第五章 （输入/输出）I/O管理

5.1 I/O管理概述

5.1.1 I/O设备

“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

Unix系统将外部设备抽象为一种特殊的文件，用户可以使用与文件操作相同的方式对外部设备进行操作

I/O设备的分类

字符设备传输慢，不可寻址，常采用中断驱动方式

5.1.2 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
I/O设备的电子部件通常是一块插入助班扩充槽的印刷电路板

I/O设备的电子部件

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


注意：

1. 一个I/O控制器可能会对应多个设备
2. 三种寄存器可能有多个，且这些寄存器都要有相应的地址，才能方便CPU操作。有点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I/O；另一些计算机则采用I/O专用地址，即寄存器独立编址

5.1.3 I/O控制方式

注意：

1. 完成一次读/写操作的流程
2. CPU干预的频率
3. 数据传送的单位
4. 数据的流向
5. 主要缺点和优点

程序直接控制方式

keyword ：轮询

• 完成一次读/写操作的流程
  

• 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
• 数据的传送单位：每次读/写一个字
• 
• 主要缺点和优点
  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
  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/写命令之后，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从哦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，然后继续执行。

注意：

1. CPU会在每个指令周期的末尾检查中断
2. 中断处理过程中需要保存、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

DMA方式

与“中断驱动方式”相比，DMA方式（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地传送
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

DR（数据寄存器）：暂存从设备到内存，或从内存到设备的数据
MAR（内存地址寄存器）：在输入时，MAR表示数据应放到内存中的什么位置；输出时MAR表示要输出的数据放在内存中的什么位置
DC（数据计数器）：表示剩余要读/写的字节数
CR（命令/状态寄存器）：用于存放CPU发来的I/O命令，或设备的状态信息

通道控制方式

通道：一种硬件，可以理解为是“弱鸡版的CPU”。通道可以识别并执行一系列通道指令

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

5.1.4 I/O软件层次结构

中间三层属于操作系统的内核部分；即“I/O系统”或称“I/O核心子系统”
越上面的层次越接近用户；越下面的层次越接近硬件
每一层会利用其下层提供的服务，实现某些功能，并屏蔽实现的具体细节，向高层提供服务（“封装思想”）

用户层软件

库函数
用户层软件实现了与用户交互的接口，用户可直接使用该层提供的、与I/O操作相关的库函数对设备进行操作
系统调用
用户层软件将用户请求翻译成格式化的I/O请求，并通过“系统调用”请求操作系统内核的服务

windows操作系统向外提供的一系列系统调用，但是由于系统调用的格式严格，使用麻烦，因此在用户层上封装了一系列更方便的库函数接口供用户使用（windows API）

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
2. 设备的保护
   原理类似于文件保护。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是不一样
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. 数据缓冲区管理
   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
   设备独立性软件需要通过“逻辑设备表”（LUT）来确定逻辑设备对应的物理设备，并找到该设备而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，各个用户使用管道逻辑设备名可以重复，适用于多用户操作系统。系统会在用户登录是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；检查设备状态等

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

注：驱动程序一般会以一个独立进程的方式存在。

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处理程序并执行。中断处理程序的流程如下：

总结

理解并记住I/O软件各个层次之间的顺序，要能够推理判断某个处理应该是在哪个层次完成的（最常考的是设备独立性软件、设备驱动程序这两层。只需理解一个特点即可：直接涉及到硬件具体细节、且与中断无关的操作肯定是在设备驱动程序层完成的；没有涉及硬件的、对各种设备都需要进行的管理工作都是在设备独立性软件层完成的）

5.1.5 输入输出应用程序接口和驱动程序接口

阻塞I/O与非阻塞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

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。

设备驱动程序接口

操作系统规定好设备驱动程序的接口标准，各厂商必须按要求开发设备驱动程序

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

5.2 设备独立性软件

5.2.1 I/O核心子系统

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。

设备保护

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”功能

5.2.2 假脱机技术（SPOOLIng技术）

脱机技术

手工操作阶段：主机直接从I/O设备获得数据，由于设备速度慢，主机速度很快。人机速度矛盾明显，主机要浪费很多时间来等待设备

批处理阶段引入了脱机输入/输出技术（用磁带来完成）：

引入脱机技术后，缓解了CPU与慢速I/O设备的速度矛盾。另一方面，即使CPU在忙碌，也可以提前将数据输入到磁带；即使慢速的输出设备正在忙碌，也可以提前将数据输出到磁带。

假脱机技术

“假脱机技术”，又称“SPOOLing技术”是用软件的方式模拟脱机技术

要实现SPOOLing技术，必须要有多道程序技术的支持。系统会建立“输入进程”和“输出进程”

输入/输出井模拟磁带
输入进程和输出进程模拟外围控制机

假脱机文件队列（其实就是打印任务队列）
当打印机空闲时，输出进程会从文件队列的队头取出一张打印请求表，并根据表中的要求将要打印的数据从输出井传送到输出缓冲区，再输出到打印机进行打印。用这种方式可一次处理完全部的打印任务。

