408操作系统第五章 输入输出管理

408操作系统第五章 输入输出管理思维导图，本导图整理了I/O管理、设备独立性软件和磁盘固态硬盘的内容。

第五章 输入输出管理 5.1 I/O管理概述

• I/O设备的概念和分类
  • 什么是I/O设备？ “I/O”就是“输入/输出”（Input/Output），I/O设备就是可以将数据输入到计算机，或者可以接收计算机输出数据的外部设备，属于计算机中的硬件部件。I/O设备由机械部件和电子部件组成。
  • 按使用特性分类
    • 人机交互类外部设备：数据传输速度慢。例：鼠标、键盘、打印机等——用于人机交互
    • 存储设备：数据传输速度快。例：移动硬盘、光盘等——用于数据存储
    • 网络通信设备：数据传输速度介于上述二者之间。例：调制解调器等——用于网络通信
  • 按传输速率分类
    • 低速设备：鼠标、键盘等——传输速率为每秒几个到几百字节
    • 中速设备：如激光打印机等——传输速率为每秒数千至上万个字节
    • 高速设备：如磁盘等——传输速率为每秒数千字节至千兆字节的设备
  • 按信息交换的单位分类
    • 块设备：传输速率较高，可寻址，即对它可随机地读/写任一块。例：磁盘等——数据传输的基本单位是“块”
    • 字符设备：传输速率较慢，不可寻址，在输入/输出时常采用中断驱动方式。例：鼠标、键盘等——数据传输的基本单位是字符。
• I/O控制器
  • CPU无法直接控制I/O设备的机械部件，因此I/O设备还要有一个电子部件作为CPU和I/O设备机械部件之间的“中介”，用于实现CPU对设备的控制。这个电子部件就是I/O控制器，又称设备控制器。CPU可控制I/O控制器，又由I/O控制器来控制设备的机械部件。
  • 主要功能
    • 接受和识别CPU发出的命令：如CPU发来的read/write命令，I/O控制器中会有相应的控制寄存器来存放命令和参数
    • 向CPU报告设备的状态：I/O控制器中会有相应的状态寄存器，用于记录I/O设备的当前状态。如：1表示空闲，0表示忙碌
    • 数据交换：I/O控制器中会设置相应的数据寄存器。输出时，数据寄存器用于暂存CPU发来的数据，之后再由控制器传送设备。输入时，数据寄存器用于暂存设备发来的数据，之后CPU从数据寄存器中取走数据。
    • 地址识别：类似于内存的地址，为了区分设备控制器中的各个寄存器，也需要给各个寄存器设置一个特定的“地址”。I/O控制器通过CPU提供的“地址”来判断CPU要读/写的是哪个寄存器
  • 组成
    • CPU与控制器的接口：用于实现CPU与控制器之间的通信。
    • I/O逻辑：负责接收和识别CPU的各种命令（如地址译码），并负责对设备发出命令。
    • 控制器与设备的接口：用于实现控制器与设备之间的通信。
    • 注：①一个I/O控制器可能会对应多个设备；②数据寄存器、控制寄存器、状态寄存器可能有多个（如：每个控制/状态寄存器对应一个具体的设备），且这些寄存器都要有相应的地址，才能方便CPU操作。
  • 两种寄存器编址方式
    • 内存映射I/O：控制器中的寄存器与内存地址统一编址。优点：简化了指令。可以采用对内存进行操作的指令来对控制器进行操作。
    • 寄存器独立编制。控制器中的寄存器使用单独的地址。缺点：需要设置专门的指令来实现对控制器的操作，不仅要指明寄存器的地址，还要指明控制器的编号。
• I/O控制方式
  • 程序直接控制方式
    • 完成一次读/写的过程：CPU发出I/O命令后需要不断轮询
    • CPU干预频率：极高，I/O操作开始之前、完成之后需要CPU介入，并且 在等待I/O完成的过程中CPU需要不断地轮询检查。
    • 每次I/O的数据传输单位：每次读/写一个字
    • 数据流向： 读操作（数据输入）：I/O设备—>CPU—>内存； 写操作（数据输出）：内存—>CPU—>I/O设备； 每个字的读/写都需要CPU的帮助
    • 优缺点： 优点：实现简单。在读/写指令之后，加上实现循环检查的一系列指令即可（因此才称为“程序直接控制方式”） 缺点：CPU和I/O设备只能串行工作，CPU需要一直轮询检查，长期处于“忙等”状态，CPU利用率低。
  • 中断驱动方式
    • 完成一次读/写的过程：CPU发出I/O命令后可以做其他事，本次I/O完成后设备控制器发出中断信号
