本篇博客是考研期间学习王道课程传送门的笔记，以及一整年里对 操作系统 知识点的理解的总结。希望对新一届的计算机考研人提供帮助！！！
关于对 “输入输出管理” 章节知识点总结的十分全面，涵括了《操作系统》课程里的全部要点（本人来来回回过了三遍视频），其中还陆陆续续补充了许多内容，所以读者可以相信本篇博客对于考研操作系统 “输入输出管理” 章节知识点的正确性与全面性；但如果还有自主命题的学校，还需额外读者自行再观看对应学校的自主命题材料。

食用说明书：
第一遍学习王道课程时，我的笔记只有标题和截图，后来复习发现看只看图片，并不能很快的了解截图中要重点表达的知识点。
在第二遍复习中，我给每一张截图中标记了重点，以及每张图片上方总结了该图片 对应的知识点 以及自己的思考。
最后第三遍，查漏补缺。
所以，我把目录放在博客的前面，就是希望读者可以结合目录结构去更好的学习知识点，之后冲刺复习阶段脑海里可以浮现出该知识结构，做到对每一个知识点熟稔于心！
请读者放心！目录展示的知识点结构是十分合理的，可以放心使用该结构去记忆学习！
注意(⊙o⊙)！，每张图片上面的文字，都是该图对应的知识点总结，方便读者更快理解图片内容。

《操作系统》第5章输入输出管理

【考纲内容】 王道 297

(一) I/O管理基础

网课耗时：1.5 h

设备：设备的基础概念，设备的分类，I/O接口；
I/O控制方式：轮询方式，中断方式，DMA方式；
I/O软件层次结构：中断处理程序，驱动程序，设备独立性软件，用户层I/O软件；
输入/输出应用程序接口：字符设备接口，块设备接口，网设备接口，阻塞/非阻塞IO；

(二) 设备独立软件

网课耗时：1 h

缓冲区管理
设备分配与回收
假脱机技术（SPOOLing）
设备驱动程序接口

(三) 外存管理

网课耗时：1 h

==磁盘：==磁盘结构，格式化，分区，磁盘调度方法；
==固态硬盘：==读写性能特性，磨损均衡；

【复习提示】

本章的内容较为分散，重点掌握：

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

本章很多知识点与硬件高度相关，建议与计算机组成原理的对应章节结合复习；

本章内容在历年统考真题中所占的比重不大，若统考中出现本章的题目，则基本上可以断定一定非常简单；

5.1 I/O管理概述

5.1.1 I/O设备

本节介绍 I/O 设备管理的对象 - I/O 设备；

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1. 什么是IO设备？

将数据输入到计算机中，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；

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2. 按使用特性分类

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3. 按传输速率分类

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4. 按信息交换的单位分类

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-FNAGEuda-1677640081652)(《操作系统》第5章输入输出管理.assets/image-20220902152810674.png)]

小结

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5.1.2 I/O控制器

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1. 机械部件

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2. 电子部件

I/O接口是指辅助 CPU 控制 I/O 设备机械部件的电子部件，也称设备控制器或 I/O控制器；

I/O端口是指设备控制器中可被CPU直接访问的寄存器；

I/O控制器的功能（下图中对各功能的解释了解即可）：

① 接受和识别CPU发出命令；
② 向CPU报告设备的状态；
③ 数据交换；
④ 地址识别；
⑤ 数据缓冲；
⑥ 差错控制；

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I/O控制器的组成 (三个主要部分)

设备控制器与CPU的接口；
设备控制器与设备的接口；
I/O逻辑单元；

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I/O端口是指设备控制器中可被CPU直接访问的 ==寄存器，==包括：

数据寄存器：实现CPU与外设之间的数据缓冲；
状态寄存器：获取执行结构和设备的状态信息，以让CPU知道是否准备好；
控制寄存器：由CPU写入，以便启动命令或更改设备模式；

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为了实现 CPU 与 I/O端口进行通信，有两种方法：

① 独立编制

为每个端口分配一个 ==I/O端口号，==所有I/O端口形成I/O端口空间；

普通用户程序不能对其访问，只有操作系统使用特殊的I/O指令才能访问端口；

② 统一编制（内存映射I/O）

每个端口被分配唯一的 ==内存地址，==且不会有内存被分配这一地址，通常分配给端口的地址靠近地址空间的开端；

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小结

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5.1.3 I/O控制方式

本节内容对标《计算机组成原理》7.3 I/O方式，两个之间配合学习；

设备管理的主要任务之一是控制设备和内存或CPU 之间的数据传输；

外围设备和内存之间的输入/输出控制方式有以下四种：

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1. 程序直接控制方式

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程序直接控制方式的小结 ⭐

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2. 中断驱动方式

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3. DMA方式

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4. 通道控制方式 *

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小结

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5.1.4 I/O软件层次结构

为了更好地设计 I/O 软件，采用层次式结构的 I/O 软件；

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1. 用户层软件

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2. 设备独立性软件

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3. 设备驱动程序

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4. 中断处理程序

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硬件

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5.1.4 I/O应用程序接口与设备驱动程序接口

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1. I/O应用程序接口

在I/O系统与高层之间的接口中，根据设备类型的不同，又进一步分为若干个接口：

字符设备接口
块设备接口
网络设备接口

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【补充】OS的I/O接口还涉及两种模式：阻塞 / 非阻塞

