计算机操作系统（伍）

本文章是关于计算机操作系统的学习笔记，笔记主要来自王道的操作系统课程，总共有五个章节：

• 第一章：计算机操作系统（壹）
• 第二章：计算机操作系统（贰）
• 第三章：计算机操作系统（叁）
• 第四章：计算机操作系统（肆）
• 第五章：计算机操作系统（伍）

一、IO设备的概念和分类

1、什么是I/O设备

将数据输入/输出，计算机外部设备

2、按使用特性分类

• 人机交互的外部设备

• 存储设备

• 网络通信设备

3、按传输速率分类

• 低俗设备

• 中速设备

• 高速设备

4、按信息交换的单位分类

• 块设备（传输快，可寻址）

• 字符设备（传输慢、不可寻址，常采用中断驱动方式）

二、I/O控制器

1、概念

I/O设备分为机械部件和电子部件：

• 机械部件：鼠标、键盘等，主要用来执行具体的I/O操作

• 电子部件：通常是一块插入主板扩充槽的印刷电路板

CPU无法直接控制I/O设备机械部件，因此需要一个电子部件作为“中介”，实现CPU对设备的控制，而这个电子部件就是I/O控制器，又称设备控制器

2、功能

（1）接受和识别CPU发出的命令

I/O控制器有相应的控制寄存器存放命令和参数

（2）向CPU报告设备的状态

I/O控制器有相应的状态寄存器记录I/O设备当前状态

（3）数据交换

I/O控制器有相应的数据寄存器，暂存CPU发来的数据

（4）地址识别

I/O控制器通过CPU提供的“地址”判断CPU读/写的是哪个寄存器

3、组成

4、两种寄存器编址方式

• 内存映射IO：控制器中的寄存器与内存统一编址，可采用对内存进行操作的指令对控制器进行操作

• 寄存器独立编制：控制器的寄存器独立编址，需要设置专门的指令操作控制器

三、I/O控制方式

I/O控制方式分为4种，需要注意的问题：

• 完成一次读写操作的流程
• CPU干预频率：干预频繁
• 数据传送的单位
• 数据流向
• 优缺点

1、程序直接控制方式

• 完成一次读/写操作的流程：轮询

• CPU干预频繁

• 传输单位：每次读写一个字

• 数据流向：

  • 读：I/O设备->CPU->内存

  • 写：内存->CPU->I/O设备

• 优点：实现简单

• 缺点：会使CPU忙等

2、中断驱动方式

与第一种方式不同的是，等待I/O设备时，会先中断等待I/O的进程，CPU可以干别的事情。等设备准备好了发出中断信号，CPU就会恢复该I/O进程执行。而不是轮询检查等待。

• 完成一次读/写操作的流程：中断

• CPU干预频率：每次I/O操作开始前、完成后需要CPU介入，而CPU等待过程中可以做其它事

• 传输单位：每次读写一个字

• 数据流向：

  • 读：I/O设备->CPU->内存

  • 写：内存->CPU->I/O设备

• 优点：CPU不必轮询检查，CPU与I/O设备可并行工作，CPU利用率提升

• 缺点：频繁的中断处理会消耗较多CPU时间

3、DMA方式：直接存储器存取

相比中断驱动方式，DMA方式改进如下：① 数据传送单位是“块”；② 数据流向从设备直接放入内存，或者反过来，而不需要经过CPU； ③ CPU干预频率降低。

每次读写时，CPU给DMA模块（I/O模块）发出命令，之后CPU可以做其他事情，等DMA完成CPU的命令时（完成一个或多个数据块读写），才发出中断信号，而不是每次传输时都发出中断信号。

• 完成一次读/写操作的流程：见上面描述
• CPU干预频率：仅在传输一个或多个数据块开始和结束时，需要CPU干预
• 数据单位：一个或多个块（必须是连续的多个块，如果是离散的需要CPU发出多条指令）
• 数据流向：

  • 读：I/O设备->内存

  • 写：内存->I/O设备

• 优点：传输以“块”为单位，CPU介入频率进一步降低，数据传输效率和CPU与I/O设备的并行性提升
• 缺点：CPU每发出一条I/O指令，只能读/写一个或多个连续的数据块（离散数据的需要多次中断）

