第五章 I/O管理

第一节 I/O管理概述

「IO设备」设备分类

按信息交换分类

• 块设备
  • 信息交换以数据块为单位，属于有结构设备。
  • 传输速率高，可寻址，可随机读写。
• 字符设备
  • 信息交换以字符为单位，属于无结构设备。
  • 传输速率低，不可寻址，时常采用中断IO方式。

传输速率分类

• 低速设备：键盘鼠标等。
• 中速设备：激光打印机。
• 高速设备：磁盘机，光盘机。

「IO设备」IO接口

• IO接口（设备控制器）位于CPU和设备之间，由三部分组成。

IO接口的三部分

• 设备控制器与CPU的接口
  • 接口有三类信号线：数据线、地址线、控制线。
  • 数据线连接数据寄存器和控制/状态寄存器。
• 设备控制器与设备的接口
  • 一个设备控制器连接多个设备。
  • 每个接口中都存在数据、控制和状态三种信号。
• IO逻辑
  • 实现对设备的控制。
  • 通过一组控制线和CPU交互，对CPU收到的IO命令进行译码。

设备控制器的主要功能

• 接收和识别CPU发来的命令。
• 数据交换（设备和控制器之间、控制器和主存之间的数据传输）
• 标示和报告设备的状态，供CPU处理。
• 地址识别
• 数据缓冲
• 差错控制

「IO设备」IO端口

IO端口是设备控制器中可被CPU直接访问的寄存器。

IO端口包含的三种寄存器

• 数据寄存器
• 状态寄存器
• 控制寄存器

实现CPU和IO端口通信的两种方法

• 独立编址
  • 每个端口分配一个IO端口号，所有IO端口形成IO端口空间。
  • 普通用户程序不能访问，只有操作系统使用特殊的IO执行才能访问端口。
• 统一编址
  • 又称 内存映射 IO，每个端口被分配唯一的内存地址，不会有其他程序占用该内存地址。
  • 通常分配给端口的地址靠近地址空间的顶端。

「IO控制方式」程序直接控制方式

计算机从外设读取字数据时，CPU对外设状态进行循环检查，确定该字已经在IO控制器的数据寄存器中。

特点

• CPU的高速型与IO设备低速性不匹配，使CPU大量时间被浪费。
• 简单易于实现，CPU与IO串行工作，效率相当低。

「IO控制方式」中断驱动方式

允许IO设备申请中断主动打断CPU的运行并请求服务。

特点

• 比程序直接控制方式有效。
• 由于数据在存储器和IO控制器之间传输必须经过CPU，仍然消耗CPU较多时间。

「IO控制方式」DMA方式

DMA（直接存储器存取）是在IO设备和内存之间开辟直接的数据交换通路，解放CPU。

特点

• 基本数据单位为数据块。
• 传送的数据，从设备直接进入内存，或从内存直接进入设备，不需要经过CPU。
• 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，整块数据的传送实在DMA控制下完成的。

DMA控制器的组成（4类寄存器保证主机与控制器之间成块的数据交换）

• 命令/状态寄存器（CR）：接收CPU发来的IO命令，控制信息或设备状态等。
• 内存地址寄存器（MAR）：输入时存放内存的起始目标地址；输出时存放内存源地址。
• 数据寄存器（DR）：暂存即将传送的数据。
• 数据计数器（DC）：本次传送的字节数。

DMA工作过程

• CPU接收到IO设备的DMA请求，给DMA控制器发一条命令，同时设置MAR和DC初值，启动DMA控制器，继续其他工作。

• 之后CPU把控制操作委托给DMA控制器，控制器负责处理。

• DMA控制器直接和存储器交互，传送整个数据块，每次传送一个字，不需要CPU参与。

• 传送完成后，DMA发送一个中断信号给CPU。

• 只有DMA传送的开始和结束才需要CPU介入。

DMA方式与中断方式的区别

区别	中断方式	DMA方式
CPU中断时间	每个数据需要传输时中断CPU	所要求传送的一批数据全部传送结束时中断CPU
控制权	在CPU控制下完成	在DMA控制器控制下完成

「IO控制方式」通道控制方式

• IO通道是专门负责输入/输出的处理机。
• IO通道方式是DMA方式的发展。
• 进一步减少CPU的干预，把对一个数据块IO为单位的干预改为对一组数据块IO的干预。

