操作系统---I/O核心子系统与磁盘

1. I/O核心子系统

1.1 I/O调度

• 所谓I/O调度，即：用某种算法来确定一个好的顺序来处理各个I/O请求
• 如：各种磁盘调度算法（下节介绍），当多个磁盘I/O请求到来时，用某种调度算法确定满足I/O请求的顺序
• 同理，打印机等设备也可以用先来先服务算法、优先级算法、短作业优先等算法来确定I/O调度顺序

1.2 设备保护

• 操作系统实现了文件保护功能，不同的用户对各个文件有不同的访问权限（如：只读、读和写等）
• 在一些操作系统中，设备被看做是一种特殊的文件，每个设备也会有其对应的FCB。当用户请求访问某个设备时，系统根据FCB中的信息来判断该用户是否有相应的访问权限，以此实现“设备保护”的功能
• 简单概括，用文件保护的方式来实现设备保护

1.3 假脱机技术（SPOOLing技术）

1.3.1 什么是脱机技术

• 在手工操作阶段，主机直接从I/O设备获得数据，由于设备速度慢，主机速度很快。人机速度矛盾明显，主机要浪费很多时间来等待设备，如下：

• 于是在批处理阶段，引入了脱机输入/输出技术（用磁带完成）

• 引入脱机技术后，缓解了CPU与慢速I/O设备的速度矛盾。另一方面，即使CPU在忙碌，也可以提前将数据输入到磁盘；即使慢速的输出设备正在忙碌，也可以提前将数据输出到磁盘
• Tips：为什么称为“脱机” — — 脱离主机的控制进行的输入/输出操作

1.3.2 假脱机技术的原理

• 虽然脱机技术能缓解CPU与慢速I/O设备的速度矛盾，但其需要额外的物理设备（如磁盘）以及繁琐的操作，于是人们就引入了假脱机技术，使其能仅在一台计算机内就实现内外I/O操作
• 假脱机技术，又称SPOOLing技术，是用软件的方式模拟脱机技术。

SPOOLing系统由输入和输出井、输入和输出进程以及输入和输出缓冲区组成，除了输入和输出井是在磁盘上，其余都是在内存上，具体如下：

SPOOLing技术与脱机技术的对应关系：

1.3.3 共享打印机原理

• 总结来说，就是在磁盘的输出井内，为每个要使用打印机资源的用户进程各自开辟一部分空间，用于存储其各自要打印的数据（这就是逻辑上虚拟成多台设备），此时打印机对于用户进程的请求都是同意的，于是欺骗了进程，也就是欺骗了用户，从而实现共享

1.3.4 总结

1.4 设备的分配与回收

1.4.1 考虑的因素

固有属性可分三种：独占设备、共享设备、虚拟设备

• 独占设备 — — 一个时段只能分配给一个进程（如打印机）
• 共享设备 — — 可同时分配给多个进程使用（如磁盘），各进程往往是宏观上同时共享使用设备，而微观上交替使用
• 虚拟设备 — — 采用SPOOLing技术将独占设备改造成虚拟的共享设备，可同时分配给多个进程使用（如采用SPOOLing技术实现的共享打印机）

分配算法：先来先服务、优先级高者优先、短任务优先

从安全性上考虑，设备分配有两种方式：

1.4.2 静态分配和动态分配

• 静态分配：进程运行前为其分配全部所需资源，运行结束后归还资源（破坏了“请求和保持”条件，不会发生死锁）
• 动态分配：进程运行过程中动态申请设备资源（可能发生死锁）

1.4.3 设备分配管理中的数据结构

Ⅰ 设备控制表

设备控制表（Device Control Table — — DCT）：系统为每个设备配置一张DCT，用于记录设备情况

Ⅱ 控制器控制表

控制器控制表（Controller Control Table — — COCT）：每个设备控制器都会对应一张COCT，操作系统根据COCT的信息对控制器进行操作和管理

Ⅲ 通道控制表

通道控制表（Channel Control Table — — CHCT）：每个通道都会对应一张CHCT，操作系统根据CHCT的信息对通道进行操作和管理

Ⅳ 系统设备表

系统设备表（System Device Table — — SDT）：记录了系统中全部设备的情况，每个设备对应一个表目

Ⅴ 梳理

1.4.4 设备分配的步骤

• 1. 根据进程请求的物理设备名查找SDT（注：物理设备名是进程请求分配设备时提供的参数）
• 2. 根据SDT找到DCT，若设备忙碌则将进程PCB挂到设备等待队列中，不忙碌则将设备分配给进程
• 3. 根据DCT找到COCT，若控制器忙碌则将进程PCB挂到控制器等待队列中，不忙碌则将控制器分配给进程
• 4. 根据COCT找到CHCT，若通道忙碌则将进程PCB挂到通道等待队列中，不忙碌则将通道分配给进程

注意：只有设备、控制器、通道三者都分配成功时，这次设备分配才算成功，之后便可启动I/O设备进行数据传送

缺点：

• 1. 用户编程必须使用“物理设备名”，底层细节对用户步透明，不方便编程
• 2. 若换了一个物理设备，则程序无法运行
• 3. 若进程请求的物理设备正在忙碌，则即使系统中还有同类型的设备，进程也必须阻塞等待

