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5.2.2最短寻道时间优先调度算法SSTF（Shortest Seek Time First）
一、I/O系统的功能、模型与接口
I/O系统管理的主要对象：I/O设备（机械部分）和对应的设备控制器（电子部分）
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、改善I/O设备的
1.1I/O系统的基本功能
（1）能够隐藏物理设备的细节
抽象为少量的读写命令，read、write （避免直接面对种类繁多、差异性巨大的硬件）
（2）能够保证OS与设备无关
使用抽象的逻辑设备名来使用设备
（3）能够提高处理机和I/O设备的利用率
尽可能让处理机和I/O设备并行操作
（处理机能快速响应用户的I/O请求）
（尽量减少每个I/O设备运行时处理机的干预时间）
（4）能够对I/O设备进行控制
①轮询 ②中断 ③直接存储器访问DMA ④I/O通道
（5）能够确保对设备的正确共享
①独占设备 ② 共享设备
（6）能够处理错误
①临时性 ②持久性
1.2I/O系统的层次结构与模型
层次结构：
各种I/O模块之间的层次视图：
I/O系统的上、下接口：
I/O系统接口（上接口：面向用户）
软件/硬件接口（下接口：面向硬件）
在上、下接口之间是I/O系统
I/O系统的分层 ：
①中断处理程序 ② 设备驱动程序 ③ 与设备无关的I/O软件 （3+1：即，用户层软件）
1.3I/O系统的接口
1. 块设备接口：
（1）块设备：数据的存取和传输都是以数据块为单位的设备，如磁盘、光盘，通常采用DMA I/O方式。可寻址，速率高。
（2）隐藏了磁盘的二维结构 （磁道号和扇区号）
（3） 将抽象命令映射为低层操作：如收到读磁盘命令时，先将抽象命令中的逻辑块号转换为磁盘的盘面、磁道和扇区等
2. 流设备(字符设备)接口：
（1）字符设备：数据的存取和传输都是以字符为单位的设备，如键盘、打印机。 不可寻址，速率低。 通常采用中断驱动I/O方式。
（2）get和put操作：字符设备采用顺序存取方式。
get操作用于从字符缓冲区取得一个字符（到内存），并将它返回给调用者。
put操作用于将一个新字符（从内存）输出到字符缓冲区网络。
（3）in-control指令：包含许多参数，每个参数均表示一个与具体设备相关的特定功能。
3. 网络通信接口：
OS提供相应的网络软件和网络通信接口，以使计算机能通过网络同网络上的其他计算机进行通信，或上网浏览信息。
二、I/O设备和设备控制器
2.1I/O设备
1.I/O设备的类型
（1）按使用特性分类：存储设备、I/O设备
（2）按传输速率分类：
低速设备：键盘、鼠标器、语音的输入和输出等
中速设备：行式打印机、激光打印机等
高速设备：磁带机、磁盘机、光盘机等
（3）按信息交换单位分类：块设备、字符设备
（4）按设备的共享属性分类：独占设备、共享设备
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，因此，在设备与设备控制器之间应有一接口，在该接口中有三类信号各对应一条信号线。
2.2设备控制器
主要功能：控制一个或多个I/O设备，以实现I/O设备和计算机之间的数据交换。
设备控制器是CPU与I/O设备之间的接口，接收从CPU发来的命令，并去控制I/O设备工作。
设备控制器是一个可编址的设备：
当仅控制一个设备时，它只有一个唯一的设备地址
若控制器可连接多个设备时，则应含有多个设备地址，并使每一个设备地址对应一个设备
1.设备控制器的基本功能
