第五章：输入输出系统

一、I/O管理概述

1. I/O设备

（1）设备分类

（2）I/O接口

（组成：设备控制器与CPU的接口+设备控制器与设备的接口+I/O逻辑）

（3）I/O端口

• 概念：是指设备控制器中可被CPU直接访问的寄存器（数据、状态、控制寄存器）
• 编址方式：独立编制、统一编址

2. I/O控制方式

（1）程序直接控制方式、中断驱动方式、DMA方式（计组详细介绍）

（2）通道控制方式

• 通道：I/O通道是专门负责输入/输出的处理机，是DMA方式的发展
• 执行过程：CPU发送通道程序首地址和I/O设备–>通道执行通道指令–>传输结束向CPU发送中断请求
• 通道指令类型单一，通道程序存放在主机的内存中（通道与CPU共享内存）
• 通道与DMA
  • 一个DMA控制一台设备与内存的数据交换；一个通道可以控制多台设备与内存的数据交换
  • DMA方式需要CPU控制传输的数据块大小、 传输的内存位置； 通道方式中这些信息都是由通道控制

1. DMA（直接内存访问）：

• DMA允许外部设备（如磁盘控制器、网卡等）在不经过CPU干预的情况下直接读写内存。当CPU启动一个DMA传输后，DMA控制器接管数据传输过程，根据预设的地址、传输方向和字节数进行数据交换。
• 在DMA方式下，虽然CPU不必参与每个数据字节的传输，但仍需要初始化DMA传输参数，如设置源地址、目的地址及传输长度等，并在传输完成后接收到中断通知。
• 每个设备通常需要自己的DMA控制器来管理其与内存之间的数据传输。

1. 通道（Channels）：

• 通道是比DMA更高级别的I/O技术，常见于大型计算机系统中，它实际上是一个能够执行有限指令集的微型处理器，专门负责输入输出操作。
• 通道可以独立于CPU运行简单的程序（称为通道程序），这些程序能够管理和控制多个I/O设备的数据传输任务。
• 当CPU向通道发送一条I/O指令后，通道就能够自主完成一组相关的读写操作，包括设备寻址、数据缓冲区管理以及完成后的状态报告等，显著减少了CPU的介入次数。
• 一个通道可以连接并同时服务多个外设，实现真正的并行I/O操作，极大地提高了系统的并发处理能力。

3. I/O软件层次结构

（1）用户层I/O软件

• 实现与用户交互的接口， 用户可直接调用在用户层提供的、 与I/O操作有关的库函数

（2）设备独立性软件

• 对用户提供统一接口，如read\write命令
• 对设备的分配回收、逻辑设备名和物理设备名的映射、缓冲管理、差错控制、速率差异…
• 把系统调用参数翻译成设备操作命令

（3）设备驱动程序

• 与硬件直接相关，负责具体实现操作系统对设备发出的操作命令
• 把抽象I/O请求变为具体要求，如把read\write命令变为设备能识别的命令
• 再例如将磁盘块号转换为磁盘的盘面、 磁道号及扇区号（2013）

（4）中断处理程序

• 进行进程上下文的切换，对处理中断信号源进行测试，读取设备状态和修改进程状态
• 是首先获得键盘输入信息的程序（2010）

4. 应用程序I/O接口

（1）字符设备接口、块设备接口、网络设备接口

（2）I/O接口模式

二、设备独立性软件

1. 高速缓存与缓冲区

（1）磁盘高速缓存

• 目的：减少磁盘I/O次数（2015）
• 利用内存的存储空间来暂存从磁盘中读出的一系列盘块的信息
• 磁盘高速缓存逻辑上属于磁盘，物理上则是驻留在内存中的盘块

（2）缓冲区

引入缓冲区的原因

• 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

（3）分类

① 单缓冲区与双缓冲区

② 环形缓冲区

• 多个大小相等的缓冲区首尾相连构成一个环形
• in指针指向可以输入数据的第一个空缓冲区
• out指针指向可以提取数据的第一个满缓冲区

③ 缓冲池

• 了解即可

2. 设备分配与回收

（1）考虑因素

• 固有属性

• 安全性
  • 安全分配：进程获得I/O后便进入阻塞状态
  • 不安全分配：发出I/O请求后继续运行

（2）分配方式

• 静态分配
  • 作业开始前一次性分配完设备，不会死锁
• 动态分配
  • 边运行边分配，可能死锁

（3）设备独立性

• 概念：应用程序独立于具体使用的物理设备
• I/O重定向：更换用于I/O操作的设备时不必更改应用程序（2020）
• 外部设备是一种特殊的文件，可以用文件名访问物理设备（2020）
• 为实现设备独立性，须在驱动程序上设置一层软件，称为设备独立性软件
• 程序员和应用程序使用逻辑设备名来请求某类设备（2009、2020）
• 系统实际执行时必须将逻辑设备名转为物理设备名（2020）
• 逻辑设备表LUT（逻辑设备名，物理设备名，驱动程序入口地址）用于实现逻辑设备名和物理设备名的转换