    • CPU干预的频率：高，每次I/O操作开始之前、完成之后需要CPU介入。等待I/O完成的过程中CPU可以切换到别的进程执行。
    • 每次I/O的数据传输单位：每次读/写一个字
    • 数据流向： 读操作（数据输入）：I/O设备—>CPU—>内存 写操作（数据输出）：内存—>CPU—>I/O设备
    • 优缺点： 优点：与“程序直接控制方式”相比，在“中断驱动方式”中，I/O控制器会通过中断信号主动报告I/O已完成，CPU不再需要不停地轮询。CPU和I/O设备可并行工作，CPU利用率得到明显提升。 缺点：每个字在I/O设备与内存之间的传输，都需要经过CPU。而频繁的中断处理会消耗较多的CPU时间。
  • DMA方式
    • 完成一次读/写的过程：CPU发出I/O命令后可以做其他事，本次I/O完成后DMA控制器发出中断信号
    • CPU干预的频率：中，仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时，才需要CPU干预。
    • 每次I/O的数据传输单位：每次读/写一个或多个块（注意：每次读写的只能是连续的多个块，且这些块读入内存后在内存中也必须是连续的）
    • 数据流向（不再需要经过CPU）： 读操作（数据输入）：I/O设备—>内存 写操作（数据输出）：内存—>I/O设备
    • 优缺点： 优点：数据传输以“块”为单位，CPU介入频率进一步降低。数据的传输不再需要先经过CPU再写入内存，数据传输效率进一步增加。CPU和I/O设备的并行性得到提升。 缺点：CPU每发出一条I/O指令，只能读/写一个或多个连续的数据块。如果要读/写多个离散存储的数据块，或者要将数据分别写到不同的内存区域时，CPU要分别发出多条I/O指令，进行多次中断处理才能完成。
  • 通道控制方式（难点理解：通道=弱鸡版CPU通道程序=任务清单）
    • 完成一次读/写的过程：CPU发出I/O命令后可以做其他事。通道会执行通道程序以完成I/O，完成后通道向CPU发出中断信号
    • CPU干预频率：极低，通道会根据CPU的指示执行相应的通道程序，只有完成一组数据块的读/写后才需要发出中断信号，请求CPU干预
    • 每次I/O的数据传输单位：每次读/写一组数据块
    • 数据流向（在通道的控制下进行） 读操作（数据输入）：I/O设备—>内存 写操作（数据输出）：内存—>I/O设备
    • 优缺点： 缺点：实现复杂，需要专门的通道硬件支持 优点：CPU、通道、I/O设备可并行工作，资源利用率很高。
  • 整个发展过程就是要尽量减少CPU对I/O过程的干预，把CPU从繁杂的I/O控制事务中解脱出来，以便更多地去完成数据处理任务。
• I/O软件层次结构（越上面的层次越接近用户；越下面的层次越接近硬件）
  • 用户层软件：实现与用户交互的接口，向上提供方便易用的库函数
  • 设备独立性软件： ①向上层提供统一的调用接口（如read/write系统调用）； ②设备的保护； ③差错处理； ④设备的分配与回收； ⑤数据缓冲区管理； ⑥建立逻辑设备名到物理设备名的映射关系；根据设备类型选择调用相应的驱动程序（逻辑设备表的作用）
  • 设备驱动程序：设置设备寄存器、检查设备状态
  • 中断处理程序：进行中断处理
  • 操作系统内核部分：即I/O系统，或称I/O核心子系统
  • 硬件：执行I/O操作，有机械部件、电子部件组成（参考“I/O控制器”小节）
  • 理解记忆I/O软件各个层次之间的顺序，能够推理判断某个处理应该是在哪个层次完成的（最常考的是设备独立性软件、设备驱动程序这两层。只需理解一个特点即可：直接涉及到硬件具体细节、且与中断无关的操作肯定是在设备驱动程序层完成的；没有涉及硬件的、对各种设备都需要进行的管理工作都是在设备独立性软件层完成的）
• 输入输出管理（新考点）
  • 输入/输出应用程序接口
    • 字符设备接口
      • get/put系统调用：向字符设备读/写一个字符。 如：键盘、打印机，不可“寻址”，每次读1个字符。
    • 块设备接口
      • read/write系统调用：向块设备的读写指针位置读/写多个字符； seek系统调用：修改读写指针位置。 如：磁盘，可“寻址”，每次读/写1个块。
    • 网络设备接口
