本系列博客重点在深圳大学操作系统课程的核心内容梳理，参考书目《计算机操作系统》（有问题欢迎在评论区讨论指出，或直接私信联系我）。

梗概

本篇博客主要介绍操作系统第六章输入输出系统的相关知识。

一、I/O（输入输出）系统

1.概述

2.I/O设备和设备控制器

3.I/O通道

4.I/O控制方式

二、缓冲管理

三、设备分配

四、用户层的I/O软件——假脱机（Spooling）系统

五、磁盘存储器管理

1.概述

1.1 结构与数据

1.2 磁盘访问时间

2.磁盘调度算法

2.1 先来先服务（FCFS）

2.2 最短寻道时间优先（SSTF）

2.3 扫描调度算法（SCAN）

2.4 循环扫描调度算法（CSCAN）

2.5 磁盘调度算法例题

3.补充知识

一、I/O（输入输出）系统

输入输出系统（Input/output）系统管理的主要对象为I/O设备与相应的设备控制器，最主要功能是完成用户提出的I/O请求，提高I/O速率，以及提高设备利用率。

1.概述

I/O软件涉及的面很宽，向下与硬件有密切关系，向上又与文件系统、虚拟存储器系统和用户直接交互，当今主流方案为层次式结构的I/O系统，利用下层服务完成输入输出功能的子功能并向上层提供服务。

其中，I/O系统的各模块层次视图如下：

2.I/O设备和设备控制器

I/O设备一般是由执行I/O操作的机械部分和执行控制I/O的电子部件组成。前者为I/O设备，后者为设备控制器或适配器(adapter)。在微型机和小型机中的控制器常做成印刷电路卡形式，因而也常称为控制卡、接口卡或网卡，可将它插入计算机的扩展槽中。在有的大、中型计算机系统中，还配置了I/O通道或I/O处理机。

I/O设备的分类很多，如：

按使用特性分类：①存储设备（外存：容量大，速度慢） ②I/O设备（输入输出/交互设备，键盘鼠标扫描仪/显示器）
按传输速率分类：①低速设备 ②中速设备 ③高速设备

通常，设备并不直接与CPU通信，而是通过设备控制器。

设备控制器的主要功能是：控制一个或多个I/O设备，易实现I/O设备和计算机（CPU）之间的数据交换。设备控制器的组成如下：

3.I/O通道

虽然在CPU与I/O设备之间增加了设备控制器后，已能大大减少CPU对I/O的干预，但当主机所配置的外设很多时，CPU的负担仍然很重。为此，在CPU和设备控制器之间又增设了I/O通道(I/O Channel)。其主要目的是为了建立独立的I/O操作。

I/O通道是一种特殊处理机，具有执行I/O指令的能力，通过执行通道(I/O)程序控制I/O操作。

1、指令类型单一，主要限于与I/O操作有关的指令

2、没有自己的内存，通道程序放在主机内存中

所以I/O通道会出现“瓶颈”问题，通道价格昂贵导致数量少，限制了I/O操作，降低了系统吞吐量。如下图中，为启动设备4，需要启动通道1和控制器2，若已被其他设备占用，会出现无法启动。

主要解决方案为多通路I/O系统，样例如下：

不仅解决了“瓶颈”问题，也提高了系统的可靠性。

4.I/O控制方式

对于I/O设备的控制方式，发展历程主要是轮询程序到中断到DMA控制器到通道。发展的核心宗旨是减少主机对I/O控制的干预，以便其完成更多数据处理任务。

轮询的可编程I/O方式：输入输出时将busy状态位置1，并不断循环测试是否完成，造成CPU的极大浪费。
使用中断的可编程I/O方式：CPU与I/O设备并行工作，每一次输入完数据CPU再花少量时间去中断。
直接存储器访问方式：中断的I/O方式是以字（节）为单位干预的，对于块设备效率极低。故引入DMA控制器，组成如下：