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2. 设备驱动程序接口

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5.2 设备独立性软件

5.2.1 IO核心子系统

I/O 系统 = 设备独立性软件层 + 设备驱动程序层 + 中断处理程序；

考研重点关注的技术：

I/O调度；
设备保护；
假脱机技术；
设备分配与回收；
缓冲区管理；

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和硬件无关层次实现的功能：

用户层软件 - 假脱机技术；
设备独立性软件 - I/O调度、设备保护、设备分配与回收、缓冲区管理；

和硬件相关的事情，由设备驱动程序、中断处理程序负责；

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小结

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5.2.2 假脱机技术（SPOOLing技术）

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1. 什么是脱机技术？

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2. 假脱机技术的实现原理

① 输入井和输出井

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② 输入进程和输出进程

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③ 输入/输出缓冲区

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共享打印机原理分析

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共享打印过程

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小结

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5.2.3 设备分配与回收

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1. 设备分配时应考虑的因素

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2. 静态分配和动态分配

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3. 设备分配管理中的数据结构

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① 设备控制表 DCT

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② 控制器控制表 COCT

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③ 通道控制表 CHCT

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④ 系统设备表 SDT

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4. 设备分配的步骤

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5. 设备分配步骤的改进方法

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小结

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5.2.4 缓冲区管理

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1. 缓冲区

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2. 单缓冲

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3. 双缓冲

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4. 循环缓冲

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5. 缓冲池

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小结

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5.3 磁盘和固态硬盘

5.3.1 磁盘的结构

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1. 磁盘、磁道、扇区

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2. 如何在磁盘中读/写数据

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3. 盘面、柱面的概念

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4. 磁盘的物理地址

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5. 磁盘的分类

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小结

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5.3.2 磁盘调度算法

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1. 一次磁盘读/写操作需要的时间

寻道时间 T_S

T_s = s + m × n

延迟时间 T_R

T_R = (1/2) × (1/r) ；

1/r 就是转一圈需要的时间，而找到目标扇区平均需要转半圈；

传输时间 T_t

T_t = (1/r) / (b/N)

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2. 磁盘调度算法

① 先来先服务算法

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② 最短寻找时间优先

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③ 扫描算法

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LOOK调度算法

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④ 循环扫描算法

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小结

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5.3.3 减少磁盘延迟时间的方法

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交替编号

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磁盘地址结构的涉及

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错位命名

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小结

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5.3.4 磁盘的管理

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1. 磁盘初始化

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2. 引导块

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内存中ROM存放的是自举装入程序，而引导块存放的是完整的自举程序；

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3. 坏块的管理

坏块是硬件故障，无法修复；

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小结

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5.3.5 固态硬盘

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5.4 常见问题和易混淆知识点

1．设备分配

1）分配设备。首先根据I/O请求中的物理设备名查找系统设备表(SDT)，从中找出该设备的 DCT，再根据DCT 中的设备状态字段，可知该设备是否正忙。若忙，便将请求IO进程的PCB挂到设备队列上;若空闲，则按照一定的算法计算设备分配的安全性，若安全则将设备分配给请求进程，否则仍将其PCB挂到设备队列上。

2）分配控制器。系统把设备分配给请求IO的进程后，再到其DCT中找出与该设备连接的
控制器的COCT，从 COCT中的状态字段中可知该控制器是否忙碌。若忙，则将请求IO进程的PCB 挂到该控制器的等待队列上;若空闲，则将控制器分配给进程。

3）分配通道。在该COCT中又可找到与该控制器连接的通道的CHCT，再根据CHCT 内的状态信息，可知该通道是否忙碌。若忙，则将请求TO的进程挂到该通道的等待队列上;若空闲，则将该通道分配给进程。只有在上述三者都分配成功时，这次设备的分配才算成功。然后，便可启动该IO设备进行数据传送。

为使独占设备的分配具有更强的灵活性，提高分配的成功率，还可从以下两方面对基本的设备分配程序加以改进：

① 增加设备的独立性。进程使用逻辑设备名请求IO。这样，系统首先从SDT中找出第一个该类设备的DCT。若该设备忙，则又查找第二个该类设备的DCT。仅当所有该类设备都忙时，才把进程挂到该类设备的等待队列上;只要有一个该类设备可用，系统便进一步计算分配该设备的安全性。

② 考虑多通路情况。为防止IO系统的“瓶颈”现象，通常采用多通路的TO系统结构。此时对控制器和通道的分配同样要经过几次反复，即若设备（控制器）所连接的第一个控制器（通道）忙时，则应查看其所连接的第二个控制器（通道)，仅当所有控制器（通道）都忙时，此次的控制器（通道）分配才算失败，才把进程挂到控制器（通道）的等待队列上。而只要有一个控制器（通道）可用，系统便可将它分配给进程；

设备分配过程中，先后分别访问的数据结构为SDT → DCT → COCT → CHCT。要成功分配一个设备，必须要：

① 设备可用；② 控制器可用；③ 通道可用；所以，“设备分配，要过三关”；

2．提高磁盘I/O速度的方法

1）提前读。在读磁盘当前块时，把下一磁盘块也读入内存缓冲区；

2）延迟写。仅在缓冲区首部设置延迟写标志，然后释放此缓冲区并将其链入空闲缓冲区链表的尾部，当其他进程申请到此缓冲区时，才真正把缓冲区信息写入磁盘块；

3）虚拟盘。是指用内存空间去仿真磁盘，又叫RAM盘。虚拟盘是一种易失性存储器。虚拟盘常用于存放临时文件；

1）I/O管理要完成哪些功能？