第 9 章 · 设备管理

设备管理屏蔽 I/O 设备物理差异，向上给统一接口，向下调度磁盘/外设。

9.1 中断

外设就绪时发中断打断 CPU，CPU 保存现场、执行中断处理程序、恢复现场。

• 外中断（硬件）：I/O 完成、时钟、按键等。
• 内中断/异常：除零、缺页（第 6 章）、系统调用陷入（第 1 章，陷入本质是软中断）。

中断让 CPU 不必轮询外设，是并发与交互的基础。

一次中断：① 保存现场 → ② 按中断向量查处理程序 → ③ 执行 → ④ 恢复返回。中断向量表 = 中断号 → 处理程序入口。

9.2 DMA

DMA：不经 CPU，由 DMA 控制器直接在外设 ↔ 内存之间搬数据。

流程：CPU 设置 DMA 控制器（源/目的/长度）→ DMA 接管总线搬数据 → 完成发一次中断通知 CPU。

中断解决「通知」，DMA 解决「搬运」。PIO 时 CPU 逐字节搬；DMA 让 CPU 只发起 + 收尾。小数据用 PIO，大数据块（磁盘）用 DMA 才释放 CPU。

9.3 磁盘结构

磁盘 = 多个盘面，每面有磁道（同心圆），磁道分扇区（最小读写单位，512B/4KB），多盘面同半径磁道构成柱面。

访问时间 = 寻道时间（磁头移到磁道，最慢）+ 旋转延迟（转到位，平均半圈）+ 传输时间。优化重点是减少寻道。

9.4 磁盘调度算法

设磁头当前 50，请求队列 98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67：

• FCFS：按请求顺序，总寻道 640。公平但差。
• SSTF（最短寻道优先）：每次去最近的请求。总寻道最短，远处可能饿死。
• SCAN（电梯）：朝一个方向扫到最远请求再折返。总寻道约 208，无饿死，两端磁道等待久。
• C-SCAN（循环扫描）：单向扫描，到头瞬间返回起点再扫，不折返服务。等待更均匀。

算法	总寻道	公平性	特点
FCFS	大	好	无优化
SSTF	最小	差（饿死）	贪心最近
SCAN	较小	中	电梯来回
C-SCAN	较小	好	单向循环

（现代磁盘自带缓存/重排，OS 级调度被弱化，思想保留在 SSD FTL、磁盘 NCQ 里。）

9.5 设备驱动

设备驱动：内核与硬件之间的翻译层，把统一接口（read/write/ioctl）翻译成设备寄存器操作。Linux 下设备抽象为文件（/dev），字符 / 块 / 网络三类。

• 缓冲（buffering）：内存设缓冲区缓解速度差（CPU 快、设备慢）。
• 假脱机（SPOOLing）：把独占设备（打印机）虚拟成共享，作业排队依次输出。