操作系统---磁盘管理、设备管理
目录
磁盘的结构
磁盘调度
磁盘读写的时间
磁盘调度算法
先来先服务算法（FCFS)
最短寻找时间优先算法(SSTF)
扫描算法（电梯算法、SCAN）
Look调度算法
循环扫描算法（C-SCAN)
减少磁盘的延迟时间
交替编号
错位命名
磁盘管理
磁盘初始化
引导块（启动块）
坏块管理
I/O设备
I/O控制器
I/O控制方式
程序直接控制方式
中断驱动方式
DMA方式
DMA 方式
通道控制方式
I/O软件层次
用户层的I/O软件
设备独立性软件
设备驱动程序
中断处理程序
假脱机系统（SPOOLing）
设备分配
缓冲区管理
磁盘是外存设备，可以用来存储信息，空间大，但是比起内存来说读取速度慢，断电后数据也不会消失
磁盘的结构
磁盘的表面是磁性物质，可以记录二进制数据
一个磁盘的磁片，会被划分为一个个的磁道（同心圆）
一个磁道又被划分为扇区，每个扇区存放数据的多少是相同的，这个扇区称为磁块
最内侧的扇区，面积小，但是存储的数据和别的扇区一样多，因此数据密度最大
磁盘信息的读取：依靠磁头臂带动磁头运动，磁头运动到目标磁盘块所在的磁道上，然后磁盘会转动，让目标磁块在磁头下划过，从而完成信息读取或者写入
盘面，柱面
所以，一个磁盘块的物理地址定义为（柱面号，盘面号，扇区号）
磁盘分类：
1、根据磁盘是否可以更换分为：固定盘磁盘和可换盘磁盘
2、根据磁头是否可以移动分类：
磁盘调度
磁盘读写的时间
寻找时间（寻道时间）：磁头找到指定磁道的时间；分为两部分：1、启动磁头臂的时间2、磁头在盘面上移动到指定磁道的时间
延迟时间：通过旋转磁盘，让指定的磁盘块在磁头下划过
传输时间：磁盘读写的时间
磁盘调度算法
先来先服务算法（FCFS)
根据请求顺序执行，依次访问
最短寻找时间优先算法(SSTF)
选择离当前磁头最近的访问
扫描算法（电梯算法、SCAN）
磁头只有移动到最外侧，才可以向内移动
Look调度算法
电梯算法要求：磁头只有移动到最外侧，才可以向内移动，Look调度算法对其优化，只要没有访问请求了，就可以向内移动
循环扫描算法（C-SCAN)
减少磁盘的延迟时间
磁盘读写数据之后会需要一小段时间来处理，这就会造成连续读取的问题
例如：磁盘访问连续的1，2，3磁盘块，由于访问1结束之后，需要一小段时间来处理，那么2就无法访问，就必须等待磁盘重新转动一轮后访问
为了解决这个问题，尽量的不让逻辑上相邻的磁盘块在物理上也相邻
交替编号
错位命名
磁盘的柱面结构，两个磁盘的磁盘号不要对应
因为所有磁面是一起连轴转的，而磁盘读写数据之后会需要一小段时间来处理，磁盘之间扇区编号一致的话，也会存在必须等待磁盘重新转动一轮后才可以访问的问题
磁盘管理
磁盘初始化
第一步：物理初始化，划分扇区，一个扇区包括三个部分：头，数据区域，尾
第二步：磁盘分区
第三步：逻辑格式化：创建文件系统
引导块（启动块）
电脑开机时，要进行一系列的初始化，这些初始化程序称之为自举程序
一部分自举程序放在只读寄存器（ROM）中，ROM集成在主板上
大部分自举程序放在磁盘的引导块中，引导块位于磁盘的固定位置
电脑开机时，先执行ROM的自举程序，根据这个程序找到引导块位置，加载引导块的自举程序进入内存，完成初始化
坏块管理
坏掉的磁盘扇区，属于硬件故障，要将这个坏块位置标注出来，不给予分配
I/O设备
I/O就是input和output，也就是输入、输出
I/O设备就是输入或者输出数据的设备，例如鼠标，键盘，显示器……
人机交互类设备：鼠标，键盘，显示器，数据传输慢
存储设备：U盘，光盘等 数据传输快
网络通信设备：路由器，光猫等 数据传输均衡
I/O控制器
I/O设备由机械部件和电子部件（I/O控制器）构成
CPU无法控制I/O设备的机械部件，CPU只能通过I/O设备的电子部件来实现控制I/O设备
I/O控制器的功能
I/O控制器的结构
- 与主机交互
- （记录设备状态）状态/控制寄存器
- （数据交换）数据缓冲寄存器
- （接受命令）地址译码和 I/O 控制逻辑
- 与设备交互
- 外设接口控制逻辑
寄存器编址
I/O控制方式
程序直接控制方式