I/O通道控制方式：把对一个数据块的读写干预减少到对一组数据块的读写干预。

对于I/O通道控制方式核心实现为通过通道程序完成对I/O设备的控制，通道程序一般包含以下信息：

（1）操作：读、写（2）P：通道结束位：P=1表示本条指令是通道程序的最后一条指令（3）R：记录结束位：R=1表示这是处理某记录的最后一条指令（4）计数：表示本条指令要读写的字节数（5）内存地址：标明字符送入内存的首址

以上样例包含三个记录，1-3指令为一个记录，4为一个，5-6为一个（看R）。

二、缓冲管理

现代操作系统中，几乎所有I/O设备再与CPU交换数据时都使用了缓冲区，本质上是一个存储区域，一般由硬件寄存器或内存（更常见）组成。

缓冲的引入主要原因如下：

缓和CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾：生产者无需等待消费者就绪，即可将数据输出到缓冲区
减少对CPU的中断频率，放宽对CPU中断响应时间的限制，下例中，对于（a）每100us就要中断且响应一次，（b）可将中断频率降为1/8，（c）可将响应时间降为1/8
提高CPU和I/O设备之间的并行性

1、单缓冲区：

一I/O请求一缓冲区

运行周期：Max(C, T) + M

2、双缓冲区：

消费者若未取走缓冲区数据，生产者生产出新数据也无法放入，故引入双缓冲区。

运行周期：Max(C+M, T)

C+M<T：主机速度快，主机等待，磁盘连续输入

三、设备分配

系统为实现对独占设备的分配，必须配置对应的数据结构——设备控制表(DCT)。

控制器控制表、通道控制表和系统设备表对比如下：

单通道系统的设备分配流程如下：

四、用户层的I/O软件——假脱机（Spooling）系统

在用户层的I/O软件中，需要完全运行于内核之外的假脱机系统。通过假脱机系统（技术），可以将一台物理I/O设备虚拟为多台逻辑I/O设备，运行多用户共享。

SPOOLing技术的核心是由系统中的两个专门负责I/O的进程，模拟I/O外围机的功能，实现（假）脱机输入/输出。

其系统组成如下：

1、输入与输出井：

在磁盘上开辟的两个大的存储空间：

输入井是模拟脱机输入时的磁盘，用于收容I/O设备输入的数据
输出井是模拟脱机输出时的磁盘，用于收容用户进程的输出数据

2、输入缓冲区和输出缓冲区：

为了缓和和CPU和磁盘之间速度不匹配的矛盾,在内存中开辟的两个缓冲区：

输入缓冲区用于暂存由输入设备送来的数据，以后再传送到输入井
输出缓冲区用于暂存由输出井送来的数据，以后再传送到输出设备

3、输入进程SPi和输出进程SPo：

输入进程SPi模拟脱机输入时的外围控制机，将用户要求输入的数据从输入设备，通过输入缓冲区再送到输入井
输出进程SPo模拟脱机输出时的外围控制机，将用户要求输出的数据从输出井，通过输出缓冲区送到输出设备

系统特点如下：

提高I/O速度
将独占设备改造为共享设备
实现了虚拟设备功能

五、磁盘存储器管理

磁盘存储器是计算机系统中最重要的存储设备，其中存放了大量文件，对文件的读写都涉及对磁盘的访问。

1.概述

1.1 结构与数据

磁盘结构如下：

1、磁盘的组成：

磁盘由多个盘片组成
每个盘片分两个盘面
每个盘面分若干个磁道（同心圆）
每个磁道分若干个扇区

2：磁盘的寻址：磁头——柱面——扇区

磁头Head：第几个盘片的正面或背面
柱面Cylinder：第几个磁道
扇区Sector：磁道上的分区号

扇区（Sector）数据结构如下，主要包括（1）标识符字段（ID Field），（2）数据字段（Data Field）

而对于磁盘的类型，有如下两种：

固定头磁盘，每条磁道都有一读/写磁头，所有的磁头装在一刚性磁臂中。磁头并行读/写，I/O速度快，用于大容量磁盘
移动头磁盘，每个盘面仅配有一个磁头，磁头能移动进行寻道。I/O速度较慢，结构简单，广泛应用于中小型磁盘设备

