操作系统-第五章-输入输出管理

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重点掌握I/O接口，I/O软件。三种I/O控制方式，高速缓存与缓冲区，SPOOLing技术，磁盘特性和调度算法。

I/O管理概述

I/O 设备

I/O接口

I/O接口（设备控制器）位于CPU与设备之间，它既要与CPU通信，又要与设备通信，还要具有按CPU发来的命令去控制设备工作的功能。

主要由三部分组成：

  1. 设备控制器与CPU接口 ，该接口有三类信号线：数据线，地址线和控制线
  2. 设备控制器与设备的接口
  3. I/O逻辑

设备控制器的主要功能：

  1. 接收和识别CPU发来的命令，如磁盘控制器能接收读，写，查找等命令
  2. 数据交换，包括设备和控制器之间的数据传输，以及控制器和主存之间的数据传输
  3. 标识和报告设备的状态，以供CPU处理
  4. 地址识别
  5. 数据缓冲
  6. 差错控制

I/O端口

I/O端口是指设备控制器中可被CPU直接访问的寄存器，主要有以下三类寄存器：

  1. 数据寄存器： 实现CPU和外设之间的数据缓冲
  2. 状态寄存器： 获取执行结果和设备的状态信息，以让CPU知道是否准备好
  3. 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. 独立编址
  2. 统一编址

I/O控制方式

设备管理的主要任务之一是控制设备和内存或CPU之间的数据传送。

1.程序直接控制方式

简单且易于实现，由于CPU和设备只能串行工作，导致CPU利用率相当低

2.中断驱动方式

允许I/O设备主动打断CPU的运行并请求服务，从而“解放”CPU。

从CPU的角度来看，CPU发出读命令，然后保存当前运行程序的上下文（现场，包括程序计数器以及处理机寄存器），转去执行其他程序。在每个指令周期的末尾，CPU检查中断。当有来自I/O控制器的中断时，CPU保存当前正在运行程序的上下文，转去执行中断处理程序以处理该中断。这时，CPU从I/O控制器读一个字的数据传送到寄存器，并存入主存，接着，CPU恢复发出I/O命令的程序（或其他命令）的上下文，然后继续执行。

中断驱动方式比程序直接控制方式有效，但由于数据中的每个字在存储器与I/O控制器之间的传输都必须经过CPU，这就导致了中断驱动方式仍然会消耗较多的CPU时间。

3.DMA方式

DMA（之间存储器存取）是在I/O设备和内存之间开辟直接的数据交换通路，彻底“释放”CPU

特点：

  1. 基本单位是数据块
  2. 所传送的数据，是从设备直接送入内存，或者相反
  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，整块数据的传送是在DMA控制器的控制下完成的。

要在主机与控制器之间实现成块数据的直接交换，必须在DMA控制器中设置以下4类寄存器：

  1. 命令/状态寄存器（CR）
  2. 内存地址寄存器（MAR）
  3. 数据寄存器（DR）
  4. 数据计数器（DC）

DMA方式与中断方式的主要区别：

中断方式在每个数据需要传输时中断CPU，而DMA方式则是在所要求传送的一批数据全部传送结束时才中断CPU；此外，中断方式的数据传送是在中断处理时由CPU控制完成的，而MDA方式则是在DMA控制器的控制下完成的。

4.通道控制方式

I/O通道是指专门负责输入/输出的处理机。通道属于硬件

I/O通道与一般处理机的区别：通道指令的类型单一，没有自己的内存，通道所执行的通道程序是放在主机的内存中，也就是说通道与CPU共享内存

I/O通道与DMA方式的区别：DMA方式需要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。另外，每个DMA控制器对应一台设备或内存传递数据，而一个通道可以控制多态设备与内存的数据交换

I/O软件层次结构

总结记忆点

  1. 可寻址是块设备的基本特征
  2. 共享设备是指一段时间内允许多个进程同时访问的设备
  3. I/O控制方式为：程序直接控制方式，中断驱动方式，DMA方式，通道控制方式
  4. 接口用于传输信号，I/O逻辑即设备控制器用来实现对设备的控制
  5. DMA是在I/O设备和主存之间建立一条直接数据通路
  6. 通道又称I/O处理机，用于实现内存与外设之间的信息传输
  7. 字节多路通道 用作连接大量的低速或中速I/O设备
  8. 及时性不是设备分配中应考虑的问题
  9. 通道控制设备控制器，设备控制器控制设备工作

