第五章

I/O管理概述¶

I/O设备的概念和分类¶

数据传输速度从快到慢：存储设备、网络通信设备、人机交互类外部设备。
块设备：如磁盘等，数据传输的基本单位是“块”；字符设备：如鼠标、键盘等，数据传输的基本单位是字符。
若按照设备的共享属性分类，还可分为：
独占设备：同一时刻只能由一个进程占用的设备。
共享设备：同一时间段内允许多个进程同时访问的设备。
虚拟设备：通过SPOOLing技术将独占设备改造为共享设备，将一个物理设备变为多个逻辑设备，从而可将设备同时分配给多个进程。

总结：

I/O控制器¶

电子部件就是本节介绍的I/O控制器，用以实现CPU对I/O设备的控制。

总结：

I/O控制方式¶

程序直接控制方式（key word:轮询检查状态寄存器）
数据并非是从数据寄存器直接到内存中，而是先存入cpu的寄存器，然后再存到内存当中。

中断驱动方式
解决了程序直接控制方式CPU利用率低的问题，但是由于处理终端程序也需要一定的时间开销，所以终端频率太高会降低系统性能。
CPU会在每个指令周期的末尾检查终端。

DMA（Direct Memory Access, 直接存储器存取）方式
砍掉了由CPU作为数据传输的中介这一功能，解放CPU，减少中断次数。
以块作为数据的传送单位，并且数据的存取主要是靠I/O设备、内存和DMA控制器，仅在传送一个或多个数据块的开始或结束时，才需要CPU干涉。
DMA方式的预处理和后处理都需要CPU的介入，除了传输阶段。
实际上DMA控制器依旧是一个字一个字的进行读写。
每次读写多个块时只能是连续的多个快，且这些块读入内存后在内存中也必须是连续的。
DMA控制器的组成：
- 命令/状态寄存器（CR）：暂存从CPU发来的I/O命令，或设备的状态信息。
- 内存地址寄存器（MAR）
- 数据寄存器（DR）
- 数据计数器（DC）

通道控制方式
通道控制方式解决了DMA方式无法一次读取多个离散的块的问题。
通道可以识别一系列的的通道指令。
通道是与CPU共享内存的。

总结：

I/O软件层次结构¶

设备独立性软件、设备驱动程序、中断处理程序属于操作系统的内核部分，即I/O系统，或称I/O核心子系统。
设备独立性软件又称设备无关性软件，顾名思义所有与设备的硬件特性无关的功能都在这一层中实现。
设备独立性软件需要通过逻辑设备表（ULT，Logical Unit Table）来确定逻辑设备对应的物理设备，并找到对应的设备驱动程序。
- 对于管理逻辑设备表可以有两种方式：整个系统一张LUT：所有用户的逻辑设备名不能重复，只适合单用户；每个用户各一张LUT：各个用户使用的逻辑设备名可以重复，适用于多用户操作系统。

总结：

输入输出应用程序接口和驱动程序接口¶

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。
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。

总结：

节末习题笔记¶

共享设备需要做到可寻址和可随机访问，以保证数据的完整性和一致性。
接口用来传输信号，I/O逻辑即设备控制器，用来实现对设备的控制。
DMA的负责预处理是请求I/O的进程，负责后处理的进程是中断服务例程，中断服务例程不是一个单独的进程。
系统为每台设备确定一个编号以便区分和识别设备，这个确定的编号成为设备的绝对号。
在中断I/O方式下，由中断服务程序来完成数据的输入和输出；在中断相应阶段，由硬件完成CPU模式的转换，并保存用户程序断点，中断源的识别可以采用硬件识别法。
对于不同的设备，有不同的中断处理程序。

设备独立性软件¶

I/O核心子系统¶

总结：

假脱机技术¶

为什么被称为脱机：脱离主机的控制进行的输入/输出操作。

总结：

设备的分配和回收¶

总结：

缓冲区管理¶

缓冲区的作用

缓冲区的特性：当缓冲区飞空时，不能往缓冲区冲入数据，只能从缓冲区把数据传出；当缓冲区为空时，可以往缓冲区中冲入数据，但必须把缓冲区充满以后，才能从缓冲区把数据传出。