功能：(1)接收和识别命令 (2)数据交换 (3)标识和报告设备的状态
(4)地址识别 （5)数据缓冲区 (6)差错控制
2.设备控制器的组成
(1) 设备控制器与处理机的接口：实现CPU与设备控制器之间的通信，包括数据线、地址线和控制线
(2) 设备控制器与设备的接口：一个设备控制器可以连接一个或多个设备
(3) I/O逻辑：实现对设备的控制
2.3内存映像I/O
驱动程序将抽象I/O命令转换成具体的命令和参数等装入设备控制器的相应寄存器，由控制器执行这些命令，具体实施对I/O设备的控制。具体方法：
1. 采用特定I/O指令：访问内存和设备需要两种不同的指令。
2. 采用内存映像I/O形式：
在编址上不再区分内存单元地址和设备控制器中的寄存器地址，统一编址 k 。 k在0~n-1范围时，为内存地址；若k>=n时，为某控制器的寄存器地址。
统一了访问方法，简化了I/O编程。
2.4I/O通道
1. I/O通道的引入
目的：使一些原来由CPU处理的I/O任务转由通道来承担，从而把CPU从繁杂的I/O任务中解脱出来
通道与普通处理机：
通道是特殊处理机
不同点： 指令类型单一（通道硬件比较简单）；没有自己的内存（与CPU共享内存）
2. I/O通道类型
（1）字节多路通道：按字节交叉方式工作的通道
（2）数组选择通道：可以连接多台高速设备，但在一段时间内只允许一台设备传输数据，传输率高
（3）数组多路通道：结合前两者优点，含有多个非分配型子通道
3.“瓶颈”问题
通道不足，造成“瓶颈”现象：通道价格昂贵（特殊处理机）
解决办法：
增加设备到CPU间的通路而不增加通道。
多通路方式不仅解决了“瓶颈”问题，而且提高了系统的可靠性。（不真实存在）
单通路I/O系统：
多通路I/O系统：
增加设备到CPU间的通路而不增加通道
多通路方式不仅解决了“瓶颈”问题，而且提高了系统的可靠性
2.5I/O设备的控制方式
1.使用轮询的可编程I/O方式（基本不用）
（1）由CPU定时发出询问，询问设备是否忙，进程进入忙等
（2）不忙即进行I/O，否则转（1）
实现容易，但效率偏低，CPU会长期处于忙等待
2.使用中断的可编程I/O方式（广泛采用）
当某进程要启动某个I/O设备工作时，便由CPU向相应的设备控制器发出一条I/O命令，然后立即返回继续执行原来的任务。设备控制器于是按照该命令的要求去控制指定的I/O设备。此时，CPU与I/O设备并行操作。
3.直接存储器访问（DMA）方式
DMA的引入：进一步减少CPU对I/O设备的干预
数据传输的基本单位是数据块
所传送的数据是从I/O设备直接送入内存的，或者相反
仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时，才须CPU干预
4.I/O通道控制方式
引入：是DMA方式的发展，可进一步减少CPU的干预。
是对一组数据块以读/写及有关的控制和管理为单位干预；
可实现CPU、通道和I/O设备三者的并行操作。
通道程序：由一系列通道指令所构成的。
通道指令不同于CPU指令。
指令包含：操作码、内存地址、计数、通道程序结束位P、记录结束位R。
知识回顾
三、I/O软件
中断简介：
1.中断和陷入：
中断(Interrupt)是指CPU对I/O设备发来的中断信号的一种响应
陷入(Trap)是指CPU内部事件所引起的中断
2.中断向量表：
中断向量表存放每个设备的中断处理程序的入口地址，并为每个设备的中断请求作为一个中断号，对应于中断向量表中的一个表项
3.中断优先级：系统为每个中断源规定不同的优先级
对多中断源的处理方式：
中断源：引起中断的事件
