I/O管理基礎(chǔ)

設(shè)備的分類(lèi)

按使用特性：

存儲(chǔ)設(shè)備：又稱(chēng)為外存、輔存

I/O設(shè)備：輸入設(shè)備（鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、掃描儀、視頻攝像等）、輸出設(shè)備（打印機(jī)、繪圖儀）、交互式設(shè)備（顯示器）

按傳輸速率：

低速設(shè)備：鍵盤(pán)鼠標(biāo)

中速設(shè)備：行式打印機(jī)、激光打印機(jī)

高速設(shè)備：磁帶機(jī)、磁盤(pán)機(jī)、光盤(pán)機(jī)

按信息交換的單位分類(lèi)：

塊設(shè)備（傳輸快，可尋址）

字符設(shè)備（傳輸慢，不可尋址，常采用中斷控制方式）

I/O設(shè)備的電子部件（控制器）又稱(chēng)設(shè)備控制器。

功能有：

接受和識(shí)別CPU發(fā)來(lái)的命令。CPU發(fā)來(lái)的讀寫(xiě)命令，I/O控制器會(huì)有相應(yīng)的控制寄存器存放命令和參數(shù)

向CPU報(bào)告設(shè)備的狀態(tài)。I/O控制器中會(huì)有相應(yīng)的狀態(tài)管理器，用于記錄I/O設(shè)備的當(dāng)前狀況，1表空閑，0表忙碌

數(shù)據(jù)交換。I/O控制器會(huì)設(shè)置相應(yīng)的數(shù)據(jù)寄存器。輸出時(shí)，數(shù)據(jù)寄存器用于暫存CPU發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，之后再由控制器傳送設(shè)備。輸入時(shí)，數(shù)據(jù)寄存器用于暫存設(shè)備發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，之后CPU從數(shù)據(jù)寄存器中取走數(shù)據(jù)。

地址識(shí)別。為了區(qū)分設(shè)備控制器中的各個(gè)寄存器，也需要給每個(gè)寄存器設(shè)置一個(gè)特定的地址。I/O控制器通過(guò)CPU提供的地址來(lái)判斷CPU要讀/寫(xiě)的時(shí)哪個(gè)寄存器。

組成有CPU與控制器的接口，如寄存器。I/O邏輯，負(fù)責(zé)接受和識(shí)別CPU的各種命令，并負(fù)責(zé)對(duì)設(shè)備發(fā)出命令。控制器與設(shè)備的接口。用于實(shí)現(xiàn)控制器與設(shè)備之間的通信。

Notice：

一個(gè)I/O控制器可能會(huì)對(duì)應(yīng)多個(gè)設(shè)備

數(shù)據(jù)寄存器、控制寄存器、狀態(tài)寄存器可能有多個(gè)，且這些寄存器都要有相應(yīng)的地址，才能方便CPU操作。有的計(jì)算機(jī)會(huì)讓這些寄存器占用內(nèi)存地址的一部分，稱(chēng)為內(nèi)存映像I/O。另外有一些計(jì)算機(jī)采用I/O專(zhuān)用地址，即寄存器獨(dú)立編址。

內(nèi)存映像I/O：

控制器中的寄存器與內(nèi)存地址統(tǒng)一編址。優(yōu)點(diǎn)時(shí)簡(jiǎn)化了命令，可以采用對(duì)內(nèi)存進(jìn)行操作的指令來(lái)對(duì)控制器進(jìn)行操作。

寄存器獨(dú)立編址：

控制器中的寄存器使用單獨(dú)地址。缺點(diǎn)L需要設(shè)置專(zhuān)門(mén)的指令來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)控制器的操作，不僅要指明寄存器的地址，還要指明控制器的編號(hào)。

I/O系統(tǒng)接口

塊設(shè)備接口(磁盤(pán)）、流設(shè)備接口（鍵盤(pán)）、網(wǎng)絡(luò)通信接口（網(wǎng)絡(luò)控制器）

阻塞I/O：應(yīng)用程序發(fā)出I/O系統(tǒng)調(diào)用，進(jìn)程需轉(zhuǎn)為阻塞態(tài)等待。字符設(shè)備接口--從鍵盤(pán)讀一個(gè)字符get

非阻塞I/O：應(yīng)用程序發(fā)出I/O系統(tǒng)調(diào)用，系統(tǒng)調(diào)用可迅速返回，進(jìn)程無(wú)需阻塞等待。塊設(shè)備接口--往磁盤(pán)寫(xiě)數(shù)據(jù)

不同的操作系統(tǒng)，對(duì)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序接口的標(biāo)準(zhǔn)不相同。設(shè)備廠商必須根據(jù)操作系統(tǒng)的要求，開(kāi)發(fā)出相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，設(shè)備才能被使用。

?

