【操作系统】输入/输出系统

目录

l/O系统的功能、模型和接口

l/O设备和设备控制器

中断和中断处理程序

设备驱动程序

与设备无关的I/O

用户层的I/O软件

缓冲区管理

磁盘性能概述和磁盘调度

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l/O系统的功能、模型和接口

I/O系统管理
1）主要对象：
I/O设备和对应的设备控制器
2）主要任务：
完成用户提出的I/O请求
提高I/O速率
改善I/O设备的利用率
3）基本功能：
能够隐藏物理设备的细节
能够保证OS与设备无关
能够提高处理机和I/O设备的利用率
能够对I/O设备进行控制
能够确保对设备的正常共享
能够处理错误

I/O软件的层次结构

I/O系统接口：
1）块设备接口
块设备：数据的存取和传输都是以数据块为单位的设备，如磁盘、光盘，通常采用DMA I/O方式
隐藏了磁盘的二维结构
将抽象命令映射为低层操作 （如收到读磁盘命令时，先将抽象命令中的逻辑块号转换为磁盘的盘面、磁道和扇区等）
2）流设备（字符设备）接口
字符设备：数据的存取和传输都是以字符为单位的设备，如键盘、打印机。 不可寻址。
通常采用中断驱动I/O方式。
get和put操作：字符设备采用顺序存取方式。
get操作用于从字符缓冲区取得一个字符（到内存），并将它返回给调用者。
put操作用于将一个新字符（从内存）输出到字符缓冲区网络。
in-control指令：包含许多参数，每个参数均表示一个与具体设备相关的特定功能。
3）网络通信接口
OS提供相应的网络软件和网络通信接口，以使计算机能通过网络同网络上的其他计算机进行通信，或上网浏览信息。

l/O设备和设备控制器

I/O设备的类型
按使用特性分类：存储设备、I/O设备
按输出速率分类：
低速设备：键盘、鼠标器、语音的输入和输出等
中速设备：行式打印机、激光打印机等
高速设备：磁带机、磁盘机、光盘机等
按信息交换单位分类：块设备、字符设备
按设备的共享属性分类：独占设备、共享设备

设备控制器
主要功能：控制一个或多个I/O设备，以实现I/O设备和计算机之间的数据交换
设备控制器是CPU与I/O设备之间的接口，接收从CPU发来的命令，并去控制I/O设备工作
设备控制器是一个可编址的设备。
当仅控制一个设备时，它只有一个惟一的设备地址
若控制器可连接多个设备时，则应含有多个设备地址，并使每一个设备地址对应一个设备
基本功能：
接收和识别命令；数据交换；标识和报告设备的状态；地址识别；数据缓冲区；差错控制
组成：
1）设备控制器与处理机的接口：实现CPU与设备控制器之间的通信，包括数据线、地址线和控制线
2）设备控制器与设备的接口：一个设备控制器可以连接一个或多个设备
3）I/O逻辑：实现对设备的控制

内存映像I/O
驱动程序将抽象I/O命令转换成具体的命令和参数等装入设备控制器的相应寄存器，由控制器执行这些命令，具体实施对I/O设备的控制。
具体方法：
> 采用特定I/O指令：访问内存和设备需要两种不同的指令
> 采用内存映像I/O形式
在编址上不在区分内存单元地址和设备控制器中的寄存器地址，统一编址 k 。 k在0~n-1范围时，为内存地址；若k>=n时，为某控制器的寄存器地址
统一了访问方法，简化了I/O编程

I/O通道
目的：使一些原来由CPU处理的I/O任务转由通道来承担，从而把CPU从繁杂的I/O任务中解脱出来
通道与普通处理机
????????通道是特殊处理机
????????不同点： 指令类型单一；没有自己的内存（与CPU共享内存）
类型：
字节多路通道：按字节交叉方式工作的通道
数组选择通道：可以连接多台高速设备，但在一段时间内只允许一台设备传输数据，传输率高
数组多路通道：结合前两者优点，含有多个非分配型子通道

