操作系统-IO管理和磁盘调度

I/O设备

IO设备的类型

分为三类：人机交互类外部设备：打印机、显示器、鼠标、键盘等等。这类设备数据交换速度相对较慢，通常是以字节为单位进行数据交换的

存储设备：用于存储程序和数据的设备，如磁盘、磁带、光盘等。这类设备用于数据交换、速度较快。

网络通信设备：用于与远程设备通信的设备，如各种网络接口、调制解调器、其速度介于两者之间。

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IO控制方式

程序控制I/O：处理器代表一个进程给io模块发送一个io命令，该进程进入忙等待，直到操作完成

中断驱动I/O：处理器代表进程向io发送命令，如果来自进程的io指令是非阻塞的，那么处理器继续执行进程的后续指令。如果io指令时阻塞的，那么处理器执行来自操作系统的指令，将当前进程设置为阻塞态并且调度其他进程。

直接存储器访问(DMA)：一个DMA模块控制内存和io模块之间的数据交换。为传送一块数据，处理器给DMA模块发送请求，并且只有当整个数据块传送结束后，它才能被中断。

DMA： 在io设备和内存之间开辟直接的数据交换通路，彻底解放CPU。有利于系统总线与存储器进行双向数据传送。其基本单位是数据块，整块数据的传送是在DMA控制器的控制下完成的，仅仅在传送一个或多个数据块的开始和结束的时候，才需要CPU干预。所传送的数据，也是直接从设备送入内存的，反之相同。

操作系统的IO设计

在设计io机制的时候，两个最重要的目标是效率和通用性。

本地外围设备的组织：硬件->调度和控制->设备I/O->逻辑I/O->用户进程

通信端口的组织：硬件->调度和控制->设备I/O->通信结构->用户进程

文件系统的组织：硬件->调度和控制->设备I/O->物理组织->文件系统->目录管理->用户进程

逻辑IO：逻辑io模块把设备当作一个逻辑资源来处理，它并不关心实际控制设备的细节。逻辑io模块代表用户进程管理的一般io功能，允许用户进程根据设备标识符以及诸如打开、关闭、读、写之类的简单命令与设备打交道。

设备IO：请求的操作和数据（缓冲的数据、记录等）被转换成适当的IO指令序列、通道命令和控制器命令。可以使用缓冲技术来提高利用率。

调度和控制：io操作的排队、调度实际上发生在这一层，处理中断、收集并报告io状态。这一层是与io模块和设备硬件真正发生交互的软件层。

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设备独立性： 用户在编程序时使用的设备与实际设备无关。一个程序独立于分配给它的某类设备的具体设备，即在用户程序中只需要指明IO使用的设备类型即可。 其优先包括：方便用户编程、使程序运行不受具体机器环境的限制、便于程序移植。

I/O缓冲

使用缓冲的原因

1. 缓和CPU与IO设备间速度不匹配的矛盾
2. 减少对CPU的中断频率，放宽对CPU中断响应时间的限制
3. 解决基本数据单元大小不匹配的问题
4. 提高CPU与IO设备之间的并行性

缓冲是用来平滑IO需求的峰值的一种技术，但是当进程的平均需求大于io设备的服务能力的时候，缓冲再多也不能让io设备与这个进程一直并驾齐驱。但是在多道程序设计环境中，多种io活动和多种进程活动的时候，缓冲是提高系统效率和单个进程性能的一种方法。

缓冲

缓冲：在输入请求发出前就开始执行输入传送，并且在输出请求发出一段时间之后才开始执行输出传送。【预输入，缓输出】

面向块的设备：将信息保存在块中，块的大小是固定的，传送过程中一次传送一块。如磁盘和USB

面向流的设备：以字节流的方式输入输出数据，没有块结构。如终端、打印机、通信端口、鼠标等等。

单缓冲

当用户进程发出IO请求的时候，操作系统给该操作分配一个位于内存中系统部分的缓冲区。

面向块：输入传送的数据被放到系统缓冲区中，当传送完成的时候，进程把该块移到用户空间，并立即请求另一块。需要数据的设备或处理器从缓冲区中拿走数据。这样能够期望这块数据最终会被使用。