1、完成一次读写操作的过程
第一步：CPU向I/O控制器发出读指令，于是I/O控制器控制对应设备启动，设备的状态寄存器设置为1（忙碌或者未就绪）
第二步：设备准备输入的数据，这期间CPU就会一直循环检查状态位，等待设备输入完成（轮询方式）
第三步：设备数据准备完成，将数据提交给I/O控制器，并报告自身状态
第三步：I/O控制器将数据放置到数据寄存器中，并修改设备的状态寄存器成为0
第四步：CPU读取数据寄存器内容，CPU读入自己的数据寄存器，后CPU将自己的数据寄存器的数据放入内存
CPU干预频率很大（轮询检查）
中断驱动方式
- 处理器向控制器发出 I/O 命令，然后继续执行后续指令。
- 如果该进程支持异步 I/O，则继续执行该进程。
- 否则，进程在这个中断点挂起，CPU 执行其他程序。
- 控制器检查设备状态，就绪后发起中断。
- CPU 响应中断，转向中断处理程序。
- 中断处理程序执行数据读写操作。
- 恢复执行原先程序。
DMA方式
4.2.4 DMA 方式
DMA: 直接存储器访问
DMA 模块: 模仿处理器来控制主存和设备控制器之间的数据交换
通道控制方式
I/O软件层次
用户层的I/O软件
一般而言，大部分的I/O 软件都在操作系统内部，但仍有一小部分在用户层，包括与用户程序链接在一起的库函数，以及完全运行于内核之外的一些程序。
设备独立性软件
设备独立性软件是为了应用程序独立于具体使用的物理设备。
为了实现设备的独立性，系统必须设置一张逻辑设备表(LUT，Logical Unit Table)，用于将应用程序中所使用的逻辑设备名映射为物理设备名。在该表的每个表目中包含了三项：逻辑设备名、物理设备名和设备驱动程序的入口地址。LUT 的设置可采取两种方式：第一种方式是在整个系统中只设置一张LUT；第二种方式是为每个用户设置一张LUT。
设备驱动程序
设备驱动程序通常又称为设备处理程序，它是I/O 进程与设备控制器之间的通信程序，又由于它常以进程的形式存在，故以后就简称之为设备驱动进程。其主要任务是接收上层软件发来的抽象I/O 要求，如read或write命令，在把它转换为具体要求后，发送给设备控制器，启动设备去执行；此外，它也将由设备控制器发来的信号传送给上层软件。设备驱动程序的主要任务是启动指定设备。但在启动之前，还必须完成必要的准备工作，如检测设备状态是否为“忙”等。在完成所有的准备工作后，才最后向设备控制器发送一条启动命令。工作过程如下：
- 将抽象要求转换为具体要求；
- 检查I/O 请求的合法性；
- 读出和检查设备的状态；
- 传送必要的参数；
- 工作方式的设置；
- 启动I/O 设备。
中断处理程序
中断处理层的主要工作有：进行进程上下文的切换，对处理中断信号源进行测试，读取设备状态和修改进程状态等。
假脱机系统（SPOOLing）
通过SPOOLing 技术便可将一台物理I/O 设备虚拟为多台逻辑I/O 设备，同样允许多个用户共享一台物理I/O设备。为了缓和CPU的高速性与I/O 设备低速性间的矛盾而引入了脱机输入、脱机输出技术。SPOOLing 技术是对脱机输入、输出系统的模拟。该技术是利用专门的外围控制机，将低速I/O 设备上的数据传送到高速磁盘上；或者相反。使得此时的外围操作与CPU对数据的处理同时进行。SPOOLing系统必须建立在具有多道程序功能的操作系统上，而且还应有高速随机外存的支持，这通常是采用磁盘存储技术。
多道程序的支持
共享打印机
设备分配
设备分配的两种方式:
设备管理的数据结构
缓冲区管理
- 缓冲的引入
- (4) 提高CPU和I/O设备之间的并行性。
- (3) 解决数据粒度不匹配的问题。
- (2) 减少对CPU的中断频率，放宽对CPU中断响应时间的限制。
- (1) 缓和CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾。
- 单缓冲区和双缓冲区
- 单缓冲区：在单缓冲情况下，每当用户进程发出一I/O请求时，操作系统便在主存中为之分配一缓冲区
双缓冲区：解决生产者和消费者在使用缓冲区时的互斥问题
循环缓冲区
缓冲池
由系统的缓冲区构成