I/O设备的控制方式
1.使用轮询的可编程I/O方式（基本不用）
① 由CPU定时发出询问，询问设备是否忙，进程进入忙等
②不忙即进行I/O，否则转① 实现容易，但效率偏低，CPU会长期处于忙等待
2.使用中断的可编程I/O方式（广泛采用）
当某进程要启动某个I/O设备工作时，便由CPU向相应的设备控制器发出一条I/O命令，然后立即返回继续执行原来的任务。设备控制器于是按照该命令的要求去控制指定的I/O设备。此时，CPU与I/O设备并行操作。
3. 直接存储器访问（DMA）方式
> DMA的引入：进一步减少CPU对I/O设备的干预
数据传输的基本单位是数据块
所传送的数据是从I/O设备直接送入内存的，或者相反
仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时，才须CPU干预
4.I/O通道控制方式
引入：是DMA方式的发展，可进一步减少CPU的干预。
是对一组数据块以读/写及有关的控制和管理为单位干预； 可实现CPU、通道和I/O设备三者的并行操作。
通道程序：由一系列通道指令所构成的。
通道指令不同于CPU指令。 指令包含：操作码、内存地址、计数、通道程序结束位P、记录结束位R。

瓶颈问题
通道不足，造成“瓶颈”问题（通道价格昂贵）
解决方法：
1）增加设备到CPU间的通路而不增加通道
2）多通路方式不仅解决了“瓶颈”问题，而且提高了系统的可靠性

中断和中断处理程序

中断(Interrupt)是指CPU对I/O设备发来的中断信号的一种响应
陷入(Trap)是指CPU内部事件所引起的中断
中断向量表：中断向量表存放每个设备的中断处理程序的入口地址，并为每个设备的中断请求作为一个中断号，对应于中断向量表中的一个表项
中断优先级：系统为每个中断源规定不同的优先级
中断源：引起中断的事件
当处理机正在处理一个中断时，又来了一个新的中断请求，
????????有两种处理方式： 屏蔽(禁止)中断 嵌套中断

中断处理程序
1）测定是否有未响应的中断信号
2）保护被中断进程的CPU现场
3）转入相应的设备处理程序
4）处理中断
5）恢复CPU现场并退出中断

Linux系统中断处理：
> 采用了上半部和下半部机制：
上半部：中断处理程序。 简单快速，执行时禁止一些或全部中断。
下半部：一些虽然与中断有关但是可以延后执行的任务。 稍后执行，执行时可以响应所有的中断。
> 中断处理程序的设计： 注册中断 处理中断 注销中断

设备驱动程序

功能：接收上层软件发来的抽象I/O请求，再把它们转换为具体要求后，发送给设备控制器，启动设备去执行
特点：
实现与设备无关的软件和设备控制器直接通信和转换的程序
与设备控制器以及I/O设备特性紧密相关
与I/O设备所采用的I/O控制方式紧密相关
基本部分固化在ROM中
允许可重入
设备处理方式：
为每类设备设置一个进程，专门用于执行这类设备的I/O操作
在整个系统中设置一个I/O进程，专门用于执行系统中各类设备的I/O操作
不设置专门的设备处理进程，而只为各类设备设置相应的设备驱动程序
处理过程：
1）将抽象要求转换为具体要求；
2）对服务请求进行校验；
3）检查设备的状态；
4）传送必要的参数；
5）启动I/O设备；
设备驱动程序与外界的接口：
设备驱动程序与操作系统内核的接口
设备驱动程序与系统引导的接口
设备驱动程序与设备的接口
设备驱动程序的组成：
设备驱动程序的注册与注销
设备的打开与释放
设备的读/写操作
设备的控制操作
设备的中断与轮询

与设备无关的I/O

目的：实现设备独立性
逻辑设备名：抽象的设备名；可实现I/O重定向(指用于I/O操作的设备可以更换，而不必改变应用程序)
逻辑设备名到物理设备名的转换：
必须具备将逻辑设备名转换为物理设备名的功能
系统配备逻辑设备表

设备分配
1）数据结构：
设备控制表DCT– 记录设备的情况
控制器控制表COCT、通道控制表CHCT和系统设备表SDT
2）设备分配时应考虑的因素：
独占设备、共享设备、虚拟设备的分配策略
分配算法：先来先服务、优先级高者优先
安全性考虑：安全分配、不安全分配
3）独占设备的分配程序：
基本分配程序：分配设备、分配控制器、分配通道
分配程序改进