• DR：数据寄存器，暂存从设备到内存，从内存到设备的数据

• MAR：内存地址寄存器，存放了数据应该放到内存中的什么位置

• DC：数据计数器，表示剩余读写的字节数

• CR：命令/状态寄存器，存放CPU发来的I/O命令或设备的状态信息

4、通道控制方式

算是DMA的改进，CPU发送I/O命令给通道，指明通道程序在内存中的位置，操作哪个I/O设备，然后让通道处理IO操作就行了，CPU可以干其他事。等处理完了，向CPU发送中断信号。

通道：一种硬件，可理解为“弱鸡版CPU”，通道可以识别并执行一系列通道指令

通道程序：任务清单，就是通道指令的集合

• 完成一次读/写操作的流程：见上面描述
• CPU干预频率：频率极低，只有完成一组数据块的读/写后才需要发出中断信号请求CPU干预。
• 数据单位：一组数据块
• 数据流向：（在通道控制下进行）

  • 读：I/O设备->内存

  • 写：内存->I/O设备

• 优点：CPU、通道、I/O设备可并行工作，资源利用率高
• 缺点：实现复杂，需要专门的通道硬件支持

四、I/O软件层次结构

1、用户层软件

实现与用户交互的接口，向上提供方便易用的库函数

2、设备独立性软件（设备无关性软件）

• 向上层提供统一的调用接口（read/write）

• 设备的保护

• 差错处理：对设备的错误进行处理

• 设备的分配与回收

• 数据缓冲区管理：通过缓冲技术屏蔽设备间数据交换的单位大小和传输速度差异

• 建立逻辑设备名到物理设备名的映射关系（逻辑设备表）

• 根据设备类型选择调用相应的驱动程序

3、设备驱动程序（比如打印机驱动）

负责对硬件设备的具体控制，将上层发出的一系列命令转换为特定设备能听懂的一系列操作，如设置设备寄存器、检查设备状态等

4、中断处理程序

I/O任务完成时，I/O控制器会发送一个中断信号，CPU会进行中断处理（之前章节讲过）

5、硬件

用于执行IO操作，由机械部件、电子部件组成

五、输入输出应用程序接口 & 设备驱动程序接口

输入输出应用程序接口：

• 字符设备接口

• 块设备接口

• 网络设备接口

• 概念：

  • 阻塞IO：应用程序发出I/O系统调用，进程需转为阻塞态等待
  • 非阻塞IO：应用程序发出I/O系统调用，系统调用可迅速返回，进程无需阻塞等待

设备驱动程序接口：

不同操作系统，对设备驱动程序接口的标准各不相同，操作系统规定好设备驱动程序的接口标准，各厂商必须按照要求开发设备驱动程序。

六、I/O核心子系统

I/O软件层次结构中，设备独立性软件、设备驱动程序、中断处理程序三者属于操作系统的内核部分，即“I/O系统”，又称 “I/O核心子系统”。

重点理解和掌握：

• 用户层软件：假脱机技术（SPOOLing技术）
• 设备独立性软件：I/O调度、设备保护、设备分配与回收、缓冲区管理（缓冲与高速缓存）

七、假脱机技术

1、什么是脱机技术

脱机技术：脱离主机的控制进行输入/输出操作

2、假脱机技术的实现原理

• 输入井和输出井——模拟脱机输入/输出的磁带
• 输入进程和输出进程——模拟脱机输入/输出的外围控制机
• 输入缓冲区和输出缓冲区——内存中的缓冲区，输入、输出的”中转站“

3、共享打印机的原理分析

独占式设备：只允许各个进程串行使用的设备。

共享设备：允许多个进程“同时”使用的设备

打印机是独占式设备，但是可以通过SPOOLing技术改造成“共享设备”，原理直白点说就是每个进程请求打印时，会将打印任务添加进队列中，然后依次打印，但是用户进程感觉自己像是独占打印机。

八、设备的分配与回收

1、设备分配时应考虑的因素

• 设备的固有属性：独占设备、共享设备、虚拟设备

• 设备分配算法：先来先服务、优先级高优先、短任务优先

• 设备分配中的安全性：

  • 安全分配方式：为进程分配一个设备后就将进程阻塞，本次IO完成后才将进程唤醒
  • 不安全分配方式：进程发出IO请求后，系统为其分配IO设备，进程可继续执行，并且之后可以发出新的IO请求，只有某个IO请求得不到满足时才将进程阻塞(可能会死锁)

