提桶跑路笔记

408操作系统—5.输入输出(IO)管理

I/O 管理概述

I/O 设备

I/O 设备分类

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I/O 接口（设备控制器）

CPU 与设备之间的接口

  • 主要功能

    • 接受和识别 CPU 发来的命令
    • 数据交换（设备和控制器的数据交换 + 控制器和主存数据交换）
    • 标识和报告设备的状态
    • 地址识别；数据缓冲；差错控制
    • 设备控制器不属于操作系统范畴，它是属于硬件

  • 组成

    1. 设备控制器 & CPU

      • 数据线

        传输读写数据、控制信息、状态信息

      • 地址线

        传送要访问 I/O 接口中的寄存器编号

      • 控制线

        发出读写控制信号

      CPU 通过控制线发出命令，通过地址线指明要操作的设备，通过数据线来输入输出数据

    2. 设备控制器 & 设备

      一对多，每个接口都可以传输数据、控制和状态三种类型信号，用于实现控制器和设备之间通信

    3. I/O 逻辑

      • 负责接受和识别 CPU 的命令
      • 根据命令对相应设备发送命令
      • 实现设备控制功能

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I/O 接口类型

  1. 按数据传输方式

    • 并行接口：一个字节或一个字的所有位同时传送
    • 串行接口：一位一位传送

  2. 按主机控制设备的方式

    • 程序查询接⼝
    • 中断接⼝
    • DMA接⼝

  3. 按功能选择的灵活性

    • 可编程接⼝
    • 不可编程接⼝

I/O 端口及其编址

指设备控制器中可被 CPU 直接访问的​寄存器

  1. 分类

    • 数据寄存器

      CPU 向 I/O 设备写入需要传输的数据

    • 状态寄存器

      告知 CPU 正在工作或已完成

      正在工作时，CPU 发送命令无效

      工作完成，状态标记已完成
      CPU 才能发送下一个字符和命令

    • 控制寄存器

      由 cpu 写入以改变设备运行模式或启动命令

  2. 编址

    1. 独立编址

      每个端口分配一个端口号

      端口地址空间和主存地址空间之间独立

      操作系统使用专门I/O指令才能访问端口

      • 优点

        专用指令程序清晰

        硬件实现简单，只需要少量地址线，寻址速度快

      • 缺点

        指令少，程序灵活性差

        两组读写系统增加控制复杂性

    2. 统一编址

      又称内存映射 I/O，主存地址提供一部分用于访问 I/O 端口

      • 优点

        无需专用指令，访存指令即可，程序简单

        端口拥有较大编址空间，访存保护由虚拟存储管理系统实现

      • 缺点

        主存可用容量变小

        硬件实现复杂，全部地址线参与译码

I/O 控制方式

控制设备和主机之间的数据传送

发展宗旨：减少 CPU 对 I/O 控制的干预

程序直接控制方式

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  1. 独占查询

    设备启动，CPU就一直持续查询接口状态，100%的时间用于I/O操作

    此时外设和CPU完全串行工作

  2. 定时查询

    CPU周期性地查询接口状态，总等到条件满足才进行一个数据的传送
    传送完成后返回到用户程序

    时间间隔与设备的数据传输速率有关

实现简单，但 CPU 大部分时间都在等待完成，利用率低

CPU 未采用中断机构，I/O 设备无法报告已完成，CPU 只能主动询问

中断驱动方式

允许 I/O 设备发出中断请求，在允许响应的情况下，CPU暂时中止任务并向设备控制器发出一条 I/O 指令后继续其他工作

CPU 和设备并行工作，CPU 效率提升

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设备和内存交换数据必须经过 CPU 寄存器，效率低

此方式以字节为单位交换数据，对于块设备效率极低

DMA 方式（直接存储器存取）

在 I/O 设备和内存之间开辟直接数据交换通路，完全由硬件组成

  • 特性

    1. 基本传送单位为数据块
    2. 数据不再经过 CPU
    3. 只有开始传送和传送结束时需要 CPU 干预
    4. 适用于高速设备大批量数据传送
    5. 中断仅作用于传输中断以及传输成功的处理

