王道操作系统课代表 - 考研计算机 第五章 输入输出管理 究极精华总结笔记
本篇博客是考研期间学习王道课程 传送门 的笔记，以及一整年里对
操作系统知识点的理解的总结。希望对新一届的计算机考研人提供帮助！！！
关于对输入输出管理章节知识点总结的十分全面，涵括了《操作系统》课程里的全部要点（本人来来回回过了三遍视频），其中还陆陆续续补充了许多内容，所以读者可以相信本篇博客对于考研操作系统 “输入输出管理” 章节知识点的正确性与全面性；
但如果还有自主命题的学校，还需额外读者自行再观看对应学校的自主命题材料。
操作系统笔记导航
- 第一章 计算机概述
- 第二章 进程与线程
- 第三章 内存管理
- 第四章 文件管理
- 第五章 输入输出管理
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如果本篇文章对大家起到帮助的话，跪求各位帅哥美女们，
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食用说明书：
第一遍学习王道课程时，我的笔记只有标题和截图，后来复习发现看只看图片，并不能很快的了解截图中要重点表达的知识点。
在第二遍复习中，我给每一张截图中 标记了重点，以及 每张图片上方总结了该图片 对应的知识点 以及自己的 思考 。
最后第三遍，查漏补缺。
所以 ，我把目录放在博客的前面，就是希望读者可以结合目录结构去更好的学习知识点，之后冲刺复习阶段脑海里可以浮现出该知识结构，做到对每一个知识点熟稔于心！
请读者放心！目录展示的知识点结构是十分合理的，可以放心使用该结构去记忆学习！
注意(⊙o⊙)！，每张图片上面的文字，都是该图对应的知识点总结，方便读者更快理解图片内容。
《操作系统》第5章 输入输出管理
【考纲内容】
王道 297
(一) I/O管理基础 网课耗时：
1.5 h
- 设备 ：设备的基础概念，设备的分类，I/O接口；
- I/O控制方式：轮询方式，中断方式，DMA方式；
- I/O软件层次结构：中断处理程序，驱动程序，设备独立性软件，用户层I/O软件；
- 输入/输出应用程序接口：字符设备接口，块设备接口，网设备接口，阻塞/非阻塞IO；
(二) 设备独立软件
网课耗时：
1 h
- 缓冲区管理
- 设备分配与回收
- 假脱机技术（SPOOLing）
- 设备驱动程序接口
(三) 外存管理
网课耗时：
1 h
- 磁盘 ：磁盘结构，格式化，分区，磁盘调度方法；
- 固态硬盘 ：读写性能特性，磨损均衡；
【复习提示】
本章的内容较为分散，重点掌握：
I/O接口、IO软件、三种IO控制方式、高速缓存与缓冲区、SPOOLing 技术，磁盘特性和调度算法
本章很多知识点与硬件高度相关，建议与计算机组成原理的对应章节结合复习；
本章内容在历年统考真题中所占的比重不大，若统考中出现本章的题目，则基本上可以断定一定非常简单；
5.1 I/O管理概述
5.1.1 I/O设备
本节介绍 I/O 设备管理 的对象 -
I/O 设备；
1. 什么是IO设备 ？
将数据输入到计算机中，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；
2. 按使用特性分类
3. 按传输速率分类
4. 按信息交换的单位分类
小结
5.1.2 I/O控制器
1. 机械部件
2. 电子部件
I/O接口 是指辅助 CPU 控制 I/O 设备机械部件的电子部件，也称 设备控制器 或 I/O控制器；
I/O端口 是指设备控制器中可被CPU直接访问的 寄存器；
I/O控制器的功能（下图中对各功能的解释了解即可）：
- ① 接受和识别CPU发出命令；
- ② 向CPU报告设备的状态；
- ③ 数据交换；
- ④ 地址识别；
- ⑤ 数据缓冲；
- ⑥ 差错控制；
I/O控制器的组成 (三个主要部分)
- 设备控制器与CPU的接口；
- 设备控制器与设备的接口；
- I/O逻辑单元；
I/O端口 是指设备控制器中可被CPU直接访问的 ==寄存器，==包括：