IO通道与一般处理机的区别

• 通道指令类型单一，没有自己的内存。
• 通道执行的通道程序放在主机的内存中，也就是通道和CPU共享内存。

IO通道和DMA方式的区别

区别	DMA方式	IO通道方式
传输的数据块大小、传输的内存位置	CPU控制	IO通道控制
交互设备台数	一个DMA控制器对应一台设备与内存传递数据	一个通道对应多台设备与内存交换数据

四种IO方式的形象总结

「IO软件层次」IO软件层次结构

• 用户层IO软件
• 设备独立性软件
• 设备驱动程序
• 中断处理程序

「应用程序IO接口」字符设备接口

• 指数据的存取和传输是以字符为单位的设备，如键盘、打印机等。
• 基本特征：传输速率较低、不可寻址，IO采用中断驱动。

「应用程序IO接口」块设备接口

块设备接口指数据存取和传输以数据块为单位的设备，如磁盘。

块设备接口的基本特征

• 传输速率较高、可寻址，IO采用DMA方式。
• 隐藏了磁盘的二维结构(将扇区从 0 到 n-1 依次编号）。
• 将抽象命令映射为底层操作。
• 内存映射接口通过内存的字节数组来访问磁盘，而不提供读/写磁盘操作。

「应用程序IO接口」网络设备接口

• 如网络套接字（socket）接口。

「应用程序IO接口」阻塞/非阻塞接口

• 通常仅程序要通过轮询方式查询IO操作是否完成。
• 大多数OS提供的IO接口都采用阻塞IO。

「IO管理」IO管理需要完成的功能

第二节 设备独立性软件

「高速缓存与缓冲区」磁盘高速缓存

• 磁盘高速缓存逻辑上属于磁盘，物理上是驻留在内存中的盘块。

高速幻簇在内存中的两种形式

• 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。
• 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IO时共享。

「高速缓存与缓冲区」缓冲区

引入缓冲区的主要目的

• 缓和CPU和IO设备之间速度不匹配的矛盾。
• 减少CPU的中断频率，放宽对CPU中断响应时间的限制。
• 解决基本数据单元大小不匹配的问题。
• 提高CPU和IO设备之间的并行性。

缓冲区的实现方法

• 采用硬件缓冲器，成本太高，只在关键部位使用。
• 采用缓冲区（内存区域）

缓冲技术（根据系统设置缓冲器的个数划分）

• 单缓冲：一方IO，另一方等待。

• 双缓冲

  • 缓冲区1写满，写缓冲区2。
  • 双向数据传输：双发都设置双缓冲区，一发送，一接收。

• 循环缓冲：多个大小相同的缓冲区，每个缓冲区有一指向下一缓冲区的链接指针。

• 缓冲池：多个系统公用的缓冲区构成，按使用状况形成三个队列：空幻冲队列、输入队列、输出队列。

「高速缓存与缓冲区」之间的对比

「设备分配与回收」设备分配

• 设备分配就是根据用户的IO请求分配所需的设备。

根据设备的特性分类

• 独占式使用设备：进程独占。
• 分时式共享使用设备：共享设备分配给多个进程，分时使用。
• 以SPOOLing方式使用外部设备：实现虚拟设备，分配给多个进程。

「设备分配」数据结构

设备分配的主要设备结构

• 设备控制表（DCT）
• 控制器控制表（COCT）
• 通道控制表（CHCT）
• 系统设备表（SDT）

设备控制表（DCT）

• 一个设备控制表表征一个设备，控制表中的表项是设备的各个属性。

系统设备表（SDT）

• 整个系统只有一张SDT。
• SDT记录已连接到系统中的所有物理设备的情况，每个物理设备占一个条目。

「设备分配」设备分配策略

• 设备分配原则
• 设备分配方式
  • 静态分配：对独占设备的分配，效率低，无死锁。
  • 动态分配：根据进程执行的需要进行，高效率，可能死锁。
• 设备分配算法（动态设备分配算法）：先来先服务、优先级等。 :::

「设备分配」设备分配安全性

设备分配安全性：指设备分配中防止发生死锁。

• 安全分配方式
  • IO请求后阻塞，IO操作完成后进行唤醒。
  • 优点：安全；
  • 缺点：CPU和IO设备串行。
• 非安全分配方式
  • 进程可发出多个IO请求，若请求的设备被占用才会进入阻塞态。
  • 优点：进程可操作多设备，推进迅速；
  • 缺点：可能死锁。

