操作系统 (王道)- 第五章

I/O设备的基本概念和分类

• 什么是I/O设备：将数据Input/Output（输入/输出）计算机的外部设备
• 按使用特性分类
  • 人机交互类外部设备
  • 存储设备
  • 网络通信设备
• 按传输速率分类
  • 低速设备
  • 中速设备
  • 高速设备
• 按信息交换的单位分类
  • 块设备（传输快，可寻址）
  • 字符设备（传输慢，不可寻址，常采用中断驱动方式）

I/O控制器

• 主要功能
  • 接受和识别CPU发出的命令（要有控制寄存器）
  • 向CPU报告设备的状态（要有状态寄存器）
  • 数据交换（要有数据寄存器，暂存输入/输出的数据）
  • 地址识别（由I/O逻辑实现）
• 组成
  • CPU与控制器之间的接口（实现控制器与CPU之间的通信）
  • I/O逻辑（负责识别CPU发出的命令，并向设备发出命令）
  • 控制器与设备之间的接口（实现控制器与设备之间的通信）

• 两种寄存器编址方式

  • 内存映像I/O
    • 控制器中的寄存器与内存统一编址
    • 可以采用对内存进行操作的指令来对控制器进行操作
  • 寄存器独立编址
    • 控制器中的寄存器独立编址
    • 需要设置专门的指令来操作控制器

I/O控制方式

• 程序直接控制方式
  • 完成一次读/写的过程：CPU发出I/O命令后需要不断轮询
  • CPU干预频率：极高
  • 每次I/O的数据传输单位：字
  • 数据流向
    • 设备$\Rightarrow$CPU$\Rightarrow$内存
    • 内存$\Rightarrow$CPU$\Rightarrow$设备

• 中断驱动方式

  • 完成一次读/写的过程：CPU发出I/O命令后可以做其他事，本次I/O完成后设备控制器发出中断信号
  • CPU干预频率：高
  • 每次I/O的数据传输单位：字
  • 数据流向
    • 设备$\Rightarrow$CPU$\Rightarrow$内存
    • 内存$\Rightarrow$CPU$\Rightarrow$设备

• DMA方式

  • 完成一次读/写的过程：CPU发出I/O指令后可以做其他事，本次I/O完成后设备控制器发出中断信号
  • CPU干预频率：中
  • 每次I/O的数据传输单位：块
  • 数据流向
    • 设备$\Rightarrow$内存
    • 内存$\Rightarrow$设备

• 通道控制方式

  • 完成一次读/写的过程：CPU发出I/O命令后可以做其他事。通道会执行通道程序以完成I/O，完成后通道向CPU发出中断信号
  • CPU干预频率：低
  • 每次I/O的数据传输单位：一组块
  • 数据流向
    • 设备$\Rightarrow$内存
    • 内存$\Rightarrow$设备

• 优缺点
  • 每一个阶段的优点都是解决了上一阶段的最大缺点
  • 总体来说，整个发展过程就是要尽量减少CPU对I/O过程的干预，把CPU从繁杂的I/O控制事务中解脱出来，以便更多地去完成数据处理任务

I/O软件层次结构

• 用户层软件：实现与用户交互的接口，向上提供方便易用的库函数
• 设备独立性软件
  • 向上层提供统一的调用接口（如read/write系统调用）
  • 设备的保护
  • 差错处理
  • 设备的分配与回收
  • 数据缓冲区管理
  • 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
• 设备驱动程序：设置设备寄存器、检查设备状态
• 中断处理程序：进行中断操作
• 硬件：执行I/O操作，有机械部件、电子部件组成

输入/输出应用程序接口&设备驱动程序接口

• 输入/输出应用程序接口

• 阻塞/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：若各公司开发的设备驱动程序接口不统一，则操作系统很难调用设备驱动程序

• 统一标准的设备驱动程序接口：操作系统规定号设备驱动的接口标准，各厂商必须按要求开发设备驱动程序

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
  • 操作系统要实现==文件保护功能==
  • 在UNIX系统中，==设备被看作是一种特殊的文件==，每个设备也会有对应的FCB

假脱机技术

• 脱机技术
  • 外围控制机+更高速的设备——磁带
  • 作用：缓解设备与CPU的速度矛盾，实现预输入、缓输出
• 假脱机技术
  • 又叫SPOOLing技术，用软件的方式模拟脱机技术
  • 输入井和输出井——模拟脱机输入/输出时的磁带
  • 输入进程和输出进程——模拟脱机输入/输出时的外围控制机
  • 输入缓冲区和输出缓冲区——内存中的缓冲区，输入、输出时的“中转站”

• 共享打印机：用SPOOLing技术将独占式的打印机“虚拟”成共享打印机

设备的分配与回收

• 应考虑的因素

  • 固有属性：独占设备、共享设备、虚拟设备(SPOOLing)
  • 分配算法：先来先服务、优先级高者优先、短任务优先等
  • 安全性：安全分配方式、不安全分配方式

• 静态分配与动态分配

  • 静态分配：进程运行前为其分分配全部所需资源，运行结束后归还资源
  • 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)：每个设备对应一张DCT，关键字段：类型/标识符/状态/指向COCT的指针/等待队列指针
  • 控制器控制表(COCT)：每个控制器对应一张COCT，关键字段：状态/指向CHCT的指针/等待队列指针
  • 通道控制表(CHCT)：每个控制器对应一张CHCT，关键字段：状态/等待队列指针
  • 系统设备表(SDT)：记录整个系统中所有设备的情况，每个设备对应一个表目，关键字段：设备类型/标识符/DCT/驱动程序入口

