学习操作系统（6）——IO

一： IO设备的基本概念

1. 定义：

计算机系统与外界交互的工具，负责输入输出的工作

2. 接口类型

（1）按数据组织分类

字符设备：键盘、鼠标、串口
- 以字节为单位
- 顺序访问
- 访问命令：通常使用文件访问接口和语义get()、put()
块设备：磁盘
- 以块为单位
- 均匀访问
- 访问命令
  - 使用原始IO接口
  - 使用文件系统接口
  - 把内存映射到文件访问

（2）按功能分类

输入设备
输出设备
存储设备
供电设备
网络设备

（3）按资源分配分类

独占设备：一段时间内只允许一个进程访问（打印机、鼠标、键盘）
共享设备：一段时间内可以被同时访问，可寻址、可随机访问（磁盘）
虚拟设备：通过虚拟技术将独占设备变换为共享的逻辑设备（假脱机技术Spooling）

（4）按数据传输率分类

高速设备：磁盘机、磁带机
中速设备：打印机
低速设备：鼠标、键盘

二：IO管理系统

1. 功能

提高设备的利用率，为用户提供方便、统一的界面。
在多个进程竞争使用设备时，分配和管理各种设备，控制设备的操作，完成数据交换。

2. 物理结构

（1）设备控制器（设备）

提供CPU与设备的总线接口
提供硬件控制器
向CPU提供特殊指令和寄存器：进行数据和状态的交互
提供IO地址（一段内存区域）：对内存的访问就是对IO的访问

（2）总线适配器（总线）

将IO地址或IO端口映射给CPU

IO端口：CPU通过IO指令控制IO设备，CPU通过out、in指令对设备进行读写
IO地址：把内存的寄存器或存储队列映射到内存的物理地址空间，直接访问内存，也就是访问IO设备，CPU通过load、store指令对设备进行读写

（3）中断控制器

设备产生中断后，汇总传输给CPU

（4）DMA控制器

连接设备控制器和内存

3. IO管理软件

分层：低层与硬件相关，相互独立；高层与应用相关，提供统一的接口

用户进程：调用、格式化IO，Spooling
设备无关软件：命名、保护、缓冲、分配IO
设备驱动程序：检查IO状态
中断处理程序：唤醒上一层
硬件：执行IO具体操作

4. IO管理技术

（1）通道技术——数据传输独立于CPU

过程：

CPU向通道发出IO命令
通道从主存取出对应的通道程序并执行
通道程序完成，通道向CPU发出中断信号

（2）DMA技术——IO直接与主存传输数据块

设备控制器直接访问系统总线，与内存传输数据

设备驱动发出传输命令
硬件设备完成操作后，初始化DMA传送
将数据传输到DMA控制器
DMA控制器将数据传输到内存中
DMA控制器完成后再产生中断

（3）缓冲技术——避免CPU与IO设备的速度不匹配

硬件缓冲：利用寄存器作为缓冲
软件缓冲：通过操作系统管理缓冲

过程

输入时间T1：数据从IO设备传入缓冲区
传输时间T2：数据从缓冲区传入处理器CPU
处理时间T3：数据在CPU处理
对数据的总处理时间T_max：近似为Max(T1,T3)
- T1>T3：此时CPU需要等待IO设备，IO设备连续输入无需等待
- T1<T3：此时IO设备需要等待CPU处理，CPU无需等待

单缓冲：

数据被传送时，缓冲区被占用，需要等待；数据被处理时，缓冲区空闲，可以继续传送。因此需要关注T1或T3和T2
第1-(N-1)块数据的处理时间为 T_max+T2
最后一块数据被处理后已经无需传送数据了
第N块数据的处理时间为T_max+T2+T1

双缓冲

数据被传送时，一个缓冲区被占用，一个缓冲区空闲，不需要等待。因此只需要关注T1或T3，忽略了传送时间
第1-(N-1)块数据的处理时间为 T_max
最后一块数据被处理后已经无需传送数据了
第N块数据的处理时间为T_max+T2+T1

