1.I/O软件的层次结构

• 通常把 I/O 软件组织成四个层次：
  • 用户层 I/O 软件。实现与用户交互的接口，用户可直接调用该层所提供的、与 I/O 操作有关的库函数对设备进行操作。
  • 设备独立性软件。用于实现用户程序与设备驱动器的统一接口、设备命名、设备的保护以及设备的分配与释放等，同时为设备管理和数据传送提供必要的存储空间。
  • 设备驱动程序。与硬件直接相关，用于具体实现系统对设备发出的操作指令，驱动 I/O 设备工作的驱动程序。
  • 中断处理程序。CPU 先保护被中断进程的 CPU 环境，再转入相应的的中断处理程序进行处理，处理完毕后 CPU 再恢复被中断进程的现场，返回到被中断的进程。

2.中断机构和中断处理程序

中断在操作系统中有着特殊重要的地位，它是多道程序得以实现的基础，没有中断，就不可能实现多道程序，因为进程之间的切换是通过中断来完成的。另一方面，中断也是设备管理的基础，为了提高处理机的利用率和实现CPU与I/O设备并行执行，也必需有中断的支持。

• 中断和陷入
  • 中断，是指CPU对I/O设备发来的中断信号的响应。由外部设备引起，故又称为外中断。
  • 陷入，是由CPU内部事件引起的中断，如程序出错等等，故又称为内中断。
  • 中断和陷入的主要区别是信号的来源，即是来自 CPU 外部，还是 CPU 内部。
• 中断向量表和中断优先级
  • 中断向量表：
    • 通常是为每种设备配以相应的中断处理程序，并把该程序的入口地址放在中断向量表中的一个表项，并为每一个设备的中断请求规定一个中断号，它直接对应于中断向量表的一个表项。当 I/O 设备发来中断请求信号时，由中断控制器确定该请求的中断号，并去查找中断向量表取得设备中断处理程序的入口地址，这样便可转入中断处理程序执行。
  • 中断优先级：
    • 多个中断信号同时到达时，根据优先级分别先后处理。
• 对多中断源的处理方式
  • 屏蔽(禁止)中断
    • 类似于关中断，当处理机正在处理一个中断时，将屏蔽掉所有的中断，让它们等待。直到处理机处理完本次中断后，再去检查是否有中断发生。
  • 嵌套中断
    • CPU 优先响应最高优先级的中断请求。高优先级的中断请求可以抢占正在运行的低优先级中断的处理机。
• 中断处理程序
  • 中断处理程序是I/O系统中最低的一层，它是整个I/O系统的基础。中断机构的处理过程：
    1. CPU测定是否有未响应的中断信号。程序每当执行完当前指令后，处理机都要测试是否有未响应的中断信号。
    2. 保护被中断进程的CPU环境。
    3. 转入相应的设备处理程序。由处理机对各个中断源进行测试，以确定引起本次中断的 I/O 设备，并向提供中断信号的设备发送确认信号。在该设备收到确认信号后，就立即取消它所发出的中断请求信号。然后，将相应的设备中断处理程序的入口地址装入到程序计数器中。这样，当处理机运行时，便可自动地转向中断处理机程序。
    4. 中断处理。
    5. 恢复CPU现场并退出中断。
    • 

3.设备驱动程序

设备处理程序通常又称为设备驱动程序，它是I/O系统的高层与设备控制器之间的通信程序，其主要任务是接收上层软件发来的抽象I/O要求，如read或write命令，再把它转换为具体要求后，发送给设备控制器，启动设备去执行；反之，它也将由设备控制器发来的信号传送给上层软件。由于驱动程序与硬件密切相关，故通常应为每一类设备配置一种驱动程序。

在多道程序系统中，驱动程序一旦发出 I/O 命令，启动了一个 I/O 操作后，驱动程序便把控制返回给 I/O 系统，把自己阻塞起来，直到中断到来时再被唤醒。具体的 I/O 操作是在设备控制器的控制下进行的，因此，在设备忙于传送数据时，处理机又可以去干其它的事情，实现了处理机与 I/O 设备的并行操作。

