操作系统精髓与设计原理（九）—

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I/O设备

外部设备可分为三类：

人可读
机器可读
通信

I/O功能组织

执行IO的三种技术：

可编程IO：处理器代表一个进程给IO模块发送一个命令；该进程计入忙等待，知道操作完成再继续执行。
中断驱动IO：处理器给模块发送一个命令。有两种可能：如果来自进程的的指令是非阻塞的，那么处理器继续执行后续指令，如果是阻塞的，处理器执行下一条指令来自操作系统，将当前线程设置为阻塞，并调度其他进程。
直接存储器访问：一个DMA模块控制内存和IO模块之间的数据交互。

直接存储器访问

DMA单元能够模拟处理器，直接获得系统总线的控制权。
工作流程如下：

是否请求读写操作，通过处理器和DMA之间使用读写控制线发送。
相关的IO设备地址传送。
DMA获得存储器的读或者写的起始地址，并由DMA保存其寄存器中。
读或者写的数据长度，由DMA保存。

操作系统设计问题

设计目标

效率和通用性。
效率：一种解决方法就是多道程序设计，交换技术用于将额外的就绪进程加载到内存，从而保持处理器的工作状态。主要受到关注的是磁盘IO。
通用性：实际中很难真正实现通用性，目前所能做的就是一种层次化、模块化的方法设计io功能。

IO功能的逻辑结构

最简单的情况，本地外围设备以一种简单的方式通信，这样会涉及三个层面：

逻辑IO：逻辑IO模块将设备当作一个逻辑资源来处理，不关心设备控制细节。逻辑IO模块代表用户进程管理IO功能。
设备IO：请求的操作和数据被转换为适当的IO指令序列、通道命令和控制器指令。可以使用缓冲技术来提高使用率。
调度和控制：IO操作的排队、调度实际上发生在这一层。这一次是与IO模块和设备硬件正在发生交互的软件层。

可以将逻辑IO层再细分为三层：

目录管理：在这一层，符号文件名被转换成标识符，用标识符可以通过文件描述符表或索引表直接或间接访问文件。这一层还影响文件目录的用户操作，如添加删除等。
文件系统：这一层处理文件的逻辑结构以及用户指定的操作，如果打开、关闭、读写等。这一层还管理文件访问权限。
物理组织：就像考虑到分段和分页结构，虚拟内存地址必须转为物理地址一样，考虑到辅存设备的物理磁道和扇区结构，对文件和记录的逻辑访问也必须转换为物理外存地址。辅助存储空间和内存缓冲区分配也在这一层。

I/O缓冲

为了避嫌等待IO操作的开销和低效操作，在输入请求之前就开始执行输入传送，并在输出请求发出一段时间后才开始执行输出传送，这项技术称为缓冲。
区分两类IO设备：

面向块：将信息保存在块中，块的大小固定，传输过程一次传输一个块。磁盘、USB智能卡。
面向流：以字节流的防暑输入输出数据，没有块结构。打印机、通信端口、鼠标都是。

缓冲区可以参考我在17年写的一篇博客，里面有缓冲操作的具体代码实现。当初给一个单片机串口任务做缓冲区，分别用到了双缓冲和循环缓冲，并通过DMA来实现数据收发。
文章连接.

单缓冲

只有一个缓冲区，IO设备和用户进程直接操作这个缓冲区。

双缓冲

IO设备和用户进程分别掌握两个不同的缓冲区，当用户读完现有缓冲区，则进行缓冲交换。

循环缓冲

IO设备和用户进程分别掌握读指针和写指针，读写分离。需要控制两个指针的位置和逻辑长度的计算。

缓冲的作用

缓冲是用来平滑IO需求峰值的一种技术，缓冲是提高操作系统效率和单个进程性能的一种方法。

磁盘调度

磁盘性能参数

为了读写，磁头必须定位于指定的磁道和该磁道中指定的扇区的开始处。
寻道时间：磁头定位到磁道的时间。
旋转延迟：磁头到达扇区开始位置的时间。
存取时间：寻道时间和旋转延迟的总和。
传送时间：磁头通过下面旋转的扇区，开始执行读操作或写操作，传输所需的时间。

磁盘调度策略

产生性能差异的原因可以追溯道寻道时间。

先进先出

按照收到顺序执行。公平的优点。

优先级

不能优化磁盘的使用率，但可以满足操作系统的其他优化目标。通常批作业和交互作业的优先级比较高，长时间作业的优先级低。

后进先出

把设备资源提供给最近的用户，会导致磁头臂在一个顺序文件中移动时移动的得很少，甚至不移动，这样就可以提高吞吐量，减小队列长度。但是可能会出现饥饿。

最短服务时间优先

该策略（SSTF）选择使磁头臂从当前位置开始移动最少的磁盘IO请求，因此，该策略总是选择导致最小寻道时间的请求。但是这样并不能保证平均时间最小，可以比FIFO提供更好的性能。

SCAN

为了避免出现饥饿，要求磁头臂只沿着一个方向移动，并在途中满足所有未完成的请求。直到它达到这个方向上的最后一个磁道，或者哎这个方向上没有别的请求为止，接着反转服务方向，沿着相反方向扫描。

局部性能不如SSTF。该策略偏好请求接近最里或最靠外的磁道的作业，斌且偏好最近作业。C-SCAN可以解决前者，N-step-SCAN可以解决后者。

C-SCAN

该策略把扫描限定在一个方向上。当访问到沿着某个方向的最后一个磁道时，磁头臂返回到磁盘相反方向磁道的末端，再次开始扫描。

N-step-SCAN

该策略将磁盘请求队列分为长度为N的子队列，每次用SCAN处理一个子队列，处理某一个队列是，新请求必须添加到其他队列中。

磁盘高速缓存

高速缓冲存储器通常指一个比内存小且比内快的存储器。这个存储器位于内存和处理器之间。同样的原理，可以利用在磁盘。当一个请求来的时候，现在告诉缓存中查看时候存在，不存在的话再到磁盘中读取。

设计考虑

置换策略，新的块替换老的块。
利用最近最少使用算法（LRU）：置换高速缓存中未被访问的时间最长的块。
最不常用算法（LFU）：置换集合中被访问次数最少的块。如果在短时间内需要多次访问，则LFU算法就不好了，为了克服这个问题，一种称为基于频率的置换算法就不错。

UNIX I/O

UNIX中每个IO设备都于一个特殊文件关联。它们由文件系统管理，并且按照于用户数据相同的方式被读写，这就给用户和进程一个清晰的接口。
UNIX包含两种IO：有缓冲和无缓冲。
有缓冲的就是通过高速缓存发送，无缓冲的就是直接在IO模块和进程之间传送（包括DMA）。