• 设备分配的步骤

  1. 根据进程请求的物理设备名查找SDT
  2. 根据SDT找到DCT并分配设备
  3. 根据DCT找到COCT并分配控制器
  4. 根据COCT找到CHCT并分配通道
  • 缺点
    • 用户编程时必须使用“物理设备名”，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

• 设备分配步骤的改进

  • 用户编程时使用逻辑设备名申请设备，操作系统负责实现从逻辑设备名到物理设备名的映射（通过LUT）
  • 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
    • 每个用户一张LUT：各个用户的逻辑设备名可重复

缓冲区管理

• 缓冲区的概念
  • 一般利用内存作为缓冲区
  • 缓解CPU与设备的速度矛盾、减少对CPU的中断频率、解决数据粒度不匹配的问题、提高CPU与I/O设备之间的并行性
• 单缓冲^1
  • 设备-(T)-缓冲区-(M)-工作区-(C)-处理
  • 处理一块数据平均耗时Max(C, T) + M
  • 分析问题的初始状态：工作区满，缓冲区空
• 双缓冲
  • 处理一块数据平均耗时Max(T, C+M)
  • 分析问题的初始状态：工作区空，一个缓冲区满，另一个缓冲区空
• 循环缓冲：多个缓冲区链接成循环队列，in指针指向第一个空缓冲区，out指针指向第一个满缓冲区
• 缓冲池
  • 三个队列：空缓冲队列、输入队列、输出队列
  • 四种工作缓冲区
    • 用于收容输入数据的工作缓冲区、用于提取输入数据的工作缓冲区
    • 用于收容输出数据的工作缓冲区、用于提取输出数据的工作缓冲区

磁盘的结构

• 磁盘、磁道、扇区的概念
  • 磁盘由表面涂有磁性物质的圆形盘片组成
  • 每个盘片被划分为一个个磁道，每个磁道又划分为一个个扇区
• 如何在磁盘中读/写数据：磁头移动到目标位置，盘片旋转，对应扇区划过磁道才能完成读/写
• 盘面、柱面的概念
  • 磁盘有多个盘片“摞”起来，每个盘片有两个盘面
  • 所有盘面中相对位置相同的磁道组成柱面
• 磁盘的物理地址：(柱面号, 盘面号, 扇区号)
• 磁盘的分类
  • 根据磁头是否可移动
    • 固定头磁盘（每个磁道有一个磁头）
    • 移动头磁盘（每个盘面只有一个磁头）
  • 根据盘片是否可更换
    • 固定盘磁盘
    • 可换盘磁盘

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）：启动磁臂，移动磁头所花的时间
  • 延迟时间：将目标扇区转到磁头下面所花的时间
  • 传输时间：读/写 数据花的时间
• 磁盘调度算法
  • 先来先服务(FCFS)：按访问请求到达的先后顺序进行处理
  • 最短寻找时间优先(SSTF)
    • 每次都优先响应距离磁头最近的磁道访问请求
    • 贪心算法的思想，能保证眼前最优，但无法保证总的寻道时间最短
    • 缺点：可能导致饥饿
  • 扫描算法(电梯算法，SCAN)
    • 只有磁头移动到最边缘的磁道时才可以改变磁头移动方向
    • 缺点：对各个位置磁道的响应频率不平均
  • 循环扫描算法(C-SCAN)：只有磁头朝某个方向移动时才会响应请求，移动到边缘后立即让磁头返回起点，返回途中不响应任何请求
  • LOOK算法：SCAN算法的改进，只要在磁头移动方向上不再有请求，就立即改变磁头方向
  • C-LOOK算法：C-SCAN算法的改进，只要在磁头移动方向上不再有请求，就立即改变磁头方向

减少磁盘延迟时间的方法

• 交替编号
  • 具体做法：让编号相邻的扇区在物理上不相邻
  • 原理：读取完一个扇区后需要一段时间处理才可以继续读入下一个扇区
• 错位命名
  • 具体做法：让相邻盘面的扇区编号“错位”
  • 原理：与“交替编号”的原理相同。“错位命名法”可降低延迟时间
• 磁盘地址结构的设计
  • 理解为什么要用==(柱面号, 盘面号, 扇区号)==
  • 理解为什么不用(盘面号, 柱面号, 扇区号)
  • 原因：在读取地址连续的磁盘块时，前者更不需要移动磁头

磁盘的管理

• 磁盘初始化
  • 低级格式化/物理格式化：划分扇区
  • 磁盘分区（C盘、D盘、E盘）
  • 逻辑格式化：建立文件系统（建立根目录文件、建立用于存储空间管理的数据结构）
• 引导块
  • 计算机启动时需要运行初始化程序（自举程序）来完成初始化
  • ROM中存放很小的自举装入程序
  • 完整的自举程序存放在初始块（引导块）中
• 坏块的管理
  • 简单的磁盘：逻辑格式化时将坏块标记出来
  • 复杂的磁盘：磁盘控制器维护一个坏块链，并管理备用扇区