2021-12-06 《计算机操作系统》（第四版）学习笔记：第六章

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第六章 I/O 管理

I/O系统管理的主要对象： I/O 设备和相应的设备控制器。
最主要的任务： 完成用户提出的 I/O 请求，提高 I/O 速率，以及提高设备的利用率，并能为更高层的进程方便地使用这些设备提供手段

一、I/O 系统的功能、模型和接口

（1）功能

隐藏物理设备的细节
与设备的无关性
提高处理机和 I/O 设备的利用率
对 I/O 设备进行控制
确保对设备的正确共享
错误处理

（2）I/O 软件的层次结构

（3）I/O 系统中各种模块之间的层次视图

1. I/O 系统的上、下接口

   -   I/O 系统接口

   -   软件 / 硬件（RW / HW）接口

2. I/O 系统

   -   中断处理程序

   -   设备驱动程序

   -   设备独立性软件

（4）I/O 系统接口

分类	特点
块设备接口	- 数据的存取和传输都是以数据块为单位 - 隐藏磁盘的二维结构 - 将抽象命令映射为低层操作
流设备接口	- 速率低、不可寻址、中断 I/O 方式 - get 和 put 操作。采用顺序存取方式 - in-control 指令 - 大多数流设备都属于独占设备，必须采用互斥方式共享
网络设备接口	*

二、I/O 设备和设备控制器

（1）I/O 设备的组成

执行 I/O 操作的机械部分（习惯称为一般的 I/O 设备）
执行控制 I/O 的电子部件组成（称为设备控制器或适配器）

（2）I/O 设备与控制器之间的接口

数据信号线。
- 对输入而言，是由设备发送给设备控制器的数据信号；
- 对输出而言，是由设备控制器所接收的比特流
控制信号线。

由设备控制器发送给设备，该信号规定了设备将要执行的操作。
状态信号线。

用于传送指示设备的当前状态的信号

（3）设备控制器

设备控制器主要负责控制一个或多个 I/O 设备，以实现 I/O 设备和计算机之间的数据交换。其组成包括：

设备控制器与处理机的接口
设备控制器与设备的接口
I/O 逻辑

基本功能包括：

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
差错控制

（4）内存映像 I/O

驱动程序将抽象命令转换出一系列具体命令、参数等数据，装入设备控制器的相应寄存器，由控制器来执行这些命令，具体实施对 I/O 设备的控制，这一工作可用两种方法来完成。

利用特定的 I/O 指令

访问内存和访问设备需要两种不同的指令。
内存映像 I/O

统一了对内存和对控制器的访问的方法，简化了 I/O 编程。在编址上不再区分内存单元地址和设备控制器地址，都采用 k：
- 0 ≤ k ≤ n - 1，认为是内存地址
- k ≥ n，认为是某个控制器的寄存器地址

（5）I/O 通道

I/O 通道是一种特殊的处理机。它具有执行 I/O 指令的能力，并通过执行通道（I/O）程序来控制 I/O 操作。

在 CPU 和设备控制器之间增设通道，主要是为了建立独立的 I/O 操作，不仅使得数据的传送能独立于 CPU ，而且也希望有关对 I/O 操作的组织、管理及其结束处理也尽量独立，以保证 CPU 有更多的时间去进行数据处理。

通道与 CPU 的区别
- 指令类型单一：通道硬件比较简单，其所能执行的命令，主要局限于与 I/O 操作有关的指令
- 通道没有自己的内存：通道所执行的通道程序是放在内存中的。即，通道与 CPU 共享内存
通道的类型
- 字节多路通道
- 数组选择通道
- 数组多路通道
采用多通路方式解决“瓶颈”问题

单通路 I/O 系统中，一个通路被占用，会导致多个设备无法使用。

 为此，可以将一个设备连接到多个控制器上，一个控制器又连接到多个通道上，实现多通路来解决问题。

三、中断机构和中断处理程序

中断是：

多道程序得以实现的基础
设备管理的基础

中断处理程序是 I/O 系统中最低的一层，它是整个 I/O 系统的基础。

（1）中断

外中断（中断）： 来自处理机外部的中断。
- I/O 设备发出的 I/O 中断
- 外部信号中断（例如用户键入 ESC 键）
- 各种定时器引起的时钟中断
- 调试中断
内中断（陷入）： 在处理机内部产生的中断。
- 地址非法
- 校验错
- 页面失效
- 存取访问控制错
- 算术操作溢出
- 数据格式非法
- 除数为零
- 非法指令
- 用户程序执行特权指令
- 时间片中断
- 从用户态到核心态的切换
中断向量表