设备控制表DCT

逻辑设备名映射物理设备名
在应用程序中请求使用I/O设备时，应使用逻辑设备名；而系统只识别物理设备名
逻辑设备表LUT：用于将逻辑设备名映射为物理设备名
包含：逻辑设备名、物理设备名和设备驱动程序入口地址
设置方式：整个系统已张LUT；每个用户一张LUT

I/O调度
调度一组I/O请求：就是按照确定好的顺序来执行I/O操作； 提高计算机效率。
通过I/O调度可以
改善系统整体性能； 在进程间公平共享设备访问； 减少完成I/O调度所需的平均等待时间。
实现：为每个设备维护一个请求等待队列。

用户层的I/O软件

大部分I/O软件都放在OS内部，仍有一小部分在用户层

系统调用：应用程序通过系统调用间接调用OS中的I/O过程，对I/O设备进行操作
库函数：Win32 API C 语言或UNIX系统中，系统调用与库函数，几乎一一对应

假脱机系统

假脱机技术：外围操作与CPU对数据的处理同时进行，这种在联机情况下实现的同时外围操作称为SPOOLing (Simultaneous Peripheral Operations On-Line)，或假脱机技术
为了缓和CPU的高速性与I/O设备的低速性间的矛盾而引入了脱机输入、脱机输出技术。
SPOOLing系统?的组成
1）输入井和输出井
在磁盘上开辟的两个大存储空间
输入井：模拟脱机输入时的磁盘设备，用于暂存输入设备输入的数据
输出井：模拟脱机输出时的磁盘，用于暂存用户程序的输出数据
2）输入缓冲区和输出缓冲区
缓和CPU和磁盘之间速度不匹配的矛盾
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：用于暂存从输出井送来的数据，以后再传送给输出设备
输入进程SPi：Spi模拟脱机输入时的外围控制机，将用户要求的数据从输入设备通过输入缓冲区再送入输入井，当CPU需要输入数据时，直接从输入井读入内存
输出进程Sp0：Sp0模拟脱机输出时的外围控制机，把用户要求输出的数据，先从内存送到输出井，待输出设备空闲时，再将输出井中的数据经过输出缓冲区送到输出设备上
井管理程序：用于控制作业与磁盘井之间信息的交换

SPOOLing系统特点：
提高了I/O的速度；将独占设备改造为共享设备；实现了虚拟设备功能

假脱机打印机系统
打印机属于独占设备。利用SPOOLing技术，可将之改造为一台可供多个用户共享的设备，从而提高设备的利用率，也方便了用户。
共享打印机技术已被广泛用于多用户系统和局域网络（添加方法）中
>?磁盘缓冲区：磁盘空间，暂存用户程序的输出数据
>?打印缓冲区：设在内存，暂存从磁盘缓冲区送来的数据
>?假脱机管理进程和假脱机打印进程
假脱机管理进程为每个要求打印的用户数据建立一个假脱机文件，并放入文件队列中
假脱机打印进程依次对队列中的文件进行打印

共享打印机
1）假脱机管理进程：
在磁盘缓冲区中为之申请一个空闲盘块，并将要打印的数据送入其中暂存
为用户进程申请一张空白的用户请求打印表，并将用户的打印要求填入表中，再将该表挂到假脱机文件队列上
2）假脱机打印进程
当打印机空闲时，进程从请求打印队列的队首取出一张请求打印表，根据表中的要求将要打印的数据，从输出井传送到内存缓冲区，再由打印机进行打印
打印完，进程再次察看请求打印队列，若非空，重复上述工作，直到队列为空。此后进程才将自己阻塞起来。仅当下次再有打印请求时，进程才被唤醒

方案修改：取消假脱机管理进程，为打印机建立一个守护进程，由它执行一部分原来的假脱机管理进程的功能。 守护进程是允许使用打印机的唯一进程。

缓冲区管理

缓冲区管理：
缓冲区是一个存储区域，可以由专门的硬件组成；更多的是利用内存
缓冲管理的主要功能是组织好这些缓冲区，并提供获得和释放缓冲区的手段。
引入原因：缓和CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾；减少对CPU的中断频率，放宽对CPU中断响应时间的限制；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
每当用户进程发出一I/O请求时，操作系统便在主存中为之分配一缓冲区
在块设备输入时，
T：从磁盘把一块数据输入到缓冲区的时间
M：操作系统将该缓冲区中的数据传送到工作区的时间
C：CPU对这块数据处理的时间。
当T>C时，系统对每一块数据的处理时间为M+T（C忽略）
反之，则为M+C
系统对每一块数据的处理时间为：Max(C,T)+M