I/O控制方式

輪詢方式：過(guò)程簡(jiǎn)單，CPU利用率低

CPU發(fā)出命令后需要不斷輪詢，每次傳輸字。數(shù)據(jù)流向是從設(shè)備->CPU->內(nèi)存、內(nèi)存->CPU->設(shè)備。

中斷驅(qū)動(dòng)I/O方式：以字（節(jié)）為單位進(jìn)行I/O，提高CPU利用率。

CPU發(fā)出I/O命令后可以做其他事，本次I/O完成后設(shè)備控制器發(fā)出中斷信號(hào)。數(shù)據(jù)流向是從設(shè)備->CPU->內(nèi)存、內(nèi)存->CPU->設(shè)備。

?

DMA方式：在I/O設(shè)備和內(nèi)存之間開(kāi)辟直接數(shù)據(jù)通路，數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕締挝皇菙?shù)據(jù)塊，提高CPU和I/O設(shè)備的并行操作程序。

CPU發(fā)出I/O命令后可以做其他事，本次I/O完成后，DMA控制器發(fā)出中斷信號(hào)。數(shù)據(jù)傳輸方向是設(shè)備->內(nèi)存，內(nèi)存->設(shè)備。

I/O通道方式：引入通道控制I/O設(shè)備，減少CPU的干擾

CPU發(fā)出I/O命令后可以做其他事。通道會(huì)執(zhí)行通道程序完成I/O，完成后通道向CPU發(fā)出中斷信號(hào)，數(shù)據(jù)傳輸單位是一組塊。數(shù)據(jù)傳輸方向是設(shè)備->內(nèi)存，內(nèi)存->設(shè)備。

I/O軟件層次結(jié)構(gòu)

用戶層I/O軟件

用戶層軟件實(shí)現(xiàn)了與用戶交互的接口，用戶可以直接使用該層提供的、與I/O操作相關(guān)的庫(kù)函數(shù)對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作。用戶層軟件將用戶請(qǐng)求翻譯成格式化的I/O請(qǐng)求，并通過(guò)“系統(tǒng)調(diào)用”請(qǐng)求操作系統(tǒng)內(nèi)核的服務(wù)

設(shè)備獨(dú)立軟件

又稱(chēng)設(shè)備無(wú)關(guān)系軟件。主要功能是向上層提供同一個(gè)調(diào)用接口（有點(diǎn)像是虛擬設(shè)備），實(shí)現(xiàn)設(shè)備的保護(hù)，差錯(cuò)處理，設(shè)備的分配與回收，數(shù)據(jù)緩沖區(qū)管理（可以通過(guò)緩沖技術(shù)屏蔽設(shè)備之間數(shù)據(jù)交換單位大小和傳輸速度的差異），建立邏輯設(shè)備名到物理設(shè)備名的映射關(guān)系。根據(jù)設(shè)備類(lèi)型選擇調(diào)用相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序。邏輯設(shè)備名比如打印機(jī)1，打印機(jī)2等。設(shè)備獨(dú)立性軟件通過(guò)邏輯設(shè)備表（LUT），來(lái)確定邏輯設(shè)備對(duì)應(yīng)的物理設(shè)備，并找到該設(shè)備對(duì)應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。

操作系統(tǒng)可以采用2種方式管理邏輯設(shè)備表。

1.整個(gè)系統(tǒng)只設(shè)置一張LUT，意味著所有用戶不能使用相同的邏輯設(shè)備名，因此只適應(yīng)與單用戶操作系統(tǒng)。

2.每個(gè)用戶設(shè)置一張LUT，各個(gè)用戶使用的邏輯設(shè)備名可以重復(fù)，適用于多用戶操作系統(tǒng)。系統(tǒng)會(huì)在用戶登錄時(shí)建立一個(gè)用戶管理進(jìn)程，LUT就存放在用戶管理進(jìn)程的PCB中。

