操作系统

第五章 I/O管理

author:slightwjq
2023年1月2日

5.1 I/O管理概述

I/O接口位于CPU与设备之间，主要有三部分组成。

• 设备控制器与CPU接口：该接口有三类信号线：数据线、地址线和控制线。
• 设备控制器与设备的接口：一个控制器可以连接一个或多个设备。
• I/O逻辑：用于实现对设备的控制。通过一组控制线与CPU交互，对从CPU收到的I/O命令进行译码。

I/O端口是指设备寄存器中可以被CPU直接访问的寄存器。主要包括：数据寄存器、状态寄存器、控制寄存器。

I/O控制方式

程序直接控制方式：计算机从外部设备读取的每个字，CPU需要对外设状态进行循环检查，直到确定该字已经在I/O控制器的数据寄存器中。

中断驱动方式：允许I/O设备主动打断CPU的运行并请求服务，从而解放CPU，使得其向I/O控制器发送读命令后可以继续做其他有用的工作。在每个指令周期的末尾，CPU检测中断，每次传送一个字。

DMA方式：基本思想是在I/O设备和内存之间开辟直接的数据通路，解放CPU。数据交换的基本单位是数据块，数据是从设备直接送入内存，仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时才需要CPU干预。

4.2 设备独立性软件

缓冲区：引入缓冲区的目的是缓和CPU与I/O设备之间速度不匹配、减少对CPU的中断频率、解决数据粒度不匹配问题、提高CPU与I/O的并行性。
缓冲技术可分为：单缓冲、双缓冲、循环缓冲。

设备分配与回收

设备分配是指根据用户的I/O请求分配所需的设备。根据设备特性分为独占设备、共享设备、虚拟设备。

SPOOLing技术（假脱机技术）：空间换时间，利用专门的外围控制机，将低速I/O设备上的数据传送到高速磁盘上，或者相反。

4.3 磁盘和固态硬盘

磁盘Disk是物理盘片，磁盘盘面上的数据在一组同心圆中，称为磁道。磁道又划分成几百个扇区，每个扇区固定存储大小，一个扇区称为一个盘块。所以密度从最外道向里道增加，磁盘的存储性能受限于最内道的最大记录密度。
磁盘地址用柱面号·盘面号·扇区号表示。

磁盘的管理

在磁盘可以存储数据之前，必须将其划分成扇区，这个过程称为低级格式化（物理格式化）。
在可以使用磁盘存储文件之前，操作系统还要将自己的数据结构记录到磁盘上，第一步是分区，第二步是逻辑格式化（创建文件系统）。

计算机启动时需要运行一个初始化程序，称为自举程序。通常存放在ROM，通常只在ROM中保留很小的自举装入程序，而将完整功能的引导程序保存在磁盘的启动块上。

磁盘调度算法

先来先服务算法FIFO。
最短寻找时间优先算法SSTF：选择距离最近的，会发生饥饿现象。
扫描算法SCAN：在磁头当前移动方向上选择最近的下一次请求，又称电梯调度算法。
循环扫描算法C-SCAN：规定在Scan算法的基础上单向提供服务。

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