最终用时为MAX(C,T)+M。（c：处理器处理时间，m：数据传输到用户区的时间，t：输入到缓冲区的时间。）

加速比为： (T+C)/(MAX(C,T)+M)

优势在于能够提高系统速度，并且操作系统可以进行进程交换。但是增加了操作系统的逻辑复杂度。交换逻辑也会受到影响。

面向流：每次传送一行的方式或者每次传送一个字节的方式使用。传送行的方式输入要挂起，输出不用。传送字节的方式采用生产者/消费者模型。

双缓冲

也称缓冲交换。给操作系统分配两个系统缓冲区，在一个进程往一个缓冲区中传送数据（取数据）的同时，操作系统清空（或者填充）另一个缓冲区。

它的执行时间是MAX(C,T)，加速比是 (T+C)/MAX(C,T)。 如果C<=T，则有可能使得面向块的设备全速运行，反之也能确保处理器的效率，不需要等待IO。因此性能能够有所提高，但是复杂性也提升了。

面向流：每次传送一行的io，用户进程不需要为输入输出挂起程序。对于每次传送一个字节的操作，双缓冲并没有特别的优势。都采用生产者/消费者模型。

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循环缓冲

如果该进程需要爆发式地执行大量的IO操作，仅仅有两个缓冲是不够的，在这种情况下，通常使用多于两个的缓冲区的方案来缓解不足。当使用两个以上的缓冲区的时候，这组缓冲区自身被当作循环缓冲区。

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缓冲池

由多个系统公共的缓冲区组成，缓冲区按其使用情况可以形成三个队列：空缓冲队列、装满输入数据的缓冲队列和装满输出数据的缓冲队列。还包括了四个缓冲区：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。

当输入程序需要输入数据的时候，从空缓冲队列对首使用一个空缓冲区，作为收容输入的工作缓冲区，然后装入数据，装满后再挂到输入队列队尾。当计算程序需要输入数据的时候，从输入队列取得一个缓冲区作为提取输入工作缓冲区，计算进程从中提取数据，数据用完后再放入到空缓冲队列。

磁盘调度

磁盘性能参数

寻道时间：磁头定位到磁道所需要的时间

旋转延迟：磁道定位之后，磁盘控制器开始等待，直到适当的扇区旋转到磁头处的时间。

存取时间：寻道时间+旋转延迟，即达到读或写的位置所需要的时间。

传输时间：磁头定位完成，磁头通过下面旋转的扇区，执行读操作或写操作所需要的时间。

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总的存取时间=存取时间（寻道时间+旋转延迟）+传输时间

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计算：

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磁盘调度策略

磁盘访问产生性能差异的原因可以追溯到寻道时间。如果扇区访问请求包括随机选择磁道，则性能就特别低。为提高性能，需要减少花费在寻道上的时间。

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名称	说明	注释
RSS	随机访问	用于分析和模拟
FIFO	按顺序处理队列中的项目	最公平的调度，如果大量进程竞争一个磁盘，这种技术在性能上往往接近于随即调度。
PRI	根据进程优先级来	在磁盘队列管理之外控制，不能优化磁盘的利用率
LIFO	后进先出	局部性最好，资源利用率最高
SSTF	最短服务时间优先，移动道数最少	利用率高，队列小
SCAN	仅沿一个方向移动，在途中满足请求。到达后反方向扫描	服务分布比较好
C-SCAN	限定在一个方向上，到达之后，回到起始段重新扫描	服务变化较低
N-step-SCAN	把请求队列分成长度为N的子队列，每一次SCAN扫描，如果此时由新请求，则放到新队列中	服务保证
FSCAN	两个子队列	负载敏感

 

 

 

 

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硬盘高速缓存

一个硬盘高速缓存是内存中为磁盘扇区设置的一个缓冲区，包含有磁盘中某些扇区的副本。当出现一个请求某一特定扇区的IO请求时，首先进行检测，以确定该扇区是否在cache中。

主要考虑的问题有两个：

1. 缓存数据与用户空间交换的问题：数据传送、共享内存指针
2. 置换策略：LRU LFU