  • DMA控制器功能

    1. 接收外设发出的DMA请求，并向CPU发出总线请求
    2. CPU响应此总线请求，发出总线响应信号，接管总线控制权，进⼊DMA操作周期
    3. 确定传送数据的主存单元地址及⻓度，并⾃动修改主存地址计数和传送⻓度计数
    4. 规定数据在主存和外设间的传送⽅向，发出读写等控制信号，执⾏数据传送操作
    5. 向CPU报告DMA操作结束

  • DMA控制器组成

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    1. 主存地址计数器

      存放要交换数据的主存地址

      传送前记录起始地址，开始传送后每次增加上条地址长度

    2. 传送⻓度计数器

      记录传送数据的总⻓度

      传送前记录总字数，每传送一个字-1直到0

    3. 数据缓冲寄存器

      暂存每次传送的数据

      与主存交换取决字长，与设备交换单位各有可能

    4. DMA请求触发器

      每当I/O设备准备好数据后，给出⼀个控制信号，使DMA请求触发器置位

    5. “控制/状态”逻辑

      由控制和时序电路及状态标志组成

      ⽤于指定传送⽅向，修改传送参数，并对DMA请求信号、CPU响应信号进⾏协调和同步

    6. 中断机构

      当⼀个数据块传送完毕后触发中断机构，向CPU提出中断请求

  • DMA传送方式

    当I/O设备和CPU同时访问主存时，可能发⽣冲突

    1. 停止CPU访存

    2. 周期挪用

      I/O访存优先级⾼于CPU访存，因为I/O不⽴即访存就可能会丢失数据，此时由I/O设备挪⽤⼏个存取周期

      CPU已在访存，等待本次结束后再挪用

      同时请求访存，优先I/O

    3. 交替访存

      适⽤于CPU⼯作周期⽐主存存取周期⻓的情况

  • 工作流程

    1. 预处理

      由CPU完成⼀些必要的准备⼯作

    2. 数据传送

      以单字节（或字）为基本单位
      以数据块为基本单位（此时通过循环实现）

    3. 后处理

      DMAC向CPU发出中断请求，CPU执⾏中断服务程序做DMA结束处理

      • 校验送⼊主存的数据是否正确
      • 测试传送过程中是否出错（错误则转诊断程序）
      • 决定是否继续使⽤DMA传送其他数据等

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通道控制方式

I/O 通道是一种特殊的处理机，执行通道指令

  • 特性

    1. CPU、通道、I/O 设备并行工作，资源利用率高
    2. 实现复杂，需要专门 I/O 通道处理器
    3. 一个通道可以控制多台设备与内存数据交换

  • 工作流程

    1. CPU 向通道发出 I/O 指令，指明通道程序在内存位置和要访问的设备
    2. 通道程序执行，完成 I/O 任务后，发出中断请求

  • 通道与一般处理机区别

    指令单一，没有内存，与 CPU 共享内存

  • 通道与 DMA 区别

    通道传输的数据块大小和传输的内存位置由通道控制

    通道可以同时控制多台设备与内存的数据交换

方式比较

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I/O 软件层次结构

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  1. 用户层软件

    实现用户交互接口，必须通过系统调用获取服务

    如发送 read 命令

  2. 设备独立性软件

    • 设备独立性

      也称设备无关性

      应用所用设备不局限于具体物理设备，从而引入逻辑设备和物理设备概念

      应用程序使用逻辑设备名进行请求，系统将逻辑设备名映射为物理设备名

      增加设备分配灵活性，易于实现 I/O 重定向

    • 软件功能

      1. 执行所有设备的公有操作

        设备分配回收、设备名映射、设备保护、缓冲管理、提供大小统一逻辑块、屏蔽设备交换单位和速率差异

      2. 向用户层提供统一接口指令

        文件系统管理（如文件的创建、删除、读写等操作）

  3. 设备驱动程序

    • 提供与具体设备相关的 I/O 操作接口
    • 直接与硬件设备交互，处理设备特定的命令和状态，解析上层命令为指令
    • 实现设备初始化、配置和中断处理等功能

  4. 中断处理程序

    • 处理来自硬件设备的中断信号
    • 在中断发生时，保存当前的 CPU 状态，执行相应的中断服务例程
    • 通知设备驱动程序已完成相应的 I/O 操作