不同設(shè)備的內(nèi)部硬件特性也不同，這些特性只有廠商才知道，因此廠家需提供與設(shè)備相對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，CPU執(zhí)行驅(qū)動(dòng)程序的指令序列，來(lái)完成設(shè)置設(shè)備寄存器，檢查設(shè)備狀態(tài)等工作。

設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序

主要負(fù)責(zé)對(duì)硬件設(shè)備的具體控制，將上層發(fā)出的一系列命令轉(zhuǎn)化成特定設(shè)備能聽(tīng)得懂的一系列操作。包括設(shè)置設(shè)備寄存器，檢查設(shè)備狀態(tài)。

中斷處理程序

I/O完成時(shí)，I/O控制器會(huì)發(fā)送一個(gè)中斷信號(hào)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)中斷信號(hào)類(lèi)型找到相應(yīng)的中斷處理程序并執(zhí)行。

?

硬件

越上面越接近用戶，每一層會(huì)利用下層提供的服務(wù)，實(shí)現(xiàn)某些功能，并屏蔽實(shí)現(xiàn)的具體細(xì)節(jié)，向高層提供服務(wù)（“封裝思想”）。

設(shè)備獨(dú)立軟件、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、中斷處理程序?qū)儆诓僮飨到y(tǒng)的內(nèi)核部分，也就是I/O系統(tǒng)。

需要重點(diǎn)理解和掌握的是：I/O調(diào)度、設(shè)備保護(hù)、假脫機(jī)技術(shù)（SPOOLing技術(shù)），設(shè)備分配與回收、緩沖區(qū)管理。

理解并記住I/O軟件各個(gè)層次之間的順序，要能夠推理判斷某個(gè)處理應(yīng)該時(shí)在哪個(gè)層次完成的，最常考的時(shí)設(shè)備獨(dú)立性軟件、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。直接涉及到硬件具體細(xì)節(jié)，且與中斷無(wú)關(guān)的操作肯定是在設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?qū)油瓿傻摹](méi)有涉及到硬件的，對(duì)各種設(shè)備都需要進(jìn)行管理的都是設(shè)備獨(dú)立性軟件層完成的。

?

?

設(shè)備獨(dú)立軟件

緩沖區(qū)分類(lèi)

緩沖區(qū)是一個(gè)存儲(chǔ)區(qū)域，可以由專(zhuān)門(mén)的硬件寄存器組成，可以用內(nèi)存。使用硬件的話成本高，容量也小。只用在對(duì)速度要求高的場(chǎng)合。一般情況下是利用內(nèi)存作為緩沖區(qū)。

緩沖區(qū)的作用：緩和CPU和I/O設(shè)備之間速度不匹配的矛盾，減少對(duì)CPU的中斷頻率，放寬對(duì)CPU中斷相應(yīng)時(shí)間的限制，解決數(shù)據(jù)粒度不匹配的問(wèn)題（輸出進(jìn)程每次可以生成一塊數(shù)據(jù)，但I(xiàn)/O設(shè)備每次只能輸出一個(gè)字符）。提高CPU與I/O設(shè)備之間的并行性。

設(shè)備輸入時(shí)間T、緩沖區(qū)傳輸時(shí)間M、工作區(qū)處理時(shí)間C

緩沖區(qū)的大小一般為一個(gè)塊

當(dāng)緩沖區(qū)數(shù)據(jù)非空時(shí)，不能往緩沖區(qū)沖入數(shù)據(jù)，只能從緩沖區(qū)把數(shù)據(jù)傳出；當(dāng)緩沖區(qū)為空時(shí)，可以往緩沖區(qū)沖入數(shù)據(jù)，但必須把緩沖區(qū)充滿以后，才能從緩沖區(qū)把數(shù)據(jù)傳出。

用戶進(jìn)程的內(nèi)存空間中，會(huì)分出一片工作區(qū)來(lái)接受輸入輸出數(shù)據(jù)（一般也默認(rèn)工作區(qū)大小與緩沖區(qū)相同）

計(jì)算沒(méi)處理一塊數(shù)據(jù)的平均需要多久，可以假定一個(gè)初始狀態(tài)，分析下次到達(dá)相同狀態(tài)需要多少時(shí)間，這就是處理一塊數(shù)據(jù)平均所需時(shí)間?？梢约僭O(shè)初始狀態(tài)為工作區(qū)滿，緩沖區(qū)空。

