第四章 设备管理
1．“设备”泛指计算机系统中的各种外部设备，外设（即主机以外的其他所有设备）在众多的I/O设备中，并不是所有的设备都是可以共享的，可以借助于磁盘，把只能独享的设备变为共享，这就是所谓的“虚拟设备” {SPOOLing技术}
2．设备是指计算机中用以在机器之间进行传送和接收信息，完成用户输入/输出（I/O）操作的那些部件。比如磁盘、磁带、打印机、显示器、鼠标、键盘······
3．计算机I/O系统的组织结构：
（1）底层是具体的设备和硬件接口
（2）中间是系统软件（与设备相关软件、与设备无关软件）
（3）用户程序
4．I/O设备一般是由执行I/O操作的机械部分和执行控制I/O的电子部件组成
（1）执行I/O操作的机械部分就是一般的I/O设备
（2）执行控制I/O的电子部件称为设备控制器或适配器
① 为了能够使CPU设备控制器中的各个寄存器进行通信，通常采用“单独的I/O空间”和“内存映射I/O”两种方法
② 设备控制器是CPU与外围设备之间的接口，是一个可编址设备，每一个地址对应一个设备
功能：
Ø 接收和识别命令
Ø 数据交换
Ø 标识和报告设备的状态
Ø 地址识别
Ø 数据缓冲区
Ø 差错控制
组成：
Ø 设备控制器与处理机（CPU）的接口
Ø 设备控制器与设备的接口
Ø I/O逻辑：用于实现对设备的控制
5．设备驱动程序：
6．设备处理方式：
（1）为每一类设备设置一个进程，专门用于执行这类设备的I/O操作
（2）在整个系统中设置一个I/O进程，专门用于执行系统中所有各类设备的I/O操作
（3）不设置专门的设备处理进程，而只为各类设置相应的设备驱动程序，供用户或系统进程调用
7．设备驱动程序的处理过程
（1）将抽象要求转换为具体要求
（2）对服务请求进行校验，即检查I/O请求的合法性
（3）检查设备的状态
（4）传送必要的参数
（5）启动I/O设备
（6）工作方式的设置
I/O接口程序：是操作系统中与设备无关的软件，它从上层接收用户对设备提出的I/O请求，然后负责吧I/O请求转变成所需要的I/O命令，调用具体的设备驱动程序去执行
系统都是用主设备号和次设备号组成“逻辑设备名”
操作系统提供的设备无关性的优点：
ü 方便用户
ü 提高设备的利用率
8．计算机设备的分类
（1）基于设备的从属关系
a. 系统设备（键盘、显示器、打印机、磁盘驱动）
b. 用户设备
（2）基于设备的分配特性
a. 独享设备（打印机）
b. 共享设备
c. 虚拟设备（SPOOLing技术）
（3）基于设备的工作特性
a. 输入/输出设备（字符设备）
b. 存储设备（块设备） 磁盘、磁带
（4）按信息交换的单位
a. 块设备：用于存储信息，属于结构设备。磁盘、磁带（以块为单位传送信息）
b. 字符设备：以单个字符为单位来传送信息。 键盘
9．设备管理的目标
a. 提高外部设备的利用率
b. 为用户提供便利、统一的使用界面
10．设备管理的功能
a. 提供一组I/O命令
b. 进行设备的分配和回收
c. 对缓冲区进行管理
d. 实现真正的I/O操作
11．输入输出管理步骤
（1）用户在程序中使用系统提供的输入/输出命令发出I/O请求
（2）输入输出管理程序接受这个请求
（3）“设备驱动程序”来具体完成所要求的的I/O操作
（4）实现设备中断处理程序来处理这个请求
设备的输入输出管理程序由3块内容组成：接受用户的I/O请求，组织管理输入输出进行，输入输出的善后处理
设备控制：
1) 设备控制块DCB中存放的是一台具体设备的有关信息，找到一个设备的DCB，就得到了该设备的特性，各种参数，使用情况等，所以DCB是设备管理中最重要的一条数据结构
