第五章：IO设备

1、IO设备概念与分类

什么是IO设备？

“1/0”就是“输入/输出” (Input/Output)

IO 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。

按使用特性分类

按传输速率分类

按信息交换的单位分类

2、IO控制器

IO 设备的电子部件（IO控制器）

CPU无法直接控制 IO 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IO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 IO 控制器，又称设备控制器。CPU可控制 I/O 控制器，又由 IO 控制器来控制设备的机械部件。

IO 控制器的组成

值得注意的小细节:

1、一个I/0控制器可能会对应多个设备

2、数据寄存器、控制寄存器、状态寄存器可能有多个(如:每个控制/状态寄存器对应一个具体的设备)，且这些寄存器都要有相应的地址，才能方便CPU操作。有的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IO专用地址，即寄存器独立编址

内存映像 IO VS 寄存器独立变址

总结

3、IO控制方式

需要注意的问题:

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.主要缺点和主要优点

程序直接控制方式

Key word ： 轮询

1、完成一次读写操作的流程（以读操作为例）

（1） CPU 向控制器发出读指令，于是设备启动。

（2）此时，设备正处于忙碌状态，因此CPU会不断的轮询查询设备的状态。

（3）设备空闲时，向控制器传输读入的数据。

（4）控制器将读入的数据保存到数据寄存器中。

（5）CPU 从数据寄存器中取出数据，同时又把数据保存到内存中

2、CPU 干预的频率

很频繁，IO操作开始之前，完成之后都需要 CPU 介入，并且在等待 IO 完成的过程中 CPU 需要不断地轮询检查。

3、数据传送的单位

每次读写一个字

4、数据的流向

读入操作： IO 设备 —— CPU —— 内存

写出操作： 内存 —— CPU —— IO 设备

5、主要优点和缺点

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(因此才称为“程序直接控制方式”)

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/0设备速度很慢，因此在CPU发出读/写命令后，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/0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。

1、完成一次读/写操作的流程(见上图，Key word: 中断)

2、CPU干预的频率

每次I/O操作开始之前、完成之后需要CPU介入等待I/O完成的过程中CPU可以切换到别的进程执行

3、数据传送的单位

每次读/写一个字

4、数据的流向

读操作(数据输入): IO设备>CPU内存

写操作(数据输出):内存>CPU>I/O设备

5、主要缺点和主要优点

优点: 与“程序直接控制方式”相比，在“中断驱动方式”中，IO控制器会通过中断信号主动报告I/O已完成，CPU不再需要不停地轮询。CPU和I/O设备可并行工作，CPU利用率得到明显提升。

缺点: 每个字在 I/O 设备与内存之间的传输，都需要经过CPU。而频繁的中断处理会消耗较多的CPU时间。

DMA 方式

与“中断驱动方式”相比，DMA方式 ( Direct Memory Access，直接存储器存取。主要用于块设备的I/0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、一个字的传送;

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

通道控制方式

总结

4、IO软件的层次结构

用户层软件

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（如 read/write系统调用）

2、设备的保护

原理类似与文件保护。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不一样。

3、差错处理

对设备独立性软件需要对一些设备的错误处理

4、设备的分配与回收

5、数据缓冲区管理

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 (eg: 去学校打印店打印时，需要选择打印机1/打印机2/打印机3，其实这些都是逻辑设备名)

设备独立性软件需要通过“逻辑设备表 (LUT， Logical UnitTable)”来确定逻辑设备对应的物理设备，并找到该设备对应的设备驱动程序

操作系统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，各个用户使用的逻辑设备名可以重复，适用于多用户操作系统。系统会在用户登录时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。

思考？为何不同的设备需要不同的设备驱动程序？

不同设备的内部硬件特性也不同，这些特性只有厂家才知道，因此厂家须提供与设备相对应的驱动程序，CPU执行驱动程序的指令序列，来完成设置设备寄存器，检查设备状态等工作