單緩沖區(qū)：處理一塊數(shù)據(jù)的時(shí)間為max（C，T）+M

雙緩沖區(qū)：處理一塊數(shù)據(jù)的時(shí)間為max（C+M，T）

環(huán)形緩沖區(qū)：引入多緩沖機(jī)制

緩沖池：三個(gè)隊(duì)列，四種工作緩沖區(qū)

緩沖池由系統(tǒng)中共用的緩沖區(qū)組成，按使用情況可以分為：空緩沖隊(duì)列、裝滿輸入數(shù)據(jù)的緩沖隊(duì)列（輸入隊(duì)列），裝滿輸出數(shù)據(jù)的緩沖隊(duì)列（輸出隊(duì)列）

根據(jù)一個(gè)緩沖區(qū)再實(shí)際運(yùn)算中扮演的功能不同，又設(shè)置了四種工作緩沖區(qū)，用于收容輸入數(shù)據(jù)的工作緩沖區(qū)（hin）、用于提取輸入數(shù)據(jù)的工作緩沖區(qū)（sin）、用于收容輸出數(shù)據(jù)的工作緩沖區(qū)（hout）、用于提取輸出數(shù)據(jù)的工作緩沖區(qū)（sout）

輸入進(jìn)程請(qǐng)求輸入數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)從空緩沖隊(duì)列取下一塊緩沖區(qū)，放到hin中。裝滿后放回輸入隊(duì)列。

計(jì)算進(jìn)程要取得一塊數(shù)據(jù)時(shí)，從輸入隊(duì)列取下一塊放入sin中，提取完后放回空緩沖隊(duì)列中

計(jì)算進(jìn)程想要將準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)沖入緩沖區(qū)，從空緩沖隊(duì)列中取下一塊緩沖區(qū)，放入hout中，裝滿后放入輸出隊(duì)列中

輸出進(jìn)程請(qǐng)求輸出數(shù)據(jù)時(shí)，從輸出隊(duì)列取下一塊放入sout中，等輸出完后放回空緩沖隊(duì)列中。

?

兩臺(tái)機(jī)器之間通信時(shí)，可以配置緩沖區(qū)用于數(shù)據(jù)的發(fā)送和接受。a機(jī)緩沖區(qū)慢時(shí)就發(fā)出，b機(jī)緩沖區(qū)滿時(shí)全部取走。

?

設(shè)備分配與回收

設(shè)備分配的時(shí)候應(yīng)該考慮的因素：

設(shè)備的固有屬性、設(shè)備分配算法、設(shè)備分配中的安全性

固有屬性：獨(dú)占設(shè)備、共享設(shè)備、虛擬設(shè)備

設(shè)備分配算法：先來(lái)先服務(wù)、優(yōu)先級(jí)高者優(yōu)先

設(shè)備分配的安全性：

安全性分配：為進(jìn)程分配一個(gè)設(shè)備后就將進(jìn)程阻塞，本次I/O完成后才將進(jìn)程喚醒。（考慮進(jìn)程請(qǐng)求打印機(jī)打印輸出的例子）

優(yōu)點(diǎn)：破壞了請(qǐng)求和保持條件，不會(huì)死鎖。

缺點(diǎn)：對(duì)于一個(gè)進(jìn)程來(lái)說(shuō)，CPU和I/O設(shè)備只能串行工作

不安全分配方式：進(jìn)程發(fā)出I/O請(qǐng)求后，系統(tǒng)為其分配I/O設(shè)備，進(jìn)程可繼續(xù)執(zhí)行，之后還可以發(fā)出新的I/O請(qǐng)求，只有某個(gè)I/O請(qǐng)求得不到滿足時(shí)才將進(jìn)程阻塞。

優(yōu)點(diǎn)：進(jìn)程的計(jì)算任務(wù)和I/O任務(wù)可以并行處理，使進(jìn)程迅速推進(jìn)。缺點(diǎn)：有可能發(fā)生死鎖。

靜態(tài)分配：進(jìn)程運(yùn)行前為其分配全部所需資源，運(yùn)行結(jié)束后歸還資源。破壞了請(qǐng)求和保持條件，不會(huì)發(fā)生死鎖。

動(dòng)態(tài)分配：進(jìn)程運(yùn)行過(guò)程中動(dòng)態(tài)申請(qǐng)?jiān)O(shè)備資源

設(shè)備分配數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：設(shè)備控制表、控制器控制表、通道控制表、系統(tǒng)設(shè)備表