对I/O设备的控制方式

• 使用轮询的可编程I/O方式
  • 处理机对 I/O 设备的控制采取轮询的可编程I/O方式，即在处理机向控制器发出一条 I/O 指令启动输入设备输入数据时，要同时把状态寄存器中的忙/闲标志 busy 置为 1，然后便不断地循环测试 busy。当 busy=1 时，表示输入机尚未输完一个字(符)，处理机应继续对该标志进行测试，直至 busy=0，表明输入机已将输入数据送入控制器的数据寄存器中。于是处理机将数据寄存器中的数据取出，送入内存指定单元中，这样便完成了一个字(符)的 I/O。接着再去启动读下一个数据，并置 busy=1。
• 使用中断的可编程I/O方式
  • 采用中断的可编程I/O方式，即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 I/O 设备。此时，CPU 与 I/O 设备并行操作。一旦数据进入数据寄存器，控制器便通过控制线向 CPU 发送一中断信号，由 CPU 检查输入过程中是否出错，若无错，便向控制器发送取走数据的信号，然后再通过控制器及数据线将数据写入内存指定单元中。适用于低速流设备，如键盘，鼠标。
• 直接存储器(DMA)访问方式
  • 中断驱动 I/O 比程序 I/O 方式更有效，但须注意，它仍是以字(节)为单位进行 I/O 的，每当完成一个字(节)的 I/O 时，控制器便要向 CPU 请求一次中断。换言之，采用中断驱动 I/O 方式时的 CPU 是以字(节)为单位进行干预的。
  • 从而引入直接存储器访问方式，其特点如下：
    • 数据传输的基本单位是数据块，即在 CPU 与 I/O 设备之间，每次传送至少一个数据块；
    • 所传送的数据是从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，才需 CPU 干预，整块数据的传送是在控制器的控制下完成的。
• I/O通道控制方式
  • I/O 通道方式是 DMA 方式的发展，它可进一步减少 CPU 的干预，即把对一个数据块的读(或写)为单位的干预减少为对一组数据块的读(或写)及有关的控制和管理为单位的干预。同时，又可实现 CPU、通道和 I/O 设备三者的并行操作。而通道能与 I/O 设备并行是因为 I/O 通道实际上是一种特殊的处理机，它具有执行 I/O 指令的能力，并通过执行通道 I/O 程序来控制 I/O 操作。增设 I/O 通道的主要目的是为了建立独立的 I/O 操作，或者说是使一些原来由 CPU 处理的 I/O 任务转由通道来承担。
     

4.与设备无关的I/O软件

为了方便用户和提高OS的可适应性与可扩展性，在现代OS的I/O系统中，都无一例外地增加了与设备无关的I/O软件，以实现设备独立性，也称为设备无关性。其基本含义是：应用程序中所用的设备，不局限于使用某个具体的物理设备。这是在设备驱动程序之上设置的一层软件，称为与设备无关的I/O软件，或设备独立性软件。

• 通过在系统配置：
  • ①设备控制表 DCT；
  • ②控制器控制表 COCT；
  • ③通道控制表 CHCT；
  • ④系统设备表 SDT；
  • 实现都独占设备的分配。
  • 同时，在系统中需要配置一张逻辑设备表 LUT，用于将逻辑设备名映射为物理设备名。】

5.用户层的 I/O 软件

一般而言，大部分的 I/O 软件都在操作系统内部，但仍有一小部分在用户层，包括系统调用、与用户程序链接在一起的库函数，以及完全运行于内核之外的假脱机系统等。

假脱机(Spooling)系统

如果说可以通过多道程序技术将一台物理CPU 虚拟为多台逻辑 CPU，从而允许多个用户共享一台主机，那么，通过 SPOOLing 技术便可将一台物理 I/O 设备虚拟为多台逻辑 I/O 设备，同样允许多个用户共享一台物理 I/O设备。