5.2 设备独立性软件

5.2.2 高速缓存与缓冲区

1. 磁盘高速缓存

磁盘高速缓存逻辑上属于磁盘，物理上则是驻留在内存中的盘块

高速缓存在内存中分为两种形式：

  1. 在内存中开辟一个单独的空间作为磁盘高速缓存，大小固定
  2. 把未利用的内存空间作为一个缓冲池，供请求分页系统和磁盘I/O时共享

2. 缓冲区

引入缓冲区的目的：

  1. 缓和CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾
  2. 减少对CPU的中断频率，放宽对CPU中断响应时间的限制
  3. 解决基本数据单元大小不匹配的问题
  4. 提高CPU和I/O设备之间的并行性

实现方法：

  1. 采用硬件缓冲区，但由于成本太高，除一些关键部位外，一般不采用硬件缓冲器
  2. 采用缓冲区（位于内存区域）

缓冲区管理需要重点考虑的问题是：

实现进程访问缓冲区的同步

根据系统设置缓冲区的个数，缓存技术可以分为以下几种：

1. 单缓冲

在块设备输入时，假定从磁盘把一块数据输入到缓冲区的时间为T，操作系统将该缓冲区中的数据传送到用户区的时间为M，而CPU对这一块数据处理的时间为C

假设初始状态为：工作区是满的，缓冲区是空的。如题目无明确说明，通常认为缓冲区的大小和工作区的大小相等

单缓冲区处理每块数据的用时为max(C,T) + M

2. 双缓冲

双缓冲区处理一块数据的用时为 max(C + M, T)

3. 循环缓冲
4. 缓冲池

为了使并发进程能有效地进行输入和输出

缓冲池在主存中

5.2.3 设备分配与回收

1. 设备分配概述

  1. 独占设备
  2. 共享设备
  3. 虚拟设备

2. 设备分配的数据结构

设备分配依据的主要数据结构：

  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）

3. 设备分配策略

对于独占设备，既可以采用动态分配方式，也可以采用静态分配方式，但往往采用静态分配方式。共享设备一般采用动态分配方式。

4. 设备分配的安全性

指设备分配中应防止发生进程死锁

  1. 安全分配方式，缺点：CPU和I/O设备是串行工作
  2. 不安全分配方式，优点：一个进程可以同时操作多个设备，使进程推进迅速，缺点：有可能造成死锁

5. 逻辑设备名到物理设备名的映射

为了提高设备分配的灵活性和设备的利用率，方便实现I/O重定向，引入了设备独立性。

设备独立性 指应用程序独立与具体使用的物理设备

为了实现设备独立性，在应用程序中使用 逻辑设备名 来请求使用某类设备，在系统中设置一张逻辑设备表（LUT），用于将逻辑设备名映射为物理设备名

在系统中可采取两种方式设备逻辑设备表：

  1. 在整个系统中只设置一张LUT。主要适用于单用户系统
  2. 为每个用户设置一张LUT，每当用户登陆时，系统便为该用户建立一个进程，同时也为之建立一张LUT，并将该表放入进程的PCB中

5.2.4 SPOOLing技术（假脱机技术）

为了缓和CPU的高速性与I/O设备的低速性之间的矛盾

组成：

  1. 输入井和输出井
  2. 输入缓冲区和输出缓冲区
  3. 输入进程和输出进程

SPOOLing系统特点：

  1. 提高了I/O的速度，将对低速I/O设备执行的I/O设备演变为对磁盘缓冲区中数据的存取
  2. 将独占设备改造为共享设备
  3. 实现了虚拟设备功能

SPOOLing技术是一种以空间换时间的技术

总结

  1. 提高单机资源利用率的关键技术是：多道程序设计技术
  2. 虚拟设备是靠SPOOLing技术来实现的
  3. SPOOLing技术的主要目的是：提高独占设备的利用率
  4. 在采用SPOOLing技术的系统中，用户打印结果首先被送到 磁盘固定区域
  5. 采用SPOOLing技术的计算机系统，需要使用磁盘空间（输入井和输出井）和内存空间（输入/输出缓冲区），不需要外围计算机的支持
  6. 设备可视为特殊文件
  7. 对于具备设备独立性的系统，更换物理设备后只需更换驱动程序