（4）设备分配中的数据结构

• 设备控制表DCT（表述设备属性，如标识符、状态等）
• 控制器控制表COCT
• 通道控制表CHCT
• 系统设备表SDT（系统只有一张，包括设备类、设备标识符、DCT等）
• 逻辑设备表LUT（逻辑设备名，物理设备名，驱动程序入口地址）
• 分配的流程，从资源多的到资源紧张的:LUT->SDT->DCT->COCT->CHCT

（5）分配步骤

• 根据用户请求的I/O设备的逻辑名，查找逻辑设备和物理设备的映射表
• 以物理设备为索引，查找SDT，找到该设备所连接的DCT
• 根据DCT找到COCT再找到CHCT
• 在有通道的系统中，一个进程只有获得了通道，控制器和所需设备三者之后，才具备了进行I/O操作的物理条件

3. 假脱机系统（SPOOLing）

（1）主要组成：

（2）特点

• 提高了I/O的速度和设备利用率
• 将独占设备改造为共享设备，以空间换时间
• 实际分给用户进程的不是打印设备，而是共享输出井中的磁盘上的一片存储区域
• 外设输入数据首先放在磁盘输入井中
• 由操作系统控制设备与输入/输出井之间的数据传送（2016）
• 在输入进程的控制下，＂输入缓冲区“用于暂存从输入设备输入的数据，之后再转存到输入井中
• 在输出进程的控制下，＂输出缓冲区“用于暂存从输出井送来的数据，之后再传到到输出设备上

（3）支持条件

• 大容量高速度的外存、spooling相关软件、独占设备、多道程序设计技术（2016）

三、磁盘和固态硬盘

1. 磁盘结构

（1）图示

（2）重要概念

• 扇区：通常固定为512B，也称为盘块，是磁盘最小的物理存储单元
• 簇：由于扇区众多难以寻址，通常把2^n个扇区合并形成簇，一个簇中只能存放一个文件的内容（2017）

（3）地址结构

• 柱面号，盘面号，扇区号
• 假设每个磁道m个扇区，每个柱面n个盘面，每个盘面q个磁道。第x个盘块地址为
• 柱面号=x/mn；盘面号=（x%mn）/m；扇区号=x/m

2. 磁盘的管理

（1）磁盘初始化

• 物理格式化
  • 将磁盘各个磁道划分为扇区，一个扇区通常包含三部分
  • 
  • 格式化后磁盘空间会减少，用来存储前导码、ECC校验码以及间隙
• 对磁盘分区
  • 为什么要分区：方便管理、数据安全
• 逻辑格式化
  • 建立文件系统
  • 建立引导块、根目录、空闲块管理、空文件系统（2017）
  • 为什么要逻辑格式化：操作系统无法识别系统上磁盘分区的格式

（2）坏块

• 坏块标明
  • 在FAT中指明，坏块对操作系统不透明
• 扇区备用
  • 使用时用其它扇区替换，坏块对操作系统透明

3. 磁盘调度算法

（1）读写时间

• 组成
  • 寻找（寻道）时间、（旋转）延迟时间、传输时间
• 减少延迟方法
  • 交替编号：让编号相邻的扇区在物理上不相邻
  • 错位命名：让相邻盘面的扇区编号错位

（2）调度算法

4. 提高磁盘I/O速度途径

• 磁盘高速缓存：在内存中为磁盘盘块设置一个缓冲区，在缓冲区中保存了某些盘块的副本
• 提前读：在读当前块时也把下一个盘块数据读入缓冲区（2012）
• 延迟写：缓冲区的数据不立即写回磁盘，因为可能会在不久后被访问（2012）
• 重排I/O请求次序（2012）
• 优化文件物理块分布（2012）
• 虚拟盘：利用内存空间去仿真磁盘
• 廉价磁盘冗余阵列
  • 方法：把数据分别存储到不同磁盘的相同位置，各个磁盘数据并行传输
  • 优点：速度提高n-1倍；牺牲1/n的容量为代价

5. 固态硬盘

（1）图示

基于闪存技术

（2）特性

• 数据以页为单位读写，只有在一页所属的块被整个擦除后才能写这一页

（3）磨损均衡

• 动态磨损均衡
  • 写入数据时， 自动选择较新的闪存块。 老的闪存块先歇一歇
• 静态磨损均衡
  • 没有数据写入时自动进行数据分配，让老闪存块承担无需写任务的存储任务，平时读写操作在新闪存块中进行
• 静态磨损均衡比动态磨损均衡的性能更好