  5. 硬件

各层次处理过程

  1. 用户需要读取设备内容，通过操作系统提供的 read 命令接口，经过用户层
  2. 此时使用的通用接口，是每个设备都可以响应的统一命令，经过设备独立层进行解析，然后交往下层
  3. 不同设备对 read 命令的行为有所不同。需要针对不同的设备，设备驱动层将 read 命令解析成不同的指令
  4. 命令解析完毕后，需要中断正在运行的进程，转而执行 read 命令，这就需要中断处理程序
  5. 命令真正抵达硬件设备，硬件设备的控制器按照上层传达的命令操控硬件设备，完成相应的功能

应用程序 I/O 接口

I/O 接口分类

  1. 字符设备接口

    • 用于访问字符设备，如键盘、鼠标、串口设备等
    • 数据按字符流的方式进行读写操作，设立字符缓冲区读写字符
    • 通常不支持随机访问，只能顺序读写，传输速率低
    • 输入输出通常采用中断驱动
    • 属于独占设备，提供打开、关闭操作实现互斥共享

  2. 块设备接口

    • 用于访问块设备，如硬盘、光驱等
    • 数据以固定大小的块进行读写操作
    • 支持随机访问，可以直接读取或写入特定的块，速度高，可寻址
    • 将上层传来的逻辑抽象命令转化为设备能识别的低层具体操作
    • 磁盘设备 I/O 常用 DMA方式

  3. 网络设备接口

    • 用于网络通信，支持数据包的发送和接收
    • 提供连接管理、数据传输、错误处理等功能
    • 支持多种网络协议，如 TCP、UDP 等
    • 网络套接字接口如 socket

阻塞和非阻塞 I/O

  • 阻塞 I/O

    • 工作原理

      1. 应用程序调用 I/O 函数（如 read、recv）
      2. 如果数据不可用，调用会阻塞，应用程序进入等待状态
      3. 一旦数据可用，I/O 操作完成，函数返回，应用程序继续执行

    • 优点

      • 编程简单，逻辑清晰
      • 适用于不需要高并发处理的场景

    • 缺点

      • 当等待 I/O 操作完成时，CPU 资源会被浪费
      • 不适用于高并发场景，可能导致性能瓶颈

  • 非阻塞 I/O

    • 工作原理

      1. 应用程序调用非阻塞 I/O 函数（如 read、recv）并立即返回
      2. 如果数据不可用，函数返回一个错误或特殊值，表示数据未准备好
      3. 应用程序可以使用轮询或事件通知机制来检查数据是否可用

    • 优点

      • 可以提高系统的并发处理能力和 CPU 利用率
      • 适用于需要高并发处理的场景，如网络服务器、实时系统等

    • 缺点

      • 编程复杂度较高，需要处理数据不可用的情况
      • 可能需要使用轮询或事件通知机制，增加了编程难度，轮询将占用 CPU 时间

设备独立性软件

设备独立性软件

高速缓存与缓冲区

磁盘高速缓存（Disk Cache）

用于提高磁盘I/O速度，利用内存空间暂存磁盘中盘块信息

逻辑上属于磁盘，物理上属于内存

  1. 内存单独使用固定大小空间作为缓存区
  2. 未利用的全部内存作为缓冲池

缓冲区（Buffer）

  • 引入目的

    1. 缓和CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾
    2. 减少对CPU的中断频率，放宽对CPU中断响应时间的限制
    3. 解决基本数据单元大小（数据粒度）不匹配的问题
    4. 提高CPU和I/O设备之间的并行性

