-输入输出系统

Posted 2023-02-22 吹灭读书灯 一身都是月

第六章 输入输出系统

6.1 I/O系统的功能、模型和接口

I/O系统管理的主要对象： I/O设备，设备控制器。

I/O系统的主要任务： 完成用户提出的I/O请求； 提高I/O速率； 提高设备的利用率；为更高层的进程方便地使用这些设备提供手段;

6.1.1 I/O系统的基本功能

1. 隐藏物理设备的细节：隐藏盘面号，扇区号，提供抽象write\\read
2. 设备无关型：抽象设备逻辑名，IO命令
3. 提高处理机和I/O设备的利用率
4. 确保对设备的正确共享

6.1.2 I/O系统的层次结构和模型

• 用户层软件

  与用户交互的接口，用户可直接调用该层的库函数对设备进场操作

• 设备独立性软件

  用于实现用户程序与设备驱动器的统一接口，设备命名，设备保护以及设备分配和释放

• 设备驱动程序

  与硬件相关，用于具体实现系统对设备发出的操作指令。

• 中断处理程序

  保存被中断进场的CPU环境，转入相应的中断处理程序进行处理，处理完恢复现场

I/O请求生存周期

6.2 I/O设备和设备控制器

I/O系统是适用于实现数据输入、输出及数据存储的系统。在 I/O系统中除了需要直接用于I/O和存储信息的设备外，还需要有 相应的设备控制器和高速总线。在有的大、中型计算机系统中， 还配置了I/O通道和I/O处理机。

6.2.1 I/O设备

1. I/O设备的类型

• 按设备的使用特性分类：
  • 存储设备：用于存储信息的主要设备。
  • 输入/输出设备：可分为输入设备、输出设备和交互式设备
• 设备按传输速率分类：
  • 低速设备：传输速率仅为每秒钟几个字节至数百个字节的 一类设备。
  • 中速设备：传输速率为每秒钟数千个字节至数万个字节的 一类设备。
  • 高速设备：传输速率为每秒钟数百个千字节至数十兆字节 的一类设备。
• 设备按信息交换的单位分类：
  • 块设备：用于存储信息。对于信息的存取总是以数据块为单 位。典型例子是磁盘。该类设备基本特征是传输速率较高， 另一特征是可寻址。工作方式常采用DMA方式。
  • 字符设备：用于数据的输入和输出。基本单位是字符。如交 互式终端、打印机等。其基本特征是传输速率较低，另一特 征是不可寻址。工作方式常采用中断方式。
• 设备按其共享属性分类：
  • 独占设备：指在一段时间内只允许一个用户（进程）访问的 设备，即临界资源。应互斥的访问独占设备。
  • 共享设备：指在一段时间内允许多个进程同时访问的设备。 而某一时刻仍然是一个进程访问。如磁盘。
  • 虚拟设备：指通过虚拟技术将一台独占设备变换为若干台逻 辑设备，供若干个用户（进程）同时使用。

2. 设备与控制器之间的接口

通常设备并不是直接与CPU进行通信，而是与设备控制器通信，在设备 与设备控制器之间有一接口，有三种类型的信号，各对应一条信号线。

6.2.2 设备控制器

1. 基本功能
   • 把CPU从控制设备的事务中解脱出来
   • 数据交换：CPU和控制器、控制器和设备之间
   • 地址识别
   • 数据缓冲
   • 差错控制
   • 识别和报告设备的状态

6.2.4 I/O通道

1. I/O通道设备的引入

   • 使数据的传送、I/O操作的组织、管理、结束处理独立于CPU
   • 是专属输入/输出的特殊的处理机

   他负责控制设备与内存直接进行数据交换

2. 通道类型

   • 字节多路通道-低速设备（通过分时系统传输）
   • 数组选择通道——高速设备（一段时间只能执行一道通道程序，块交换设备，利用率低）
   • 数组多路通道——结合前两者优点，分时+块为单位

3. 瓶颈问题：通道价格昂贵，树且少

   解决：增加设备与主机之间的通路：一个设备连接多个控制器，一个控制器连多个设备（多通路I/O系统）

6.3 中断机构和中断处理程序

6.3.1 中断简介

1. 中断和陷入

   • 中断：CPU对I/O设备发来的中断信号的一种响应

     暂停正在执行的程序，执行该I/O的中断处理程序

     若由外部设备引起，称为外中断——异步

     可以使用中断控制器、可被屏蔽

   • 陷入：（异常、内中断）由CPU内部引起中断，如非法指令、地址越界等；

     不适用中断控制器，也不能被屏蔽

2. 中断向量和中断优先级

3. 对多中断源的处理

6.3.2 中断处理程序

6.4 设备驱动程序

6.5 与设备无关的I/O软件

6.6 用户层的I/O软件

用户层软件通过一组系统调用来取得操作系统服务

6.6.2 假脱机系统

多道技术将一台物理CPU虚拟为多台逻辑CPU

SPOOLing技术将一台物理I/O设备虚拟为多台逻辑I/O设备

1. 通过进程模拟外围机实现I/O过程

2. 组成

   1）输入井（收容用户程序的输出数据）在磁盘开辟，收容I/O设备输入的数据

   2）输入和输出缓冲区：在内存开辟

3. 输入进程SP_i和输出进程SP₀

4. 井管理程序

   由井管理程序控制从输入井中读信息或将信息输出到输出井

3. 特点
   • 提高I/O速度
   • 将独占设备改为共享设备，没有实际分配设备，只是在输入/输出井为进程分配一个存储区和建立一个I/O请求表
   • 实现虚拟设备功能