中断处理程序

总结

5、输入/输出管理

输出/输出应用程序接口

什么是阻塞IO、非阻塞IO

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

eg:字符设备接口——从键盘读一个字符 get

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

eg:块设备接口——往磁盘写数据 write

设备驱动程序接口

由于众多厂商开发的驱动程序各不相同，引出需要统一一个标准进行开发。

6、IO核心子系统

IO调度

l/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

如:磁盘调度(先来先服务算法、最短寻道优先算法、SCAN算法、C-SCAN算法、LOOK算法C-LOOK算法)。当多个磁盘I/O请求到来时，用某种调度算法确定满足I/O请求的顺序。

同理，打印机等设备也可以用先来先服务算法、优先级算法、短作业优先等算法来确定I/O调度顺序。

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)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”的功能。(参考“文件保护”小节)

6.1 假脱机技术

什么是脱机技术

假脱机技术——输入井输出井

“假脱机技术”，又称“SPOOLing 技术”是用软件的方式模拟脱机技术。SPOOLing 系统的组成如下:

共享打印机原理分析

独占式设备： 只允许各个进程串行使用的设备。一段时间内只能满足一个进程的请求。

共享设备：允许多个进程“同时”使用的设备(宏观上同时使用，微观上可能是交替使用)。可以同时满足多个进程的使用请求。

当多个用户进程提出输出打印的请求时，系统会答应它们的请求，但是并不是真正把打印机分配给他们，而是由假脱机管理进程为每个进程做两件事:

(1) 在磁盘输出井中为进程申请一个空闲缓冲区(也就是说，这个缓冲区是在磁盘上的)，并将要打印的数据送入其中:

(2) 为用户进程申请一张空白的打印请求表，并将用户的打印请求填入表中(其实就是用来说明用户的打印数据存放位置等信息的)，再将该表挂到假脱机文件队列上(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。用这种方式可依次处理完全部的打印任务

总结

7、设备的分配与回收

设备分配时应该考虑的因素

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(如打印机)

共享设备：可同时分配给多个进程使用(如磁盘)，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(如采用 SPOOLing 技术实现的共享打印机)

设备的分配算法:
先来先服务、优先级高者优先、短任务优先

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(注: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

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:
1、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

2、若换了一个物理设备，则程序无法运行。

3、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

总结

8、缓冲区管理

什么是缓冲区？ 有什么作用？

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，容量也较小，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

第一点：缓和CPU与IO设备速度不匹配的矛盾

CPU要比IO设备的速度快很多，由缓冲区来缓和俩者之间的速度差异

第二点：减少对CPI的中断频率，放宽对CPU中断相应时间的限制

第三点：解决数据粒度不匹配的问题

如:输出进程每次可以生成一块数据但I/0设备每次只能输出一个字符

单缓冲策略

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。

双缓冲策略

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)

单/双缓冲在通信时的区别

俩台机器之间通信时，可以配置缓冲区用于数据的发送和接收

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。

注:以下图示中，橙色表示已充满数据的缓冲区，绿色表示空缓冲区

缓冲池

缓冲池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)

总结

9、磁盘的管理

磁盘、磁道、扇区的概念

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。

如何在磁盘中读写数据

盘面、盘柱

0~3号盘面的黄色部分为盘柱

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

磁头是否可以移动：

盘片是否可以更换：

总结

10、磁盘的调度算法

不同的调度算法会影响磁盘 读/写操作需要的时间

一次磁盘读写需要的时间

寻找时间 (寻道时间) Ts: 在读/写数据前，将磁头移动到指定磁道所花的时间 。

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

延迟时间Te: 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 T=(1/2)*(1/r) = 1/2r

硬盘的典型转速为 5400 转/分，或 7200转1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 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/ 写一个磁道所需的时间刚好又是转一圈所需要的时间 1/r

总的平均存取时间T=Ts + 1/2r + b/(rN)

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.