      • 又称“网络套接字（socket）接口”，socket系统调用：创建一个网络套接字，需指明网络协议(TCP? UDP? )； bind：将套接字绑定到某个本地“端口”； connect：将套接字连接到远程地址； read/write：从套接字读/写数据。 如：网络控制器(网卡)。
    • 阻塞/非阻塞I/O概念
      • 阻塞I/O：应用程序发出I/O系统调用，进程需转为阻塞态等待。eg：字符设备接口——从键盘读一个字符get
      • 非阻塞I/O：应用程序发出I/O系统调用，系统调用可迅速返回，进程无需阻塞等待。eg：块设备接口——往磁盘写数据write
  • 设备驱动程序接口
    • 不同的操作系统，对设备驱动程序接口的标准各不相同。
    • 设备厂商必须根据操作系统的接口要求，开发相应的设备驱动程序，设备才能被使用

第五章 输入输出管理

• 5.2 设备独立性软件
  • I/O核心子系统
    • 考研中，我们需要重点理解和掌握的功能是：I/O调度、设备保护、假脱机技术（SPOOLing技术）、设备分配与回收、缓冲区管理（即缓冲与高速缓存）
    • 假脱机技术（SPOOLing技术）需要请求“磁盘设备”的设备独立性软件的服务，因此一般来说假脱机技术是在用户层软件实现的。
    • I/O调度：用某种算法确定一个好的顺序来处理各个I/O请求。
    • 文件保护：操作系统需要实现文件保护功能，不同的用户对各个文件有不同的访问权限（如：只读、读和写等）。在UNIX系统中，设备被看做是一种特殊的文件，每个设备也会有对应的FCB。当用户请求访问某个设备时，系统根据FCB中记录的信息来判断该用户是否有相应的访问权限，以此实现“设备保护”的功能。（参考“文件保护”小节）
  • 假脱机技术（SPOOLing技术）
    • 定义：用软件的方式模拟脱机技术。SPOOLing系统的组成如下：
      • 输入井和输出井： “输入井”模拟脱机输入时的磁带，用于收容I/O设备输入的数据。 “输出井”模拟脱机输出时的磁带，用于收容用户进程输出的数据。
      • 输入进程和输出进程：要实现SPOOLing技术，必须要有多道程序技术的支持。系统会建立“输入进程”和“输出进程。
        • “输入进程”模拟脱机输入时的外围控制机；“输出进程”模拟脱机输出时的外围控制机。
      • 输入缓冲区和输出缓冲区： 在输入进程的控制下，“输入缓冲区”用于暂存从输入设备输入的数据，之后再转存到输入井中； 在输出进程的控制下，“输出缓冲区”用于暂存从输出井送来的数据，之后再传送到输出设备上。注意，输入缓冲区和输出缓冲区是在内存中的缓冲区。
    • 共享打印机原理分析
      • 独占式设备——只允许各个进程串行使用的设备。一段时间内只能满足一个进程的请求。
      • 共享设备——允许多个进程“同时”使用的设备（宏观上同时使用，微观上可能是交替使用）。可以同时满足多个进程的使用请求。
      • 虽然系统中只有一个台打印机，但每个进程提出打印请求时，系统都会为在输出井中为其分配一个存储区（相当于分配了一个逻辑设备），使每个用户进程都觉得自己在独占一台打印机，从而实现对打印机的共享。SPOOLing技术可以把一台物理设备虚拟成逻辑上的多台设备，可将独占式设备改造成共享设备。
  • 设备的分配与回收
    • 设备分配时应考虑的因素，
      • 设备的固有属性可分为三种
        • 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），各进程往往是宏观上同时共享使用设备，而微观上交替使用。 虚拟设备——采用SPOOLing技术将独占设备改造成虚拟的共享设备，可同时分配给多个进程使用（如采用SPOOLing技术实现的共享打印机）。
      • 设备分配算法：先来先服务、优先级高者优先、短任务优先……
      • 设备分配中的安全性：从进程运行的安全性上考虑，设备分配有两种方式
        • 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。（eg：考虑进程请求打印机打印输出的例子） 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，进程可继续执行，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、死锁的检测和解除）