当处理机正在处理一个中断时，又来了一个新的中断请求，有两种处理方式： 屏蔽(禁止)中断、嵌套中断
3.1中断处理程序
（1）测定是否有未响应的中断信号 （2）保护被中断进程的CPU现场
（3）转入相应的设备处理程序 （4）处理中断 （5）恢复CPU现场并退出中断
Linux系统中断处理：
采用了上半部和下半部机制：
上半部：中断处理程序。
简单快速，执行时禁止一些或全部中断。
下半部：一些虽然与中断有关但是可以延后执行的任务。
稍后执行，执行时可以响应所有的中断。
中断处理程序的设计： 注册中断 处理中断 注销中断
3.2设备驱动程序
1. 设备驱动程序的功能
接收上层软件发来的抽象I/O请求，再把它们转换为具体要求后，发送给设备控制器，启动设备去执行
2. 设备驱动程序的特点
① 实现与设备无关的软件和设备控制器直接通信和转换的程序
② 与设备控制器以及I/O设备特性紧密相关
③ 基本部分固化在ROM中
④ 与I/O设备所采用的I/O控制方式紧密相关
⑤ 允许可重入
3.设备处理方式
① 为每类设备设置一个进程，专门用于执行这类设备的I/O操作
② 在整个系统中设置一个I/O进程，专门用于执行系统中各类设备的I/O操作
③ 不设置专门的设备处理进程，而只为各类设备设置相应的设备驱动程序
4.设备驱动程序的处理过程
①将抽象要求转换为具体要求 ② 对服务请求进行校验
③ 检查设备的状态 ④ 传送必要的参数 ⑤ 启动I/O设备
5.设备驱动程序的框架
（1）设备驱动程序与外界的接口
①设备驱动程序与操作系统内核的接口
②设备驱动程序与系统引导的接口
③设备驱动程序与设备的接口
（2）设备驱动程序的组成
①设备驱动程序的注册与注销
②设备的打开与释放
③设备的读/写操作
④设备的控制操作
⑤ 设备的中断与轮询
3.3与设备无关的I/O软件
以物理设备名使用设备：非常不灵活，使用不方便。
引入了逻辑设备名：
逻辑设备是抽象的设备名，如/dev/printer。
可实现I/O重定向(指用于I/O操作的设备可以更换，而不必改变应用程序)。
逻辑设备名到物理设备名的转换：
必须具备将逻辑设备名转换为物理设备名的功能
系统配备逻辑设备表
3.3.1与设备无关软件的共有操作
1. 提供设备驱动程序的统一接口 2. 缓冲管理 3. 差错控制
4. 独占设备的分配与回收 5. 提供独立于设备的逻辑数据块
3.3.2设备分配
数据结构：
设备控制表DCT– 记录设备的情况
控制器控制表COCT、通道控制表CHCT和系统设备表SDT
设备分配时应考虑的因素：
独占设备、共享设备、虚拟设备的分配策略
分配算法：先来先服务、优先级高者优先
安全性考虑：安全分配、不安全分配
独占设备的分配程序：
基本分配程序：分配设备、分配控制器、分配通道
分配程序改进
（1）设备控制表DCT
（2）控制器控制表、通道控制表
（3）系统设备表SDT
3.3.3逻辑设备名映射到物理设备名
在应用程序中请求使用I/O设备时，应使用逻辑设备名；而系统只识别物理设备名
逻辑设备表LUT：用于将逻辑设备名映射为物理设备名
包含：逻辑设备名、物理设备名和设备驱动程序入口地址
设置方式：整个系统一张LUT；每个用户一张LUT
3.3.4I/O调度
调度一组I/O请求：
就是按照确定好的顺序来执行I/O操作；
提高计算机效率。
通过I/O调度可以：
改善系统整体性能；
在进程间公平共享设备访问；
减少完成I/O调度所需的平均等待时间。
实现：为每个设备维护一个请求等待队列。
3.4用户层的I/O软件
大部分I/O软件都放在OS内部，仍有一小部分在用户层
3.4.1系统调用和库函数
1. 系统调用：应用程序通过系统调用间接调用OS中的I/O过程，对I/O设备进行操作。