  • 实现方法

    1. 硬件缓冲器，成本高非必要不采用
    2. 内存缓冲区

缓冲技术分类

  • T时间：磁盘——>缓冲区
  • M时间：缓冲区——>用户
  • C时间：CPU处理一块数据的时间
单缓冲

通常为一个块

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T、C可以并行进行

缓冲区为共享资源，互斥，要么输入要么读取，因此缓冲区冲满才能从缓冲区读取，即M时间结束后才能进行下一个T时间

  1. T > C

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  2. T < C

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处理一块数据的时间为​$\max(C,T)+M$

双缓冲

先输入缓冲1，再输入缓冲2，CPU处理完1之后若2满接着处理2

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此时CMT并行

  • T > C+M

    即 传输时间和处理时间 快于 输入时间

    以至于处理完一个块时下一个还没好，即下图M+C时刻

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  • T < C+M

    当2T < 2M+C时，传输M和处理C不间断，即图示

    T时刻下一块准备好了，M+C时刻才处理完本块

    即处理完一个块时，下一个块已经等着处理了

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因此，平均时间为$\max(C+M,T)$

T和M+C速度基本匹配时效果最佳

循环缓冲

多个大小相同缓冲区组成循环缓冲区，橙色满绿色空

需要存入缓冲区，向in指针指向的冲入，移动in到下一个空缓冲区

需要取出缓冲区，从out指针指向的读取，移动out到下一个满缓冲区

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缓冲池

数据结构和操作函数组成的管理机制，用于管理多个缓冲区，多个进程共享使用

  • 缓冲区按使用状况分为

    1. 空缓冲队列：空缓冲区链接
    2. 输入队列：装满输入数据缓冲区链接
    3. 输出队列：装满输出数据缓冲区链接

  • 缓冲池按功能分为

    1. 收容输入数据（hin）
    2. 提取输入数据（sin）
    3. 收容输出数据（hout）
    4. 提取输出数据（sout）

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高速缓存与缓冲区对比

高速缓存 缓冲区
相同点 都介于高速设备和低速设备之间
区别 存放数据 低速设备上某些数据的复制数据

即高速缓存上有的，低速设备上面必然有
 低速设备传递给高速设备的数据（或相反）

不一定有备份
目的 存放高速设备经常访问的数据

若数据不在高速缓存中，则高速设备就需要从低速设备取得数据
 高速设备和低速设备的通信都要经过缓冲区

高速设备永远不会直接去访问低速设备

设备分配与回收

根据用户的I/O请求分配所需设备，原则上要充分发挥设备，尽可能忙碌，避免死锁

设备分配的数据结构

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  1. 设备控制表（DCT）

    一个设备对应一个DCT，表项为设备属性

    1. 设备类型
    2. 设备标识符：物理设备名
    3. 设备状态：忙/闲，空闲即“设备回收”
    4. 指向控制器表的指针
    5. 重复执行次数/时间：达到该限制则I/O不成功
    6. 设备队列的队首指针：指向等待该设备的进程队列队首

  2. 控制器控制表（COCT）

    一个设备控制器对应一张COCT，OS根据COCT信息管理控制器

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  3. 通道控制表（CHCT）

    一个通道为多个控制器服务

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  4. 系统设备表（SDT）

    整个系统只有一张SDT，记录已连接到系统的所有物理设备情况

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设备分配时应考虑的因素

  1. 设备的固有属性

    1. 独占设备

      分配给某进程后，直到进程完成或主动释放

    2. 共享设备

      可以同时分配给多进程，需要合理调度访问先后

    3. 虚拟设备

      可共享设备，可以同时分配给多个进程

  2. 设备分配算法

    1. FCFS算法，先请求先使用，后请求排队使用
    2. 最高优先级优先算法，高优先级进程优先，相同按FCFS

  3. 设备分配安全性

    1. 安全分配方式

      进程发出I/O请求就阻塞，直到请求完成唤醒

      即一个时间段一个进程只能使用一个设备

      此时CPU和I/O设备串行工作，利用率低

    2. 不安全分配方式

      仅当请求设备被另一进程占用才阻塞，一个进程可同时操作多设备，但可能死锁

设备分配的步骤

  1. 分配设备

    1. 由I/O请求中的物理设备名查找SDT，得到DCT
    2. 由DCT读出设备状态，忙则进程进入设备等待队列，不忙则按策略分配

  2. 分配控制器

    1. 设备分配后由DCT得到COCT，查询控制器状态
    2. 忙则进程进入控制器等待队列，不忙则按策略分配

  3. 分配通道

    1. 控制器分配后由COCT得到CHCT，查询通道状态
    2. 忙则进程进入通道等待队列，不忙则按策略分配

设备、控制器、通道均分配成功，设备分配才成功

以上方法使用物理设备名分配，不具有设备独立性，若改用逻辑设备名，将从SDT中找到该类设备的DCT，找到一个空闲设备即分配，若均忙，才挂到该类设备等待队列，只要一个可用便开始分配