    • 静态分配与动态分配
      • 静态分配：进程运行前为其分配全部所需资源，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
    • 设备分配管理中的数据结构
      • “设备、控制器、通道”之间的关系：一个通道可控制多个设备控制器，每个设备控制器可控制多个设备。
      • 设备控制表（DCT ）：每个设备对应一张DCT，关键字段：类型/标识符/状态/指向COCT的指针/等待队列指针
      • 控制器控制表（COCT）：每个控制器对应一张COCT，关键字段：状态/指向CHCT的指针/等待队列指针
      • 通道控制表（CHCT）：每个控制器对应一张CHCT，关键字段：状态/等待队列指针
      • 系统设备表（SDT）： 记录整个系统中所有设备的情况，每个设备对应一个表目，关键字段：设备类型/标识符/DCT/驱动程序入口
    • 设备分配的步骤
      • ①根据进程请求的物理设备名查找SDT（注：物理设备名是进程请求分配设备时提供的参数）
      • ②根据SDT找到DCT，若设备忙碌则将进程PCB挂到设备等待队列中，不忙碌则将设备分配给进程。
      • ③根据DCT找到COCT，若控制器忙碌则将进程PCB挂到控制器等待队列中，不忙碌则将控制器分配给进程。
      • ④根据COCT找到CHCT，若通道忙碌则将进程PCB挂到通道等待队列中，不忙碌则将通道分配给进程。
      • 注：只有设备、控制器、通道三者都分配成功时，这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
      • 缺点：①用户编程时必须使用“物理设备名”，底层细节对用户不透明，不方便编程。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。
    • 设备分配步骤的改进方法
      • 用户编程时使用逻辑设备名申请设备，操作系统负责实现从逻辑设备名到物理设备名的映射(通过LUT)
      • 逻辑设备表的设置问题：整个系统只有一张LUT——各用户所用的逻辑设备名不允许重复；每个用户一张LUT——各个用户的逻辑设备名可重复
• 5.3 磁盘和固态硬盘
  • 磁盘的结构
    • 磁盘、磁道、扇区的概念
      • 磁盘由表面涂有磁性物质的圆形盘片组成
      • 每个盘片被划分为一个个磁道，每个磁道又划分为一个个扇区
    • 如何在磁盘中读/写数据：磁头移动到目标位置，盘片旋转，对应扇区划过磁道才能完成读/写
    • 盘面、柱面的概念
      • 磁盘有多个盘片"摞"起来，每个盘片有两个盘面
      • 所有盘面中相对位置相同的磁道组成柱面
    • 磁盘的物理地址
      • 可用（柱面号，盘面号，扇区号）来定位任意一个“磁盘块”。在“文件的物理结构”小节中，我们经常提到文件数据存放在外存中的几号块，这个块号就可以转换成（柱面号，盘面号，扇区号）的地址形式。可根据该地址读取一个“块”
        • ①根据“柱面号”移动磁臂，让磁头指向指定柱面；
        • ②激活指定盘面对应的磁头；
        • ③磁盘旋转的过程中，指定的扇区会从磁头下面划过，这样就完成了对指定扇区的读/写。
    • 磁盘的分类
      • 根据磁头是否可移动：固定头磁盘(每个磁道有一个磁头) ；移动头磁盘(每个盘面只有一个磁头)
      • 根据盘片是否可更换：固定盘磁盘（盘片不可更换）；可换盘磁盘（盘片可以更换）
  • 磁盘调度算法
    • 一次磁盘读/写操作需要的时间
      • 寻找时间(寻道时间)：启动磁臂，移动磁头所花的时间（磁盘调度算法影响的指标）； 延迟时间：将目标扇区转到磁头下面所花的时间； 传输时间：读/写数据花费的时间
    • 磁盘调度算法