2. 库函数：Win32 API 、C 语言或UNIX系统中，系统调用与库函数，几乎一一对应。
3.4.2假脱机系统
1. 假脱机技术
为了缓和CPU的高速性与I/O设备的低速性间的矛盾而引入了脱机输入、脱机输出技术。
利用一个程序模拟脱机输入时的外围控制机功能，把低速I/O设备上的数据传送到高速磁盘上。
用另一道程序模拟脱机输出时外围控制机的功能，把数据从磁盘传送到低速输出设备。
外围操作与CPU对数据的处理同时进行，这种在联机情况下实现的同时外围操作称为SPOOLing (Simultaneous Peripheral Operations On-Line)，或假脱机技术。
2. SPOOLing系统的组成
输入井和输出井：
在磁盘上开辟的两个大存储空间
输入井：模拟脱机输入时的磁盘设备，用于暂存输入设备输入的数据。
输出井：模拟脱机输出时的磁盘，用于暂存用户程序的输出数据。
输入缓冲区和输出缓冲区：
缓和CPU和磁盘之间速度不匹配的矛盾
输入缓冲区：用于暂存由输入设备送来的数据，以后再传送到输入井。
输出缓冲区：用于暂存从输出井送来的数据，以后再传送给输出设备。
3.SPOOLing系统的Demo
4.SPOOLing系统的工作原理
5.SPOOLing系统的特点
以打印机为例：（1）提高了I/O的速度 （2）将独占设备改造为共享设备
（3）实现了虚拟设备功能
6.假脱机打印机系统
打印机属于独占设备。利用SPOOLing技术，可将之改造为一台可供多个用户共享的设备，从而提高设备的利用率，也方便了用户。
共享打印机技术已被广泛用于多用户系统和局域网络（添加方法）中：
① 磁盘缓冲区：磁盘空间，暂存用户程序的输出数据
② 打印缓冲区：设在内存，暂存从磁盘缓冲区送来的数据
③ 假脱机管理进程和假脱机打印进程
假脱机管理进程为每个要求打印的用户数据建立一个假脱机文件，并放入文件队列中
假脱机打印进程依次对队列中的文件进行打印
假脱机打印系统的组成：
共享打印机：
假脱机管理进程：
在磁盘缓冲区中为之申请一个空闲盘块，并将要打印的数据送入其中暂存。
为用户进程申请一张空白的用户请求打印表，并将用户的打印要求填入表中，再将该表挂到假脱机文件队列上。
假脱机打印进程：
当打印机空闲时，进程从请求打印队列的队首取出一张请求打印表，根据表中的要求将要打印的数据，从输出井传送到内存缓冲区，再由打印机进行打印。
打印完，进程再次察看请求打印队列，若非空，重复上述工作，直到队列为空。此后进程才将自己阻塞起来。仅当下次再有打印请求时，进程才被唤醒。
7.守护进程(daemon)
方案修改：取消假脱机管理进程，为打印机建立一个守护进程，由它执行一部分原来的假脱机管理进程的功能。
守护进程是允许使用打印机的唯一进程。
知识回顾
四、缓冲区管理
现代操作系统中，几乎所有的I/O设备在与CPU交换数据时，都用了缓冲区。
缓冲区是一个存储区域，可以由专门的硬件组成；更多的是利用内存。
缓冲管理的主要功能是组织好这些缓冲区，并提供获得和释放缓冲区的手段。
4.1缓冲的引入
引入缓冲的主要原因：
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. 解决数据粒度不匹配的问题
4. 提高CPU与I/O设备之间的并行性
4.2单缓冲与双缓冲
单缓冲
每当用户进程发出一I/O请求时，操作系统便在主存中为之分配一缓冲区。
在块设备输入时，
T：从磁盘把一块数据输入到缓冲区的时间
M：操作系统将该缓冲区中的数据传送到工作区的时间 C：CPU对这块数据处理的时间。
当T>C时，系统对每一块数据的处理时间为M+T（C忽略）
