6输入输出系统——I/O系统

I/O系统的组成：

需要用于输入、输出和存储信息的设备；

需要相应的设备控制器；

控制器与CPU连接的高速总线；

有的大中型计算机系统，配置I/O通道；

关于设备管理

管理对象：

I/O设备和相应的设备控制器（I/O系统组成）

基本任务：

完成用户提出的I/O请求，

提高I/O速率、改善I/O设备的利用率。

为更高层进程方便使用设备提供手段

1.I/O系统的功能、模型和接口

1)主要功能：

隐藏物理设备细节，方便用户

用户使用抽象的I/O命令即可

实现设备无关性，方便用户

用户可用抽象的逻辑设备名来使用设备，同时也提高了OS的可移植性和易适应性。

提高处理机和设备的并行性，提高利用率：缓冲区管理

对I/O设备进行控制：控制方式、设备分配、设备处理

确保对设备正确共享：虚拟设备及设备独立性等

错误处理

中断处理程序 处于I/O系统的底层，直接与硬件进行交互 设备驱动程序 处于次底层，是进程和控制器之间的通信程序 功能：将上层发来的抽象I/O请求，转换为对I/O设备的具体命令和参数，并把它装入到设备控制其中的命令和参数寄存器中 设备独立性软件 包括设备命名、设备分配、数据缓冲等软件 

I/O系统接口:块设备接口、流设备接口、网络通信接口

2.I/O设备和设备控制器

I/O设备的类型繁多，从OS的观点，按其重要的性能指标进行分类如下：

按传输速率分类：

低速、中速、高速（键盘、打印机、磁盘）

使用：存储设备、输入输出设备

按信息交换的单位分类：

块设备：有结构、速率高、可寻址、DMA方式控制

字符设备：无结构、速率低、不可寻址、中断方式控制

I/O通道

主要目的：

建立更独立的I/O操作，解放CPU。

数据传送的独立

I/0操作的组织、管理及结束处理也尽量独立。

实际上I/O通道是一种特殊的处理机：

指令类型单一，只用于I/O操作；

通道没有内存，它与CPU共享内存

3.中断机构和中断处理程序

4.设备驱动程序

 I/O控制方式：
程序I/O方式

中断驱动I/O方式

直接存储器访问DMA（字节—块）

I/O通道控制方式（组织传送的独立）

宗旨：减少主机对I/O控制的干预，将CPU从繁杂的I/O控制事物中解脱出来。

5.用户层的I/O软件

SPOOLing系统的组成

主要有三大部分（如下页图）

输入井和输出井：磁盘上开辟两大存储空间。输入井模拟脱机输入的磁盘设备，输出井模拟脱机输出时的磁盘。

输入缓冲区和输出缓冲区：为缓解速度矛盾，内存中开辟两大缓冲空间，输入缓冲区暂存输入设备送来的数据，再送给输入井；输出缓冲区暂存输出井送来的数据，再送输出设备。

输入进程和输出进程。

用一进程模拟脱机输入时外围设备控制器的功能，把低速输入设备上的数据传送到高速磁盘上；

用另一进程模拟脱机输出时外围设备控制器的功能，把数据从磁盘上传送到低速输出设备上。

特点：

提高了I/O的速度。利用输入输出井模拟成脱机输入输出，缓和了CPU和I/O设备速度不匹配的矛盾。

将独占设备改造为共享设备。并没有为进程分配设备，而是为进程分配一存储区和建立一张I/O请求表。

最终，实现了虚拟设备功能。多个进程可“同时”使用一台独占设备。

6.缓冲区管理

引入缓冲区的主要原因：

缓和CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾。

缓冲区数据成批传入内存，也可进一步减少对CPU的中断频率

最终目的：提高CPU和I/O设备的并行性。

使用缓冲区的方式：1）单缓冲、多缓冲2）循环缓冲3）缓冲池（Buffer Pool）

1）单缓冲与多缓冲

OS在主存中为之分配一个缓冲区。

CPU和外设轮流使用，一方处理完后等待对方处理。

双缓冲（Double Buffer）

两个缓冲区，CPU和外设不再针对一块交替

可能实现连续处理无需等待对方。前提是CPU和外设对一块数据的处理速度相近。而如下图情况CPU仍需等待慢速设备。

循环缓冲(circular buffer)

设置多块缓冲区

用循环结构组织，只供两个相关进程使用

顺一个方向放入或取出

缓冲池（Buffer Pool）

为提高缓冲区的利用率，目前广泛流行缓冲池，在池中设置多个可供若干个进程共享的缓冲区

组织形式：队列及队列指针

组成：

对于既可输入又可输出的公用缓冲池，至少应含有下列三种类型的缓冲区：

空缓冲区；

装满输入数据的缓冲区；

装满输出数据的缓冲区；

为方便管理，将上述类型相同的缓冲区连成队列

空缓冲区队列（所有进程都可用）

输入队列（n个进程有各自的队列）

输出队列（n个进程有各自的队列）

（队列长度不固定，根据进程实际情况灵活变动，需要多少用多少）

缓冲池：可双向缓冲；缓冲区整体利用率高。

7.磁盘存储器的性能和调度

1）磁盘调度方法

对所有请求访问磁盘的进程进行合理调度，使对磁盘的平均访问时间最小。

目标：使平均寻道时间最少。

算法：

FCFS：多个进程的磁盘I/O请求构成一个随机分布的请求队列。

磁盘I/O执行顺序按磁盘请求的先后顺序。

最短寻道时间优先SSTF：选择从当前磁头位置出发移动最少的磁盘I/O请求

使每次磁头移动时间最少。

不一定是最短平均柱面定位时间，但比FIFO算法有更好的性能。

对中间的磁道有利，但可能会有进程处于饥饿状态（I/O请求总不被执行）。

扫描算法SCAN（磁盘电梯调度算法）：

规定磁头移动方向：自里向外，再自外向里移动。

后续的I/O磁道请求，哪个在规定方向上距离最近，就先执行哪个。

循环扫描算法CSCAN：

将SCAN规定的移动方向改为“单向移动”

由里向外后，再由里向外。

N-Step-SCAN算法：“磁臂粘着”——磁头静止在一个磁道上，导致其它进程无法及时进行磁盘I/O。（因：高密度盘，进程的读写可能集中在某一磁道）

FSCAN算法：

请求队列只分为两个子队列

当前一个队列，按SCAN算法执行；

扫描期间新生成的组成一个队列，等待被扫描。