每种设备配以相应的中断处理程序，而中断服务程序的入口地址称为中断向量。

把所有的中断向量集中起来，按中断类型号从小到大的顺序存放到存储器的某一区域（一张表）内。

即中断服务程序入口地址表。
中断请求 → 中断号 → 中断处理程序的入口地址 → 转入中断

在这里插入图片描述

多中断源的处理方式
- 屏蔽（禁止）中断： 不予理睬
- 嵌套中断： 优先级高的中断优先、中断可抢占

（2）中断处理程序

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

四、设备驱动（处理）程序

主要任务： 接收上层软件发来的抽象 I/O 要求，把它转换为具体要求后发送给设备控制器，启动设备去执行；反之，它也将由设备控制器发来的信号传送给上层软件。

（1）功能

接收由与设备无关的软件发来的命令和参数，并将命令中的抽象要求转换为与设备相关的低层操作序列
检查用户 I/O 请求的合法性
发出 I/O 命令
及时响应由设备控制器发来的中断请求并处理

（2）特点

在请求 I/O 的进程与设备控制器之间的一个通信和转换程序
与设备控制器和 I/O 设备的硬件特性紧密相关，对不同类型的设备应配置不同的驱动程序
其中一部分必须用汇编语言书写
驱动程序应允许可重入，允许被调用完成前再次被调用

（3）启动设备的过程

将抽象要求转换为具体要求
检查 I/O 请求的合法性
读出和检查设备的状态
传送必要的参数
工作方式的设置
启动 I/O 设备

驱动程序发出 I/O 命令后，基本的 I/O 是在设备控制器的控制下进行的。此时驱动程序进程把自己阻塞起来，直至中断到来时才将它唤醒。

（4）I/O 控制方式

原则：尽量减少主机对 I/O 控制的干预

程序直接控制

程序使用 while 循环不断询问 I/O 是否完成。
采用中断驱动

CPU 启动完 I/O 后处理其他任务，每次传输数据时通过中断告知 CPU。
直接存储器访问（DMA）

在 I/O 设备和内存之间开辟直接的数据交换通路，使得数据的传输不经过 CPU 中的寄存器。
- 数据传输的基本单位是数据块
- 数据在设备与内存直接相互传送
- 仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时，才需 CPU 干预，整块数据的传送是在控制器的控制下完成的
该方式相当于委托了 DMA 进行 I/O 操作，在所有数据传输完成后才通过中断告知 CPU。
通道控制

使用 I/O 通道专门负责处理 I/O。可实现 CPU、通道和 I/O 设备三者的并行操作，从而更有效地提高整个系统的资源利用率。

五、与设备无关的 I/O 软件

设备独立性（设备无关性）： 应用程序独立于具体使用的物理设备，使用逻辑设备名来请求某类设备，系统在执行时，则使用该类设备的物理设备名

为实现设备独立性，必须再在驱动程序之上设置一层设备独立性软件。

（1）基本概念

以物理设备名使用设备。

在早期 OS 中，应用程序在使用 I/O 设备时，都使用设备的物理名称，这使应用程序与系统中的物理设备直接相关。
引入了逻辑设备名。

为了实现与设备的无关性，引入了逻辑设备和物理设备两个概念，逻辑设备是抽象的设备名。
逻辑设备名称到物理设备名称的转换。

系统却只识别物理设备名称，因此在实际执行时，还必须使用物理名称。为此，在系统中，必须具有将逻辑设备名称转换为某物理设备名称的功能。

（2）与设备无关的软件

实现与设备无关性的软件是 I/O 系统高层软件，其下是设备驱动程序。

设备驱动程序的统一接口
缓冲管理
差错控制
设备的分配与回收
提供独立于设备的逻辑数据块

（3）设备分配

设备分配中的数据结构
- 设备控制表 DCT（为每台设备配置一张）
- 控制器控制表 COCT
- 通道控制表 CHCT
- 系统设备表 SDT
设备分配时应考虑的因素
- 设备的固有属性
  - 独占设备的分配策略：分配后被独占
  - 共享设备的分配策略：可分配给多个进程，需要注意合理调度
  - 虚拟设备的分配策略：可分配给多个进程
- 设备分配算法
  - FCFS
  - 优先级高者优先
- 设备分配中的安全性
独占设备的分配程序

基本的分配步骤：分配设备 → 分配控制器 → 分配通道

改进：
- 增加设备的独立性，使用逻辑设备名请求 I/O，仅当所有设备都忙时，才分配失败
- 考虑多通路情况，查找所有的控制器和通道，才能决定是否将该进程挂起
逻辑设备名到物理设备名映射的实现
- 整个系统只设置一张逻辑设备表 LUT
- 每个用户设置一张逻辑设备表 LUT