1.2 磁盘访问时间

为了读或写，磁头必须移动到指定的磁道上，并等待指定的扇区旋转到磁头下，然后再读或写数据，故磁盘访问时间可分为三部分：

1、寻道时间Ts：磁头移动到指定磁道上的时间

启动磁臂时间s与磁头移动n条磁道花费的时间之和

Ts=m×n+s

Tips：m是常数，与磁盘驱动器的速度有关，一般磁盘m=0.2；高速磁盘，m≤0.1 磁臂的启动时间s约为2 ms。一般寻道时间5~30 ms

2、旋转延迟时间Tτ ：扇区移动到磁头下面的时间

5400转硬盘，即5400 r/min，每转需时11.1 ms，平均旋转延迟时间Tτ为5.55 ms

3、传输时间Tt：数据从磁盘读出或向磁盘写入数据

与每次所读/写的字节数b和旋转速度有关，r为磁盘每秒钟的转数；N为一条磁道上的字节

若知道扇区数，Tt = 1/r*扇区数

4、访问总时间Ta：

当一次读/写的字节数相当于半条磁道上的字节数时，总时间：

Tips：传输时间占比低

例题

若磁盘转速为7200 转分，平均寻道时间为 8ms,每个磁__牛客网 (nowcoder.com)

操作系统--磁盘调度题目_若磁盘转速为6000转,每个磁道包含1000个扇区_real_metrix的博客-CSDN博客

2.磁盘调度算法

1、提高磁盘I/O速度的方法：

提升磁盘硬件性能采用好的调度算法设置磁盘高速缓冲区

2、磁盘调度：

磁盘属于共享设备，允许多个进程访问，因此需要磁盘调度算法

磁盘调度算法目标是平均寻道时间少

2.1 先来先服务（FCFS）

核心：根据进程请求访问磁盘的先后次序调度

优点：简单，每个请求都能依次得到处理
缺点：平均寻道距离较大

2.2 最短寻道时间优先（SSTF）

核心：依据访问磁道与当前磁道最近原则（实际上是基于优先级的调度）

Tips：当前磁道为100

优点：平均寻道时间较短
缺点：会导致某些进程发生“饥饿”现象，磁头有可能长期停留在同一磁道上(磁臂粘着)

2.3 扫描调度算法（SCAN）

核心：依据磁头移动方向及访问磁道与当前磁道距离最短两个原则

磁头移动方向为…，向外，然后向内，再向外，…一直循环往复例如：当前磁头停在80号磁道上服务，并且刚刚完成了89号磁道的请求，说明磁头移动方向向内

Tips：当前磁道为100，且方向向外

优点：不会出现进程“饥饿”现象，平均访问寻道时间较短
缺点：与磁头近但在磁头运动反方向的磁道等待时间长，磁头有可能长期停留在同一磁道上(磁臂粘着)

2.4 循环扫描调度算法（CSCAN）

核心：到达最外磁道后，返回最小磁道开始SCAN算法

Tips：当前磁道为100，且方向向外

优点：不会出现进程“饥饿”现象，平均访问寻道时间较短，最长等待时间较SCAN短（一半）
缺点：磁头有可能长期停留在同一磁道上(磁臂粘着)

2.5 磁盘调度算法例题

有一磁盘管理系统，磁道按内往外方向升序编号，假设当前等待访问磁盘的请求序列为：15、10、30、 150、 190、 80、 95、 40、 140、 20。当前磁头停在90号磁道服务，之前刚完成93号磁道的访问。请分别采用FCFS、SSTF、SCAN、CSCAN算法，求出各种算法的调度序列以及平均寻道距离

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