- 数据寄存器：实现CPU与外设之间的数据缓冲；
- 状态寄存器：获取执行结构和设备的状态信息，以让CPU知道是否准备好；
- 控制寄存器：由CPU写入，以便启动命令或更改设备模式；
为了实现 CPU 与 I/O端口 进行通信，有两种方法：
① 独立编制
为每个端口分配一个 ==I/O端口号，==所有I/O端口形成I/O端口空间；
普通用户程序不能对其访问，只有操作系统使用特殊的I/O指令才能访问端口；
② 统一编制（内存映射I/O）
每个端口被分配唯一的 ==内存地址，==且不会有内存被分配这一地址，通常分配给端口的地址靠近地址空间的开端；
小结
5.1.3 I/O控制方式
本节内容对标 《计算机组成原理》7.3 I/O方式，两个之间配合学习；
设备管理的主要任务之一是 控制设备和 内存或CPU 之间的数据传输；
外围设备 和 内存 之间的输入/输出控制方式有以下四种：
1. 程序直接控制方式
程序直接控制方式的小结 ⭐
2. 中断驱动方式
3. DMA方式
4. 通道控制方式 *
小结
5.1.4 I/O软件层次结构
为了更好地设计 I/O 软件，采用 层次式结构 的 I/O 软件；
1. 用户层软件
2. 设备独立性软件
3. 设备驱动程序
4. 中断处理程序
硬件
5.1.4 I/O应用程序接口 与 设备驱动程序接口
1. I/O应用程序接口
在I/O系统与高层之间的接口中，根据设备类型的不同，又进一步分为若干个接口：
- 字符设备接口
- 块设备接口
- 网络设备接口
【补充】OS的I/O接口还涉及两种模式：阻塞 / 非阻塞
2. 设备驱动程序接口
5.2 设备独立性软件
5.2.1 IO核心子系统
I/O 系统 = 设备独立性软件层 + 设备驱动程序层 + 中断处理程序；
考研重点关注的技术：
- I/O调度；
- 设备保护；
- 假脱机技术；
- 设备分配与回收；
- 缓冲区管理；
和 硬件无关 层次实现的功能：
- 用户层软件 - 假脱机技术；
- 设备独立性软件 - I/O调度、设备保护、设备分配与回收、缓冲区管理；
和 硬件相关 的事情，由设备驱动程序、中断处理程序负责；
小结
5.2.2 假脱机技术（SPOOLing技术）
1. 什么是脱机技术 ？
2. 假脱机技术的实现原理
① 输入井 和 输出井
② 输入进程 和 输出进程
③ 输入/输出缓冲区
共享打印机原理分析
共享打印过程
小结
5.2.3 设备分配与回收
1. 设备分配时应考虑的因素
2. 静态分配 和 动态分配
3. 设备分配管理中的数据结构
① 设备控制表 DCT
② 控制器控制表 COCT
③ 通道控制表 CHCT
④ 系统设备表 SDT
4. 设备分配的步骤
5. 设备分配步骤的改进方法
小结
5.2.4 缓冲区管理
1. 缓冲区
2. 单缓冲
3. 双缓冲
4. 循环缓冲
5. 缓冲池
小结
5.3 磁盘和固态硬盘
5.3.1 磁盘的结构
1. 磁盘、磁道、扇区
2. 如何在磁盘中读/写数据
3. 盘面、柱面的概念
4. 磁盘的物理地址
5. 磁盘的分类
小结
5.3.2 磁盘调度算法
1. 一次磁盘读/写操作需要的时间
寻道时间 TS
Ts =
s + m × n延迟时间 TR
TR =
(1/2) × (1/r)； 1/r 就是转一圈需要的时间，而找到目标扇区平均需要转半圈；
传输时间 Tt
Tt =
(1/r) / (b/N)
2. 磁盘调度算法
① 先来先服务算法
② 最短寻找时间优先
③ 扫描算法
LOOK调度算法
④ 循环扫描算法
小结
5.3.3 减少磁盘延迟时间的方法
交替编号
磁盘地址结构的涉及
错位命名
小结
5.3.4 磁盘的管理
1. 磁盘初始化
2. 引导块
内存中ROM存放的是 自举装入程序 ， 而引导块存放的是完整的自举程序；
3. 坏块的管理
坏块是硬件故障，无法修复；
小结
5.3.5 固态硬盘
5.4 常见问题和易混淆知识点
1．设备分配
