熊猫圈里的老鼠屎

输I/O管理

7/29/2022 可恶的408

IO管理概述

设备

  • 设备分类

交换单位分类

  1. 块设备
  2. 字符设备

传输速率分类

  1. 低速
  2. 中速
  3. 高速
  • IO接口

位于CPU与设备之间，与CPU和设备通信，执行CPU发来的命令，控制设备工作

  1. 设备控制器和CPU接口
  2. 设备控制器和设备接口
  3. IO逻辑
  • IO端口

设备控制器里可以直接被CPU访问的寄存器

  1. 数据寄存器
  2. 状态寄存器
  3. 控制寄存器

为实现通信

  1. 独立编址
  2. 统一编址

IO控制方式

  • 程序直接控制方式
  • 中断驱动方式
  • DMA方式
  • 通道控制方式

IO软件层次结构

  1. 用户层IO软件，实现与用户交互的接口，用户可以直接调用在用户层提供的、与IO操作相关的有关库函数，对设备进行操作
  2. 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、设备命令、设备保护和设备分配与释放等。同时为设备管理和数据传输提供必要的传输空间。设备独立性也称设备无关性，使得应用程序独立于具体使用的物理设备。引入逻辑设备概念；在驱动程序上设置一层设备独立软件，执行所有共有操作（设备分配与回收、设备名映射、设备保护、缓冲区管理、差错控制、提供逻辑块...）、向用户曾提供统一接口；
  3. 设备驱动程序，与硬件直接相关，负责具体实现系统对设备发出的操作命令，驱动IO设备工作；每类设备一个驱动程序，向上层用户程序提供一组标准接口，设备具体差别被设备驱动程序封装，用于接收上层抽象的IO请求，转换为具体请求，发送给设备控制器，控制IO设备；也将设备控制器发来的信号传送给上层软件，为IO内核子系统隐藏设备控制器间的差异；
  4. 中断处理程序，....
  5. 硬件

应用程序IO接口

IO系统与高层接口，根据设备类型又分为好多接口

  1. 字符设备接口
  2. 块设备接口
  3. 网络设备接口
  4. 阻塞/非阻塞IO

设备独立软件

与设备无关的软件

IO系统最高层软件，下层是设备驱动程序，包含所有设备公共操作的软件

高速缓存和缓冲区

  1. 磁盘钙塑缓存Disk Cache，用内存中的存储空间暂存从磁盘读出来的一系列盘块中的信息，逻辑上属于磁盘，物理上是驻留在内存中盘块
  2. 缓冲区
  • 单缓冲，MAX(C,T)+MMAX(C,T)+M
  • 双缓冲，MAX(T,C+M)MAX(T,C+M)
  • 循环缓冲，多个大小相等的缓冲区，每个缓冲区有一个链接指针指向下一个缓冲区，最后一个缓冲区指向第一个缓冲区，in/out指针，
  • 缓冲池，空缓冲队列、装满输入数据的缓冲队列（输入队列）、装满输出数据的缓冲对略（输出队列），四种缓冲区，收容输入数据、提取输入数据、收容输出数据、提取输出数据的工作缓冲区

设备的分配和回收

  1. 概述

设备分配时根式用户的IO请求分配所需的设备，原则充分发挥设备使用效率、尽可能忙碌、避免死锁

  • 独占式设备
  • 分时式共享
  • SPOOLing
  1. 设备分配的数据结构
  • 设备控制表Device Control Table，一个DCT表示一个设备，表项为设备的属性，含指向COCT指针
  • 控制器控制表Controller Control Table，有一个表项存放相应的CHCT，
  • 通道控制表Channel Control Table，含一个指针，指向控制器控制表链表，COCT和CHCT为多对1
  • 系统设备表System Device Table，一个系统一张，记录连接到系统的物理设备，表项中含有DCT
  1. 分配策略
  • 原则，发挥效率、避免死锁、隔离用户程序和具体设备
  • 方式，静态和动态
  • 算法。静态和动态（先请求先分配、优先级）
  1. 安全性

是否防止发生死锁

  • 安全分配
  • 不安全分配
  1. 逻辑设备到物理设备的映射

逻辑设备表Logical Unit Table，表项包含逻辑设备名、物理设备名、设备驱动程序入口地址；

一个系统一张或一个用户一张

SPOOLing技术

为缓和CPU高速性和IO设备低速性之间的矛盾，迎入脱机输入/输出技术，他是操作系统总采用一项独占设备改造为共享设备的技术，该技术利用了专门的外围机，将低速IO设备上的数据传到高速磁盘上，或者相反；SPOOLing技术则使用软件模拟外围机

