十三、输入输出和磁盘调度（一）

主要内容

• I/O 设备
• I/O 功能的组织
• 操作系统的 I/O 设计的主要问题
• I/O 缓冲技术性能分析
• 磁盘调度
• RAID
• 磁盘高速缓存

I/O的特点

• I/O性能经常成为系统性能的瓶颈
• I/O是导致操作系统庞大复杂的原因之一
  • 种类繁多、结构各异、速度差异大
• 理解I/O的工作过程与结构是理解操作系统的工作过程与结构的关键
• 与操作系统的其他功能（如文件系统）联系密切

9.1 I/O 设备

• 人可读————与用户交互
  • 打印机
  • 终端：显示器 + 键盘
• 机器可读————与电子设备交互
  • 磁盘驱动器
  • 固态硬盘/U盘
  • 传感器
  • 控制器
  • 执行机构/驱动器/传动器
• 通信————与远程设备通信
  • 数字线路驱动器
  • 调制解调器（modem）

9.1.1 I/O 设备的传输速度

9.1.2 I/O 设备的差异

• 应用程序
  • 用于存储文件的磁盘需要文件管理软件支持
  • 用于存储虚拟内存页面的磁盘需要特定的软硬件支持
  • 系统管理员使用的终端可能拥有较高优先级
• 控制的复杂性
• 传送单位————字节（如键盘）/块（磁盘）
• 数据表示————编码方案（字符编码、奇偶校验）
• 错误条件————不同的设备以不同方式相应错误

9.1.3 设备组成

• I/O设备一般由机械和电子两部分组成
  • 机械部分：设备本身（物理装置）
  • 电子部分：称作设备控制器或适配器
• 操作系统总是与控制器而不是设备本身打交道，控制器完成设备与主机之间的连接和通讯
  
• 控制器卡上通常有可插接的连接器，通过电缆与设备内部相连
• 控制器与设备之间的接口常常是一个低级接口（如指定具体参数对磁盘进行格式化）
• 从设备驱动器出来的是位流（比特流），控制器的任务是把串行的位流转换为字节块，并进行必要的检验工作后送到内存

9.2 I/O 功能的组织

• 控制设备和内存或CPU之间的数据传送的方式
  • 程序控制
    • 由用户进程直接控制（如发出启动命令）
    • I/O操作完成前CPU处于忙等待状态（不停检测是否完成）
  • 中断驱动方式
    • 操作系统将I/O命令（带参数）写入控制器寄存器
    • CPU可以转去执行其他运算
    • I/O操作完成时控制器产生一个中断
  • 直接内存访问（DMA）
    • 由DMA模块控制内存和I/O设备之间的数据交换
    • CPU仅仅在整个数据块的传送都完成时才被中断

9.2.1 传送控制方式的发展过程

1. CPU直接控制外围设备
2. 引入了控制器或I/O模块，使用程序控制方式
3. 中断控制方式
4. I/O模块通过DMA直接控制内存
5. I/O模块有独立的处理器（由专门的指令集）（I/O通道）
6. I/O模块进一步发展成专用I/O计算机

9.2.2 中断方式磁盘访问

• 操作系统将（带参数的）I/O命令写入控制器寄存器
• 控制器从磁盘驱动器串行按位读块，直到将整块信息放入控制器的内部缓冲区中
• 控制器做和校验计算，以核实没有读错误发生，然后控制器产生一个中断
• CPU相应中断，控制转给操作系统
• 操作系统重复地从控制器缓冲区中按字节或字读磁盘块的信息，并将其送入内存中

9.2.3 磁盘访问

• 使用DMA方式的一次读磁盘过程
  • CPU提供被读取块磁盘地址、目标存储地址、要读取的字节数
  • 控制器将整块数据读进缓冲区，并进行核准校验
  • 控制器按照指定存储器地址，把指定字节数数据送入主存（每传送一个字节计数器值减1）
  • 控制器引发中断，通知操作系统，操作完成
    

9.2.4 DMA与中断

• DMA与中断方式的主要区别：设备与内存之间的数据传输的控制者不同
  • 中断方式中是由CPU控制完成的
  • DMA方式中则是由DMA控制器完成的（传送时不需要占用CPU时间）
  • 中断方式是由CPU控制完成的
• DMA控制器从CPU中夺取系统控制权，用来在系统总线上与内存进行数据交换
  • 相关：周期窃取技术