2、静态分配与动态分配

• 静态分配：进程运行前为其分配全部所需资源、运行结束后归还资源（破环“请求和保持”条件，不会发生死锁）

• 动态分配：进程运行中动态申请设备资源

3、设备分配管理中的数据结构

一个系统可能有多个通道，一个通道可以有多个控制器，一个控制器可以有多个设备，就是树型数据结构。

系统设备表SDT：记录系统中全部设备的情况，每个设备对应一个表目：（设备类型、设备标识符、DCT、驱动程序入口）

设备控制表DCT（设备类型、设备标识符、设备状态、指向控制器表的指针、重复执行次数或事件、设备队列的队首指针）

控制器控制表COCT（控制器标识符、控制器状态、指向通道表的指针设备队列的队首指针、控制器队列的队尾指针）

通道控制表CHCT（通道标识符、通道状态、与通道连接的控制器表首址、通道队列的队首指针、通道队列的队尾指针）

4、设备分配的步骤

根据进程请求的物理设备名 -> 设备控制表 -> 控制器控制表 -> 通道

5、设备分配步骤的改进

之前方式的缺点：

用户编程时必须用“物理设备名”，若换了一个物理设备，则程序无法运行。若进程请求的物理设备正在忙碌，则即使系统中还有同类型的设备，进程也必须阻塞等待。

改进：用户编程时使用逻辑设备名申请设备，建立逻辑设备名到物理设备名的映射（LUT表）

九、缓冲区管理

1、什么是缓冲区？

缓冲区是一个存储区域，可以由专门硬件寄存器组成，也可利用内存作为缓冲区。

2、缓冲区作用

• 缓和CPU与IO设备之间速度不匹配的矛盾

• 减少对CPU的中断频率

• 解决数据粒度不匹配的问题

• 提高CPU与IO设备之间的并行性

3、单缓冲

概念：假设用户进程请求某个块设备读入若干块数据，则该策略在主存中分配一个缓冲区（若题目无特殊说明，一个缓冲区大小就是一个块）。

注意：当缓冲区数据非空，不能冲入数据，只能传出数据；当缓冲区为空，可以冲入数据，但必须充满缓冲区才可以传出数据。

处理一块时间：max(C,T)+M

4、双缓冲

与单缓冲不同的是，在内存中分配两块缓冲区

处理一块时间：max(T,C+M)