  • 输入井和输出井，磁盘开辟两个区域、模拟脱机输入/输出时的磁盘，一个进程的输入（出）数据保存为一个文件，所有进程的输入（出）数据i按揭成一个文件输入（出）链表；
  • 输入缓冲区和输出缓冲区，内存中开辟的两个缓冲区，暂存输入设备送来的数据，之后送到输入井；暂存输出井的送来的数据，以后再送到输出设备
  • 输入进程和输出进程，模拟脱机输入/输出时的外围控制机，要求输入设备将数据经过输入缓冲区送到输入井，CPU需要输入数据时，从输入井中读入内存；用户要求输出数据先从内存送到输出井，带输出设备空闲时，将输出井中的数据从输出缓冲区送到输出设备

设备驱动程序接口

操作系统定义一组驱动程序必须支持的函数！每个驱动程序标准不统一很烦； 驱动程序中一般有含有一张表格，表格具有针对这些函数指向驱动程序自身的指针； 装在驱动程序，操作系统记录这个函数指针表的地址，操作系统需要调用一个函数，可以通过这张表格间接调用

磁盘和固态硬盘

磁盘

  • 磁头
  • 磁道
  • 扇区
  • 磁头臂、主轴、IO电子设备
  • “柱面号·扇面号·扇区号”

盘子转来转去，磁头挪来挪去

磁盘管理

  1. 磁盘初始化，低级格式化（物理格式化），分扇区、使用特殊的数据结构填充磁盘（头部、数据区域512/256B、尾部，头尾包含磁盘控制信息）；
  2. 分区，在存储前，操作系统要将自己的数据结构记录在磁盘上，第一步，把磁盘分为一个或多个柱面组成的分区，每个分区的ishi扇区和大小都记录在磁盘的主引导记录分区表里；第二步，对物理分区进行逻辑格式化（创建文件系统），操作系统将文件系统的数据结构存储到磁盘上，包括一些空闲分区和已分配分区和一个初始的空目录；扇区好几个合成簇
  3. 引导块，计算机启动时要运行一个初始化程序（自举程序），初始化CPU、寄存器、设备控制器和内存等。再启动操作系统。自举程序找到磁盘上的操作系统的内核，把他加载到内存，并转到起始地址，从而开始操作系统的运行；自举程序通常放在ROM中，为了便于修改，通常只在ROM保留很小一部分的自举装入程序，完整功能的引导块保存在磁盘的启动块上；具有启动分区的磁盘叫做启动磁盘或系统磁盘；
  4. 坏块，标记不用，备用替换

磁盘调度算法

  • 寻道时间，磁头挪挪挪的时间
  • 旋转延迟时间，磁头定位到扇区（扇区转到磁头下面）
  • 传输时间，读出或写入的时间，磁盘转转砖的时间
  1. 先来先服务First Come First Service
  2. 最短寻道时间优先Shortest Seek Time First
  3. 扫描SCAN，坐电梯，必须做到楼顶和楼底才能换方向
  4. 循环扫描CircularSCAN，C-SCAN算法，楼顶楼底互通，
  5. LOOK算法，改进SCAN，不做到楼顶就可以向下
  6. C-LOOK算法，间接C-SCAN，不用到楼顶再通到楼底可以直接穿过
  • 交替编号，对扇区，转一个读一个处理一会，处理完继续读下一个，刚好！
  • 错位命名，对盘面，一个盘转完，刚好读下一个盘

固态硬盘

  1. 特性

与U盘无本质差别，一个SSD由一个或多个闪存芯片（替代机械驱动器）和闪存翻译层接口（将CPU的逻辑块读写请求翻译成对底层设备的读写控制型号，磁盘控制器）组成

数据以页为单位读写，只有一页所属的块被擦除了才能写，一旦擦除可以直接再写，若干次重复写后，就会磨损坏，不能再使用

随机写很慢（但还是比传统快），原因是擦除比较慢，比访问高了一个数量级，试图修改一个包含数据的，这个块中的所有含有数据的页都必须被复制到一个新（擦除过）的块，才能对那一页写；

  1. 磨损均衡

闪存擦写有寿命，大约为几百到几千次；

  • 动态磨损均衡，写入数据时选择一块比较新的闪存块，老的歇一歇
  • 静态磨损均衡，更先进，没有数据写入，SSD也会自动进行数据分配，让老的闪存块无需承担写数据的存储任务，让新的存储块腾空间