• 假脱机技术
  • 脱机输入、脱机输出技术。该技术是利用专门的外围控制机，先将低速I/O设备上的数据传送到高速磁盘上，或者相反。
  • 事实上，当系统中引入了多道程序技术后，完全可以利用其中的一道程序，来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；再用另一道程序来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上。这样，便可在主机的直接控制下，实现脱机输入、输出功能。此时的外围操作与 CPU 对数据的处理同时进行，我们把这种在联机情况下实现的同时外围操作称为 SPOOLing，或称为假脱机操作。
• SPOOLing 系统的组成
  • 输入井和输出井
    • 这是在磁盘上开辟的两个存储空间。输入井是模拟脱机输入时的磁盘设备；输出井是模拟脱机输出时的磁盘。
  • 输入缓冲区和输出缓冲区
    • 为了缓和 CPU 和磁盘之间速度不匹配的矛盾，在内存中要开辟两个缓冲区：输入缓冲区和输出缓冲区。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。
  • 输入进程和输出进程
    • 输入进程也称为预输入进程，用于模拟脱机输入时的外围控制机。输出进程也称为预输出进程，用于模拟脱机输出时的外围控制机。
  • 井管理程序
    • 用于控制作业与磁盘井之间信息的交换。当作业执行过程中向某台设备发出启动输入或输出操作请求时，由操作系统调用井管理程序，由其控制从输入井读取信息或将信息输出至输出井。

• SPOOLing系统的特点
  • 提高了I/O的速度。
  • 将独占设备改造为共享设备。
  • 实现了虚拟设备功能。
• 假脱机打印机系统
  • 打印机是经常要用到的输出设备，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。主要有以下三部分：
    • 磁盘缓冲区
      • 用于暂存用户程序的输出数据。
    • 打印缓冲区
      • 缓和 CPU 和磁盘之间速度不匹配的矛盾，设置在内存中，暂存从磁盘缓冲区送来的数据。
    • 假脱机管理进程和假脱机打印进程
      • 由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，并把它放入假脱机文件队列中，由假脱机打印进程依次对队列中的文件进行打印。
      • 每当用户进程发出打印输出请求时，由假脱机管理进程完成两项工作：①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；②为用户进程申请一张空闲的用户请求打印表，并将用户的打印要求填入其中，再将该表挂到假脱机文件队列上。
      • 真正的打印输出是假脱机打印进程负责的，当打印机空闲时，该进程首先从假脱机文件队列的队首摘取一张请求打印表，然后根据表中的要求将要打印的数据由输出井传送到内存缓冲区，再交付打印机进行打印。

• 守护进程
  • 除了假脱机打印机系统可以实现打印机共享，也可以为打印机建立一个守护进程。由守护进程执行一部分原来假脱机管理进程实现的功能。另一部分由请求进程自己完成，每个要求打印的进程先生成一份要求打印的文件，然后放入假脱机文件队列中。守护进程是按照目录中的文件依次来完成诸进程对该设备的请求的。
     

6.缓冲区管理

在现代操作系统中，几乎所有的I/O设备在与处理机交换数据时都用了缓冲区。
单缓冲区、双缓冲区、环形缓冲区、缓冲池。

缓冲的引入的原因

• 缓和CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾。
• 减少对CPU的中断频率，放宽对CPU中断响应时间的限制。
• 解决数据粒度不匹配的问题。
• 提高CPU和I/O设备之间的并行性。