一個(gè)通道可以控制多個(gè)設(shè)備控制器，每個(gè)設(shè)備控制器可控制多個(gè)設(shè)備。

設(shè)備控制表（DCT）系統(tǒng)為每個(gè)設(shè)備配置一張DCT，用于記錄設(shè)備情況。

屬性有設(shè)備類(lèi)型（打印機(jī)）、設(shè)備標(biāo)識(shí)符（物理設(shè)備名）、設(shè)備狀態(tài)（忙碌）、指向控制器表的指針（每個(gè)設(shè)備由一個(gè)控制器控制，該指針可找到相應(yīng)控制器的信息）、重復(fù)執(zhí)行次數(shù)或時(shí)間（當(dāng)重復(fù)執(zhí)行多次I/O操作后仍不成功，才認(rèn)為此次I/O失?。┰O(shè)備隊(duì)列的隊(duì)首指針（指向正在等待該設(shè)備的進(jìn)程隊(duì)列）

控制器控制表（COCT）每個(gè)設(shè)備控制器都會(huì)對(duì)應(yīng)一張COCT，操作系統(tǒng)根據(jù)上面的信息對(duì)控制器進(jìn)行操作和管理。

屬性有控制器標(biāo)識(shí)符（控制器唯一ID）、控制器狀態(tài)（忙碌）、指向通道表的指針（每個(gè)控制器由一個(gè)通道控制，該指針可找到相應(yīng)通道的信息）、控制器隊(duì)列的隊(duì)首指針和隊(duì)尾指針（指向正在等待該控制器的進(jìn)程隊(duì)列）

通道控制表（CHCT）每個(gè)通道都會(huì)對(duì)應(yīng)一張CHCT，操作系統(tǒng)根據(jù)CHCT的信息對(duì)通道進(jìn)行操作和管理。

屬性有通道標(biāo)識(shí)符（各個(gè)通道唯一ID）、通道狀態(tài)（忙碌）、與通道連接的控制器表首址（可通過(guò)該指針找到該通道管理的所有控制器相關(guān)信息）、通道隊(duì)列的隊(duì)首指針和隊(duì)尾指針（指向等待該通道的進(jìn)程隊(duì)列）

系統(tǒng)設(shè)備表（SDT），記錄了系統(tǒng)中全部設(shè)備的情況，每個(gè)設(shè)備對(duì)應(yīng)一個(gè)表目。

表目屬性有設(shè)備類(lèi)型（打印機(jī)），設(shè)備標(biāo)識(shí)符（物理名），DCT（設(shè)備控制表）、驅(qū)動(dòng)程序入口

設(shè)備分配步驟：

1.根據(jù)進(jìn)程請(qǐng)求的物理設(shè)備名查找SDT（系統(tǒng)設(shè)備表）

2.根據(jù)SDT找到DCT（設(shè)備控制表），若設(shè)備忙碌則將進(jìn)程PCB掛到設(shè)備等待隊(duì)列中，不忙碌再將設(shè)備分配給進(jìn)程。

3.根據(jù)DCT找到COCT，若控制器忙碌則將進(jìn)程PCB掛到控制器等待隊(duì)列，不忙碌則將控制器分配給進(jìn)程。

4.根據(jù)COCT找到CHCT，若通道忙碌則將進(jìn)程PCB掛到通道等待隊(duì)列，不忙碌則將通道分配給進(jìn)程。

只有設(shè)備、控制器、通道三者都分配成功時(shí)，這次設(shè)備才算分配成功，之后便可啟動(dòng)I/O進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

先系統(tǒng)設(shè)備表-》設(shè)備控制表-》控制器控制表-》通道控制表

缺點(diǎn)：

用戶編程時(shí)必須使用物理設(shè)備名，底層細(xì)節(jié)對(duì)用戶不透明，不方便編程。若更換看一個(gè)物理設(shè)備，程序無(wú)法運(yùn)行，若進(jìn)程請(qǐng)求的物理設(shè)備正在忙碌，即使系統(tǒng)中還有同類(lèi)型的設(shè)備，進(jìn)程也必須阻塞等待。

改進(jìn)方法：建立邏輯設(shè)備名與物理設(shè)備名的映射機(jī)制，用戶編程時(shí)只需提供邏輯設(shè)備名。

邏輯設(shè)備表建立了邏輯設(shè)備名與物理設(shè)備名之間的映射關(guān)系。如果之后用戶進(jìn)程再次通過(guò)相同的邏輯設(shè)備名請(qǐng)求使用設(shè)備，則操作系統(tǒng)通過(guò)LUT表即可知道用戶進(jìn)程實(shí)際要使用的是哪個(gè)物理設(shè)備了，并且也能知道該設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序入口地址。

整個(gè)系統(tǒng)只有一張LUT，邏輯設(shè)備名不允許重復(fù)

每個(gè)用戶一張LUT，不同用戶的邏輯設(shè)備名可重復(fù)

?