反之，则为M+C
系统对每一块数据的处理时间为：Max(C,T)+M
单缓冲工作示意图：
缓冲区不能又读又写（T、M/C、M不并行）
双缓冲：
双缓冲机制（缓冲对换）。
在设备输入时，先将数据送入第一缓冲区，装满后便转向第二缓冲区。
此时操作系统可以从第一缓冲区移出数据，并送入用户进程。接着由CPU对数据进行计算。
在双缓冲时，系统处理一块数据的时间可以粗略地认为是Max(C,T)，如果C>T,则可使CPU不必等待设备输入。
双缓冲工作示意图：
4.3环形缓冲区
当输入与输出若两者的速度相差悬殊，双缓冲的效果则不够理想，不过可以随着缓冲区数量的增加，使情况有所改善。
引入多缓冲机制，可将多个缓冲组织为循环缓冲。
1. 环形缓冲区的组成：
（1）多个缓冲区：
在循环缓冲中包含多个缓冲区，其每个缓冲区的大小相同。
作为输入的多缓冲区可分为三种类型：
用于装输入数据的空缓冲区R
已装满数据的缓冲区G
计算进程正在使用的现行工作缓冲区C
（2）多个指针：
作为输入的缓冲区可设置3个指针：
用于指示计算进程下一个可用缓冲区G的指针Nextg
指示输入进程下次可用的空缓冲区R的指针Nexti
用于指示计算进程正在使用的缓冲区C的指针Current
2. 环形缓冲区的使用：
Getbuf过程：
计算进程要使用缓冲区的数据时调用该过程，将指针Nextg所指示的缓冲区提供给进程使用，修改Nextg和Current指针。
输入进程要使用空缓冲装数据时调用该过程，将指针Nexti所指示的缓冲区提供给进程使用，修改Nexti。
Releasebuf过程：
当计算进程把C缓冲区中的数据提取完毕时，调用过程，将缓冲区C释放。
当输入进程把缓冲区装满时，调用过程，将该缓冲区释放，并将其改为可用缓冲区G。
进程间的同步问题：Nexti指针追赶上Nextg指针； Nextg指针追赶上Nexti指针
4.4缓冲池
当系统较大时，将会有许多循环缓冲，这不仅要消耗大量的内存空间，而且利用率不高。
为了提高缓冲区的利用率，引入公用缓冲池，在池中设置了多个可供若干个进程共享的缓冲区。
1.缓冲池的组成：
对于既可用于输入又可用于输出的公用缓冲池：
空闲缓冲队列emq：空缓冲区所链成的队列。
输入队列inq：装满输入数据的缓冲区所链成的队列。
输出队列out：装满输入数据的缓冲区所链成的队列。
4种工作缓冲区：收容输入缓冲区、提取输入缓冲区、收容输出缓冲区、提取输出缓冲区。
2.缓冲池的工作方式：
Getbuf和putbuf过程：
对缓冲池中的队列进行操作
既可实现互斥又可保证同步
工作方式：收容输入、提取输入、收容输出、提取输出
4.5缓存（Cache）
缓存是保存数据副本的高速内存区域：CPU缓存、磁盘缓存、光驱缓存等。
CPU缓存（高速缓存）：
为了缓和CPU运行速率与内存读/写速率不匹配的矛盾；
当CPU要读取一个数据时，首先从CPU缓存中查找，找到就立即读取并送给CPU处理；若没有找到，则从速率相对较慢的内存中读取并送给CPU处理，同时把这个数据所在的数据库调入缓存中。
缓存和缓冲：
缓冲可以保存数据项的唯一的现有版本。
缓存只是提供一个位于其他地方的数据项的更快存储副本。
有时，同一个内存区，既可以是缓冲，也可以是缓存。
五、磁盘性能概述和磁盘调度
5.1磁盘性能概述
磁盘的结构：
盘面（磁头）：磁盘设备可包含一或多个盘片，每个盘片分为一个或两个盘面，每个面上有一个读写磁头。
磁道（柱面）：每个盘面可分成若干条磁道。
扇区：每条磁道逻辑上分成若干个大小相同的扇区。每个扇区的大小相当于一个盘块（数据块）。
每条磁道上可存储相同数目的二进制位。
