操作系统-输入输出管理

I/O设备的基本概念和分类

I/O就是输入/输出
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。
I/O设备按使用特性分类

• 人机交互类外部设备
• 存储设备
• 网络通信设备

I/O设备按传输速率分类

• 低速设备
• 中速设备
• 高速设备

I/O设备按信息交换的单位分类

• 块设备
• 字符设备

I/O控制器

I/O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。
I/O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。
CPU无法直接控制I/O设备的机械部件，因此I/O设备还要有一个电子部件作为CPU和I/O设备机械部件之间的“中介”，用于实现CPU对设备的控制
这个电子部件就是I/O控制器，又称设备控制器。CPU可控制I/O控制器，又由I/O控制器来控制设备的机械部件。

I/O控制器的组成

I/O控制方式

程序直接控制方式

1. 完成一次读/写操作的流程（以读操作为例）

（key word: 轮询）

2. CPU干预的频率

很频繁，I/O操作开始之前、完成之后需要CPU介入，并且在等待I/O完成的过程中CPU需要不断地轮询检查

3. 数据传送的单位

每次读/写一个字

4. 数据的流向

读操作（数据输入）：I/O设备->CPU->内存
写操作（数据输出）：内存->CPU->I/O设备
每个字的读/写都需要CPU的帮助

5. 主要缺点和主要优点

优点：实现简单。在读/写指令之后，加上实现循环检查的一系列指令即可（因此才称为“程序直接控制方式”）
缺点：CPU和I/O设备只能串行工作，CPU需要一直轮询检查，长期处于“忙等”状态，CPU利用率低。

中断驱动方式

引入中断机制。由于I/O设备速度很慢，因此在CPU发出读/写命令后，可将等待I/O的进程阻塞，先切换到别的进程执行。当I/O完成后，控制器会向CPU发出一个中断信号，CPU检测到中断信号后，会保存当前进程的运行环境信息，转去执行中断处理程序处理该中断。处理中断的过程中，CPU从I/O控制器读一个字的数据传送到CPU寄存器，再写入主存。接着，CPU恢复等待I/O的进程（或其他进程）的运行环境，然后进行执行。
注意：

• CPU会在每个指令周期的末尾检查中断
• 中断处理过程中需要保持、恢复进程的运行环境，这个过程是需要一定时间开销的。可见，如果中断发生的频率太高，也会降低系统性能。

1. 完成一次读/写操作的流程

2. CPU干预的频率

每次I/O操作开始之前、完成之后需要CPU介入
等待I/O完成的过程中CPU可以切换别的进程执行

3. 数据传送的单位

每次读/写一个字

4. 数据的流向

读操作（数据输入）：I/O设备->CPU->内存
写操作（数据输出）：内存->CPU->I/O设备

5. 主要缺点和主要优点

优点：与“程序直接控制方式”相比，在“中断驱动方式”中，I/O控制器会通过中断信号主动报告I/O已完成，CPU不再需要不停地轮询。
CPU和I/O设备可并行工作，CPU利用率得到明显提升
缺点：每个字在I/O设备与内存之间的传输，都需要经过CPU。而频繁的中断处理会消耗较多的CPU时间。

DMA方式

与“中断驱动方式”相比，DMA方式（Direct Memory Access，直接存储器存取。主要用于块设备的I/O控制）有这样几个改进：

1. 数据的传送单位是“块”。不再是一个字、一个字的传送；
2. 数据的流向是从设备直接放入内存，或者从内存直接到设备。不再需要CPU作为“快递小哥”
3. 仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时，才需要CPU干预

DMA控制器

1. 完成一次读/写操作的流程

2. CPU干预的频率

仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时，才需要CPU干预

3. 数据传送的单位

每次读/写一个或多个块（注意：每次读写的只能是连续的多个块，且这些块读入内存后在内存中也必须是连续的）

4. 数据的流向（不在需要经过CPU）

读操作（数据输入）：I/O设备->内存
写操作（数据输出）：内存->I/O设备

5. 主要缺点和主要优点

优点：数据传输以‘块’为单位，CPU介入频率进一步降低。数据的传输不再需要先经过CPU再写入内存，数据传输效率进一步增加。CPU和I/O设备的并行性得到提升。
缺点：CPU每发出一条I/O指令，只能读/写一个或多个连续的数据块。
如果要读/写多个离散存储的数据块，或者要将数据分别写到不同的内存区域时，CPU要分别发出多条I/O指令，进行多次中断处理才能完成。

