操作系统学习笔记——第五章 I/O设备管理

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参考书：《操作系统》谌卫军等，清华大学出版社，2012年5月
参考视频：清航全套计算机专业课视频

目录

第五章 I/O设备管理

1.I/O硬件
2.I/O控制方式
3.I/O软件
4.磁盘

第五章 I/O设备管理

1.I/O硬件

按数据组织分类：

-块设备：以数据块作为信息的存储和传输单位，每个数据块都有一个地址，数据块之间的读写操作是相互独立的，如磁盘；

-字符设备：以字符作为信息存储和传输单位，数据即字符流，无定位无寻址，如鼠标；

问题：CPU如何与设备控制器进行通信?这不是普通的内存访问！

方法有三种：

-I/O独立编址；

-内存映像编址：

-混合编址。

备注：Windows上查看PC机上的I/O端口地址——打开“设备管理器”——>点击“查看”选项卡，点击“按类型列出资源”——>设备管理器列表更新后，点击“输入/输出(I/O)”

到目前为止，已经介绍了I/O设备的类型、设备的控制器、I/O的端口地址。现在的问题是：根据已有的这些知识，现在能否开始编程使用这些I/O设备，完成相应的输入输出功能呢? I/O控制方式

2.I/O控制方式

-程序循环检测方式（Programmed I/O）

基本思路：在程序（设备驱动程序）中通过不断地检测I/O设备的当前状态，来控制I/O操作的完成。具体来说，在进行I/O操作之前，要循环地检测设备是否就绪；在/O操作进行之中，要循环地检测设备是否已完成。从硬件来说，控制I/O的所有工作均由CPU来完成。

也称为繁忙等待方式（busy waiting)或轮询方式（polling)。

缺点：在进行I/O操作时，一直占用CPU时间。

-中断驱动方式（Interrupt-driven I/O）

循环检测的控制方法占用了太多的CPU时间，可能会造成CPU时间的浪费。例如：假设打印机的打印速度为100字符/秒，在循环检测方式下，当一个字符被写入到打印机的数据寄存器中后，CPU需要等待10毫秒才能写入下一个字符。

一种解决的办法：中断驱动的控制方式。

1 //系统调用函数print
2 copy_from_user(buffer,p,count);//p:内核缓冲区
3 enable_interrupts()；
4 while(*printer_status_reg!=READY)；
5 *printer_data_register=p[0];
6 scheduler()；

在执行系统调用函数print时进程是否切换？没有切换，A仍为运行状态，但执行的代码是操作系统代码

1 //中断处理程序
 2 if(count==0)
 3 {
 4   unblock_user();
 5 }
 6 else
 7 {
 8   *printer_data_register=p[++i];
 9   count--；
10 }
11 acknowledge_intereupt()；
12 return_from_interrupt()；

中断驱动方式的基本思路是：用户进程通过系统调用函数来发起I/O操作，并在发起后阻塞该进程，调度其他的进程使用CPU。在I/O操作完成时，设备向CPU发出中断，然在中断处理程序中做进一步的处理。在中断驱动方式下，数据的每次读写还是通过CPU来完成，但是当I/O设备在进行数据处理时，CPU不必等待，可以继续执行其他的进程。

-直接内存访问方式（DMA，Direct Memory Access)

适合大规模数据传输！

I/O读操作的典型过程：

-CPU向设备控制器发出命令，启动读操作；

-设备控制器控制I/O设备完成此次读操作，并将数据保存在设备控制器内部的寄存器或缓冲区中，然后中断CPU；

3.I/O软件

如：打印机

4.磁盘

磁盘硬件

磁盘的硬件结构：磁盘（软盘和硬盘）由一个或多个金属盘片组成，这些盘片组合固定在一根旋转轴上，由同一个马达驱动。每个盘片有上下两个盘面，在盘面上涂有磁性材料，信息就记录在这些盘面上。在每个盘面上方，都有一个磁头，它固定在一个磁头臂上，而磁头臂又固定在一个传动装置上。通过磁头的读写装置，磁盘上的信息可以被写入、读出和修改。

-磁道：当传动装置固定在某个位置时，若盘面旋转一圈，磁头所能访问的圆环区域；

-柱面：在所有盘面上，半径相同的所有磁道即组成一个柱面；

-扇区：每一个磁道被划分为若干个扇区；

-磁盘的访问过程：以扇区作为最小的寻址和存取单位。首先移动传动装置，通过它来移动磁头，从而定位正确的柱面。然后选中相应的磁头，等我们想要的扇区正好路过这个磁头正下方的时候，就可以对它进行访问了。

虚拟磁盘地址

-物理地址：柱面号、盘面号（磁头号）、扇区号：这隐含着两个约束条件：每个柱面上的盘面个数都是一样的；每个磁道上的扇区个数都是一样的。

-考虑到半径不同的磁道，其圆环区域的面积不同，现代磁盘在设计时，把所有磁道按半径大小，划分为若干个环带，在不同环带上，每个磁道所划分的扇区数是不一样的，这就违背了第二个约束条件；

-虚拟地址：把每个磁道多少个扇区等物理细节隐藏在设备内部，对外提供统一的虚拟地址（x，y, z），即虚拟的柱面号、盘面号和扇区号，对内再将其映射为实际的柱面、盘面和扇区（由控制器完成）。

硬盘的格式化可分为三个步骤，即低级格式化、分区和高级格式化。

低级格式化：标出磁道和扇区，在相邻的扇区之间有狭窄的间隙隔开。一个扇区的格式是：相位编码（preamble)+数据区+纠错码（ECC）。

-相位编码：以某个特定的位组合模式开始，向硬件表明这是一个新扇区的开始。还包括柱面号、扇区号、扇区大小等类似信息；

-数据区：由格式化程序确定其大小，一般512；

-纠错码：包含冗余信息，用来纠正读取错误。

分区：用分区软件把整个硬盘划分为若干个逻辑分区，每个分区可视为一个独立的磁盘。在多数计算机上，用第0个扇区来存放一些系统启动代码和一个分区表，记录了每个分区的起始扇区和大小。

高级格式化：对每一个逻辑分区，分别进行一种高级格式化（即通常的格式化操作），生成一个引导块、空闲存储管理结构、根目录和一个空白的文件系统。对不同的分区，可以使用不同的文件系统，如FAT16、FAT32、NTFS等。

磁盘调度算法

磁盘的访问是以扇区作为最小的寻址和存取单位，在访问一个磁盘扇区时，所需的时间主要有：

-柱面定位时间：磁头在磁头臂牵引下，移动到指定柱面的机械运动时间；

-旋转延迟时间：等待指定的扇区旋转到磁头的正下方所需的机械运动时间；它与磁盘转速有关，如：软盘转速可为600rpm(每分钟转速），硬盘可为7,200rpm至10,000rpm；

-数据传送时间：从指定扇区读写数据的时间。

为什么第一种情况，不加17us*300？在于边旋转边读数据，时间重合（6ms/300=20us）,20us旋转完一个扇区的同时传送完了一个扇区的数据。

磁盘调度算法

-先来先服务算法

-最短定位时间优先

缺点：如果要访问的扇区位于磁盘中间的柱面上，则比较有利；如果要访问的扇区位于磁盘两侧的柱面上，则不太有利，可能会处于饥饿状态。

-电梯算法

优点：克服了SSTF的缺点，既考虑了距离，同时又考虑了方向，不会有进程处于饥饿状态；

一个性质：对于任何一组访问请求，磁头移动的总距离有一个固定的上界，即柱面总数的两倍。

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