据的一致性
- 周期性地写回磁盘：UNIX 具有这种固定时间间隔强制写回的机制。MS-DOS 采用的是有修改则立即写回“写穿透、高速缓存”(write-through cache)。
提高磁盘I/O速度的其他方法
- 提前读
- 延迟写
- 优化物理块分布（减小磁头移动）
- 虚拟盘（利用内存去仿真磁盘）
廉价磁盘冗余阵列 RAID
- Redundant Array of Inexpensive Disk
- 并行交叉存取：具有多台磁盘驱动器，将相同子盘数据存放到不同磁盘的相同位置，数据传输可实现并行传输方式。
- RAID 的分级，不同分级存储方式不同，磁盘的数据校验功能不同，容错技术也不同。RAID7 较高传输速率和优异性能，价格也最贵。
- RAID 优点：可靠性高，磁盘 I/O 速度快，性价比高。