导图社区 408操作系统---第5章 IO(输入输出)管理
基于王道课程，I/O设备、/O控制器（设备控制器）、I/O控制方式、I/O软件层次结构、应用程序接口、设备驱动程序接口。
408操作系统---第4章 文件管理，文件是以硬盘为载体，存储在计算机上的信息集合，用户进行输入输出时以文件为基本单位。
基于王道课程，内容有操作系统、操作系统的特征、操作系统发展和分类、操作系统运行机制、中断和异常、系统调用、操作系统结构、操作系统引导、虚拟机。
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I/O(输入/输出)管理
I/O设备
分类
特性分类
人机交互
存储设备
网络通讯
传输速度
低速设备
鼠标、键盘
中速设备
激光打印机
高速设备
磁盘机、光盘机
信息交换单位
块设备
信息交换以数据块为单位
例：磁盘
字符设备
信息交换以字符为单位(中断驱动方式)
例：打印机、鼠标、键盘
I/O控制器(设备控制器)
功能
接收识别CPU发出的命令
向CPU报告设备的状态
数据交换(寄存器)
地址识别
组成
CPU与控制器的接口
I/O逻辑
控制器与设备的接口
寄存器的编址
内存映射I/O
寄存器独立编址
I/O控制方式
程序直接控制方式
CPU需要对外设状态进行循环检查
CPU干预频率：高，等待I/O完成过程中，不断轮循检查
数据传送单位：字/次
优点：简单
缺点：CPU处于忙等，利用率低
中断驱动方式
中断机制，每个指令的周期的末位检查中断
CPU干预频率：I/O设备准备数据时，CPU干其他工作
数据传送：字/次
数据流向
写：I/O设备→CPU→内存
读：内存→CPU→I/O设备
优点：CPU不需要轮循检查，利用率高
缺点：频繁的中断处理，消耗CPU时间
DMA方式(直接存储器存储)
在I/O设备和内存之间开辟直接的数据交换通路
干预频率：低，仅在传送数据块开始和结束时，CPU干预
数据传送：块(一次只能是连续块)
内存→设备
设备→内存
优点：数据以块为单位，数据不需要经过CPU，直接写入内存
缺点
通道控制方式
通道可以识别和执行通道指令
干预频率：低，只有通道完成一组数据块传输后，才会发出中断信号
数据传送：一组数据块
优点：可以实现CPU和I/O设备的并行工作
缺点：实现复杂，需要专门的硬件支持，资源利用率高
注：一个通道可以控制多个I/O控制器；一个I/O控制器可以控制多个I/O设备
I/O软件层次结构
I/O层次结构
I/O软件层
用户层I/O软件
实现与用户交互的接口，直接调用用户层提供的与I/O操作相关的库函数
I/O系统(I/O核心子系统)
设备独立性软件(设备无关性软件)
向上层提供统一的调用接口
设备的保护
差错处理
设备的分配与回收
数据缓冲区管理
建立逻辑设备名到物理设备名的映射关系
设备驱动程序
不同的I/O设备有不同的硬件特性
中断处理程序
I/O硬件
应用程序接口
用户层和设备独立软件之间
字符设备接口
get/put系统调用
向字符设备读/写一个字符
块设备接口
read/write系统调用
向块设备读/写指针位置读/写多个字符
seek系统调用
修改读/写指针位置
网络设备接口
socket接口
子主题
两种模式
阻塞I/O
非阻塞I/O
设备驱动程序接口
设备独立软件和驱动程序之间
假脱机技术(SPOOLing技术)
用软件模拟脱机技术，缓和CPU高速性和I/O设备低速性之间的矛盾
输入进程：模拟脱机输入的外围控制机
输出进程：模拟脱机输出的外围控制机
输入井：模拟脱机输入时的磁盘
输出井：模拟脱机输出时的磁盘
把独占式打印机“虚拟”成共享式打印机
考虑因素
固有属性
独占设备
共享设备
虚拟设备
分配算法
先来先服务、优先级高者服务、短任务优先服务
安全性
安全分配方式
不安全分配方式
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
动态分配：进程运行过程中动态申请设备资源
数据结构
设备控制表(DCT)
为每个设备配备一张DCT，用于记录设备情况
控制器控制表(COCT)
通道控制表(CHCT)
记录通道
一个通道可为多个设备控制器服务
系统设备表(SDT)