1）分配设备。首先根据I/O请求中的物理设备名查找系统设备表(SDT)，从中找出该设备的 DCT，再根据DCT 中的设备状态字段，可知该设备是否正忙。若忙，便将请求IO进程的PCB挂到设备队列上;若空闲，则按照一定的算法计算设备分配的安全性，若安全则将设备分配给请求进程，否则仍将其PCB挂到设备队列上。
2）分配控制器。系统把设备分配给请求IO的进程后，再到其DCT中找出与该设备连接的
控制器的COCT，从 COCT中的状态字段中可知该控制器是否忙碌。若忙，则将请求IO进程的PCB 挂到该控制器的等待队列上;若空闲，则将控制器分配给进程。 3）分配通道。在该COCT中又可找到与该控制器连接的通道的CHCT，再根据CHCT 内的状态信息，可知该通道是否忙碌。若忙，则将请求TO的进程挂到该通道的等待队列上;若空闲，则将该通道分配给进程。只有在上述三者都分配成功时，这次设备的分配才算成功。然后，便可启动该IO设备进行数据传送。
为使独占设备的分配具有更强的灵活性，提高分配的成功率，还可从以下两方面对基本的设备分配程序加以改进：
① 增加设备的独立性。进程使用逻辑设备名请求IO。这样，系统首先从SDT中找出第一个该类设备的DCT。若该设备忙，则又查找第二个该类设备的DCT。仅当所有该类设备都忙时，才把进程挂到该类设备的等待队列上;只要有一个该类设备可用，系统便进一步计算分配该设备的安全性。
② 考虑多通路情况。为防止IO系统的“瓶颈”现象，通常采用多通路的TO系统结构。此时对控制器和通道的分配同样要经过几次反复，即若设备（控制器）所连接的第一个控制器（通道）忙时，则应查看其所连接的第二个控制器（通道)，仅当所有控制器（通道）都忙时，此次的控制器（通道）分配才算失败，才把进程挂到控制器（通道）的等待队列上。而只要有一个控制器（通道）可用，系统便可将它分配给进程；
设备分配过程中，先后分别访问的数据结构为SDT → DCT → COCT → CHCT。要成功分配一个设备，必须要：
① 设备可用；② 控制器可用；③ 通道可用；所以，“设备分配，要过三关”；
2．提高磁盘I/O速度的方法
1）提前读。在读磁盘当前块时，把下一磁盘块也读入内存缓冲区；
2）延迟写。仅在缓冲区首部设置延迟写标志，然后释放此缓冲区并将其链入空闲缓冲区链表的尾部，当其他进程申请到此缓冲区时，才真正把缓冲区信息写入磁盘块；
3）虚拟盘。是指用内存空间去仿真磁盘，又叫RAM盘。虚拟盘是一种易失性存储器。虚拟盘常用于存放临时文件；
1）I/O管理要完成哪些功能 ？
答：
- 状态跟踪：要能实时掌握外部设备的状态；
- 设备存取：要实现对设备的存取操作；
- 设备分配：在多用户环境下，负责设备的分配与回收；
- 设备控制：包括设备的驱动、完成和故障的中断处理；
1) 当处理机和外部设备的速度差距较大时，有什么办法可以解决问题 ?
答：
可采用缓冲技术来缓解CPU 与外设速度上的矛盾；
即在某个地方（一般为主存）设立一片缓冲区,外设与CPU的输入/输出都经过缓冲区，这样外设和CPU就都不用互相等待。
2) 什么是设备的独立性 ? 引入设备的独立性有什么好处 ？
答：
设备独立性是指用户在编程序时使用的设备与实际设备无关；
一个程序应独立于分配给它的某类设备的具体设备，即在用户程序中只指明IO使用的设备类型即可；
设备独立性有以下优点：①方便用户编程。②使程序运行不受具体机器环境的限制。③便于程序移植。
1）在磁盘上进行一次读写操作需要哪几部分时间 ？其中哪部分时间最长 ？
在磁盘上进行一次读写操作花费的时间由寻道时间、延迟时间和传输时间决定；
其中寻道时间是将磁头移动到指定磁道所需要的时间，延迟时间是磁头定位到某一磁道的扇区（块号）所需要的时间，传输时间是从磁盘读出或向磁盘写入数据所经历的时间；
一般来说，寻道时间因为要移动磁臂，所以占用时间最长；
2）存储一个文件时，当一个磁道存储不下时，
剩下部分是存在同一个盘面的不同磁道好，还是存在同一一个柱面上的不同盘面好 ?
上一问已经说到，寻道时间对于一次磁盘访问的影响是最大的；
若存在同一个盘面的不同磁道，则磁臂势必要移动，这样会大大增加文件的访问时间，而存在同一个柱面上的不同盘面就不需要移动磁道，所以一般情况下存在同一个柱面上的不同盘面更好；