通道控制方式

与CPU相比，通道可以执行的指令很单一，并且通道程序是放在主机内存中的，也就是说通道与CPU共享内存

1. 完成一次读/写操作的流程

2. CPU干预的频率

极低，通道会根据CPU的指示执行相应的通道程序，只有完成一组数据块的读/写后才需要发出中断信号，请求CPU干预

3. 数据传送的单位

每次读/写一组数据块

4. 数据的流向（在通道的控制下进行）

读操作（数据输入）：I/O设备->内存
写操作（数据输出）：内存->I/O设备

5. 主要缺点和主要优点

缺点：实现复杂，需要专门的的通道硬件支持
优点：CPU、通道、I/O设备可并行工作，资源利用率很高

I/O软件层次结构

用户层软件

设备独立性软件
设备独立性软件，又称设备无关性软件。与设备的硬件特性无关的功能几乎都在这一层实现。
主要实现的功能：

1. 向上层提供统一的调用接口（如read/write系统调用）
2. 设备的保护

原理类似与文件保护。设备被看做是一种特殊的文件，不同用户对各个文件的访问权限是不一样的，同理，对设备的访问权限也不一样。

3. 差错处理

设备独立性软件需要对一些设备的错误进行处理

4. 设备的分配与回收
5. 数据缓冲器管理

可以通过缓冲技术屏蔽设备之间数据交换单位大小和传输速度的差异

6. 建立逻辑设备名到物理设备名的映射关系；根据设备类型选择调用相应的驱动程序

用户或用户层软件发出I/O操作相关系统调用的系统调用时，需要指明此次要操作的I/O设备的逻辑设备名（打印文件时，需要选择打印机1/打印机2/打印机3，这些都是逻辑设备名）
设备独立性软件需要通过“逻辑设备表（LUT,Logical UnitTable）”来确定逻辑设备对应的物理设备，并找到该设备对应的设备驱动程序

操作系统可以采用两种方式管理逻辑设备表（LUT）：
第一种方式，整个系统只设置一张LUT，这就意味着所有用户不能使用相同的逻辑设备名，因此这种方式只适用于单用户操作系统
第二种方式，为每个用户设置一张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。系统会在用户登录时为其建立一个用户管理进程，而LUT就存放在用户管理进程的PCB中
设备驱动程序
主要负责对硬件设备的具体控制，将上层发出的一系列命令（如read/write）转化成特定设备“能听得懂”的一系列操作。包括设置设备寄存器；检测设备状态等
不同的I/O设备有不同的硬件特性，具体细节只有设备的厂家才知道。因此厂家需要根据设备的硬件特性设计并提供相应的驱动程序。
中断处理程序
当I/O任务完成时，I/O控制器会发送一个中断信号，系统会根据中断信号类型找到相应的中断程序处理并执行。中断处理程序的处理流程如下：

输入/输出应用程序接口

字符设备接口
get/put系统调用：向字符设备读/写一个字符
块设备接口
read/write系统调用：向块设备的读写指针位置读/写多个字符；
seek系统调用：修改读写指针位置
网络设备接口 （网络套接字（socket）接口）
socket系统调用：创建一个网络套接字，需指明网络协议（TCP？UDP？）
bing：将套接字绑定到某个本地“端口”
connect：将套接字连接到远程地址
read/write：从套接字读/写数据

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–从键盘读一个字符get
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。
eg：块设备接口–往磁盘写数据write

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

I/O核心子系统

注：假脱机技术（SPOOLing 技术）需要请求“磁盘设备”的设备独立性软件的服务，因此一般来说假脱机技术是在用户层软件实现的。

I/O调度：用某种算法确定一个好的顺序来处理各个I/O请求。
如：磁盘调度（先来先服务算法、最短寻道优先算法、SCAN算法、C-SCAN算法、LOOK算法、C-LOOK算法）。当多个磁盘I/O请求到来时，用某种调度算法确定满足I/O请求的顺序。
同理，打印机等设备也可以用先来先服务算法、优先级算法、短作业优先等算法来确定I/O调
度顺序。

操作系统需要实现文件保护功能，不同的用户对各个文件有不同的访问权限（如：只读、读和写等）。
在UNIX系统中，设备被看做是一种特殊的文件，每个设备也会有对应的FCB。当用户请求访问某个设备时，系统根据FCB中记录的信息来判断该用户是否有相应的访问权限，以此实现“设备保护”的功能。

假脱机技术（SPOOLing技术）

假脱机技术–输入井和输出井

“假脱机技术”，又称“SPOOLing技术”是用软件的方式模拟脱机技术。SPOOLing系统组成如下：

共享打印机原理分析
独占式设备–只允许各个进程串行使用的设备。一段时间内只能满足一个进程的请求。
共享设备–允许多个进程“同时”使用的设备（宏观上同时使用，微观上可能是交替使用）。可以同时满足多个进程的使用请求。

设备分配与回收

设备的固有属性可分为三种：独占设备、共享设备、虚拟设备
独占设备–一个时段只能分配给一个进程（如打印机）
共享设备–可同时分配给多个进程使用（如磁盘），各进程往往是宏观上同时共享使用设备，而微观上交替使用