六、用户层的 I/O 软件

（1）系统调用与库函数

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。

系统调用是应用程序取得 OS 所有服务的唯一途径。

用户程序通过调用对应的库函数来使用系统调用，这些库函数与系统调用连接在一起。

（2）SPOOLing 技术

通过 SPOOLing 技术可以将一台独占的物理设备虚拟为多台逻辑设备，从而允许多个用户（进程）共享。

在多道程序系统中，利用一道程序来模拟脱机输入时的外围控制机的功能，把低速 I/O 设备上的数据传送到高速磁盘上；再利用另一道程序模拟脱机输出时外围控制机的功能，把数据从磁盘传送到低速输出设备上。这样，在主机的直接控制下，实现脱机输入输出功能。此时的外围操作与CPU对数据的处理同时进行。

组成部分
- 输入井和输出井
  
  磁盘上开辟的两个大存储空间
- 输入缓冲区和输出缓冲区
  
  内存中开辟的两个缓冲区
- 输入进程 Sp_i 和输出进程 Sp_o
  
  内存中的两个进程
- 井管理程序
  
  用于控制作业与磁盘井之间信息的交换
特点
- 提高了I/O的速度，缓和了 CPU 与低速 I/O 设备速度不匹配的矛盾
- 利用高速共享设备，将独占设备改造为共享设备
- 实现了虚拟设备功能，用户都感到独占了一台设备

七、缓冲区管理

（1）引入缓冲的原因

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 和 I/O 设备之间的并行性

（2）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
只能单向传输数据

（3）双缓冲

输入时先往第一缓冲区中输入数据，满后再往第二缓冲区中输入数据，此时，OS 可以从第一缓冲区中取走数据。

（4）多缓冲

R：空缓冲区
G：已有数据的缓冲区
C：正在被使用的缓冲区
Getbuf 过程
Releasebuf 过程

（5）缓冲池

组成
- 3 个队列
  - 空缓冲队列 emq
  - 输入队列 inq
  - 输出队列 outq
- 4 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
Getbuf 和 Putbuf

八、磁盘存储管理

（1）磁盘性能简述

数据的组织和格式
- 物理设备可包含多个盘片
- 每个盘片分为 1 个或 2 个盘面
- 盘面上有磁道，存储信息
- 每条磁道从逻辑上分为若干个扇区，包括：
  - 标识符字段：标识属于哪个扇区
  - 数据字段：存储数据
需要将磁盘低级格式化才可以存储数据，格式化后需要进行分区，使用磁盘前还需要高级格式化。
磁盘类型
- 固定头磁盘：每条磁道上都有磁头，装在磁臂中
- 移动头磁盘：每个盘面一个磁头，装在磁臂中，磁头能够移动以寻道

磁盘访问时间
$T_{a}=T_{s}+{1\over2r}+{b\over rN}$
读写数据的流程：
- 磁头移动到指定磁道上
- 等待扇区旋转到磁头下方
- 开始读写数据
1）寻道时间 T_s

移动到指定磁道上所经历的时间，包含启动磁臂时间 s 和磁头移动 n 条磁道所花费的时间。
$T_{s}=m\times n+s$
- m：常数，与磁盘驱动器有关
2）旋转延迟时间 T_r

指定扇区移动到磁头下面所经历的时间。与盘面的旋转速度有关。

平均旋转延迟时间为：
$T_{r}={1\over 2r}$
- r：磁盘每秒钟的转数
3）传输时间 T_t

把数据从磁盘读出或向磁盘写入数据所经历的时间。与旋转速度 r 和一次读写的数据量 b 有关。
$T_{t}={b\over rN}$
b：每次读写的字节数

N：一条磁道上的字节数

（2）磁盘调度

先来先服务 FCFS
最短寻道时间优先 SSTF
- 选择要求访问的磁道与当前磁头所在的磁道距离最近的进程（磁盘请求），使每次的寻道时间最短
- 该算法不能保证平均寻道时间最短
- 可能导致“饥饿”现象

扫描（Scan）算法
- 磁头每次只作单方向移动，直到到达边缘磁道为止，然后再作反向移动
- 下一次待访问的磁道只能在此磁头移动的前方，且选择磁头移动距离最近的一个磁盘请求响应
- 又称为“电梯调度算法”
- 消除了饥饿现象
循环扫描（CScan）算法
- 磁头只作由内向外的单方向扫描，到达外边缘后，则返回最内侧的磁道重新进行下一轮扫描
- 改进了对于边缘区磁道访问的不公平

N-Step-Scan 算法

问题：若有进程对某一磁道有较高的访问频率，则磁臂可能停留在某处不动，垄断了整个磁盘设备，发生“磁臂粘着”现象。
- 将磁盘请求队列分成若干个长度为 N 的子队列
- 按 FCFS 算法依次处理这些子队列
- 处理一个队列时按 SCAN 算法
- 新来的进程不放入当前处理的队列中，而是放入其它队列中
- 对一个队列处理完后，再处理其它队列
FSCAN 算法
- N-Step-Scan 算法的简化，相当于 2-Step-Scan 算法
- 一个队列作为正在处理的队列，另一个为等待处理的请求队列