設(shè)備的回收：回收占有設(shè)備、設(shè)備控制器、通道

假脫機(jī)技術(shù)（SPOOLing）

脫機(jī)技術(shù)：脫離主機(jī)的控制，緩解了CPU與慢速I(mǎi)/O設(shè)備的矛盾

假脫機(jī)技術(shù)（spooling）用軟件的方式模擬脫機(jī)技術(shù)。

組成：輸入/輸出井（在磁盤(pán)內(nèi)開(kāi)辟兩個(gè)存儲(chǔ)區(qū)域）、輸入/輸出緩沖區(qū)（都在內(nèi)存中）、輸入/輸出進(jìn)程、井管理程序

輸入井模擬脫機(jī)輸入時(shí)的磁帶，用于收容I/O設(shè)備輸入的數(shù)據(jù)

輸出井模擬推擠輸出時(shí)的磁帶，用于收容用戶進(jìn)程輸出的數(shù)據(jù)

輸入進(jìn)程模擬脫機(jī)輸入時(shí)的外圍控制機(jī)，用于暫存從輸入設(shè)備輸入的數(shù)據(jù)，之后再轉(zhuǎn)存到輸入井中

輸出進(jìn)程模擬脫機(jī)輸出時(shí)的外圍控制機(jī)，用于暫存從輸出井中送來(lái)的數(shù)據(jù)，之后再傳送到輸出設(shè)備上。

要實(shí)現(xiàn)spooling技術(shù)，必須要有多道程序技術(shù)的支持，系統(tǒng)會(huì)建立輸入進(jìn)程和輸出進(jìn)程。

特點(diǎn)：提高I/O速度，將獨(dú)占設(shè)備改造成共享設(shè)備，實(shí)現(xiàn)虛擬設(shè)備功能。

獨(dú)占式設(shè)備：只允許各個(gè)進(jìn)程串行使用的設(shè)備。一段時(shí)間內(nèi)只能滿足一個(gè)進(jìn)程的請(qǐng)求。

共享設(shè)備：允許多個(gè)進(jìn)程同時(shí)使用的設(shè)備（宏觀上同時(shí)使用，微觀上可能時(shí)交替使用）

打印機(jī)可以利用spooling技術(shù)改造成共享設(shè)備。

多個(gè)用戶進(jìn)程提出輸出打印的請(qǐng)求時(shí)，系統(tǒng)會(huì)做2件事

在磁盤(pán)輸出井中為進(jìn)程申請(qǐng)一個(gè)空閑緩沖區(qū)（在磁盤(pán)上），并將要打印的數(shù)據(jù)送入其中。

為用戶進(jìn)程申請(qǐng)一張空白的打印請(qǐng)求表，并將用戶的打印請(qǐng)求填入表中，再將該表掛載假脫機(jī)文件隊(duì)列上。當(dāng)打印機(jī)空閑時(shí)，輸出進(jìn)程會(huì)取出一張打印請(qǐng)求表，并根據(jù)表中的要求將要打印的數(shù)據(jù)從輸出井傳送到輸出緩沖區(qū)，再輸出到打印機(jī)進(jìn)行打印。

Spooling技術(shù)可以把一臺(tái)物理設(shè)備虛擬成邏輯上的多臺(tái)設(shè)備，可將獨(dú)占式設(shè)備改造成共享式設(shè)備

設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序接口

?