2) 独享设备中具有排他性，只能采取“静态分配”的策略
a. 静态分配：用户作业开始之前，由系统一次分配给该作业所需的设备，控制器和通道，不会发生死锁
b. 动态分配：在进程执行过程中进行的设备分配，可能造成死锁
对独享设备采用的分配算法：
v 先来先服务
v 优先级高者先服务
3) 共享磁盘的调度
磁盘是一种典型的共享存储设备，允许多个作业进程同时使用，而不是让一个作业在整个运行期间独占。“同时使用”是指当一个作业进程暂时不用时，其他作业进程就可以使用。每一个时刻只有一个作业用
4) 调度算法
a. “先来先服务”调度算法（并不理想）（移臂调度，减少查找时间）
以I/O请求到达的先后次序作为磁盘调度的顺序
b. “最短查找时间”调度算法
把距离磁头当前位置最近的I/O请求作为下一次调度的对象
c. “电梯”调度算法（SCAN）
总是沿着此案移动臂的移动方向选择距离磁头当前位置最近的I/O请求，作为下一次调度的对象
d. “单向扫描”调度算法（循环扫描 CSCAN）
总是从0号柱面开始往里移动移动臂，遇到有I/O请求就进行处理，直到到达最后一个请求柱面，然后移动臂立即带动磁头不做任何服务地快速返回到0号柱面，开始下一次扫描
对I/O设备的控制方式（数据传输方式）
1) 程序循环测试方式（程序查询式）
是指用户进程使用start指令启动设备后，不断地执行test指令，去测试所启动设备的状态寄存器。只有在状态寄存器出现了所需要的状态后，才停止测试工作，完成输入/输出。
数据寄存器：用来存放传输的数据
状态寄存器：用来记录设备当前所处状态
2) 中断方式
所谓“中断”是一种使CPU暂时中止正在执行的程序而转去处理特殊时间的操作。
引起中断的时间称为中断源。
程序中产生的中断，由CPU的某些错误结果（如，计算机溢出）产生的中断称为“内中断”，由外部设备控制器引起的中断称为“外中断”
3) 直接存储器存取方式（DMA方式）
特点：能使I/O设备直接和内存储器进行成批数据的快速传输。（单位：块数据）
DMA控制器包括四个寄存器：数据寄存器，状态寄存器，地址寄存器，字节计数器
DMA控制器的组成：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
4) 通道方式
通道方式能够使CPU彻底从I/O中解放出来。CPU进行善后处理和启动。
通道是一个独立于CPU的，专门用来管理输入/输出操作的处理机。
通道是通过执行通道程序并与设备控制器共同实现对I/O设备的控制的。
它规定了设备应该执行的各种操作的顺序。由一系列通道指令所构成，CPU对I/O请求只去做启动和善后处理工作，输入/输出的管理以及数据传输等事宜，全部由通道独立完成。
缓冲：
1) 原因：
a. 缓和CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾
b. 减少对CPU的中断频率，放宽对CPU中断响应时间的限制
c. 解决数据粒度不匹配的问题
d. 提高CPU和I/O设备之间的并行性
2) 缓冲的实现
a. 采用专门的硬件寄存器，比如设备控制器里的数据寄存器，“硬件缓冲”
b. 在内存储器中开辟出n个单元，作为专用的I/O缓冲区，以便存放输入/输出的数据，这种缓冲区就是“软件缓冲”
c. 根据缓冲区的个数：单缓冲区、双缓冲区、多缓冲区、缓冲池
3) 虚拟设备
a. 通过多道程序技术可将一台物理CPU虚拟为多台逻辑CPU，需要硬件的支持。作为后援的硬盘（大容量），具有设备与CPU并行工作的能力
4) SPOOLing技术