（4）Spooling技术——虚拟设备技术

组成

预输入程序
缓输出程序
井管理程序
输入井
输出井

作业表

每个作业拥有一张预输入表记录作业的各个文件的情况
Spooling的作业表用来记录作业的作业名和状态和预输入表的信息

提交状态：预输入作业
后备状态：作业等待执行
执行状态：作业正在执行
完成状态：作业等待缓输出

过程

输入设备发出输入请求
Spooling的预输入程序将作业输入到磁盘的输入井中，填写作业表
操作系统进行作业调度，运行作业
需要作业的数据，Spooling的井管理程序将输入井的作业数据调入内存
作业发出输出请求，把数据输出到磁盘的输出井中
Spooling的缓输出程序将输出井的数据输出到输出设备

三：IO设备的交互

1. IO通知操作系统的机制

（1）轮询

操作系统定期检查IO设备的状态控制器

特点：

简单
IO操作频繁时，开销大，延时长

（2）设备中断

IO设备完成处理时产生中断请求

特点：

有利于处理不可预测时间
开销较大

2. IO传输数据的方式

（1）阻塞IO（轮询）

过程

用户发出IO请求，进入内核态
IO管理系统判定用户的IO请求是否已经有缓存，有的话直接返回结果
没有缓存，代替用户向设备驱动发出IO请求，等待结果
设备驱动处理请求并转换为控制命令
硬件设备完成操作后，产生中断
中断处理例程处理中断，保存结果，通知设备驱动
设备驱动把结果返回给IO管理系统
返回给用户

特点

读数据：发出请求后进程进入等待状态，直到设备完成数据传输后读出
写数据：发出请求后进程进入等待状态，直到设备完成写入处理

（2）非阻塞IO（设备中断）

过程

用户发出IO请求，进入内核态
IO管理系统判定用户的IO请求是否已经有缓存，有的话直接返回结果
没有缓存，代替用户向设备驱动发出IO请求，等待结果
设备驱动处理请求并转换为控制命令
硬件完成操作，通知设备驱动
设备驱动把结果返回给IO管理系统
返回给用户

特点

进程发出请求后，立即从系统调用返回，返回值为成功传输的字节数,
结果可能不一致

（3）异步IO

过程

用户发出IO请求，进入内核态
IO管理系统判定用户的IO请求是否已经有缓存，有的话直接返回结果
没有缓存，代替用户向设备驱动发出IO请求，等待结果
设备驱动处理请求并转换为控制命令
硬件设备开始操作，并且通知设备驱动
设备驱动返回给IO管理系统，回到用户态
硬件设备完成操作后，产生中断
中断处理例程处理中断，保存结果，通知设备驱动
设备驱动把结果返回给IO管理系统，返回给用户

特点

读数据：使用指针标记用户缓冲区，立即从系统调用返回，稍后内核进行数据处理后，自己填充缓冲区并通知用户
写数据：使用指针标记用户缓冲区，立即从系统调用返回，稍后内核对缓冲区的数据进行处理后，通知用户

四：磁盘

1. 磁盘的概念

磁盘：是由盘片组成的
- 盘片：一个盘片上下两面都是可读写的，有两个磁头
  - 磁道：一圈圈灰色同心圆为一条条磁道
  - 扇区：从圆心向外画直线，可以将磁道划分为若干个弧段，每个磁道上一个弧段被称之为一个扇区（磁盘的最小组成单元，通常是512字节）
柱面：磁盘旋转后，每组磁道形成一个柱面
分区：一个分区是一个柱面的集合，每个分区都是逻辑上独立的磁盘（磁盘通过分区最大限度减少寻道时间）

