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5.输入输出（I/O）管理

Posted by fzy on January 27, 2024

输入输出（I/O）管理

5.1 I/O管理概述

I/O设备

设备分类

按照信息交换的单位分：

  • 块设备：以数据块作为信息交换的单位，属于有结构型设备。传输速率高、可寻址、随机读写。
  • 字符设备：以字节为单位，无结构，速率低，不可寻址，常采用中断I/O方式。传输速率低、不可寻址、不支持随机读写。

按照传输速率分

  • 低速设备：键盘、鼠标
  • 中速设备：打印机
  • 高速设备：磁盘

IO接口

IO接口就是**设备控制器**，位于CPU和设备之间。与cpu和设备通信。

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  • 设备控制器与CPU的接口：包含数据线，地址线和控制线。数据寄存器，状态寄存器，控制寄存器（三线三端口）
  • 设备控制器和设备的接口：多个设备接口，每个接口都存在数据、控制和状态三种信号。
  • IO逻辑：用于实现对设备的控制。对CPU发送的命令和地址。

设备控制器的主要功能：

  • 接受识别CPU发来的命令（控制寄存器）
  • 数据交换（数据寄存器）
  • 标识和报告设备状态（状态寄存器）
  • 地址识别、数据缓冲、差错控制（地址线、数据线、控制线）

IO端口

指的是设备控制器中可以被CPU直接访问的**寄存器**。

  • 数据寄存器：数据缓冲
  • 状态寄存器：获取执行结果和设备的状态信息
  • 控制寄存器：由CPU写入

为了实现CPU和IO端口的通信，有两种编制方式：；

  • 独立编址：每一个端口分配一个端口号，组成端口空间，操作系统使用特殊的I/O指令才可以访问端口空间
  • 统一编制：每个端口映射唯一的内存地址。在地址空间的顶端
  • 混合编址：数据缓冲区放在内存、独立的io地址空间

IO控制方式

设备管理的主要任务：在CPU、内存和控制设备之间传输数据

程序直接控制方式

不采用中断机制，CPU绝大部分时间在等待IO设备完成数据IO的循环测试，I/O无法向CPU报告IO的结束。CPU和IO只能串行工作。

中断驱动方式

允许IO设备主动打断CPU的运行并请求服务，CPU向控制器发送命令后可以做其他工作。

从IO控制器的角度，IO从CPU接收命令，外部设备和数据寄存器数据交换，结束后，通过控制线发送中断信号，等待CPU进一步操作。

从CPU的角度，CPU发出命令，保存当前进程A上下文，转去其他进程B，每个指令周期末都要检查中断，发现有IO控制器的中断，保存B的上下文，恢复A的上下文，继续运行。

中断驱动方式弥补了CPU和外部设备的速度差异。

但是数据的每个字的传输都必须经过CPU，仍然会消耗很多CPU时间。

精确中断：机器停留在明确状态的中断

不精确中断

DMA方式

在**IO设备和内存**之间直接开辟**数据交换**通路，让数据不用经过CPU寄存器，直接读到内存。CPU只在传输一个或者多个数据块的开始和结束的时候才要干活（发生中断）。基本单位是数据块。

DMA寄存器：命令/状态寄存器、内存地址寄存器、数据寄存器、数据计数器

中断方式传输每个数据要中断CPU，DMA传输一批数据结束才中断CPU

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通道控制方式

DMA方式的拓展，进一步减少CPU干预。

IO软件层次结构

每层利用下层提供的服务，屏蔽功能的实现细节，向上层提供服务。只要层次间接口不变，代码修改不会引起上下层代码变更。

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  1. 用户层IO软件：实现和用户交互的接口，在操作系统内部或用户层的库函数，用户可以直接调用

  2. 设备独立性软件：实现用户程序和设备驱动器的统一接口，执行所有设备的公有操作

    将系统调用参数转化为设备操作命令

  3. 设备驱动程序：与硬件直接相关，实现系统的操作指令，IO进程与设备控制器之间的通信程序，以进程的形式存在，封装设备的具体差别，向上提供标准接口。每类设备对应一个设备驱动程序。

  4. 中断处理程序：用于保存被中断的CPU环境，转入中断处理程序进行处理，恢复现场

设备独立性：让程序独立于具体使用的物理设备。为此引入了逻辑设备和物理设备的概念。在应用中用逻辑设备名请求某类设备，在实际执行的时候将逻辑设备名转换为物理设备名。

逻辑设备名的好处：增加设备分配的灵活性，易于实现IO重定向

5.2 设备独立性软件

磁盘高速缓冲：磁盘缓冲技术指的是利用**内存中的存储空间**来暂存从磁盘中读取的一系列盘块中的信息。磁盘高速缓存从**逻辑上属于硬盘**，**物理上则是驻留在内存**中的盘块。有两种实现形式：一种是在内存中开辟一个单独的空间作为高速缓存，另一种是利用未被利用的空间作为缓冲池。

缓冲区：引入缓冲区主要为了：

  • 缓和CPU和IO设备之间速度不匹配的问题。
  • 减少对CPU的中断频率。
  • 提高CPU和IO设备之间的并行性。

缓冲技术分为：

  • 单缓冲：写入写出等待
  • 双缓冲：装满才装另一个
  • 循环缓冲：缓冲区成环

这里应该不用详细了解具体的缓冲技术，只要知道缓冲技术大概是干什么的就可以了。

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设备的分配和回收

有三种设备的使用方式:

  • 独占式使用设备
  • 分时共享使用设备：分时共享使用
  • 以SPOOLING方式使用外部设备：虚拟设备的功能，对设备IO批处理

设备分配的数据结构：（初步认为不是很重要）

  • 设备控制表（DCT）：一个设备控制表就表征一个设备。控制表中的表项就是设备的各个属性
  • 控制器控制表（COCT）：表征设备控制器的属性
  • 系统设备表（SDT）：表征连接到系统的所有物理设备情况
  • 通道控制表（CHCT)：表征一个通道