5.2.3 设备的分配与回收

设备分配时应考虑的因素

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
共享设备–可同时分配给多个进程使用，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
虚拟设备–采用SPOOLing技术将独占设备改造成虚拟的共享设备，可同时分配给多个进程使用

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。
一个时段内每个进程只能使用一个设备
优点：破坏了“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

设备分配管理中的数据结构

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

设备分配的步骤

1. 根据进程请求的物理设备名查找SDT（物理设备名是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，不忙碌则将通道分配给进程。

注：只有设备、控制器、通道三者都分配成功时，这次设备分配才算成功，之后便可启动I/O设备进行数据传送

缺点：

• 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
• 若换了一个物理设备，则程序无法运行
• 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

改进后：

逻辑设备表（LUT）建立了逻辑设备名与物理设备名之间的映射关系
某用户进程第一次使用设备时使用逻辑设备名向操作系统发出请求，操作系统根据用户进程指定的设备类型（逻辑设备名）查找系统设备表，找到一个空闲设备分配给进程，并在LUT中增加相应表项
如果之后用户进程再次通过相同的逻辑设备名请求使用设备，则操作系统通过LUT表即可知道用户进程实际要使用的是哪个物理设备了，并且也能知道该设备的驱动程序入口地址。

逻辑设备表的设置问题：
整个系统只有一张LUT：各用户所用的逻辑设备名不允许重复，适用于单用户操作系统
每个用户一张LUT：不同用户的逻辑设备名可重复，适用于多用户操作系统

5.2.4 缓冲区管理

缓冲区概述

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，一个缓冲区的大小就是一个块）
注意：当缓冲区数据非空时，不能往缓冲区冲入数据，只能从缓冲区把数据传出；当缓冲区为空时，可以往缓冲区冲入数据，但必须把缓冲区充满以后，才能从缓冲区把数据传出。

假定初始状态：工作区满，缓冲区空


结论：采用单缓冲策略，处理一块数据平均耗时Max（C,T）+M

双缓冲

假设某用户进程请求某种块设备读入若干块的数据。若采用双缓冲的策略，操作系统会在主存中为其分配两个缓冲区（若题目中没有特别说明，一个缓冲区的大小就是一个块）
双缓冲题目中，假设初始状态为：工作区空，其中一个缓冲区满，另一个缓冲区空


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/双缓冲在通信时的区别

两台机器之间通信时，可以配置缓冲区用于数据的发送和接受

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

若两个相互通信的机器设置双缓冲区，则同一时刻可以实现双向的数据传输

循环缓冲区

将多个大小相等的缓冲区链接成一个循环队列

缓冲区

缓冲区由系统中共用的缓冲区组成。这些缓冲区按使用状况可以分为：空缓冲队列、装满输入数据的缓冲队列（输入队列）、装满输出数据的缓冲队列（输出队列）
另外，根据一个缓冲区在实际运算中扮演的功能不同，又设置了四种工作缓冲区：用于收容输入数据的工作缓冲区（hin）、用于提取输入数据的工作缓冲区（sin）、用于收容输出数据的工作缓冲区（hout）、用于提取输出数据的工作缓冲区（sout）

5.3 磁盘和固态硬盘

5.3.1 磁盘的结构

磁盘、磁道、扇区

磁盘的表面由一些磁性物质组成，可以用这些磁性物质来记录二进制数据

磁盘的盘面被划分成一个个磁道。一圈就是一个磁道
一个磁道又被划分成一个个扇区，每个扇区就是一个“磁盘块”。各个扇区存放的数据量相同（如1kb）
最内侧磁道上的扇区面积最小，因此数据密度最大

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。

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

磁头可以移动的称为活动头磁盘。磁臂可以来回伸缩来带动磁头定位磁道

磁头不可移动的称为固定头磁盘。这种磁盘中每个磁道有一个磁头

盘片可以更换的称为可换盘磁盘
盘片不可更换的称为固定盘磁盘

5.3.2 磁盘调度算法

一次磁盘读/写操作需要的时间

寻找时间（寻道时间）Ts：在读/写数据前，将磁头移动到指定磁盘所花的时间

1. 启动磁头臂是需要时间的。假设耗时为s
2. 移动磁头也是需要时间的。假设磁头匀速移动，每跨越一个磁道耗时为m，总共需要跨越n条磁道。则：寻道时间Ts = s + m*n
   现在的硬盘移动一个磁道大约需要0.2ms，磁臂启动时间约为2ms

延迟时间Tr：通过旋转磁盘，使磁头定位到目标扇区所需要的时间。设磁盘转速为r（单位：转/秒，或转/分），则平均所需的延迟时间Tr=(1/2)*(1/r)=1/2r
1/r就是转一圈需要的时间。找到目标扇区平均需要转半圈，因此再乘以1/2
硬盘的典型转速为5400转/分，或7200转/分