逻辑设备名到物理设备名的映射

逻辑设备表（Logical Unit Table, LUT） ，将逻辑设备名映射为物理设备名

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  1. 整个系统LUT

    适用于单用户系统，逻辑设备名用户不能相同

  2. 每个用户LUT

    不同用户可以使用相同逻辑设备名

优点：

  1. 方便用户编程
  2. 程序运行不熟具体机器环境限制
  3. 便于程序移植

SPOOLing技术（假脱机技术）

可以将独占设备改造为共享设备

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  1. 输入缓冲区和输出缓冲区

    内存中的两个区域

    输入区用于暂存输入设备输入的数据，待时机传送到输入井

    输出区攒出输出井传出的数据，待时机传送到输出设备

  2. 输入井和输出井

    磁盘上的两个存储区域

    输入井保存输入缓冲区传来的I/O数据

    输出井保存准备要输出的数据

    输入输出数据都会被保存为文件，这些文件被链接为两个队列

  3. 输入进程和输出进程

    输入进程控制输入数据进入输入缓冲区再进入输入井

    输出进程控制输出数据进入输出缓冲区，待设备空闲再发送到输出设备

  4. 井管理程序

    控制作业和磁盘井之间信息交换

例子：打印机为独占设备，进程发出打印请求，系统在输出井中分配一缓冲区（相当于逻辑打印机），请求暂存于缓存区中，使得进程认为独占了打印机。打印机速度慢，CPU发送打印请求后必须等待完成才能继续其他，而使用SPOOLing则只需要快速将打印数据保存到磁盘中，待输出进程调度即可，CPU就不需要再等待了

  • SPOOLing特点

    1. 提高I/O速度

      低速设备执行与CPU的I/O操作变为从缓冲区中存取，缓和CPU和设备速度不匹配问题

    2. 独占设备改造为共享设备

      例如打印机

    3. 实现虚拟设备功能

      每个进程都认为自己独占了设备

    4. 提高独占设备利用率

    5. 以空间换时间

设备驱动程序接口

  • 功能

    1. 接收上层软件命令和参数，将抽象要求转化为对设备的具体要求
    2. 检查用户I/O请求的合法性，了解设备工作状态，传递设备操作有关参数，设置设备工作方式
    3. 发出I/O命令，空闲立刻完成，忙挂到设备等待队列
    4. 及时响应设备控制器中断请求并调用中断处理程序处理

  • 特点

    1. 请求转换并传送后，将设备控制器记录的设备状态和操作完成情况反馈给进程
    2. 驱动程序与设备I/O控制方式紧密相关，常用中断驱动方式和DMA方式
    3. 设备驱动程序与硬件紧密相关
    4. 设备驱动程序允许同时多次调用执行

磁盘和固态硬盘

磁盘（Disk）

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  • 磁盘

    1. 磁盘

      磁盘表面覆盖磁性物质，用以记录二进制数据

    2. 磁头

      导体线圈，读取磁盘数据，读写期间磁头不动，磁盘高速旋转

    3. 磁道

      磁盘表面划分的一组同心圆，磁道宽带和磁头一致，一个盘面有上千磁道

    4. 扇区

      一个磁道划分几百扇区，扇区存储大小固定，1个扇区就是一个盘块

      原始磁盘中，扇区圆心角在各个磁道中固定，因此最内侧磁道划分的扇区密度决定了磁盘存储容量

      现代磁盘中不再如此设计，磁道由内向外被分成多个区域，每个区域内的磁道有相同数量的扇区，但不同区域的磁道扇区数量不同。外圈的磁道有更多的扇区，从而提高了磁盘的总体容量

    5. 柱面

      所有盘面相对位置相同的磁道组成柱面

  • 磁盘驱动器

    由磁头臂、转轴和数据输入输出电子设备组成

  • 磁盘分类

    多个盘面垂直堆叠组成磁盘组，每个盘面对应一个磁头

    1. 活动头磁盘：磁头可移动，磁头臂来回伸缩定位磁道
    2. 固定头磁盘：磁头相对于盘片径向方向固定
    3. 固定盘磁盘：盘片永久固定
    4. 可换盘磁盘：盘片可以移动和替换