单缓冲区

• 每当用户进程发起一次I/O请求，系统就在主存中分配一个缓冲区。假定从磁盘把一块数据输入到缓冲区 的时间为T，OS将该缓冲区中的数据传送到用户区的时间为M，而CPU对这一块数据处理计算的时间为 C。由于T和C是可以实现并行的，所以当T>C时，系统对每一块数据的处理时间为M+T，反之则为 M+C，故可以把系统对每一块数据处理时间表示为Max(C,T)+M.
• 简单的理解：单缓冲区的总体运行时间 = (磁盘块-1) * MAX(C,T) +磁盘块 * M + C + T 
• 例题： 文件占38个磁盘块，设有一个缓冲区，磁盘块大小相同，一个磁盘块读入缓冲区的时间是230μs，将缓 冲区数据送到用户区的时间是10μs，读入并处理完该文件的时间是18090μs，单缓冲区结构，求CPU对 一块数据进行处理的时间
• 解：
• 得 37 * Max(C,230) + 38 * 10 + C + 230 = 18090
• 若C<=230，得到的数据很明显不对
• 若C>230，求得C=460μs

双缓冲区

• 为了加快输入输出速度，引入双缓冲机制，也称为缓冲对换。设备输入时，先送入第一缓冲区，装满后 转向第二缓冲区。此时系统可从第一缓冲区移出数据，送入用户进程，接着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)，如果考虑M，则处理一块数据的时间为 Max(C+M,T) （更准确的：Max(C,T-M)+M）如果CT，则可使CPU 不必等待设备输入。
• 简单的理解：双缓冲区的总体运行时间 = (磁盘块 - 1) * Max(T,M+C) + T + M + C
• 例题： 一个文件占34个磁盘块，设一个缓冲区与磁盘块大小相同，将缓冲区的数据传送到用户区的时间是 50μs，CPU对一块数据进行处理的时间为180μs，读入并处理完该文件的时间是12810μs，在双缓冲区 的结构下，求把一个磁盘块读入缓冲区的时间
• 解：
• 得 33 * Max(T,180+50) + T + 50 + 180 = 12810
• 同上，最终求得T = 370μs

环形缓冲区

当输入与输出的速度基本相匹配时，采用双缓冲能获得较好的效果，可使生产者和消费者基本上能并行 操作。但当两者的速度相差很远时，双缓冲的效果很不理想，因此引入环形缓冲区 在环形缓冲区中包括多个缓冲区，每个缓冲区的大小相同，作为输入的多缓冲区可分为三类：用于装输 入数据得空缓冲区，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。

缓冲池

既可以用于输入也可以用于输出的公用缓冲池，在池找那个设置了多个可供若干个进程共享的缓冲区 缓冲池和缓冲区的区别：缓冲区仅仅是一组内存块的链表，而缓冲池则是包含了一个管理的数据结构以 及一组操作函数的管理机制，用于管理多个缓冲区。

7.磁盘存储器地性能和调度

改善磁盘系统的性能

• 选择好的磁盘调度算法，以减少磁盘的寻道时间。
• 提高磁盘 I/O 速度，以提高对文件的访问速度。
• 采取冗余技术，提高磁盘系统的可靠性，建立高度可靠的文件系统。