9.2.5 DMA的周期窃取技术

• 指令周期被挂起
• CPU暂停一个总线周期，但并不是中断（不用保存执行上下文）

9.2.6 DMA的配置方式

• 单总线，分离DMA
  • 所有I/O模块共享一个系统总线
  • DMA模块代理处理器，使用可编程I/O
  • 开销小但低效
  • 一个字节的传送需要两个总线周期（传送请求+传送）
    • 
• 单总线，I/O集成DMA
  • DMA模块与I/O模块的数据交换脱离系统总线
  • DMA模块接口多样
  • 
• I/O总线
  • DMA模块与I/O模块的数据交换脱离系统总线
  • DMA模块接口单一，便于扩展
    • 

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9.3 操作系统设计问题

• I/O机制的设计目标
  • 效率————最重要（I/O瓶颈），最关注的是磁盘I/O
  • 通用性————统一处理方式，困难
    • 处理器看待I/O设备的方式
    • 操作系统管理I/O设备和I/O操作的方式
• 逻辑结构————层次结构、模块化
• I/O缓冲————为减小系统开销和提高操作效率，在I/O请求发出之前/后，就/才开始执行数据传输
• 磁盘调度————磁盘比内存慢4个数量级，磁盘性能与文件系统关系密切

9.3.1 I/O软件设计目标

• 效率
  • 与处理器和主存相比，多数I/O设备速度较慢
  • 多道程序允许在一些进程等待I/O时运行其他进程
  • I/O仍然可能跟不上处理器的速度
  • 虚拟内存可能解决多道程序设计中的内存不足问题，但是页面交换本身又是I/O操作
  • 提高效率的技术
    • I/O缓冲、磁盘调度、磁盘阵列、磁盘高速缓冲等
• 通用性
  • 系统以统一的方式处理所有的I/O设备
  • 低层例程隐藏设备I/O的大部分细节，向进程和高层提供使用设备的通用方式
  • 用read、write、open、close、lock、unlock等————采用层次化结构和模块化设计

9.3.2 I/O软件的层次逻辑结构

9.3.3 操作系统设计层次

9.3.4 用户空间的I/O设计

• 库过程中的I/O系统调用
  • 输入，如gets
  • 输出，如printf
• SPOOLing系统：用共享设备（如磁盘）模拟独占设备（打印机）
  • 打印精灵
  • 网络传输精灵

9.3.5 假脱机技术

• SPOOLing技术亦称为虚拟设备技术
• 引入：在多道批处理系统中，专门利用一道程序（SPOOLing程序）来完成对设备的I/O操作，而无需使用外围I/O处理机
  
• 原理
  • 设置两级缓冲区：内存缓冲区和快速外存上的缓冲池，后者可以暂存多批I/O操作的较多数据
  • 应用程序进行I/O操作时，只是和SPOOLing程序交换数据，称为“虚拟I/O”————实际上是对SPOOLing程序的缓冲池进行I/O操作
  • SPOOLing程序和外设进行数据交换，称为“实际I/O”————可以缓冲
• 优点
  • 高速虚拟I/O操作
  • 实现对独享设备的共享

9.3.6 逻辑I/O（设备无关的I/O软件）

• 大部分I/O软件是与设备无关的，常见功能：
  • 设备驱动程序的统一接口：实现一般设备都需要的I/O功能，向用户层软件提供统一接口
  • 设备命名：将设备符号名称映射到相应设备驱动程序
  • 设备保护：防止五权限用户访问/存储设备
  • 提供与设备无关的块大小：屏蔽“不同设备基本单位可以不同”这一事实，向较高层软件提供统一块大小的抽象设备
  • 缓冲：通过缓冲区来协调设备的读写速度和用户进程的读写速度
  • 块设备的存储分配：磁盘空闲块管理
  • 分配和释放独占设备：检查独占设备的使用请求进行
  • 错误报告：报告设备驱动程序无法处理的出错信息

9.3.7 设备I/O

• 逻辑设备与物理设备间过度协调机构
  • 用户命令到设备操作序列的转换
  • I/O缓冲：提高I/O效率

9.3.8 调度和控制

• 物理设备控制实体，直面硬件设备的控制细节
• 通常体现为设备驱动程序
  • 并发I/O访问调度
  • 设备控制和状态维护
  • 中断处理
• 设备驱动程序处理一种或一类设备类型
  • 细微差别的不同品牌终端可使用同一个终端驱动程序
  • 性能差别显著的终端可使用不同终端驱动程序
• 设备驱动程序工作过程
  • 接收来自逻辑I/O软件的抽象请求：如“读第n块”，将其转化为具体形式（如计算第n块的实际位置、检查磁头臂等）
  • 执行请求:通过设备控制器中的寄存器向控制器发出II/O命令并监督执行
  • 在I/O操作完成后（阻塞或不阻塞），进行错误检查：若无错误则将数据传送到与设备无关的软件层，否则出现错误（重试、忽略或报警等）

9.3.9 I/O软件的层次逻辑结构