磁盘的调度算法会直接影响寻道时间

10.1 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

假设磁头的初始位置是100号磁道，有多个进程先后陆续地请求访问 55、58、39、18、90、160.150、38、184 号磁道

按照 FCFS 的规则，按照请求到达的顺序，磁头需要依次移动到55、58、39、18、90、160、150、38、184 号磁道

磁头总共移动了45+3+19+21+72+70+10+112+146 =498 个磁道

响应一个请求平均需要移动 498/9 = 55.3 个磁道(平均寻找长度)

优点: 公平;如果请求访问的磁道比较集中的话，算法性能还算过的去

缺点：如果有大量进程竞争使用磁盘，请求访问的磁道很分散，则FCFS在性能上很差，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

道时间最短，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)

磁头总共移动了 (100-18) +(184-18) = 248 个磁道

响应一个请求平均需要移动 248/9 = 27.5个磁道(平均寻找长度)

优点: 性能较好，平均寻道时间短

缺点:可能产生“饥饿”现象（产生饥饿的原因是有可能磁头会来回在一个范围内扫描）

扫描算法（SCAN）

SSTF 算法会产生饥饿的原因在于:磁头有可能在一个小区域内来回来去地

移动。为了防止这个问题可以规定，只有磁头移动到最外侧磁道的时候才

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。

磁头总共移动了(200-100) +(200-18)= 282个磁道

响应一个请求平均需要移动 282/9 = 31.3 个磁道(平均寻找长度)

优点: 性能较好，平均寻道时间较短，不会产生饥饿现象

缺点:

1、只有到达最边上的磁道时才能改变磁头移动方向，事实上，处理了184号磁道的访问请求之后就不需要再往右移动磁头了。、

2、SCAN算法对于各个位置磁道的响应频率不平均 (如:假设此时磁头正在往右移动，且刚处理过90号磁道，那么下次处理90号磁道的请求就需要等磁头移动很长一段距离；而响应了184号磁道的请求之后，很快又可以再次响应 184 号磁道的请求了)

LOOK调度算法

**扫描算法(SCAN)**中，只有到达最边上的磁道时才能改变磁头移动方向，事实上，处理了184号磁道的访问请求之后就不需要再往右移动磁头了。

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)

磁头总共移动了(184-100)+(184-18)= 250个磁道

响应一个请求平均需要移动 250/9 =27.5个磁道(平均寻找长度)

优点: 比起 SCAN 算法来，不需要每次都移动到最外侧或最内侧才改变磁头方向，使寻道时间进一步缩短

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。

磁头总共移动了(200-100)+(200-0)+(90-0)= 390个磁道

响应一个请求平均需要移动 390/9 = 43.3个磁道(平均寻找长度)

优点:比起SCAN 来，对于各个位置磁道的响应频率很平均。

缺点:只有到达最边上的磁道时才能改变磁头移动方向，事实上，处理了184号磁道的访问请求之后就不需要再往右移动磁头了；并且，磁头返回时其实只需要返回到18号磁道即可，不需要返回到最边缘的磁道。另外，比起SCAN算法来，平均寻道时间更长。

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到最边缘的磁道上。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。

磁头总共移动了(184-100) +(184-18)+(90-18)= 322个磁道

响应一个请求平均需要移动 322/9 =35.8 个磁道(平均寻找长度)

优点: 比起 C-SCAN 算法来，不需要每次都移动到最外侧或最内侧才改变磁头方向，使寻道时间进一步缩短

总结

11、减少延迟时间的方法

减少延迟时间的方法：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。

磁盘地址结构设计

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

减少延迟时间的方法：错位命名

总结

12、磁盘的管理

磁盘初始化

磁盘初始化:
step 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

个扇风通常可分为 头、数据区域(如512B大小)、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)

Step 2: 将磁盘分区，每个分区由若干柱面组成(即分为我们熟悉的 C盘、D、E盘)

step 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) 完成的

拥有启动分区的磁盘称为启动磁盘或系统磁(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

总结