6.7 缓冲管理

凡是数据到达率与数据离去率不同的地方都可以设置缓冲区

缓冲区是以空间来换时间

分为：

1. 单缓冲区和双缓冲区
2. 环形缓冲区
3. 缓冲池

6.8 磁盘存储器的性能和调度

如何改善磁盘系统的性能？

1. 选择好的磁盘调度算法，减少磁盘寻道时间
2. 提高磁盘的I/O速度，提高文件的访问速度
3. 采取冗余技术，提高磁盘的可靠性

6.8.1 磁盘性能的组织和格式

磁盘设备可包括一个或多个物理盘片，每个磁盘片分一个或两个存储面(Surface，每个盘面上有若干个磁道(Track) 。为使处理简单起见，在每条磁道上可存储相同数目的二进制位。读取或写入时，磁头必须被定位在期望的磁道，并从所期望的柱面和扇区的开始。

1. 数据的组织和格式

2. 磁盘的类型

   固定头磁盘：每条磁道一个读/写头，可并行

   移动头磁盘：每个盘面仅有一个，移动以寻道，只能串行

3. 磁盘访问时间

   寻道时间： 定位到期望的磁道所花费的时间

   旋转延迟： 从零扇区开始处到达目的地花费的时间

   平均旋转延迟时间：：磁盘旋转一周时间的一半

   磁盘I/O传输时间： $T_a=T_s+\frac{1}{2r}+\frac{b}{rN}$

   其中 $T_a$ 表示寻道时间，$\frac{1}{2r}$与磁盘转速有关， $\frac{b}{rN}$表示旋转延时， 表示传输时间，b表示单次传输的字节数，N表示一个磁道的字节数，r表示磁盘转速。寻道时间和传输时间只能通过硬件层面进行优化，但是我们可以通过优化磁盘访问请求顺序来缩短寻道时间，从而提高磁盘访问性能。

6.8.2 磁盘调度

1.先进先出(FIFO)算法

原理： 按顺序处理请求，公平对待所有进程，在有很多进程的情况下，接近随机调度的性能。

2. 最短服务时间优先(SSTF)

原理： 选择从磁臂当前位置需要移动最少的I/O请求，总是选择最短寻道时间。

3. 扫描(SCAN)算法

先由内向外，再由外向内，这样就避免了饥饿现象

SSTF算法的实质是基于优先级的调度算法，因此就可能导致优先级低的进程发生“饥饿”(Starvation)现象。因为只要不断有新进程的请求到达，且其所要访问的磁道与磁头当前所在磁道的距离较近，这种新进程的I/O请求必然优先满足。在对SSTF算法略加修改后，则可防止低优先级进程出现“饥饿”现象。

原理：
磁臂在一个方向上移动，访问所有未完成的请求，直到磁臂到达该方向上最后的磁道后调换方向，也称为电梯算法(elevator algorithm)

4. 循环扫描(C-SCAN)算法

规定磁头单向读/写运动，完成后立即返回最小/大磁道号，再进行扫描。

SCAN算法既能获得较好的寻道性能，又能防止“饥饿”现象，故被广泛用于大、中、小型机器和网络中的磁盘调度。但也存在这样的问题：当磁头刚从里向外移动而越过了某一磁道时，恰好又有一进程请求访问此磁道，这时，该进程必须等待，待磁头继续从里向外，然后再从外向里扫描完处于外面的所有要访问的磁道后，才处理该进程的请求，致使该进程的请求被大大地推迟。

C-SCAN 原理： 限制了仅在一个方向上扫描当最后一个磁道也被访问过了后，磁臂返回到磁盘的另外一端再次进行

5. N步扫描(N-step-SCAN)算法 & 双队列扫描(FSCAN)算法

好的寻道性能，又能防止“饥饿”现象，故被广泛用于大、中、小型机器和网络中的磁盘调度。但也存在这样的问题：当磁头刚从里向外移动而越过了某一磁道时，恰好又有一进程请求访问此磁道，这时，该进程必须等待，待磁头继续从里向外，然后再从外向里扫描完处于外面的所有要访问的磁道后，才处理该进程的请求，致使该进程的请求被大大地推迟。

C-SCAN 原理： 限制了仅在一个方向上扫描当最后一个磁道也被访问过了后，磁臂返回到磁盘的另外一端再次进行

5. N步扫描(N-step-SCAN)算法 & 双队列扫描(FSCAN)算法