第一章：1.3磁盘-输入输出技术-总线

• • 磁盘
    
    • 结构：正反两个盘面，每个盘面有多个同心圆，每个同心圆是一个磁道，每个同心圆又被划分多个扇区，数据就被存在一个个扇区中。
      
    • 如何读取数据？存取时间？
      
      • 磁头先找到对于磁道，磁盘会进行周期旋转，旋转到对应扇区才能读取数据。
        
      • 因此这一过程会产生寻找磁道的时间和磁盘周期旋转到对于扇区的等待时间。存取时间=寻道时间+等待时间（平均定位时间+转动延迟）
        
    • 磁盘调度算法
      
      • 已知存取时间=寻道时间+等待时间，其中寻道时间耗时最长，需要重点调度，因此有如下算法。（等待时间，则是硬盘的转速，目前市场常见速度为7200/5400每秒）
        
      • 先来先服务（FCFS）：按照请求到达的顺序进行处理。即先处理先到达的请求，不考虑请求的位置或寻道时间。这是一种简单而公平的算法，但可能导致平均寻道时间较长。
        
      • 最短寻道优先（SSTF）：选择离当前磁头位置最近的请求进行处理。该算法利用最短寻道时间原则，每次都选择离当前位置最近的请求，以减少寻道时间。它通常能够获得较好的性能，但可能导致某些请求长时间等待。
        
      • 扫描算法：也称为电梯算法，磁头沿一个方向移动，处理前进路径上的请求，直到到达磁道的边缘，然后改变方向继续处理。该算法模拟电梯的运行方式，可以有效地减少磁头的移动次数。
        
      • 单向扫描调度算法：也称为C-SCAN算法，类似于扫描算法，但在到达磁道的边缘后，直接返回到另一端再次开始扫描。这样可以确保所有磁道都被访问到，并且减少了请求等待的时间。
        扫描算法（SCAN）：
        初始位置：磁道15
        磁头移动方向：向上（磁道号增加的方向）
        工作过程：
        从磁道15开始，向上处理请求，先处理20和25。
        继续向上，处理下一个请求。由于后面没有请求了，磁头到达磁道最上边缘，改变方向。
        磁头开始向下移动，处理剩下的请求：22, 12, 10, 7, 3。
        
        磁头移动顺序：15 -> 20 -> 25 -> 22 -> 12 -> 10 -> 7 -> 3
        总寻道距离：(25-15) + (22-3) = 37
        
        单向扫描调度算法（C-SCAN）：
        初始位置：磁道15
        磁头移动方向：向上（磁道号增加的方向）
        工作过程：
        从磁道15开始，向上处理请求，先处理20和25。
        继续向上，处理下一个请求。由于后面没有请求了，磁头到达磁道最上边缘，直接返回到最下边缘重新开始扫描。
        磁头开始向上移动，处理剩下的请求：3, 7, 10, 12, 22。
        
        磁头移动顺序：15 -> 20 -> 25 -> 3 -> 7 -> 10 -> 12 -> 22
        总寻道距离：(25-15) + (25-3) = 22
        
        
  • 输入输出技术
    
    • 计算机系统存在多种内存与接口地址编制方法，常见的是下面两种
      
      • 内存与接口地址独立编址方法：在这种方法中，计算机将内存和外部接口设备看作是两个不同的实体，它们有各自独立的地址范围。例如，内存可能从地址0开始，而外部接口设备的地址从地址1000开始。这样可以确保内存和接口的地址不会发生冲突，互不干扰。
        
      • 内存与接口地址统一编址方法：在这种方法中，计算机将内存和外部接口设备都看作是存储器的一部分，它们共享同一个地址空间。例如，计算机的地址范围是从0到9999，其中前面一部分区域用于内存，后面一部分区域用于外部接口设备。这样可以通过地址的不同范围来区分内存和接口设备。
        
    • 计算机和外设间的数据交互方式
      
      • 程序控制（查询）方式：这是最简单的数据交互方式。在程序中，CPU通过轮询的方式主动查询外设是否完成数据传输。如果外设尚未完成，CPU会一直等待。这种方式的效率较低，因为CPU需要不断地检查外设状态，而且会导致 CPU 时间的浪费。
        
      • 程序中断方式：为了提高效率，引入了程序中断方式。外设在数据传输完成后产生中断信号，通知 CPU 数据可用。当 CPU 收到中断信号时，它会立即停止当前任务，保存现场，处理外设的中断请求，并执行与外设交互的相关处理程序。这样，CPU 可以充分利用时间处理其他任务，不必每次都轮询外设状态。中断方式减少了 CPU 的等待时间，提高了系统的响应速度和效率。
        
      • DMA方式（直接主存存取）：DMA 是指直接内存访问（Direct Memory Access）。CPU只需要完成初始化操作（设置DMA控制器的相关参数，例如源地址、目的地址和传输长度等。然后，CPU会向DMA控制器发送启动信号，让DMA控制器开始执行），数据传输的整个过程由DMA控制器来完成，在主存和外设之间建立直接的数据通路，效率很高。
        
      • 在一个总线周期结束后，CPU会响应DMA请求开始读取数据。
        
      • CPU响应程序中断请求是在一个指令执行结束时。
        
  • 总线
    
    • 总线：指的是计算机设备和设备之间传输信息的公共数据通道。是连接多种计算机硬件的通信线路。总线上的所有设备共享。
      
    • 广义：
      
      • 内部总线：内部芯片级别的总线
        
      • 系统总线：板机总线（硬盘和主板）
        
        • 数据总线：并行数据传输位数
          
        • 地址总线：系统可管理内存空间的大小
          
        • 控制总线：传送控制命令
          
      • 外部总线：设备之间的总线（USB等）
        
    • 串行总线（Serial Bus）：串行总线指的是一次只能传输一个比特（位）的总线。在串行总线中，数据逐位地按顺序传输，通常使用单根导线或信号线来传输数据。由于每个比特都需要连续地传输，并且只有一个信号线用于传输数据，所以传输速率相对较慢。 （低速，长距离）
      
    • 并行总线（Parallel Bus）：并行总线指的是可以同时传输多个比特（位）的总线。在并行总线中，数据以并行方式传输，即同时通过多条导线或信号线来传输每个比特。由于可以并行传输多个比特，所以传输速率相对较快。（高速，短距离）
      
    • 单总线（Single-Bus）：单总线是一种只有一根物理线用于数据传输的总线。它通常使用一条线同时传输数据、地址和控制信号。在单总线中，数据的传输是通过在不同时间点上发送和接收电平变化来实现的。这种方式简化了系统的硬件设计，但在同一时刻只能进行一种操作（如读或写），因此传输速率相对较低。