磁盘性能简述

• 数据的组织和格式
  • 磁盘设备可包括一个或多个物理盘片，每个磁盘片分一个或两个存储面(Surface)，每个盘面上有若干个磁道(Track)，磁道之间留有必要的间隙(Gap)。为使处理简单起见，在每条磁道上可存储相同数目的二进制位。 这样，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。每条磁道又被逻辑上划分成若干个扇区(sectors)，软盘大约为 8～32 个扇区，硬盘则可多达数百个，图中显示了一个磁道分成 8 个扇区。一个扇区称为一个盘块(或数据块)，常常叫做磁盘扇区。各扇区之间保留一定的间隙。
  • ​
  • 磁盘上存储的物理记录块数目是由扇区数、磁道数以及磁盘面数所决定的。
  • 为了在磁盘上存储数据，必须先将磁盘低级格式化。下图示出了一种温盘(温切斯特盘)中一条磁道格式化的情况。
  • ​
  • 其中每条磁道含有 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。
  • 每个扇区包括两个字段：
    • 标识符字段(ID Field)，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(Track)、 磁头号(Head #)及扇区号(Sector #)三者来标识一个扇区；CRC 字段用于段校验。
    • 数据字段(Data Field)，其中可存放 512 个字节的数据。
  • 但是，在真正可以使用磁盘前，还需要对磁盘进行一次高级格式化，即设置一个引导块、空闲存储管理、根目录和一个空文件系统，同时在分区表中标记该分区所使用的文件系统。
• 磁盘的类型
  • 对磁盘，可以从不同的角度进行分类。最常见的有：将磁盘分成硬盘和软盘、单片盘和多片盘、固定头磁盘和活动头(移动头)磁盘等。
    • 固定头磁盘。在每条磁道上都有一读/写磁头，所有的磁头都被装在一刚性磁臂中。这种结构的磁盘主要用于大容量磁盘上。
    • 移动头磁盘。每一个盘面仅配有一个磁头，也被装入磁臂中。为能访问该盘面上的所有磁道，该磁头必须能移动以进行寻道。广泛应用于中小型磁盘设备中，在微型机上配置的温盘和软盘都采用移动磁头结构。
• 磁盘访问时间
  • 寻道时间 Ts，这是指把磁臂(磁头)移动到指定磁道上所经历的时间。
  • 旋转延迟时间 Tr，这是指定扇区移动到磁头下面所经历的时间。
  • 传输时间 Tt，这是指把数据从磁盘读出或向磁盘写入数据所经历的时间。

早期的磁盘调度算法

由于在访问磁盘的时间中，主要是寻道时间，因此，磁盘调度的目标是使磁盘的平均寻道时间最少。

• 先来先服务 FCFS
  • 根据进程请求访问磁盘的先后顺序进行调度，此算法的优点是公平、简单，且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。但此算法由于未对寻道进行优化，致使平 均寻道时间可能较长

  • 初始位置	100
    磁道编号	移动距离
    55	45
    58	3
    39	19
    18	21
    90	72
    160	70
    150	10
    38	112
    184	146
    平均寻道长度	55.3

• 最短寻道时间优先
  • 该算法选择这样的进程：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。但这种算法不能保证平均寻道时间最短。

  • 初始位置	100
    磁道编号	移动距离
    90	10
    58	32
    55	3
    39	16
    38	1
    18	20
    150	132
    160	10
    184	24
    平均寻道长度	27.5

基于扫描的磁盘调度算法

• 扫描(SCAN)算法（电梯算法）
  • 扫描算法不仅考虑到欲访问的磁道与当前磁道间的距离，更优先考虑的是磁头当前的移动方向。例如，当磁头正在自里向外移动时，SCAN 算法所考虑的下一个访问对象，应是其欲访问的磁道既在当前磁道之外，又是距离最近的。这样自里向外地访问，直至再无更外的磁道需要访问时，才将磁臂换向为自外向里移动。这时，同样也是每次选择这样的进程来调度，即要访问的磁道在当前位置内且距离最近者。
  • 由于在这种算法中磁头移动的规律颇似电梯的运行，因而又常称之为电梯调度算法。

  • 初始位置	100
    磁道编号	移动距离
    150	50
    160	10
    184	24
    90	94
    58	32
    55	3
    39	16
    38	1
    18	20
    平均寻道长度	27.5

• 循环扫描(CSCAN)算法
  • 循环扫描算法是对扫描算法的改进。如果对磁道的访问请求是均匀分布的，当磁头到达磁盘的一端，并反向运动时落在磁头之后的访问请求相对较少。这是由于这些磁道刚被处理，而磁盘另一端的请求密度相当高，且这些访问请求等待的时间较长，为了解决这种情况，循环扫描算法规定磁头单向移动。例如，只自里向外移动，当磁头移到最外的被访问磁道时，磁头立即返回到最里的欲访磁道，即将最小磁道号紧接着最大磁道号构成循环，进行扫描。