双缓冲
双缓冲机制（缓冲对换）
在设备输入时，先将数据送入第一缓冲区，装满后便转向第二缓冲区。
此时操作系统可以从第一缓冲区移出数据，并送入用户进程。接着由CPU对数据进行计算。
在双缓冲时，系统处理一块数据的时间可以粗略地认为是Max(C,T)，如果C>T,则可使CPU不必等待设备输入

环形缓冲
> 多个缓冲区
在循环缓冲中包含多个缓冲区，其每个缓冲区的大小相同。
作为输入的多缓冲区可分为三种类型
????????用于装输入数据的空缓冲区R;
????????已装满数据的缓冲区G;
????????计算进程正在使用的现行工作缓冲区C
>?多个指针
作为输入的缓冲区可设置3个指针
????????用于指示计算进程下一个可用缓冲区G的指针Nextg
????????指示输入进程下次可用的空缓冲区R的指针Nexti
????????用于指示计算进程正在使用的缓冲区C的指针Current
>?使用
Getbuf过程：计算进程要使用缓冲区的数据时调用该过程，将指针Nextg所指示的缓冲区提供给进程使用，修改Nextg和Current指针；输入进程要使用空缓冲装数据时调用该过程，将指针Nexti所指示的缓冲区提供给进程使用，修改Nexti
Releasebuf过程：当计算进程把C缓冲区中的数据提取完毕时，调用过程，将缓冲区C释放；当输入进程把缓冲区装满时，调用过程，将该缓冲区释放，并将其改为可用缓冲区G
进程间的同步问题：Nexti指针追赶上Nextg指针； Nextg指针追赶上Nexti指针

缓冲池
为了提高缓冲区的利用率，引入公用缓冲池，在池中设置了多个可供若干个进程共享的缓冲区。
对于既可用于输入又可用于输出的公用缓冲池
组成：
空闲缓冲队列emq：空缓冲区所链成的队列
输入队列inq：装满输入数据的缓冲区所链成的队列
输出队列out：装满输入数据的缓冲区所链成的队列
4种工作缓冲区：收容输入缓冲区、提取输入缓冲区、收容输出缓冲区、提取输出缓冲区
Getbuf和putbuf过程：
对缓冲池中的队列进行操作；既可实现互斥又可保证同步
工作方式：收容输入 提取输入 收容输出 提取输出

缓存Cache
缓存是保存数据副本的高速内存区域：CPU缓存、磁盘缓存、光驱缓存等。
CPU缓存（高速缓存）：为了缓和CPU运行速率与内存读/写速率不匹配的矛盾； 当CPU要读取一个数据时，首先从CPU缓存中查找，找到就立即读取并送给CPU处理；若没有找到，则从速率相对较慢的内存中读取并送给CPU处理，同时把这个数据所在的数据库调入缓存中。
缓存和缓冲：
缓冲可以保存数据项的唯一的现有版本。
缓存只是提供一个位于其他地方的数据项的更快存储副本。
有时，同一个内存区，既可以是缓冲，也可以是缓存。

磁盘性能概述和磁盘调度

磁盘的结构：
盘面（磁头）：磁盘设备可包含一或多个盘片，每个盘片分为一个或两个盘面，每个面上有一个读写磁头
磁道（柱面）：每个盘面可分成若干条磁道
扇区：每条磁道逻辑上分成若干个大小相同的扇区。每个扇区的大小相当于一个盘块（数据块）；
每条磁道上可存储相同数目的二进制位
磁盘密度即每英寸中所存储的位数，显然是内层磁道的密度较外层磁道的密度高。
磁盘容量计算：容量=柱面×磁头×扇区，每扇区存放512B数据
数据的组织和格式：
1）为了在磁盘上存储数据，必须先将磁盘格式化
2）如每条磁道含有30个固定大小的扇区，每个扇区容量为600个字节，其中512个字节存放数据，其余的用于存放控制信息
3）每个扇区包括2个字段：
标识符字段：其中一个字节的SYNCH具有特定的位图像，作为该字段的定界符，利用磁道号、磁头号及扇区号三者来标识一个扇区；CRC字段用于段校验 数据字段：存放512个字节的数据