  • 磁盘的物理地址

    使用“柱面号·盘面号·扇区号”来定位任意一个磁盘块

    • 由物理地址读取

      1. 根据柱面号移动磁头臂，磁头指向指定柱面
      2. 激活指定盘面的刺头
      3. 磁盘旋转时，指定扇区会从磁头下扫过，即完成读写

磁盘的管理

格式化过程

  1. 低级格式化（物理格式化）

    磁盘存储数据前需要划分扇区，即低级格式化（物理格式化）

    扇区由头部、数据区域、尾部组成。头尾包含磁盘控制器的使用信息

    大多数磁盘工厂生产时已完成低级格式化

  2. 分区

    将磁盘分区（C盘D盘），每个分区由一个/多个柱面组成

    分区起始扇区和大小记录在主引导记录分区表

  3. 物理分区逻辑格式化（高级格式化）

    将初始文件系统数据（空闲空间、已分配空间、空目录）存储到磁盘中

    建立根目录、对保存空闲磁盘块信息的数据结构初始化

引导块

计算机启动时运行初始化程序（自举程序），程序存放在ROM（BIOS）中

自举程序将引导块读入内存，并加载引导程序（Boot Loader）

引导块的主要作用是在计算机启动时加载并执行引导加载程序（Boot Loader），然后由引导加载程序进一步加载操作系统的核心部分（Kernel）

坏块

磁盘容易导致一个或多个扇区损坏，称为坏块

处理坏块实际上就是使用机制使得操作系统不使用坏块

在低级格式化的时候，工厂可能会保留隐藏一些备用块，出现坏块时控制器采用备用块逻辑替换，称为扇区备用

磁盘调度算法

磁盘存取时间

一次磁盘读写时间由寻道时间、旋转延迟时间和传输时间决定

  1. 寻道时间Ts

    磁头移动到目的磁道所需时间

    跨越n条磁道时间，磁头臂启动时间s

    $T_s=m\times n+s$

    m为磁盘相关常数

  2. 旋转延迟时间Tr

    通过旋转磁盘，磁头定位到读写扇区所需时间

    磁盘一分钟圈数RPM

    $T_{\mathrm{r}}=\frac{60}{RPM}·\frac12$

  3. 传输时间Tt

    磁盘读写数据所需时间

    每次读写字节数b，磁盘一分钟圈数RPM，一个磁道字节数N

    $T_{\mathrm{r}}=\frac{60}{RPM}·\frac bN$

  4. 总平均存取时间Ta

    $T_a=T_s+T_R+T_t$

    其中寻道时间占多，磁盘调度的主要目标是减少寻道时间

磁盘调度算法

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  • 其他减少延迟时间的方法

    磁头读入一个扇区后，需要经过处理才能继续读入下一个扇区

    因此如果一个进程的两个连续逻辑块，在磁盘中如果物理块相邻，在处理时第二物理块已经错过，则延迟时间将很大

    因此在盘面扇区中采用交替编号

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    不同盘面块连续读入时，在切换盘面也需要处理时间

    因此对不同盘面采用错位命名

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  • 提高磁盘I/O速度的方法

    1. 采用磁盘高速缓存

    2. 调整磁盘请求顺序

      磁盘调度算法

    3. 提前读

      读当前块时，下一块也读入内存缓冲区

    4. 延迟写

    5. 优化物理块分布

      将同一个文件盘块安排在一个磁道或相邻磁道减少寻道时间，或按簇对文件进行分配

      簇：一组扇区

    6. 虚拟盘

      内存空间模拟磁盘

    7. 采用磁盘阵列RAID

固态硬盘

固态硬盘特性

固态硬盘（Solid State Disk, SSD） ，由多个闪存芯片和闪存翻译层构成

闪存芯片——机械驱动器

闪存翻译层——磁盘控制器

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  • 闪存——块——页结构，数据以页为单位读写
  • 擦除按块进行，擦除后块中的页可以再写一次
  • 块重复擦写后，会出现磨损，无法再使用
  • 随机写较慢，若写操作修改页含有内容，需要将整个块移动到空闲块

均衡磨损

部分闪存损坏，整个SSD损坏，磨损不均衡会大幅缩短固态寿命

  1. 动态磨损均衡

    写入时自动选择新块

  2. 静态磨损均衡

    自动监测并进行数据分配，使得老块无需写数据，新块进行读写操作

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