a. 在主机的直接控制下，实现以前的脱机输入/输出功能，此时的外围操作与CPU对数据的处理同时进行，我们把这种在联机情况下实现的同时外围操作的技术称为SPOOLing技术，或假脱机技术
b. SPOOLing技术是对脱机输入/输出系统的模拟。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
5) 设备无关性：
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。为了实现设备独立性，必须再在设备驱动程序上设置一层软件，称为与设备无关的I/O软件或设备独立性软件
6) 操作系统中实现虚拟设备的软件功能模块由3部分组成
a. 预输入程序
b. 缓输出程序
c. 井管理程序
7) SPOOLing系统由四部分组成
a. 输入井和输出井
在磁盘上开辟出来的两个存储区域，输入数据，输出数据
b. 输入缓冲区和输出缓冲区
在内存中开辟的两个缓冲区
c. 输入进程和输出进程
模拟外围控制机
d. 井管理程序
特点：
Ø 提高了I/O的速度
Ø 将独占设备改造为共享设备
Ø 实现了虚拟设备的功能
第五章 文件管理
1) 目标：提高外存储空间的利用率
主要任务：对用户文件和系统文件进行管理，方便用户使用，并保证文件的安全性
文件存储设备是以块为单位进行管理的
2) 所谓“文件”是指具有完整逻辑意义的一组相关信息的集合，它是在磁盘上保存信息，而且能方便以后读取的方法，文件用符号名加以标识，这个符号名就被称为“文件名”
3) 文件是指由创建者所定义的，具有文件名的一组相关元素的集合，可分为有结构文件和无结构文件两种。在有结构的文件中，文件由若干个相关记录组成而无结构文件则被看成是一个字符流。文件在文件系统中是一个最大的数据单位，它描述了对象集
文件属性：文件类型、文件长度、文件的物理位置、文件的建立时间（最后一次的修改时间）
4) 文件名：在不同的系统之间，对文件名的规定是不同的。一个文件名是在创建该文件时由用户给出的，操作系统将向用户提供组成文件名的命名规则
5) 很多操作系统采用句点‘.’隔开成两部分的文件名形式，句点之前的部分称为文件名，句点后面的部分称为文件的“扩展名”。又称后缀名，用于指示文件的类型
.bak 备份文件 .bas ABSIC源程序 .bin 可执行的二进制文件
.c C源程序 .dat 数据文件 .doc 文档文件
.hlp 帮助文件 .obj 目标文件 .pas Pascal文件
.txt 一般文本文件 .tmp 临时文件
1) 文件被存在大容量的辅助存储器（外存）中，当用户需要使用时，就通过文件名把相应的文件读到内存
2) “文件系统”是指操作系统中与文件管理有关的那部分软件，被管理的文件，以及管理文件所需要的数据结构（目录、索引表······）的总体
3) 对文件的分类
a. 按文件的性质和用途：系统文件、用户文件、库文件
b. 按文件中数据的形式：源文件、目标文件、可执行文件
c. 按存取控制属性分类：只执行文件、只读文件、读写文件
d. 按文件的保护性质：只读文件、读写文件、可执行文件、不保护文件
e. 按文件的保护期限：临时文件、档案文件、永久文件
f. 按文件的存取方式：顺序存取文件、随机存取文件
g. 按设备的类型：磁盘文件、磁带文件、打印文件
h. 按文件的物理结构：连续文件、链接文件、索引文件
i. 按文件的内容（组织形式和处理方式）：普通文件、目录文件、特殊文件
j. 按文件的逻辑结构：流式文件、记录式文件
4) 文件的逻辑结构
a. 从用户使用的角度出发组织的文件，被称为是文件的逻辑结构，一类是有结构的文件，这是指由一个以上的记录构成的文件，故又称为记录式文件