设备分配的策略：要充分发挥设备的效率，又要避免死锁。

分为静态分配和动态分配两种：静态分配就是作业在开始执行的时候就一次性申请全部资源，动态分配就是边运行边申请资源。（结合死锁部分理解）

从逻辑设备名到物理设备名的映射：在系统中设置一个逻辑设备表，将逻辑设备名映射为物理设备名。

SPOOLING技术（假脱机技术）

为了缓和CPU和IO设备之间的速度差异，引入脱机输入输出技术。这是一项将独占设备改造成共享设备的技术。

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简单来说，就是在磁盘上开辟一个空间，称为输入井和输出井，这俩就好玩了，输出井在CPU面前假扮IO设备，让CPU以为它已经将数据给了IO，CPU这个时候觉得哎呦不错哦，很快哦。实际上这个输出井只是默默接受CPU的输出，然后慢慢将其搞到IO上面。

输入井就是在IO面前扮演CPU，输入井就一直收IO的信息，收集到一定程度之后才给CPU。

使用高速磁盘，将独占设备改造为共享设备

输入井和输出井：输入井收容输入，输出井收容输出，输入输出文件各链接成输入输出队列

输入缓冲区和输出缓冲区：内存中，输入缓冲区暂存输入设备数据，输出缓冲区暂存输出井数据

输入进程和输出进程：模拟外围控制机，CPU输出数据经过内存送到输出井，CPU需要输入数据，输入井数据读入内存

脱机系统的特点：提高了io速度，将低速io转化为高速磁盘的数据存取；独占设备改为共享设备；设备虚拟化，每个进程认为自己独占了设备，其实是将文件挂在磁盘缓冲区队列上

5.3 磁盘

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需要注意的是：磁盘的额存储能力受限于最内道的最大记录密度

磁盘地址： \(柱面号·盘面号·扇区号\) 扇区是最小的可寻址单位。

磁盘的管理

初始化：将磁盘划分为扇区进行数据结构的填充，低级格式化（物理格式化）。一个扇区的数据结构通常包括头部，数据区域和尾部。

分区：

  • 将磁盘划分为一个或者多个柱面组成的分区，每个分区的起始扇区和大小都记录在磁盘主引导记录中。
  • （逻辑格式化）为每一个分区创建文件系统。

引导块：引导块的作用就是帮助系统运行，将必要的文件系统等信息载入内存。

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这一部分的内容其实就是文件管理中的内容，因为磁盘本身就是文件系统的载体。

坏块：磁盘还会损坏并产生坏块。备用块逻辑地替代，扇区备份

具有坏扇区的磁道：备用扇区替换、移动所有扇区回避坏扇区

磁盘调度算法

一次读写操作时间分为三个部分：寻道时间，旋转延时，传输时间

  • 寻道时间$T_s$。就是磁头移动到指定磁道所需要的时间。主要和跨越的磁道数有关，当然还包括启动磁臂的时间。
\[T_s = m * n +s\]

其中m是速度常数，启动时间s为常数

  • 旋转延时$T_r$
\[T_r = \frac{1}{2r}\]

r为磁盘旋转速度。

  • 传输时间$T_t$
\[T_t = \frac{b}{rN}\]

r为磁盘每秒的转数，N为一个磁道上面的字节数，b表示需要传输的字节数。

FCFS先来先服务

公平，接近随机调度

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SSTF最短寻找时间优先

寻找需要与当前磁头位置距离最近的磁道的请求去执行。并不能保证总的平均寻找时间最小，但是会提供比FCFS较好的性能。会产生“饥饿”。

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SCAN电梯调度

寻找当前移动方向上最近的磁道的请求来执行。对扫描过的部分不公平

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磁头走到头之后折返，并不是当前方向没有了就掉头

循环扫描

电梯算法是折返换一个方向找，这个算法是每一次沿着单一方向走到头之后从0开始，保持方向不变然后再扫描。

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也就是说这两个扫描算法都是严格从一端到另一端。

Look调度和CLook调度

改进了扫描算法，不用走到头了。

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要注意区分这里的CLook和页面调度算法的CLOCK算法。俩个真的是不同的，名字都不一样。

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CLOCK定时器

维护日时间的三种方式：64位计数器、32位计数器和辅助计数器、32位对滴答计数器

CPU和设备控制器的寄存器、缓冲区通行：端口和内存地址空间的映射

内存映射IO的优点：代码用C语言不用汇编、不需要特殊的保护机制隔离用户进程、内存指令直接控制设备寄存器、映射页面禁止高速缓存

精确中断和非精确中断：

相比于中断，DMA的优势在于：打印字符没打印一个缓冲区才中断一次

IO软件的目标：

  • 设备独立性：程序可以访问任意设备，不需要提前知道设备
  • 统一命名：设备统一命名为字符串或者整数，不依赖于特定的设备
  • 错误处理：经可能在硬件上进行错误处理
  • 同步和异步：中断驱动
  • 缓冲：放在缓冲区
  • 共享设备和独占设备：脱机打印技术

设备无关IO软件：为设备提供统一接口、缓冲、差错控制、提供设备无关的块大小、分配和释放设备

缓冲是一种缓解速度差异的技术，太多缓冲会降低性能

设备独立性、、缓冲、共享和独占、统一命名、错误控制、同步异步

IO软件层次：

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RAID廉价磁盘冗余阵列

数据分布在全部驱动器上，可以并行操作

柱面斜进：在一次寻道时间内，磁盘旋转的扇区数量成为柱面斜进量

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