磁盘存储容量＝磁头数 × 磁道(柱面)数 × 每道扇区数 × 每扇区字节数

2. 多磁盘管理——冗余磁盘阵列RAID

（1）定义

使用多个便宜的磁盘并行读取提高吞吐量，通过冗余块的方式提高可靠性和可用性

（2）硬件基础

分区：磁盘的一种适合操作系统指定格式的划分，不同分区可以由不同的文件系统组成
卷：拥有一个文件系统的可访问的存储空间，通常常驻在磁盘的单个分区上

（3）实现

软件（操作系统）：在文件系统和磁盘驱动之间，使用RAID层（存储卷管理）
硬件：RAID硬件控制器（虚拟硬盘）

（4）方案

RAID-0——磁盘存储不同的数据

提高吞吐量：数据块均匀被分成多个子快，存储在独立的磁盘，磁盘并行读取

RAID-1——磁盘存储相同的数据

提高可靠性：同时向多个磁盘写入同一块数据，从任意一个磁盘读取数据。

RAID-4——配备一个奇偶校验块

吞吐量：数据块均匀被分成多个子快，存储在独立的磁盘，磁盘并行读取
可靠性：在向磁盘写入数据时，同时向特殊盘写入纠错码。如果有一个盘坏了，从特殊盘恢复数据

RAID-5——每个条带块有一个奇偶校验块

吞吐量：数据块均匀被分成多个子快，存储在独立的磁盘，磁盘并行读取
可靠性：在向磁盘写入数据时，同时向各个磁盘写入纠错码。如果有一个盘坏了可以恢复数据

RAID-6——两个冗余块

允许两个磁盘发送错误

3. 磁盘的调度——平均寻道时间最少

磁盘访问数据的开销

寻道时间：磁头前后移动，定位磁道
旋转延迟：从扇区开始到目的地（默认为平均旋转延迟周长 / (半径*2)）
数据传输：传输的比特 / （磁盘的总比特 * 磁盘转数）

1. 移臂调度——确定柱面（移动于多个上下间隔的磁道）

（1）先来先服务

按IO请求顺序处理请求

特点：

简单
公平对待所有进程
具有随机性
磁臂粘着

（2）最短寻道时间优先

选择从磁臂当前位置需要移动最少的IO请求

特点：

开销较小
会产生饥饿现象，无法保证平均寻道时间最少
磁臂粘着

（3）扫描法（电梯算法）

磁盘在一个方向上移动，满足所有未完成的请求。直到磁臂到达该方向的最后磁道，再向反方向移动。

特点：

限制了方向
磁臂粘着

改进：

c-scan：当磁臂到达该方向最后一个磁道后，磁臂返回到磁盘的另外一端重新扫描，磁头只在一个方向移动
c-look：当磁臂达到该方向最后一个请求处后，立即反转

（4）N-STEP-SCAN算法

将磁盘请求队列分为若干子队列，磁盘调度将按FCFS算法依次处理子队列。
在处理子队列时使用SCAN算法
在处理过程中出现新的请求时，将该请求放入其他队列，避免粘着

公平性
高效性

（5）FSCAN算法：

N-STEP-SCAN算法的简化版，只是两个队列。

当前所有IO请求的进程组成队列，进行SCAN算法处理。
出现新的请求时，加入到等待处理队列

2. 旋转调度——确定具体磁道（切换磁头）和扇区（旋转）

如果多个请求访问的是同一磁道上的不同扇区编号，或者是不同磁道上的不同扇区编号：先到达磁头的扇区先进行传输
如果多个请求访问的是不同磁道上的同一扇区编号：在磁头下任意选择一个扇区进行传输

3. 数据在磁盘的排列方式

选择时间T1：磁头旋转一周的时间
传输时间T2：磁头读取扇区并传输数据的时间（T1/扇区个数）
处理时间T3：CPU处理数据的时间

未优化：

第一个扇区无需等待，直接传输数据。
处理总时间T=0
CPU处理数据时，磁头会继续旋转，等待CPU处理完毕后，磁头到达其他位置，需要等待一周。
第2-(N-1)个扇区处理总时间T=T1+T2
最后一个扇区之后，已经没有数据需要读取了
第N个扇区处理总时间T=(T1+T2)+T2+T3

优化：磁头旋转之后，磁头刚好到达下一个位置。也就是说i+1位于第i+T3/T2个位置。此时每个扇区处理总时间都是一样的T=T2+T3