b. 从文件的组织方式来分，可以分为顺序文件，索引文件，索引顺序文件
c. UNIX操作系统总是以流失作为文件的逻辑结构
5) 文件的物理结构
a. 文件按不同的组织方式在辅存上存放，就会得到不同的物理结构，文件的物理结构有时也称为文件的“存储结构”
b. 文件在辅存（外存）上可以有3种不同的存放方式：连续存放、链接块存放以及索引表存放
c. 对应地文件就有3种物理结构，分别叫做顺序结构，链接结构和索引结构，也叫作连续文件，串联文件，索引文件
6) 存放方式
a. 连续存放—连续文件
不足之处：
v 必须预先知道文件的最大长度
v 会造成磁盘碎片
b. 链接块存放—串联文件
不会因为磁盘碎片而浪费存储空间，但使用的指针要占去一些字节，每个磁盘块存储数据的字节数不再是2的幂，从而降低了系统的运行效率
c. 索引表存放—索引文件
7) 文件的存取
a. 顺序存取
b. 随机存取
8) 磁盘空间的管理
a. 磁盘是以块为单位进行分配的
b. 磁盘与内存之间是以磁盘块为信息传输的单位
c. 选定了块的大小，还要对它们进行管理，即要记住哪些已经分配，哪些仍然空闲。
d. 常采用的磁盘存储空间管理方案有：位示图，空闲块表，空闲块链
9) 文件的操作：
创建文件、删除文件、打开文件、关闭文件、读文件、写文件
10) 系统是通过文件的目录来管理文件的
文件目录也是一种数据结构，用于标识系统中的文件及其物理地址
11) 为每一个文件开辟一个存储区，在它的里面记录着该文件的有关信息。
我们把该存储区称为“文件控制块”（FCB） 也是一个目录项
随系统的不同，一个文件的FCB中所包含的内容及大小也不尽相同
包含内容：
Ø 文件名称
Ø 文件在辅存中存放的物理位置
Ø 文件的逻辑结构
Ø 文件的物理结构
Ø 文件的存取控制信息
Ø 文件管理信息
12) 目录的层次结构
如果把所有文件的FCB都登记在一个文件目录中，这样由文件名查文件目录项，直接就能够找到所需要的文件，那么就成这种文件目录为一级目录结构
a) 优点：
i. 简单，能实现目录管理中最基本的功能—按名存取
b) 缺点：
i. 查找速度慢，不允许重名，不便于实现文件共享
二级目录结构：
由“主目录”与“用户目录”二级构成，在主目录（根目录）中，每个目录项的内容只是给出文件主名以及它的目录所在的磁盘地址。在一个个用户目录中，才是由问价的呢FCB组成的目录，用户目录，实际上就是一级目录
1) 两级目录结构的优点：
a. 提高了检索目录的速度
b. 在不同的文件目录中，可以使用相同的文件名
c. 不同用户还可使用不同的文件名访问系统中的同一个共享文件
2) 缺点：
a. 若一个用户可以拥有很多文件，则查找时间仍然很长
b. 用户无法对自己的文件进行再分类安排
3) 树型目录结构
允许每个用户可以拥有多个目录，即在用户目录的下面可以再分子目录，子目录的下面还可以再有子目录。但每个文件目录中，只能有一个根目录，每个文件和每个目录都只能有一个父目录
4) 从根目录出发到具体文件所经过的各层名字，就构成了文件的“路径名”，从根目录出发的这个路径名，也称为文件的“绝对路径名”。
文件的绝对路径名必须从根目录出发，且是唯一的，从分隔符开头
在UNIX系统中，路径名各部分之间是用“/”分隔
在MS-DOS系统中，路径各部分是用“”分隔
在MVLTICS系统中，路径各部分之间是用“>”分隔
在当前目录下的文件的路径名，称为文件的相对路径名
5) 文件的“共享”是指一个文件可以被多个授权用户共同使用
分两种：
Ø 任何时刻只允许一个用户使用共享文件
Ø 允许多个用户同时使用同一个共享文件，只进行读操作