「设备分配」设备独立性

设备独立性是应用接口独立于具体使用的物理设备。

为什么引入设备独立性？

• 提高设备分配的灵活性和设备的利用率，方便IO重定向。
• 就是在软件和设备之间加一个中间层，让软件不用对设备进行专门适配。

如何实现设备独立性？

• 应用程序中使用逻辑设备名请求设备。
• 系统中设置一张逻辑设备表（Logical Unit Table，LUT），将逻辑设备名映射为物理设备名。
• LUT表包含逻辑设备名、物理设备名、设备驱动程序入口地址；
• 当进程用逻辑设备名来请求分配设备时，系统分配一台物理设备，并在LUT中新建条目。
• 当进程再用逻辑设备名请求IO操作时，系统通过查找LUT寻找物理设备和驱动程序。

逻辑设备表的两种设置方式

• 在整个系统中只设置一张LUT。
• 为每个用户设置一张LUT
  • 当用户登录时，系统为用户建立一个进程，并创建一张LUT放入进程PCB中。

「设备分配」SPOOLing技术（假脱机）

引入假脱机技术的目的？

• 缓和CPU高速性和IO设备低速性之间的矛盾

SPOOLing系统的组成

• 输入井和输出井：磁盘上开辟出的两个存储区域
  • 输入井：模拟脱机输入时的磁盘，收容IO输入数据。
  • 输出井：模拟脱机输出时的磁盘，收容进程输出数据。
• 输入缓冲区和输出缓冲区：内存中开辟的两个缓冲区
  • 输入缓冲区送到输入井。
  • 输出缓冲区暂存从输出井送来的数据，以后送到输出设备。
• 输入进程和输出进程：用于模拟脱机输入/输出时的外围控制机。

SPOOLing系统的特点

• 提高了IO速度
• 将独占设备改造为共享设备
• 实现了虚拟设备功能
• 是以空间换时间的技术：开辟空间做等待队列。

第三节 磁盘和固态硬盘

「磁盘」磁盘读写操作时间

一次磁盘读写操作的时间由寻道时间、旋转延迟时间和传输时间决定。

寻道时间、旋转延迟时间、传输时间

「磁盘调度算法」先来先服务

• 先来先服务算法（First Come First Serverd，FCFS）

根据访问磁盘的先后循序调度

「磁盘调度算法」最短寻找时间优先

• 最短寻找时间优先（Shortest Seek Time First，SSTF）

选择与当前磁头最近的磁道

• 不能保证平均寻找时间最小，可能产生饥饿现象。

「磁盘调度算法」扫描算法（SCAN）

• 扫描算法（SCAN），又称电梯调度算法。

在磁头移动方向上选择与当前磁头所在磁道最近的请求

• 相当于在最短寻找时间优先 + 规定磁头运动方向
• 对最近扫描过的区域不公平，访问局部性方面不如FCFS和SSTF算法。

「磁盘调度算法」循环扫描（C-SCAN）

• 循环扫描算法（Circle SCAN，C-SCAN）
• 在扫描算法的基础上规定磁头单向移动，回返时直接移动到起始端而不服务任何请求。

「磁盘调度算法」LOOK与C-LOOK调度

• SCAN和C-SCAN的改进型，即磁头移动只需要到达最远端请求而不需要到达磁盘终点。

注意事项

• 若无特别说明，可默认SCAN和C-SCAN算法为LOOK和C-LOOK调度。

「磁盘调度算法」调度算法比较

「磁盘调度」扇区错位命名

• 将盘面扇区交替编号，对磁盘片组的不同盘面错位命名。
• 因为磁盘是连续自转设备，磁头读写一个物理块后，需要经过短暂的处理时间才能读写下一块。

磁盘寻块时间

• 磁盘寻块时间 = 寻道时间 + 延迟时间 + 传输时间(无法减少)

「固态硬盘」特征

「固态硬盘」磨损均衡

• 动态磨损均衡：写入数据时，自动选择新的闪存块。
• 静态磨损均衡：先进，就算无数据写入，SSD会监测并自动进行数据分配，使老闪存块无须承担写数据存储任务，使平常读写操作在较新闪存块中进行。