设备的分配算法：
先来先服务、优先级高者优先、短任务优先…

从进程运行的安全性上考虑，设备分配有两种方式：
安全分配方式：为进程分配一个设备后就将进程阻塞，本次I/O完成后才将进程唤醒。（eg：考虑进程请求打印机打印输出的例子）
一个时段内每个进程只能使用一个设备
优点：跑环了“请求和保持”条件，不会死锁
缺点：对于一个进程来说，CPU和I/O设备只能串行工作
不安全分配方式：进程发出I/O请求后，系统为其分配I/O设备，进程可继续执行，之后还可以发出新的I/O请求。只有某个I/O请求得不到满足时才将进程阻塞。
一个进程可以同时使用多个设备
优点：进程的计算任务和I/O任务可以并行处理，使进程迅速推进
缺点：有可能发生死锁（死锁避免、死锁的检测和解除）
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，运行结束后归返资源（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
设备分配管理中的数据结构
“设备、控制器、通道”之间的关系：

设备控制表（DCT）：系统为每个设备配置一张DCT，用于记录设备情况

控制器控制表（COCT）：每个设备控制器都会对应一张COCT。操作系统根据COCT的信息对控制器进行操作和管理。

通道控制表（CHCT）：每个通道都会对应一张CHCT。操作系统根据CHCT的信息对通道进行操作和管理。

系统设备表（SDT）：记录了系统中全部设备的情况，每个设备对应一个表目

设置分配的步骤

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

2. 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

3. 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

4. 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，不目录则将通道分配给进程

缺点：

1. 用户编程时必须使用“物理设备名”，底层细节对用户不透明、不方便编程
2. 若换一个物理设备，则程序无法运行
3. 若进程请求的物理设备正在忙碌，则即使系统中还有同类型的设备，进程也必须阻塞等待

改进方法：建立逻辑设备名与物理设备名的映射机制，用户编程时只需提供逻辑设备名
设备分配步骤的改进

缓冲区管理

缓冲区是一个存储区域，可以由专门的硬件寄存器组成，也可以利用内存作为缓冲区。
使用硬件作为缓冲区的成本较高，容量也较小，一般仅用在对速度要求非常高的场合（如存储器管理中所用的联想寄存器，由于对页表的访问频率极高，因此使用速度很快的联想寄存器来存放页表项的副本）
一般情况下，更多的是利用内存作为缓冲区，“设备独立性软件”的缓冲区管理就是要组织管理好这些缓冲区

单缓冲

假设某用户进程请求某种块设备读入若干块的数据。若采用单缓冲的策略，操作系统会在主存中为其分配一个缓冲区（若题目中没有特别说明，一个缓冲器的大小就是一个块）
注意：当缓冲区数据非空时，不能住缓冲区传入数据，只能从缓冲区把数据传出；放缓冲区为空时，可以往缓冲区传入数据，但必须把缓冲区充满以后，才能从缓冲区把数据传出。

双缓存

假设某用户进程请求某种块设备读入若干块的数据。若采用双缓存的策略，操作系统会在主存中为其分配两个缓存区


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)

使用单/双缓存在通信时的区别

循环缓冲区

缓冲池

磁盘的结构

磁盘的表面由一些磁性物质组成，可以有这些磁性物质来记录二进制数据

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
可用（柱面号、盘面号、扇区号）来定位任意一个“磁盘块”。在“文件的物理结构”小节中，我们经常提到文件数据存放在外存中的几号块，这个块号就可以转换成（柱面号，盘面号，扇区号）的地址形式。
可根据该地址读取一个“块”

1. 根据“柱面号”移动磁臂，让磁头指向指定柱面
2. 激活指定盘面对应的磁头
3. 磁盘旋转的过程中，指定的扇区会从磁头下面划过，这样就完成了对指定扇区的读/写

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（C-SCAN）

C-LOOK调度算法

减少磁盘延迟时间的方法

延迟时间：将目标扇区转到磁头下面所花的时间

减少延迟时间的方法：交替编号

磁盘地址结构的设计

读取地址连续的磁盘块时，采用（柱面号，盘面号，扇区号）的地址结构可以减少磁头移动消耗的时间

减少延迟时间的方法：错位命名

磁盘的管理

磁盘初始化

磁盘初始化：
Step 1：进行低级格式化（物理格式化），将磁盘的各个磁道划分为扇区。一个扇区通常可分为 头、数据区域（如512B大小）、尾 三个部分组成。管理扇区所需要的各种数据结构一般存放在头、尾两个部分，包括扇区校验码（如奇偶校验、CRC循环冗余校验码等，校验码用于校验扇区中的数据是否发生错误）
Step 2：将磁盘分区，每个分区由若干柱面组成（即分为我们熟悉的 C盘、D盘、E盘）
Step 3：进行逻辑格式化，创建文件系统。包括创建文件系统的根目录、初始化存储空间管理所用的数据结构（如 位示图、空闲分区表）

引导块

计算机开机时需要进行一系列初始化的工作，这些初始化工作是通过执行初始化程序（自举程序）完成的

坏块的管理

坏了、无法正常使用的扇区就是“坏块”。这属于硬件故障，操作系统是无法修复的。应该将坏块标记出来，以免错误地使用到它。

固态硬盘SSD

固态硬盘的结构