磁盘密度即每英寸中所存储的位数，显然是内层磁道的密度较外层磁道的密度高。
磁盘容量计算：
1. 数据的组织和格式：
为了在磁盘上存储数据，必须先将磁盘格式化。
如每条磁道含有30个固定大小的扇区，每个扇区容量为600个字节，其中512个字节存放数据，其余的用于存放控制信息。
每个扇区包括2个字段：
标识符字段：其中一个字节的SYNCH具有特定的位图像，作为该字段的定界符，利用磁道号、磁头号及扇区号三者来标识一个扇区；CRC字段用于段校验。
数据字段：存放512个字节的数据。
磁盘的格式化：
2.磁盘的类型：
分类1：硬盘、软盘
分类2：单片盘、多片盘
分类3：
固定头磁盘：每个磁道上都有一个读写磁头
并行方式读/写，有效提高磁盘的I/O速度
主要用于大容量磁盘
移动头磁盘：每个盘面仅配有一个磁头，能移动寻道
串行方式读/写，I/O速度较慢
广泛应用于中、小型磁盘设备中
磁盘访问时间：
磁盘在工作时是以恒定速率旋转。
为了读写：
磁头必须移动到所要求的磁道上
并等待所指定的扇区的开始位置旋转到磁头下
开始读写数据
磁盘的访问时间：（1）寻道时间 （2）旋转延迟时间 （3）传输时间
（1）寻道时间Ts：
把磁臂（磁头）移动到指定磁道上所经历的时间。
启动磁臂的时间k
磁头移动n条磁道所花费的时间
（2）磁盘访问时间（平均旋转延迟时间Tτ ）：
（3）传输时间Tt：把数据从磁盘读出或向磁盘写入数据所经历的时间
访问时间Ta：
5.2早期的磁盘调度算法
5.2.1先来先服务调度算法FCFS
最简单的磁盘调度算法。
根据进程请求访问磁盘的先后次序进行调度。
优点：公平、简单，每个进程的请求都能依次得到处理，不会出现某一进程的请求长期得不到满足的情况。
缺点：由于未对寻道进行优化，致使平均寻道时间可能较长。 FCFS仅适用于请求磁盘I/O的进程数目较少的场合。
FCFS示例：
5.2.2最短寻道时间优先调度算法SSTF（Shortest Seek Time First）
选择这样的进程，其要求访问的磁道，与当前磁头所在的磁道距离最近，以使每次的寻道时间最短，但不保证平均寻道时间最短
SSTF的平均每次磁头移动的距离，明显低于FCFS的距离，因而SSTF比FCFS寻道性能更好
SSTF示例：
5.2.3基于扫描的磁盘调度算法SCAN
进程“饥饿”现象：SSTF寻道性能好，但可能导致某个进程发生“饥饿”现象。改进SSTF后，可防止进程出现“饥饿”现象。
SCAN算法：也称：电梯调度算法。
不仅考虑到欲访问的磁道与当前磁道的距离，更优先考虑的是磁头当前的移动方向。
磁臂从磁盘的一端向另一段移动，沿途响应服务请求。当到达另一端时，磁头改变移动方向，继续处理。磁头在磁盘上来回扫描。
SCAN示例：
5.2.4循环扫描调度算法CSCAN
CSCAN算法提供比SCAN算法更为均匀的等待时间。
磁头从磁盘一段移到另一端，随着移动不断的处理请求。不过，当磁头移到另一端时，马上返回到磁盘开始，返回时并不处理请求。
将柱面当作一个环链，将最后柱面和第一柱面相连。
CSCAN示例：
5.2.5CLOOK
C-SCAN的一种形式。
磁头只移动到一个方向上最远的请求为止。接着，它马上回头，而不是继续到磁盘的尽头。
5.2.6NStepSCAN和FSCAN调度算法
NStepSCAN算法：
“磁臂粘着”现象：进程反复请求对某一磁道的I/O操作；
将磁盘请求队列分为若干个长度为N的子队列；
按FCFS算法依次处理子队列；
每个子队列使用SCAN算法。
FSCAN算法：
是N步SCAN算法的简化；
请求队列分为两个子队列： 一是当前所有请求队列，按SCAN算法调度； 二是扫描期间，新出现的请求队列，推迟到下一次扫描时处理。