总结：

节后习题总结¶

针对设备分配，通常只采用一下两种分配算法：FCFS算法、最高优先级优先算法，对于优先级相同的I/O则按照FCFS原则排队。
单缓冲：单个任务时间 = max (T, C) + M，双缓冲：单个任务时间 = max (T, C + M)
T -> transfer, C -> count, M -> move
！！！注意！！！此公式只适用于求单个任务时间，求多任务时不可用！！！因为存在启动开销，若数据量不大谨慎使用！！
缓冲区管理者重要考虑的问题是实现进程访问缓冲区的同步。在缓冲机制中，无论是单缓冲、多缓冲还是缓冲池，因为缓冲区是一种临界资源，所以在使用缓冲区时都有一个申请和释放（互斥）的问题需要考虑。
提高单机资源利用率的关键技术是多道程序设计技术，而非SPOOLing技术，因为后者只是针对I/O方面，局部优化，而前者让 CPU 和 I/O 全程并行，是整体、根本、关键的技术。SPOOLing技术主要是为了提高独占设备的利用率，但是同时因为把数据放到了磁盘里，导致速度也有所提升。
SPOOLing技术系统主要包含三部分，即输入井和输出井(大容量、高速度的磁盘空间)、输入缓冲区和输出缓冲区(内存空间)以及输入进程和输出进程，这三部分由预输入程序、井管理程序和缓输出程序管理。
独占设备采用静态分配方式，而共享设备采用动态分配方式。
这里以键盘输入为例，按下键盘后，数据存到了键盘里的数据寄存器，然后键盘向CPU发送中断请求，CPU执行完当前指令后，检查到有中断请求，CPU硬件自动切换到内核态并保护现场，然后进入trap处理入口（像前台一样，根据中断的类型找到具体的中断处理程序），根据中断号进入中断处理程序，然后从键盘的数据寄存器中取走数据放到内核缓冲区中，全部存完后中断处理程序结束，系统切换回用户态，调用read()函数切换到内核态读取内核缓冲区中的数据放到用户缓冲区中。

磁盘和固态硬盘¶

磁盘的结构¶

磁盘、磁道、扇区
一个磁道又被分为多个扇区，每个扇区就是一个磁盘块。各个扇区存放的数据量相同。因此最靠近主轴的区域数据密度最大。

磁盘的物理结构

总结：

磁盘调度算法¶

一次磁盘读/写操作需要的时间

FCFS算法：
- 优点：公平；若请求访问的磁道较为集中的话性能还可以。
- 缺点：如果有大量进程竞争使用磁盘，请求访问的磁道很松散，则性能很差。
最短寻找时间有限（SSTF， Shortest Seek Time First）：贪心思想
- 优点：性能较好，平均寻道时间短。
- 缺点：可能产生饥饿现象。
扫描算法（SCAN）：电梯算法
- 优点：性能较好，平均寻道时间段，不会产生饥饿现象。
- 缺点：会多移动；响应频率不平均（边上的更高）。
LOOK调度算法：解决了SCAN的第一个缺点，一边移动一边观察所以叫LOOK
- 优点：相较SCAN寻道时间更短了。
循环扫描算法（C-SCAN）：解决SCAN的第二个缺点
- 优点：相较SCAN，各个位置磁道的相应频率很平均。
- 缺点：SCAN的第一个缺点；返回起始端时会返回多了，因此平均寻道时间更长了。
C-LOOK调度算法：解决了C-SCAN的缺点
- 优点：相较C-SCAN平均寻道时间更短了。

总结：

减少磁盘延迟时间的方法¶

磁头读取一小块内容后，需要一小段时间处理，但是盘片一直在旋转，所以如果有需要读取的连续的数据就会错过，就会让延迟时间变长。

总结：

磁盘的管理¶

每个扇区通常由**头部、数据区域和尾部 **组成。
头部和尾部包含了一些磁盘控制器的实用信息，其中利用磁道号、磁头号和扇区号来标记一个扇区。
每个分区是由一个或者多个柱面组成，每个分区的起始扇区和大小都记录在磁盘主引导记录的分区表中。
引导块：统称，凡是存启动代码的块都叫引导块。MBR 是引导块，但引导块不只是 MBR。
开机流程：启动电脑后CPU强制读ROM中的自举装入程序，并根据它找到并运行第一个引导块，也就是主引导记录MBR里的自举程序，读取分区表，找到活动分区（启动分区、引导分区），读活动分区的的分区引导块（操作系统引导扇区，高级格式化），加载操作系统内核，启动系统。

总结:

固态硬盘SSD¶

SSD的优势主要体现在随机存取的速度上，而非连续存储。
静态磨损算法在没有写入数据时，SSD检测并自动进行数据分配，因此通常表现比动态磨损更优秀。

总结：

节后习题笔记¶

预读和滞后写是通过缓冲实现的，提高I/O效率的技术。
系统启动过程中执行顺序依次是ROM中的引导程序、磁盘引导程序、分区引导程序、操作系统的初始化程序。
ROM中的引导程序（BIOS / 自举装入程序）
- → 找磁盘引导程序
磁盘引导程序（MBR 里的自举程序）
- → 找活动分区、找分区引导程序
分区引导程序（分区引导块 / 操作系统引导扇区）
- →加载操作系统内核
操作系统的初始化程序
- → 内核初始化
- → 系统正式启动
将硬盘作为启动盘时，执行顺序是磁盘的物理格式化、对磁盘进行分区、逻辑格式化、操作系统的安装。