      • 先来先服务(FCFS)：按访问请求到达的先后顺序进行处理。 最短寻找时间优先(SSTF)：每次都优先响应距离磁头最近的磁道访问请求；贪心算法的思想，能保证眼前最优，但无法保证总的寻道时间最短。缺点：可能导致饥饿。 扫描算法(电梯算法、SCAN)：只有磁头移动到最边缘的磁道时才可以改变磁头移动方向。缺点：对各个位置磁道的响应频率不平均。 循环扫描算法(C-SCAN)：只有磁头朝某个方向移动时才会响应请求，移动到边缘后立即让磁头返回起点， 返回途中不响应任何请求。 低频考点： LOOK算法：SCAN算法的改进，只要在磁头移动方向上不再有请求，就立即改变磁头方向。 C-LOOK算法：C-SCAN算法的改进，只要在磁头移动方向上不再有请求，就立即让磁头返回。（题目中无特别说明时SCAN就是LOOK，C-SCAN就是C-LOOK）
  • 减少磁盘延迟时间的方法
    • 交替编号
      • 做法：让编号相邻的扇区在物理上不相邻； 原理：读取完一个扇区后需要一段时间处理才可以继续读入下一个扇区
    • 错位命名
      • 做法：让相邻扇面的扇区编号“错位”； 原理：与“交替编号”的原理相同。“错位命名法”可降低延迟时间。
    • 磁盘地址结构为什么用（柱面号，盘面号，扇区号）而不用（盘面号，柱面号，扇区号）结构？
      • 原因：在读取地址连续的磁盘块时，前者更不需要移动磁头
  • 磁盘的管理
    • 磁盘初始化
      • Step1：进行低级格式化（物理格式化），将磁盘的各个磁道划分为扇区。一个扇区通常可分为头、数据区域（如512B大小）、尾三个部分组成。
      • Step2：将磁盘分区，每个分区由若干柱面组成（即分为我们熟悉的C盘、D盘、E盘）
      • Step3：进行逻辑格式化，创建文件系统。包括创建文件系统的根目录、初始化存储空间管理所用的数据结构（如位示图、空闲分区表）
    • 引导块
      • 计算机开机时需要进行一系列初始化的工作，这些初始化工作是通过执行初始化程序（自举程序）完成的
      • ROM中只存放很小的“自举装入程序”
      • 开机时计算机先运行“自举装入程序”，通过执行该程序就可找到引导块，并将完整的“自举程序”读入内存，完成初始化
    • 坏块的管理：无法正常使用的扇区就是“坏块”。属于硬件故障，操作系统是无法修复的。应该将坏块标记出来，以免错误地使用到它。
      • 对于简单的磁盘，可以在逻辑格式化时（建立文件系统时）对整个磁盘进行坏块检查，标明哪些扇区是坏扇区，比如：在FAT表上标明。（在这种方式中，坏块对操作系统不透明。）
      • 对于复杂的磁盘，磁盘控制器（磁盘设备内部的一个硬件部件）会维护一个坏块链表。在磁盘出厂前进行低级格式化（物理格式化）时就将坏块链进行初始化。会保留一些“备用扇区”，用于替换坏块。这种方案称为扇区备用。且这种处理方式中，坏块对操作系统透明。
  • 固态硬盘SSD
    • 原理：基于闪存技术Flash Memory，属于电可擦除ROM，即EEPROM
    • 组成
      • 闪存翻译层——负责翻译逻辑块号，找到对应页(Page)
      • 存储介质：多个闪存芯片(Flash Chip) 一>每个芯片包含多个块(block) 一>每个块包含多个页(page)
    • 读写性能特性
      • 1.以页(page) 为单位读/写。相当于磁盘的“扇区"。 2.以块(block) 为单位"擦除"。擦干净的块，其中的每页都可以写一次，读无限次。 3.支持随机访问，系统给定一个逻辑地址，闪存翻译层可通过电路迅速定位到对应的物理地址。 4.读快、写慢。要写的页如果有数据，则不能写入，需要将块内其他页全部复制到一个新的(擦除过的)块中，再写入新的页。
    • 与机械硬盘相比的特点
      • SSD读写速度快，随机访问性能高，用电路控制访问位置；机械硬盘通过移动磁臂旋转磁盘控制访问位置，有寻道时间和旋转延迟。 SSD安静无噪音、耐摔抗震、能耗低、造价更贵。 SSD的一个"块"被擦除次数过多 (重复写同一个块)可能会坏掉，而机械硬盘的扇区不会因为写的次数太多而坏掉
    • 磨损均衡技术
      • 思想：将"擦除"平均分布在各个块上，以提升使用寿命。磨损均衡技术
      • 动态磨损均衡：写入数据时， 优先选择累计擦除次数少的新闪存块。
      • 静态磨损均衡：SSD监测并自动进行数据分配、迁移，让老旧的闪存块承担以读一为主的储存任务，让较新的闪存块承担更多的写任务。
    • 理想情况下，固态硬盘的寿命：约23年