王道计算机考研 操作系统学习笔记 + 完整思维导图篇章五: IO管理

目录

IO设备的基本概念和分类

IO设备的分类 

按使用特性分类

按传输速率分类 

按信息交换单位分类 

IO控制器

l/O设备的电子部件（I/O控制器） 

l/O控制器的组成

内存映像I/o vs.寄存器独立编址

IO控制方式

程序直接控制方式

中断驱动方式

DMA方式

​编辑通道控制方式

DMA与通道的区别

IO软件层次结构 

用户层IO软件 

设备独立性软件

主要功能

中断处理程序

输入/输出应用程序接口 & 设备驱动程序接口 

输入/输出应用程序接口

阻塞/非阻塞I/O

设备驱动程序接口 

IO核心子系统 

假脱机技术（SPOOLing ） 

什么是脱机技术

输入井和输出井

共享打印机原理分析 

设备的分配与回收

设备分配时应考虑的因素 

静态分配和动态分配

设备分配管理中的数据结构

设备分配的步骤

​编辑​编辑

设备分配步骤的改进 

缓冲区管理 

什么是缓冲区? 有什么作用?​编辑​编辑

单缓冲

双缓冲 

使用单/双缓冲在通信时的区别

高速缓存与缓冲区对比

相同点

不同

循环缓冲区

缓存池

磁盘管理 

磁盘的结构

磁盘、磁道、扇区 

如何在磁盘中读/写数据

盘面、柱面

磁盘的物理地址

​编辑 磁盘的分类

磁盘调度算法

一次磁盘读/写操作需要的时间 

先来先服务算法 (FCFS)

最短寻找时间优先 (SSTF)

扫描算法 (SCAN)

LOOK 调度算法

循环扫描算法 (CSCAN) 

C-LOOK 调度算法

磁盘的管理

磁盘初始化 

引导块 

坏块管理 

固态硬盘SSD 

IO设备的基本概念和分类

“I/O”就是“输入/输出”（Input/Output）I/O设备就是可以将数据输入到计算机，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。

IO设备的分类 

按使用特性分类

按传输速率分类 

按信息交换单位分类 

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IO控制器

I/0设备的机械部件主要用来执行具体I/O操作。如我们看得见摸得着的鼠标/键盘的按钮:显示器的LED屏:移动硬盘的磁臂、磁盘盘面

l/0设备的电子部件通常是一块插入主板扩充槽的印刷电路板 

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l/O设备的电子部件（I/O控制器） 

l/O控制器的组成

值得注意的小细节:

• 一个I/0控制器可能会对应多个设备;
• 数据寄存器、控制寄存器、状态寄存器可能有多个(如：每个控制/状态寄存器对应一个具体的设备)，且这些寄存器都要有相应的地址，才能方便CPU操作。有的计算机会让这些寄存器占用内存地址的一部分，称为内存映像l/0；另一些计算机则采用I/0专用地址，即寄存器独立编址

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内存映像I/o vs.寄存器独立编址

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IO控制方式

程序直接控制方式

 

中断驱动方式

DMA方式

通道控制方式

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DMA与通道的区别

DMA需要CPU来控制传输的数据块大小、传输的内存位置、而通道方式中这些信息是由通道控制的

DMA控制器对应一台设备与内存传递数据，通道可以控制多态设备与内存的数据交换

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IO软件层次结构 

用户层IO软件 

设备独立性软件

用于实现用户程序与设备驱动器的统一接口、设备命令、设备保护、差错控制及设备分配与释放，同时为设备管理与数据传送提供必要的存储空间

设备独立性也称为设备无关性，使得应用程序独立于具体使用的物理设备（使用逻辑设备名）

使用逻辑设备名的好处：增加设备分配的灵活性；易于实现IO重定向

主要功能

• 执行所有设备的公有操作（设备的分配与回收，逻辑设备名映射为物理设备名，对设备进行保护，进制用户直接访问设备），屏蔽设备之间数据交换的速度差异等
• 向用户层（文件层）提供统一接口∶无论哪种设备，他们向用户提供的接口都是相同的

不同设备的内部硬件特性也不同，这些特性只有厂家才知道，因此厂家须提供与设备相对应的驱动程序，CPU执行驱动程序的指令序列，来完成设置设备寄存器，检查设备状态等工作

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中断处理程序

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输入/输出应用程序接口 & 设备驱动程序接口 

输入/输出应用程序接口

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阻塞/非阻塞I/O

• 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

        eg：字符设备接口-一从键盘读一个字符 get

• 非阻寨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

        eg：块设备接口--往磁盘写数据 write

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设备驱动程序接口 

• 不同的操作系统，对设备驱动程序接口的标准各不相同。
• 设备厂商必须根据操作系统的接口要求，开发相应的设备驱动程序，设备才能被使用 

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IO核心子系统 

 

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假脱机技术（SPOOLing ） 

什么是脱机技术

输入井和输出井

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共享打印机原理分析 

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设备的分配与回收

设备分配时应考虑的因素 

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静态分配和动态分配

• 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（破坏了“请求和保持”条件，不会发生死锁）
• 动态分配:进程运行过程中动态申请设备资源

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设备分配管理中的数据结构

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设备分配的步骤

根据进程请求的物理设备名查找SDT(注:物理设备名是进程请求分配设备时提供的参数)

根据SDT找到DCT，若设备忙碌则将进程PCB挂到设备等待队列中，不忙碌则将设备分配给进程。

根据DCT找到COCT，若控制器忙碌则将进程PCB挂到控制器等待队列中，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挂到通道等待队列中，不忙碌则将通道分配给进
程。

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设备分配步骤的改进 

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缓冲区管理 

什么是缓冲区? 有什么作用?

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单缓冲

结论：采用单缓冲策略，处理一块数据平均耗时 Max(C, T)+M

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双缓冲 

结论:采用双缓冲策略，处理一个数据块的平均耗时为 Max(T, C+M)

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使用单/双缓冲在通信时的区别

显然，若两个相互通信的机器只设置单缓冲区，在任一时刻只能实现数据的单向传输。 

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高速缓存与缓冲区对比

相同点

都介于高速设备和低速设备之间

不同

• 存放数据

  高速缓存：存放的是低速设备上的某些数据的复制数据

  缓冲区：存放的是低速设备传递给高速设备的数据，这些数据在低速设备上不一定有备份，这些数据再从缓冲区传送到高速设备

• 目的

  高速缓存∶高速缓存存放的是高速设备经常要访问的数据，如高速缓存中数据不在，高速设备就要访问低速设备

  高速设备和低速设备的通信都要经过缓冲区，高速设备永远不会去直接访问低速设备

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循环缓冲区

缓存池

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磁盘管理 

磁盘的结构

磁盘、磁道、扇区 

如何在磁盘中读/写数据

        需要把“磁头”移动到想要读/写的扇区所在的磁道磁盘会转起来，让目标扇区从磁头下面划过，才能完成对扇区的读/写操作。

盘面、柱面

磁盘的物理地址

 磁盘的分类

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磁盘调度算法

一次磁盘读/写操作需要的时间 

操作系统的磁盘调度算法会直接影响寻道时间 

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先来先服务算法 (FCFS)

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最短寻找时间优先 (SSTF)

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扫描算法 (SCAN)

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LOOK 调度算法

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循环扫描算法 (CSCAN) 

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C-LOOK 调度算法

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磁盘的管理

磁盘初始化 

引导块 

坏块管理 

固态硬盘SSD