IO管理和磁盘调度解析

2、机器可读

3、通信

设备的分类
按传输速率分 低速设备：每秒几个到数百字节。如调制 解调器 中速设备：每秒数千到数万字节。如打印 机 高速设备：每秒数百 K 到数兆。如磁盘、 磁带
I/O 设备的差别
数据率

数据传送率可能会差别几个数量级
I/O 设备的差别
应用



用于文件操作的磁盘需要文件管理软件的支 持 在虚拟存储方案中，磁盘用作页面调度的后 备存储器，取决于虚存硬件和软件的使用 终端被普通用户使用和系统管理员使用可能 具有不同的特权级别，从而在OS中有不同的 优先级
操作系统设计问题
Generality（通用性）


为了简单性和避免错误，往往希望能用一种 统一的方式处理所有的设备 使用一种层次化的、模块化的方法设计I/O功 能，在低层例程中隐藏大部分设备I/O的细节， 使得用户进程和操作系统高层可以通过一些 通用的功能，如read, write, open, close, lock, unlock等来查看I/O设备
缓存cache和缓冲buffer的异同
相同之处：都是为了弥补速度差异，都位于相对较快的设 备上，容量相对较小 不同之处： Cache要考虑局部性，重复使用 Buffer有写“化零为整”和预读的作用（write sequencing and read prefetching) Cache中的内容在低速设备中一定还有一份，从而要考虑 同步，相对的Buffer要考虑flush

处理器代表进程给I/O模块发送一个I/O命令，该进程 进入忙等待，等待操作的完成，然后才可以继续执行 处理器代表进程发送一个I/O命令,然后继续执行后续 指令，当I/O模块完成工作后，处理器被该模块中断。 如果该进程不需等待I/O完成，后续指令可以是该进 程中的指令 否则，这个进程在这个中断上被挂起，处理器执行其 他工作

处理器使用没有中断的程序控制I/O 处理器不需要处理外部设备接口的具体细节 又称忙--等待方式
输入输出功能的发展
中断驱动I/O ：控制器或 I/O 模块采用了中断 处理器不再需要花费时间等待执行一个 I/O操 作
DMA控制方式 ：I/O模块通过DMA直接控制存储 器


从主存中移出或往主存移入一块数据，不需要处理器 参与 仅仅在传送开始和结束时需要用到处理器
I/O 设备的差别
控制的复杂度 传送单位

数据可以按照字节流或者字符流的形式传送（如终端 I/O），也可以按照大块传送（如磁盘I/O） 数据编码方案,包括字符代码和奇偶约定的差异 错误的本质、报告的方式、后果以及响应随设备的不 同而不同
数据表示

错误条件

I/O功能的组织
常见的三种I/O控制技术： 程序控制 I/O
I/O 管理 和磁盘调度
Chapter 11
主要内容
教学目标与要求


理解I/O控制方式。 掌握I/O缓冲技术 掌握磁盘存储器的管理
教学重点与难点

缓冲技术，磁盘调度
I/O 设备的种类
1、人可读的

适合与计算机用户通信，如：打印机，终端（ 显示 器 ，键盘 ， 鼠标 ） 适合与电子设备通信，如磁盘驱动器， 传感器， 控 制器， 执行器 适合与远程设备通信，如数字线路驱动器， 调制解 调器
DMA机制的配置方法
周期挪用技术导致处理器执行得更慢 通过DMA和I/O功能集成起来，可以大大 的减少所需要的总线周期的数目 DMA 模块和一个或多个I/O模块之间除了 系统总线还存在着路径
DMA
DMA
DMA
操作系统设计问题
Efficiency（效率）




与主存和处理器相比，大多数 I/O 设备都是 非常慢速的 使用多道程序设计，可以允许一些进程在等 待I/O操作时另一些进程正在执行 交换技术用于将额外的就绪进程加载到内存， 使得处理器保持忙状态，但交换本身是一个 I/O操作 I/O 设计的主要任务是提供I/O的效率
一种I/O 组织的 模型
I/O 缓冲
速度的差异问题

计算机系统中的各种设备(包括中央处理机)的运行速 度差异甚大， CPU的运行速度是以纳秒计，而设备的 运行速度则是以毫秒甚至以秒计； 有时处理机进行大量的计算工作，没有 I/O操作，有 时又会进行大量的 I/O 操作，这两个极端都会造成系 统中的一些设备过于繁忙，一部分设备过于空闲，严 重地影响CPU与外设的并行工作。
直接存储器访问DMA
取代处理器控制系统，在系统总线上从存储器 中或者往存储器中传送数据 周期挪用技术用于在总线上传送数据

为了使数据能够传送，挂起一个指令周期，即CPU 暂停一个总线周期 不需要保存进程上下文
整块数据传送过程中没有中断发生

DMA
DMA工作流程



请求读/写操作的信 号 相关的I/O设备地址 内存起始地址 读/写的字节数
输入输出功能的发展
I/O通道控制方式


I/O 模块被增强成一个单独的处理器，又专门为I/O 设计的指令集 I/O 模块有自己的局部存储器


I/O 模块本身就是一个计算机 也称作I/O处理器

பைடு நூலகம்
特点：是DMA方式的发展，它可进一步减少CPU的干预， 即把对一个数据块的 读（或写）为单位的干预，减 少为对一组数据块的读（或写）及有关的控制和管理 为单位的干预。同时，又可实现CPU、通道和I/O设备 三者的并行工作，从而更有效的提高了整个系统的资 源利用率。
中断驱动 I/O



直接存储器存取 (DMA)


DMA 模块控制主存和 I/O模块之间的数据交 换 为传送一块数据，处理器给DMA模块发请求， 只有当整个数据块传送结束后，处理器才被 中断
输入输出功能的发展
I/O功能的发展阶段： 处理器直接控制外围设备 程序控制I/O方式 ：增加了控制器或 I/O 模块
负荷不均匀问题

缓存cache和缓冲buffer的异同
缓存（cache）是把读取过的数据 保存起来，重新读取 时若命中（找到需要的数据）就不要去读硬盘了，若没 有命中就读硬盘。其中的数据会根据读取频率进行组织 ，把最频繁读取的内容放在最容易找到的位置，把不再 读的内容不断往后排，直至从中删除。 缓冲（buffer）当存储速度快的设备与存储速度慢 的设 备进行通信时，存储慢的设备先把数据存放到buffer， 达到一定程度后，存储快的设备再读取buffer的数据， 在此期间存储快的设备CPU可以干其他 的事情。