改进：建立逻辑设备名与物理设备名的映射机制，用户编程时只需提供逻辑设备名

1.4.5 设备分配步骤的改进

• 逻辑设备表（LUT）建立了逻辑设备名与物理设备名之间的映射关系
• 某用户进程第一次使用设备时使用逻辑设备名向操作系统发出请求，操作系统根据用户进程指定的设备类型（逻辑设备名）查找系统设备表，找到一个空闲设备分配给进程，并在LUT中增加相应表项
• 如果之后用户进程再次通过相同的逻辑设备名请求使用设备，则操作系统通过LUT表即可知道用户进程实际要使用的是哪个物理设备了，并且也能知道该设备的驱动程序入口地址

1.4.6 总结

1.5 缓冲区管理

1.5.1 何为缓冲区？有何作用？

• 缓冲区是一个存储区域，可以由专门的硬件寄存器组成，也可利用内存作为缓冲区
• 使用硬件作为缓冲区的成本较高，容量也较小，一般仅用在对速度要求非常高的场合（如内存管理中所用的联想寄存器 — — 快表，由于对页表的访问频率极高，因此使用速度很快的快表来存放页表项的副本）
• 一般情况下，更多的是用内存作为缓冲区，“设备独立性软件”的缓冲区管理就是要组织管理好这些缓冲区

1.5.2 缓冲策略

前提引入：

• 1. 无论是哪种缓冲策略，当缓冲区数据非空时，不能往缓冲区冲入数据，只能从缓冲区把数据传出；当缓冲区为空时，可以往缓冲区冲入数据，但必须把缓冲区充满以后，才能从缓冲区把数据传出。若题目没有特别说明，一个缓冲区的大小就是一个块
• 2. 常考题型：计算每处理一块数据平均需要多久？
• 3. 技巧：假定一个初始状态，分析下次到达相同状态需要多少时间，这就是处理一块数据平均所需时间
• 4. 工作区：用户进程的内存空间中，会分出一片工作区来接受输入/输出数据（一般也默认工作区大小与缓冲区相同）

Ⅰ 单缓冲

采用单缓冲的策略，操作系统会在主存中为其分配一个缓冲区，如下所示：

假定初始状态：工作区满，缓冲区空

① 当 T > C（输入 > 处理）时，此时处理一块数据平均用时 = T + M

② 当 T < C（输入 < 处理）时，平均用时 = C + M

综上：采用单缓冲策略，处理一块数据平均耗时为 Max（C，T）+ M

Ⅱ 双缓冲

采用双缓冲策略，操作系统会在主存中为其分配两个缓冲区，如下所示：

假定初始状态为：工作区空，其中一个缓冲区满，另一个缓冲区空

① 当 T > C + M（输入 > 处理 + 传送），平均用时 = T

② 当 T < C + M （输入 < 处理 + 传送），平均用时 = C + M

综上：采用双缓冲策略，处理一个数据块的平均耗时为 Max（T，C + M）

Ⅲ 单/双缓冲在通信时的区别

单缓冲：

双缓冲：

Ⅳ 循环缓冲区

Ⅴ 缓冲池

• 缓冲池由系统中共用的缓冲区组成。这些缓冲区按使用状况可以分为：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队列（输出队列）
• 另外，根据一个缓冲区在实际运算中扮演的功能不同，又设置了四种工作缓冲区：用于收容输入数据（hin）、用于提取输入数据（sin）、用于收容输出数据（hout）、用于提取输出数据（sout）

有四种情况：

• 1. 输入进程请求输入数据

• 2. 计算进程想要取得一块输入数据

• 3. 计算进程想要将准备好的数据冲入缓冲区

• 4. 输出进程请求输出数据

1.5.3 总结

2. 磁盘

2.1 磁盘的结构

2.2 磁盘调度

2.2.1 一次磁盘读/写操作需要的时间

综上，操作系统只能通过控制寻道时间（利用不同的磁盘调度算法）来影响一次磁盘I/O的时间

2.2.2 磁盘调度算法

Ⅰ 先来先服务（FCFS）

FCFS：根据进程请求访问磁盘的先后顺序进行调度

Ⅱ 最短寻找时间优先（SSTF）

SSTF：优先处理的磁道是与当前磁头最近的磁道。可以保证每次的寻道时间最短，但是并不能保证总的寻道时间最短。（贪心算法的思想，只是选择眼前最优，但是总体未必最优）

Ⅲ 扫描算法（SCAN）

SSTF会产生饥饿的原因在于：磁头有可能在一个小区域内循环往复地移动。为了防止这个问题，引入了SCAN算法。

SCAN：只有磁头移动到最外侧磁道的时候才能往内移动，移动到最内测磁道的时候才能往外移动。由于磁头移动的方式很像电梯，因此也叫电梯算法

改进 — — LOOK调度算法：

Ⅳ 循环扫描算法（C-SCAN）

SCAN算法对于各个位置磁道的响应频率不平均，于是引入了C-SCAN算法

C-SCAN：规定只有磁头朝某个特定方向移动时才处理磁道访问请求，而返回时直接快速移动至起始端而不处理任何请求

改进 — — C-LOOK调度算法：

2.2.3 总结

2.3 减少延迟时间的方法

2.3.1 具体方法

① 交替编号：

② 错位命名：

2.3.2 磁盘地址结构的设计

2.3.3 总结

2.4 磁盘的管理

2.4.1 磁盘初始化

2.4.2 引导块

2.4.3 坏块的管理

2.4.4 总结

2.5 固态硬盘（SSD）

2.5.1 内部结构

2.5.2 重点记忆

2.5.3 理想情况下，固态硬盘的寿命

至此，操作系统完结撒花！！！

参考：《王道计算机考研 操作系统》
bilibili: https://www.bilibili.com/video/av70156862