传输时间Tt:从磁盘读出或向磁盘写入数据所经历的时间，假设磁盘转速为r，此次读/写的字节数为b，每个磁道上的字节数为N。则：传输时间Tt=(1/r)*(b/N)=b/(rN)
每个磁道要可存N字节的数据，因此b字节的数据需要b/N个磁道才能存储。而读/写一个磁盘所需的时间刚好又是转一圈所需要的时间1/r

延迟时间和传输时间都与磁盘转速相关，且为线性相关。而转速是硬件的固有属性，因此操作系统也无法优化延迟时间和传输时间
但是操作系统的磁盘调度算法会直接影响寻道时间

总的平均存取时间Ta=Ts+1/2r+b/(rN)

先来先服务算法（FCFS）

根据进程请求访问磁盘的先后顺序进行调度

响应一个请求平均需要移动489/9=55.3个磁道（平均寻找长度）
优点：公平；如果请求访问的磁盘比较集中的话，算法性能还算过的去
缺点：如果有大量进程竞争使用磁盘，请求访问的磁盘很分散，则FCFS在性能很差，寻道时间长

最短寻找时间优先（SSTF）

SSTF算法会优先处理的磁道是与当前磁头最近的磁道。可以保证每次的寻到时间最短，但是并不能保证总的寻道时间最短（其实就是贪心算法的思想，只是选择眼前最优，但是总体未必最优）

在本例中，如果18号，38号磁道的访问请求一直来，最后的几个磁道就会永远得不到满足，从而产生“饥饿”现象
产生饥饿的原因在于：磁头在一个小区域内来回来去地移动

扫描算法（SCAN）

为了防止SSTF算法产生饥饿的问题，可以规定，只有磁头移动到最外测磁道的时候才能往内移动，移动到最内侧磁道的时候才能往外移动。这就是扫描算法(SCAN) 的思想。由于磁头移动的方式很像电梯，因此也叫电梯算法

LOOK调度算法

SCAN算法中，必须扫描到最边上的磁道才能改变磁头移动方向，事实上，只需要访问到最后一个有访问请求的磁道即可。LOOK调度算法就是为了解决这个问题，如果在磁头移动方向上已经没有别的请求，就可以立即改变磁头移动方向（边移动边观察，因此叫LOOK）

循环扫描算法（C-SCAN）

SCAN算法对于各个位置磁道的响应频率不平均，而C-SCAN算法就是为了解决这个问题。规定只有磁头朝某个特定方向移动时才处理磁道访问请求，而返回时直接快速移动至起始端而不处理任何请求

C-LOOK调度算法

C-SCAN算法的主要缺点是只有到达最边上的磁道时才能改变磁头移动方向，并且磁头返回时不一定需要返回最边缘的磁道上。C-LOOK算法就是为了解决这个问题。如果磁头移动的方向上已经没有磁道访问请求了，就可以立即让磁头返回，并且磁头只需要返回到有磁道访问请求的位置即可

5.3.3 减少延迟时间的方法

磁头在读入一个扇区的内容后并不能直接读下一个逻辑上相邻，物理上也相邻的扇区，而是需要一段时间来处理数据，而在这段时间内盘片会不停地旋转。所以读入几个连续的逻辑扇区可能需要很长的“延迟时间”

交替编号

若采用交替编号的策略，即让逻辑上相邻的扇区在物理上有一定的间隔，可以使读取连续的逻辑扇区所需要的延迟时间更小


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

错位命名

5.3.4 磁盘的管理

磁盘初始化

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）、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）
2. 将磁盘分区，每个分区由若干柱面组成（即C盘、D盘）
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）完成度
初始化程序可以放在ROM（只读存储器）中。ROM中的数据在出厂时就写入了，并且以后不能再修改
ROM一般是出厂时就集成在主板上的

ROM中只存放很小的“自举装入程序”，完整的自举程序放在磁盘的启动块（即引导块/启动分区）上，启动块位于磁盘的固定位置
开机时计算机先运行“自举装入程序”，通过执行该程序就可以找到引导块，并将完整的“自举程序”读入内存，完成初始化

拥有启动分区的磁盘称为启动磁盘或系统磁盘（C:盘）

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

对于简单的磁盘，可以在逻辑格式化时（建立文件系统时）对整个磁盘进行坏块检查，标明哪些扇区是坏扇区，比如：在FAT表上标明（在这种方式中，坏块对操作系统不透明）

对于复杂的磁盘，磁盘控制器（磁盘设备内部的一个硬件）会维护一个坏块链表
在磁盘出场前进行低级格式化（物理格式化）时就将坏块链进行初始化
会保留一些“备用扇区”，用于替换坏块。这种方案称为扇区备用。且这种处理方式中，坏块对操作系统透明

3.5.5 固态硬盘

重点：读写性能特性、磨损均衡技术

固态硬盘的结构

页大小：512B~4KB
操作系统对固态硬盘的读写是以页为单位的，对应磁盘的扇区

固态硬盘的寿命