5.3 磁盘和固态硬盘

5.3.1 磁盘

磁盘盘面上的数据存储在一组同心圆中，称为磁道，磁道又划分为几百个扇区，每个扇区固定存储大小，一个扇区称为一个盘块，相邻磁道及相邻扇区通过一定的间隙分隔开，以避免精度错误

扇区是磁盘可寻址的最小单位，磁盘上能存储的物理块数目由扇区数，磁道数及磁盘面数决定。

磁盘地址用“柱面-盘面号-扇区号”表示

5.3.2 磁盘的管理

1.磁盘初始化

在磁盘可以存储数据之前，必须将它分成扇区，以便磁盘控制器能够进行读写操作，这个过程称为低级格式化（或物理格式化）

2.分区

在可以使用磁盘存储文件之前，操作系统还要将自己的数据结构记录到磁盘上，分为两步：

  1. 将磁盘分为由一个或多个柱面组成的分区（即C盘，D盘等分区），每个分区起始扇区和大小都记录在磁盘主引导记录的分区表中
  2. 对物理分区进行逻辑格式化（创建文件系统），操作系统将初始的文件系统数据结构存储到磁盘上

因为扇区的单位太小，为了提高效率，操作系统将多个相邻的扇区组合在一起，形成一簇。为了更高效的管理磁盘，一簇只能存放一个文件的内容，文件所占用的空间只能是簇的整数倍；如果文件大小小与一簇，也要占用一簇的空间

3.引导块

计算机启动时需要运行一个初始化程序（自举程序），它初始化CPU，寄存器，设备控制器和内存等，接着启动操作系统。

自举程序通常存放在ROM中，通常只在ROM中保留很小的自举装入程序，而将完整功能的引导程序保存在磁盘的启动块上，启动块位于磁盘固定位置，具有启动分区的磁盘称为启动磁盘或系统磁盘

4. 坏块

对坏盘的处理实质上就是用某种机制使系统不去使用坏块

5.3.3 磁盘调度算法

一次磁盘读写的时间由寻找（寻道）时间，旋转延迟时间和传输时间决定

  1. 寻找时间\(T_s\)

活动头磁盘在读写信息前，将磁头移动到指定磁道所需要的时间，这个时间除了跨越n条磁道的时间外，还包括启动磁臂的时间s

\[ T_s = m * n + s \]

m是与磁盘驱动器速度有关的常数，约为0.2ms，磁臂的启动时间约为2ms

  1. 旋转延迟时间\(T_r\)

磁头定位到某一磁道的扇区所需要的时间，设磁盘的旋转速度为r

\[ T_r = \frac{1}{2r} \]

对于硬盘，典型的旋转速度为5400转/分，相当于11.1ms，则\(T_r\)为5.55ms

  1. 传输时间\(T_t\)

从磁盘读出或向磁盘写入数据所经历的时间，这个时间取决于每次所写或读的字节数b和磁盘的旋转速度

\[ T_t = \frac{b}{rN} \]

r为磁盘每秒的转数，N为一个磁道上的字节数

在磁盘存取时间的计算中，寻道时间与磁盘调度算法相关，而延迟时间和传输时间都与磁盘旋转速度相关，且为线性相关

总平均存取时间\(T_a\)

\[ T_a = T_s + \frac{1}{2r} + \frac{b}{rN} \]

常用磁盘调度算法

  1. 先来先服务（FCFS）算法

  1. 最短寻找时间优先（SSTF）算法

会产生饥饿现象

  1. 扫描（SCAN）算法（又称电梯调度算法）

可避免饥饿现象

  1. 循环扫描（C-SCAN）算法

消除了对两端磁道请求的不公平

改进型SCAN和C-SCAN，不需要到达磁盘端点，称为LOOK调度和C-LOOK调度

无特殊说明默认SCAN和C-SCAN为LOOK和C-LOOK调度

除了减少寻找时间外，减少延迟时间也是提高传输效率的重要因素，可以对盘面扇区进行交替编号

5.3.4 固态硬盘

1. 固态硬盘特性

固态硬盘（SSD）是一种基于闪存技术的存储器。

随机读写性能明显高于磁盘

随机写比较慢，易于磨损

2. 磨损均衡

  • 动态磨损均衡，写入数据时，自动选择较新的闪存块。
  • 静态磨损均衡，这种技术更先进。