I/0子系统

一.I/O特点

1.设备接口类型
A.字符设备：键盘，鼠标，串口
——访问特征：以字节为单位顺序访问
——I/O命令：get(),put()；通常使用文件访问接口和语义
B.块设备：磁盘驱动器，磁带驱动器，光驱
——访问特征：均匀的数据块访问；
——I/O命令：原始I/O或文件系统接口；内存映射文件访问
C.网络设备：以太网，无线，蓝牙
——访问特征：格式化报文交换
——I/O命令：send/receive网络报文；通过网络接口支持多种网络协议
2.同步和异步I/O
A.阻塞I/O:
——读数据时，进程将进入等待状态，直到完成数据读出
——写数据时，进程将进入等待状态，直到设备完成数据写入处理

B.非阻塞I/O：
——立即从read或write系统调用返回，返回值为成功传输字节数
——read或write的传输字节数可能为0
C.异步I/O：
——读数据时，使用指针标记好用户缓冲区，立即返回；稍后内核将填充缓冲区并通知用户
——写数据时，使用指针标记好用户缓冲区，立即返回；稍后内核将处理数据并通知用户
——驱动里会等待，而应用程序不等待。

二.I/O结构

1.硬件结构举例：

北桥连高速设备，南桥连I/O设备
2.cpu与设备连接

3.I/O指令和内存映射I/O
A.I/O指令
——通过I/O端口号访问设备寄存器
——特殊的CPU指令
B.内存映射I/O
——把设备的寄存器或存储映射带内存物理地址空间中
——通过load/store指令完成I/O操作
——MMU设置映射，硬件跳线或程序在启动时设置地址
4…内核I/O结构

5…I/O请求生存周期

三.I/O数据传输

1.CPU与设备控制器的数据传输
A.程序控制I/O（PIO,Programmed I/O）
——通过CPU的in/out或者load/store传输所有数据
——特点：硬件简单，编程容易；消耗的CPU时间和数据量成正比
——适用于简单的，小型的设备I/O
B.直接内存访问（DMA）
——设备控制器可直接访问系统总线
——控制器直接与内存互相传输数据
——特点：设备传输数据不影响CPU；需要CPU参与设置
——适用于高吞吐量I/O
C.DMA举例

2.I/O设备通知操作系统的机制
A.操作系统需要了解设备状态
——I/O操作完成时间
——I/O操作遇到错误
B.两种方式
——CPU主动轮询
I/O设备在特定的状态寄存器中放置状态和错误信息，操作系统定期检查这些状态寄存器
特点：简单；I/O操作频繁或不可预测时，开销大和延时长
——设备中断
设备中断处理流程：CPU在I/O之前设置任务参数；CPU发出I/O请求后，继续执行其他任务；I/O设备处理请求；I/O设备处理完成时，触发CPU中断请求；CPU接收中断，分发到相应中断处理例程
特点：处理不可预测事件效果好；开销相对较高（CPU在每两条指令执行期间会去检查是否有中断请求）
C.一些设备可能结合了轮询和设备中断
——如：高带宽网络设备（第一个传入数据包到达前采用中断；轮询后面的数据包直到硬件缓存为空）
D.设备中断I/O处理流程

四.磁盘调度

1.磁盘工作机制和性能参数
——读取或写入时，磁头必须被定位在期望的磁道，并从所期望的柱面和扇区开始
——寻道时间：定位到期望的磁道所花费的时间
——旋转延迟：从零扇区开始到达目的地花费的时间

2.磁盘I/O传输时间

3.磁盘调度算法
A.通过优化磁盘访问请求顺序来提高磁盘访问性能
——寻道时间是磁盘访问最耗时的部分
——同时会有多个在同一磁盘上的I/O请求
——随机处理磁盘访问请求的性能表现很差
4.先进先出（FIFO）算法
——按顺序处理请求
——公平对待所有进程
——在有很多进程的情况下，接近随机调度的性能
5.最短服务时间优先（SSTF）
——选择从磁臂当前位置需要一定最少的I/O请求
——总是选择最短寻道时间
6.扫描算法（SCAN）
——磁臂在一个方向上移动，访问所有未完成的直到磁臂到达该方向上最后的磁道
——也称电梯算法
7.循环扫描算法（C-SCAN）
——限制了仅在一个方向上扫描
——当最后一个磁道也被访问过了后，磁臂返回到磁盘的另一端再次进行
8.C-LOOK算法
——磁臂先到达该方向上最后一个请求处，然后立即反转，而不是先到最后点路径上的所有请求
9.N步扫描（N-step-SCAN）算法
——磁头粘着（Arm Stickiness）现象
——SSTF,SCAN及CSCAN算法中，可能出现磁头停留在某处不动的情况（进程反复请求某一磁道的I/O操作）
——N步扫描扫描算法（将磁盘请求队列分成长度为N的子队列；按FIFO算法依次处理所有子队列；队列内部用扫描算法）
10.双队列扫描算法（FSCAN）算法
——FSCAN算法是N步扫描算法的简化
——FSCAN只将磁盘请求队列分成两个子队列
——把磁盘I/O请求分成两个队列；交替使用扫描算法处理一个队列；新生的磁盘I/O请求放入另一队列中，所有的新请求都将被推迟到下一次扫描时处理

五.磁盘缓存

放在内存里的磁盘的数据缓存，为了避免对磁盘里同一块数据的多次引用时的反复读取
1.缓存
A.数据传输双方访问速度差异较大时，引入的速度匹配中间层。
B.磁盘缓存是磁盘扇区在内存中的缓存区
——磁盘缓存的调度算法很类似虚拟存储调度算法
——磁盘的访问频率远低于虚拟存储中的内存访问频率
——通常磁盘缓存调度算法很复杂
2.单缓存与双缓存

单缓存中，往缓存中写时，CPU就不能从缓存中读，效率较低；双缓存中，因为是不同的缓存区，I/O设备的写和CPU的读可以同时进行。
3.访问频率置换算法（Frequency-based Replacement）
A.问题是：在一段密集磁盘访问后，LFU算法的引用计数变化无法反映当前的引用情况
B.算法思路
——考虑磁盘访问的密集特征，对密集引用不计数
——在短周期中使用LRU算法，而在长周期中不使用LFU算法
C.思路图解