整个系统只有一张SDT
记录已连接到系统中的所有物理设备的情况
每个设备对应一个表目
分配步骤
根据物理设备名，查找SDT
根据SDT找到DCT
若设备空闲，把设备分配给进程
若设备忙碌，把进程挂入设备等待队列
根据DCT找到COCT
若控制器忙碌，将进程PCB挂到控制器等待队列
不忙碌，则将控制器分配给进程
根据COCT找到CHCT
若通道忙碌，则将进程PCB挂到通道等待队列
不忙碌，则将通道分配给进程
只有当设备、控制器和通道都分配成功，分配才算成功
分配改进
增加逻辑设备表(LUT)
逻辑设备表的设置
整个系统只有一张LUT：各用户的逻辑名不能重复
每个用户一张LUT：各个用户的逻辑设备名可重复
缓冲区
可以使用硬件作为缓冲区，也可使用内存作为缓存区
硬件作为缓冲区成本高，容量较小，一般多使用内存作为缓冲区
缓冲区非空时，不能对里面冲入数据，只能把数据传出；当缓冲区为空，才能对里面冲入数据
目的
缓和CPU和I/O设备速度不匹配的矛盾
减少对CPU的中断
解决数据单元大小(粒度)不匹配的问题
提高CPU与I/O设备的并行性
缓冲技术
单缓冲
操作系统给进程在主存中设置1个缓冲区
处理每块数据需要耗时：max(C,T)+M
双缓冲区
操作系统给进程在主存中设置2个缓冲区
处理每块数据需要耗时：max(C+M，T)
循环缓冲
多个大小相等的缓冲区，每个缓冲区有一个链接指针指向下一个缓冲区，构成环形
两个指针
in
out
缓冲池
由多个系统共用的缓冲区组成
缓冲队列
空缓冲队列
装满输入数据的缓冲队列
装满输出数据的缓冲队列
4种工作缓冲区
收容输入数据的工作缓冲区
提取输入数据的工作缓冲区
收容输出数据的工作缓冲区
提取输出数据的工作缓冲区
磁盘
磁盘结构
磁盘盘面
磁道
扇区
头
数据区域
尾
磁盘驱动器
磁盘分类
根据磁头是否可移动
固定头磁头：每个磁道有一个磁头
移动头磁盘：每个盘面有一个磁头
根据盘面是否可换
固定盘磁盘
可换盘磁盘
磁盘的管理
磁盘初始化
低级格式化(物理格式化)，将磁盘磁道划分成各个扇区
磁盘分区，每个分区由若干柱面组成
逻辑格式化，
引导块
ROM存放自举装入程序
完整的自举程序装在磁盘的启动块上
坏块的管理
坏块：坏了，无法继续使用的扇区
简单的磁盘：逻辑格式化将坏块标记出来
复杂的磁盘：磁盘控制器维护一个坏块链，并准备备用扇区
磁盘调度算法
一次磁盘读/写操作需要时间
寻找时间(寻道时间)
启动磁头臂
移动磁头
延迟时间
旋转磁盘，使磁头定位到目标扇区
传输时间
从磁盘读出或写入时间
先来先服务(FCFS)
按照访问磁盘的请求到达先后顺序来响应
缺点：若访问磁道分散，则寻道时间长
最短寻找时间(SSTF)
每次都优先处理离当前磁头最近的磁道
优点：性能好，平均寻道时间短
缺点：有可能产生饥饿
扫描算法(电梯调度算法)：SCAN
只有移动到最外侧磁道的时候才能往内移动
优点：
必须移动到最外侧或最内侧才能往反方向移动，增加多余移动
对于各个磁道响应频率不平均
LOOK调度算法
对应SCAN算法的第一个缺点
不需要移动移动到最外侧，只要磁头移动方向没有请求，就改变磁头方向
循环扫描(C-SCAN)算法
磁头需要到达最边上才能返回
C-LOOK算法
磁头不需要移动到最外侧，只要磁头移动方向不再有请求，就改变磁头方向
减少延迟时间
磁头读完一个扇区后，需要一定的时间处理后，才能再次读取
交替编号
逻辑上相邻的扇区在物理上有一定的间隔
错位命名
不同盘面扇区错开命名
磁盘的地址结构
(柱面号，盘面号，扇区号)
为什么柱面号在盘面号前面？
连续地址存储时，同一柱面有多个盘面上的磁道，减少磁头移动
固态硬盘(SSD)
闪存翻译层
存储介质
多个闪存芯片
每个芯片包含多个块
每个块包含多个页
读写性能特征
以页为单位读写
以块为单位擦除，块含有多个页
支持随机访问
读快：
写慢：要写的页有数据，不能直接替换，要将其他页内容复制到新的块，再将数据写入新的块，原有块被擦除
磨损均衡技术
将擦除平均分摊在每个块上
动态磨损均衡
写入数据时，优先选择累加擦除次数少的新闪存块
静态磨损均衡
监测并进行数据分配、迁移，读操作多的存储任务，让老旧的闪存块；写操作多的存储任务，用新闪存块