外存管理

磁盤(pán)

磁盤(pán)結(jié)構(gòu)：磁盤(pán)設(shè)備可以包括一個(gè)或多個(gè)物理盤(pán)片（磁盤(pán)片），每個(gè)磁盤(pán)片分為一個(gè)或2個(gè)存儲(chǔ)面（盤(pán)面），每個(gè)盤(pán)面上有若干個(gè)磁道，每個(gè)磁道又從邏輯上被劃分成若干個(gè)扇區(qū)（盤(pán)塊），各個(gè)扇區(qū)之間留有必要的間隙

可用柱面號(hào)，盤(pán)面號(hào)，扇區(qū)號(hào)來(lái)定位任意一個(gè)磁盤(pán)塊。

可用根據(jù)該地址讀取一個(gè)塊

根據(jù)“柱面號(hào)”移動(dòng)磁臂，讓磁頭指向指定柱面。

激活指定盤(pán)面對(duì)應(yīng)的磁頭

磁盤(pán)旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中，指定的扇區(qū)會(huì)從磁頭下面劃過(guò)，這樣就完成了對(duì)指定扇區(qū)的讀寫(xiě)。

磁頭可以移動(dòng)的稱(chēng)為活動(dòng)頭磁盤(pán)，可以伸縮。磁頭不可移動(dòng)的稱(chēng)為固定磁頭磁盤(pán)。這種磁盤(pán)中每個(gè)磁道有一個(gè)磁頭。

盤(pán)片可以更換的稱(chēng)為可換盤(pán)磁盤(pán)，不可更換的稱(chēng)為固定盤(pán)磁盤(pán)。

?

低級(jí)格式化->分區(qū)->高級(jí)格式化

低級(jí)格式化（物理格式化），將磁盤(pán)的各個(gè)磁道劃分為扇區(qū)。一個(gè)扇區(qū)可分為頭、數(shù)據(jù)區(qū)域、尾三個(gè)部分組成。管理扇區(qū)所需要的各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)一般存放在頭、尾兩個(gè)部分。包括扇區(qū)校驗(yàn)碼（奇偶校驗(yàn)、CRC冗余碼）校驗(yàn)碼校驗(yàn)扇區(qū)中的數(shù)據(jù)是否錯(cuò)誤。

將磁盤(pán)分區(qū)，每個(gè)分區(qū)由若干個(gè)柱面組成（也就是C盤(pán)、D盤(pán)等）

進(jìn)行邏輯格式化，創(chuàng)建文件系統(tǒng)。包括創(chuàng)建文件系統(tǒng)的根目錄、初始化存儲(chǔ)空間管理所用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（位視圖、空閑分區(qū)表）

?

引導(dǎo)塊

計(jì)算機(jī)開(kāi)機(jī)時(shí)需要進(jìn)行一系列初始化的工作，這些初始化工作是通過(guò)執(zhí)行初始化程序（自舉程序）完成的。初始化程序可以放在ROM中。ROM中的數(shù)據(jù)出廠時(shí)就寫(xiě)入，且不能再修改，一般是集成在主板上。不過(guò)ROM中只存放很小的自舉裝入程序。開(kāi)機(jī)時(shí)先運(yùn)行自舉裝入程序，通過(guò)執(zhí)行該程序就可以找到引導(dǎo)塊，并將完整的自舉程序讀入內(nèi)存。完整的自舉程序存放在磁盤(pán)的啟動(dòng)塊（引導(dǎo)塊/啟動(dòng)分區(qū)）上，啟動(dòng)塊位于磁盤(pán)的固定位置。

?

對(duì)于壞塊，也就是無(wú)法使用的扇區(qū)。應(yīng)該將其標(biāo)記出來(lái)。

在簡(jiǎn)單的磁盤(pán)中，使用FAT表表明，壞塊對(duì)操作系統(tǒng)不透明。

在復(fù)雜的磁盤(pán)中。在出廠前進(jìn)行低級(jí)格式化時(shí)就將壞塊鏈進(jìn)行初始化。會(huì)保留一些備用扇區(qū)，用于替換壞塊，這種方案稱(chēng)為扇區(qū)備用，這種處理方式中，壞塊對(duì)操作系統(tǒng)透明。

?

