计算机操作系统：输入输出管理知识点汇总（简化版）

说明

1. 博客作为笔记备份，不定时更新
2. 参考内容为王道考研《计算机操作系统考研复习指导2023》
3. 简化版仅进行了知识点汇总，详细知识点没有记录，主要用来搭知识体系框架
4. 思维导图为文字版导出的，可将文字内容粘贴到思维导图软件自动生成。如果是用obsidian并安装了mindmap插件的话，可在文件开头写上以下内容，生成导图：

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mindmap-plugin : basic
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思维导图版

文字版

输入输出管理

I/O设备

• I/O设备分类
  • 块设备
  • 字符设备
  • 低速/中速/高速设备
• I/O接口（位于CPU与设备之间）
  • 设备控制器与I/O设备的接口
  • 设备控制器与CPU的接口
  • I/O逻辑
• I/O端口
  • 三种
    • 数据寄存器
    • 状态寄存器
    • 控制寄存器
  • 编址方式
    • 统一编制
    • 独立编址
• I/O控制方式
  • 程序直接控制方式
  • 中断驱动方式
  • DMA方式
    • 特点
      • 以块为单位传送
      • 设备直接与内存进行数据交换（不通过CPU的寄存器）
      • 仅在传送开始和结束时需要CPU的干预
    • 4类寄存器
      • 命令/状态寄存器
      • 内存地址寄存器
      • 数据寄存器
      • 数据计数器
  • 通道
    • 通道程序位于内存中
    • 在传输过程中，控制权在通道
      • 与DMA不同的是，由通道决定传输数据的大小，以及传送的内存地址
      • 通道可控制多台设备与内存的数据交换
    • 开始时，CPU发出一条I/O指令，启动通道；传输结束，通道向CPU发出中断请求
• I/O软件层次
  • 用户层I/O软件
  • 设备无关性软件
  • 设备驱动程序
  • 中断处理程序
  • 硬件
• 应用程序I/O接口
  • 字符设备接口
  • 块设备接口
  • 网络设备接口
  • 阻塞/非阻塞接口
• I/O管理（要做的四件事）
  • 状态跟踪：跟踪外设状态
  • 设备存取：实现对外设的存取
  • 设备分配
  • 设备控制

设备独立性软件

• 与设备无关的软件
  • 是I/O系统最高层软件
  • 执行所有设备公有操作的软件
• 高速缓存和缓冲区
  • 高速缓存
    • 在内存的两种形式
      • 磁盘高速缓存
        • 内存中开辟的单独空间，大小固定
        • 逻辑上属于磁盘，物理上属于内存
      • 缓冲池
        • 将空闲的内存空间作为一个缓冲池
  • 缓冲区
    • 单缓冲
      • 处理每块数据耗时：$max\{C,T\}+M$
      • T：设备将数据输入缓冲区的时间
      • M：系统从缓冲区中取走数据的时间
      • C：CPU处理数据的时间
      • 结合流水线的时空图理解
    • 双缓冲
      • 处理每块数据的时间：$max\{C+M,T\}$
    • 循环缓冲
    • 缓冲池
  • 高速缓存和缓冲区的比较
• 设备分配与回收
  • 分类
    • 独占设备
    • 共享设备
    • 虚拟设备（借助SPOOLing技术实现）
  • 分配过程
    • 数据结构
      • 系统设备表 SDT
      • 设备控制表 DCT
      • 控制器控制表 COCT
      • 通道控制表 CHCT
    • 先后访问的数据结构：$SDT\to DCT\to COCT\to CHCT$
    • 成功分配一个设备要满足的条件（缺一不可）
      • 设备可用
      • 控制器可用
      • 通道可用
  • 分配策略
    • 分配方式
      • 静态分配方式（一次性）
      • 动态分配方式（根据设备的请求）
    • 分配算法
  • 设备分配的安全性
    • 安全分配
      • 进程请求I/O后进入阻塞状态，直至I/O操作完成
      • 在进程阻塞时，其不再请求其他资源，并不保持任何资源：即破坏了“请求保持”条件
      • CPU和I/O设备串行工作
    • 不安全分配
      • 进程发出I/O请求后继续运行，并可继续发出I/O请求
      • 只有进程请求的I/O设备被其他进程占用时才进入阻塞态
  • 逻辑到物理的映射
    • LUT表
    • 设置LUT的两种方式
      • 一个系统只有一张
      • 每个用户一张
• SPOOLing技术
  • SPOOLing系统组成
    • 内存中
      • 输入/输出进程
      • 输入/输出缓冲区
    • 磁盘中
      • 输入井
      • 输出井
  • 特点
    • 提高I/O速度
    • 改独占为共享
    • 实现了虚拟设备功能

磁盘Disk和固态硬盘SSD

• 磁盘
  • 地址：柱面号·盘面号·扇区号
  • 管理
    • 初始化
      • 低级格式化（物理格式化）：将磁盘分为扇区
      • 低级格式化用特殊数据结构填充磁盘
    • 分区
      • 两步
        • 1. 将磁盘分为一个或多个柱面组成的扇区
        • 2. 对物理分区进行逻辑格式化（创建文件系统）
      • 簇（Linux中称为块）
        • 多个相邻的扇区组成为簇
        • 文件占用的空间只能为簇的整数倍
    • 引导块
      • 初始化程序（自举程序）
        • 计算机启动时运行初始化程序
        • 自举程序一小部分位于ROM中，完整功能的引导程序位于磁盘的启动块
      • 启动过程
        • ROM中的代码指示磁盘控制器将引导块读入内存后执行
        • 例子：Windows启动过程
  • 磁盘调度算法
    • 几个指标
      • 寻道时间
      • 旋转延迟时间：$T_r=\frac{1}{2r}$，r为磁盘转速
      • 传输时间：$T_t=\frac{b}{rN}$，b为每次读/写的字节数；N为一个磁道上的字节数
    • 先来先服务算法FCFS
    • 最短寻找时间优先算法SSTF
    • 扫描算法SCAN（又称电梯调度算法）
    • 循环扫描算法C-SCAN
  • 交替编号、错位命名：可以减少延迟时间
  • 提高磁盘I/O速度的方法
    • 提前读：提前将磁盘块读入内存缓冲区
    • 延后写：要写入磁盘的数据先写入缓冲区，当其他进程申请此缓冲区时再写入磁盘
    • 虚拟盘：使用内存空间去仿真磁盘（又称为RAM盘）
• 固态硬盘SSD
  • 以页为读写单位
  • 擦除
    • 只有一页所在的一块全被擦除后，才能写这一页
    • 一旦擦除一块，可直接再对块中的每一页写一次
  • 随机读较快，随机写较慢（涉及擦除）
  • 磨损均衡
    • 动态磨损均衡：写入时自动选择较新的闪块
    • 静态磨损均衡：没有数据写入时，SSD自动监测并进行数据分配