磁盘的类型
分类1：硬盘、软盘
分类2：单片盘、多片盘
分类3：
1）固定头磁盘：
每个磁道上都有一个读写磁头
并行方式读/写，有效提高磁盘的I/O速度
主要用于大容量磁盘
2）移动头磁盘：
每个盘面仅配有一个磁头，能移动寻道
串行方式读/写，I/O速度较慢
广泛应用于中、小型磁盘设备中

磁盘访问时间：
磁盘在工作时是以恒定速率旋转。
为了读写：磁头必须移动到所要求的磁道上，并等待所指定的扇区的开始位置旋转到磁头下， 开始读写数据
磁盘的访问时间：磁盘的访问时间；旋转延迟时间；传输时间
寻道时间Ts：
把磁臂（磁头）移动到指定磁道上所经历的时间。
启动磁臂的时间k 磁头移动n条磁道所花费的时间公式Ts=m×n+k
m:常数，与磁盘驱动器的速度有关，对一般磁盘，m=0.2；对高速磁盘，m<=0.1 k:约2ms 对一般温盘，寻道时间将随寻道距离的增加而增大，大体上是5~30ms
磁盘访问时间
把指定扇区移动到磁头下所经历的时间。
硬盘：典型的旋转速度大多为5400r/min（现在大多7200），每转需11.1ms，平均旋转延迟时间Tτ= ?*1/(5400/60)sec =5.56ms
软盘：旋转速度300 r/min或600 r/min ， Tτ=50~100ms
传输时间Tt
把数据从磁盘读出或向磁盘写入数据所经历的时间
Tt的大小与每次所读写的字节数b和旋转速度有关

由于在访问磁盘的时间中，主要是寻道时间，因此，磁盘调度的目标，是使磁盘的平均寻道时间最小。

先来先服务FCFS：(最简单）
根据进程请求访问磁盘的先后次序进行调度。
优点：公平、简单，每个进程的请求都能依次得到处理，不会出现某一进程的请求长期得不到满足的情况。
缺点：由于未对寻道进行优化，致使平均寻道时间可能较长。 FCFS仅适用于请求磁盘I/O的进程数目较少的场合。
最短寻道时间优先SSTF：
其要求访问的磁道，与当前磁头所在的磁道距离最近，以使每次的寻道时间最短，但不保证平均寻道时间最短
SSTF的平均每次磁头移动的距离，明显低于FCFS的距离，因而SSTF比FCFS寻道性能更好
基于扫描的磁盘调度算法：
进程“饥饿”现象：SSTF寻道性能好，但可能导致某个进程发生“饥饿”现象。改进SSTF后，可防止进程出现“饥饿”现象。
SCAN算法：（电梯调度算法）
不仅考虑到欲访问的磁道与当前磁道的距离，更优先考虑的是磁头当前的移动方向。
磁臂从磁盘的一端向另一段移动，沿途响应服务请求。当到达另一端时，磁头改变移动方向，继续处理。磁头在磁盘上来回扫描。
循环扫描算法CSCAN：
CSCAN算法提供比SCAN算法更为均匀的等待时间。
磁头从磁盘一段移到另一端，随着移动不断的处理请求。不过，当磁头移到另一端时，马上返回到磁盘开始，返回时并不处理请求。
CLOOK：
磁头只移动到一个方向上最远的请求为止。接着，它马上回头，而不是继续到磁盘的尽头
NStepSCAN算法：
“磁臂粘着”现象：进程反复请求对某一磁道的I/O操作；
将磁盘请求队列分为若干个长度为N的子队列； 按FCFS算法依次处理子队列； 每个子队列使用SCAN算法。
FSCAN算法：
是N步SCAN算法的简化；
请求队列分为两个子队列： 一是当前所有请求队列，按SCAN算法调度； 二是扫描期间，新出现的请求队列，推迟到下一次扫描时处理。

本篇先介绍了I/O系统的功能、模型和接口，I/O硬件和I/O软件，磁盘调度等内容。