一次磁盤(pán)讀寫(xiě)操作需要的時(shí)間

尋找時(shí)間、延遲時(shí)間、傳輸時(shí)間

尋找時(shí)間（尋道時(shí)間）：在讀寫(xiě)之前，將磁頭移動(dòng)到指定磁道所花費(fèi)的時(shí)間。包括啟動(dòng)磁頭臂時(shí)間s+移動(dòng)磁頭時(shí)間=跨一個(gè)磁道時(shí)間m*跨過(guò)的磁道數(shù)n

延遲時(shí)間，通過(guò)旋轉(zhuǎn)磁盤(pán)，使得磁頭定位到目標(biāo)扇區(qū)所需要的時(shí)間。設(shè)轉(zhuǎn)速為r，1/r為轉(zhuǎn)一圈的時(shí)間。平均所需時(shí)間為1/2r

傳送時(shí)間，從磁盤(pán)讀出或向磁盤(pán)寫(xiě)入數(shù)據(jù)所經(jīng)歷的時(shí)間，假設(shè)轉(zhuǎn)速為r，此次讀寫(xiě)的字節(jié)數(shù)為b，每個(gè)磁道上的字節(jié)數(shù)為n。傳輸時(shí)間=（1/r）*（b/n）

總的平均存取時(shí)間為尋道時(shí)間+1/2r+（1/r）*（b/n）

?

減少延遲時(shí)間的方法：

交替編號(hào)

讓編號(hào)相鄰的扇區(qū)在物理上不相鄰。因?yàn)樽x取完一個(gè)扇區(qū)后需要一段時(shí)間處理才可以繼續(xù)讀入下一個(gè)扇區(qū)

錯(cuò)位命名

讓相鄰盤(pán)面的扇區(qū)編號(hào)錯(cuò)位。與交替編號(hào)的原理相同。錯(cuò)位命名法可降低延遲時(shí)間。

磁盤(pán)地質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用（柱面號(hào)、盤(pán)面號(hào)、扇區(qū)號(hào)）的結(jié)構(gòu)的原因是在讀取地址連續(xù)的磁盤(pán)塊時(shí)，前者更不需要移動(dòng)磁頭。

?

磁盤(pán)調(diào)度算法：

先來(lái)先（FCFS）：按進(jìn)程請(qǐng)求訪問(wèn)磁盤(pán)的先后次序調(diào)度

好處是公平，缺點(diǎn)是性能差

最短尋道時(shí)間優(yōu)先（SSTF）：選擇與當(dāng)前磁頭所在的磁道距離最近的磁道。貪心算法的思想，能保證眼前最優(yōu)，但無(wú)法保證總的尋道時(shí)間最短，可能導(dǎo)致饑餓

掃描算法SCAN（電梯調(diào)度）：在磁頭當(dāng)前移動(dòng)方向上選擇與當(dāng)前磁頭所在的磁道距離最近的磁道。只有磁頭移動(dòng)到最邊緣的磁道時(shí)才可以改變磁頭的移動(dòng)方向。缺點(diǎn)是對(duì)各個(gè)位置磁道的相應(yīng)頻率不均

LOOK算法（默認(rèn)）：SCAN算法的改進(jìn)，只要在磁頭方向上不再有請(qǐng)求，就立即改變磁頭方向，不用去最邊邊的磁道。

循環(huán)掃描算法（C-SCAN）：在掃描算法的基礎(chǔ)上規(guī)定磁頭單向移動(dòng)，移動(dòng)到邊緣后立即讓磁頭返回起點(diǎn)（最邊邊的起點(diǎn)），返回途中不響應(yīng)任何請(qǐng)求

C-LOOK調(diào)度算法（默認(rèn)）：C-SCAN算法的改進(jìn)，只要在磁頭移動(dòng)方向上不再有請(qǐng)求，就立即讓磁頭返回，不用移到最邊。

?

?

固態(tài)硬盤(pán)

優(yōu)點(diǎn)：快速讀寫(xiě)、質(zhì)量小、體積小、能耗低

缺點(diǎn)：價(jià)格比較昂貴，容量較低，數(shù)據(jù)損壞時(shí)難恢復(fù)，耐用性差，壽命短。

磨損均衡：一種基于固態(tài)硬盤(pán)主控芯片的內(nèi)置機(jī)制，分為靜態(tài)磨損和動(dòng)態(tài)磨損。

動(dòng)態(tài)磨損：寫(xiě)入數(shù)據(jù)時(shí)，選擇累計(jì)擦除次數(shù)少的新閃存塊。

靜態(tài)磨損：SSD監(jiān)測(cè)并自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分配、遷移，讓老舊的閃存塊承擔(dān)以讀為主的存儲(chǔ)任務(wù)，讓新的閃存塊承擔(dān)更多的寫(xiě)任務(wù)。

操作系統(tǒng)筆記至此結(jié)束。