5、循环缓冲

多个大小相等的缓冲区链接成一个循环队列，in指针指向下一个可以冲入数据的空缓冲区，out指针指向下一个可以取出数据的满缓冲区

6、缓冲池

缓冲池由系统中共用的缓冲区组成。这些缓冲区可以分为：空缓冲队列、装满输入数据的缓冲队列、装满输出数据的缓冲队列

十、磁盘的结构

1、磁盘、磁道、扇区的概念

磁盘：磁盘的表面由一些磁性物质组成，可以用这些磁性物质记录二进制数据

磁道：磁盘的盘面会划分为一个个磁道，一个“圈”就是一个磁道

扇区：一个磁道又会划分为一个个扇区，每个扇区就是一个“磁盘块”，各个扇区存放的数据量相同

2、如何在磁盘中读写数据

先把磁头移动到想要读写的扇区所在磁道，然后磁盘转动，让目标扇区从磁头下面划过，完成对扇区的读写。

3、盘片、盘面、柱面的概念

磁盘是由很多个盘面/盘片组成，每个盘片可能会有两个盘面，其中每个盘面对应一个磁头，所有磁头连在同一个磁臂上。所有盘面中相对位置相同的磁道组成柱面

4、磁盘的物理地址

可用 （柱面号、盘面号、扇区号） 定位任意一个磁盘块

5、磁盘的分类

按磁头分类：活动头磁盘、固定头磁盘

按盘片更换分类：可换盘磁盘、固定盘磁盘

十一、磁盘调度算法

1、一次磁盘读/写操作需要的时间

• 寻找时间（寻道）Ts：在读写数据前，将磁头移动到指定磁道所花的时间。
  • 启动磁头臂时间s，假设移动磁头匀速，每跨越一个磁道耗时m，总共n条磁道
  • 则寻道时间=s+m*n
• 延迟时间Tr：旋转磁盘，使磁头定位到目标扇区所需时间
  • 设磁盘转速r（转/秒 或 转/分），则1/r就是转一圈需要的时间
  • 则平均延迟时间=(1/2)*(1/r) = 1/2r
• 传输时间Tt：从磁盘读出或写入数据所经历的时间
  • 假设磁盘转速为r，此次读/写字节数为b，每个磁道上字节数为N，则需要读取b/N个磁道
  • 则传输时间=(1/r) * (b/N) = b/(rN)

其中延迟时间和传输时间都是磁盘硬件的固有属性，因此操作系统无法优化这两个，只能通过磁盘调度算法优化寻道时间。

2、磁盘调度算法

• 先来先服务（FCFS）

按照访问磁盘的先后顺序进行依次调度

• 最短寻找时间优先（SSTF）

优先处理此时离磁头最近的磁道，可能会产生饥饿现象

• 扫描算法（SCAN）

只有磁头移动到最外侧磁道的时候才能往内移动，移动到最内侧磁道的时候才能往外移动，磁头移动方式很像电梯，因此也叫电梯算法。简单来说就是有方向性，每次只能往一个方向移动，到头了再折返。

该算法有两个缺点：① 必须到最边上才能回头； ② 各个位置磁道的响应频率不均。

• LOOK调度算法

对扫描算法第一个缺点的改进：如果在磁头移动方向上已经没有别的请求，就可以立即改变磁头移动方向。

边移动边观察，因此叫LOOK

• 循环扫描算法（C-SCAN）

对扫描算法第二个缺点的改进：规定只有磁头朝某个特定方向移动时才处理磁道的访问请求，而返回时直接快速移动至起始端而不处理任何请求（如向右移动时处理请求，向左回到起始端不处理请求）

当然该算法也可以像LOOK算法那样改进，叫C-LOOK。不必到达最边上才改变方向，如前进时，若磁头移动方向上已经没有别的请求，就可以立即回头；回头时，只需要返回到离边缘最近的需要访问的磁道即可，不必返回到0。

十二、减少磁盘延迟时间的方法

• 寻找时间（寻道时间）：启动磁臂、移动磁头所花的时间

• 延迟时间：将目标扇区转到磁头下面所化的时间

• 传输时间：读/写 数据花费的时间

假设读取磁盘连续区域2、3、4扇区，三者相邻排列，此时当磁头读取完2号扇区时，需要一小段时间处理，而盘片又在不停旋转，因此必须等下次3号扇区再次划过磁头才能继续读入该扇区。即延迟时间很长

减少延迟时间的方案：

• 交替编号：让逻辑上相邻的扇区在物理上有一定间隔，如2和3号扇区中间隔一个扇区。
• 错位命名：不同盘面的扇区编号是错开的，如该0号盘面的0号扇区，对应1号盘面的就不是0号扇区了

十三、磁盘管理

1、磁盘初始化

• 低级格式化/物理分区，将各个磁道划分为扇区
• 磁盘分区
• 逻辑格式化，创建文件系统

2、引导块

计算机开机时需要进行一系列初始化工作，通过执行初始化程序（自举程序）完成。

初始化程序放在ROM中，ROM不可修改，因此现在的ROM中只存放很小的“自举装入程序”，完整的自举程序放在磁盘的启动块上，该磁盘称为启动磁盘或系统磁盘（C盘）

3、坏块的管理

坏块：坏了，无法使用的扇区。

管理：

• 对于简单的磁盘，可以在逻辑格式化时，对整个磁盘进行坏块检查，标明坏扇区，如在FAT表上标明（坏块对操作系统不透明）

• 对于复杂的磁盘，磁盘控制器（硬盘内部硬件）会维护一个坏块链表，磁盘出厂前进行低级格式化（物理格式化），将坏块链表进行初始化。会保留一些“备用扇区”，用于替换坏块，这种方案称为**“扇区备用”**。（坏块对操作系统透明，操作系统不知道）

十四、固态硬盘SSD