输入输出管理
输入输出管理主要功能包括:
- 设备管理: 管理各类外设并向上提供统一接口
- 设备分配与回收: 协调多个进程对设备的使用
- 缓冲管理: 缓和
CPU、内存和外设之间的速度差异 - I/O 控制: 决定采用轮询、中断、
DMA还是通道方式传输数据 - 磁盘管理: 管理磁盘结构、分区、坏块、存取时间和调度
设备控制方式:
- 程序直接控制:
CPU轮询设备状态, 效率最低 - 中断驱动方式: 设备完成后发中断, 减少
CPU空等 - DMA 方式: 由
DMA控制器在设备和内存间直接传数据,CPU只负责发起和结束 - 通道控制方式: 通道负责更复杂的
I/O控制,CPU干预最少
缓冲管理:
缓冲的作用是缓和速度不匹配, 减少 CPU 等待。
- 单缓冲: 一个缓冲区, 设备和进程仍可能互相等待
- 双缓冲: 两个缓冲区交替工作, 可边输入边处理
- 循环缓冲: 多个缓冲区首尾相连, 适合连续数据流
- 缓冲池: 统一管理多个缓冲区, 适合多进程并发
I/O
缓冲 解决传输速度不匹配, 缓存 解决重复访问。
可以参考缓冲区的代码怎么写
设备分配与回收:
设备管理常用的数据结构:
- SDT: 系统设备表,比DCT记录的内容少点,一个设备对应一个,用来索引
- DCT: 设备控制表,记录属性如(设备状态,指向控制器表的指针,重复执行次数或时间,设备队列首指针)
- COCT: 控制器控制表,记录与设备控制器连接的设备的信息
- CHCT: 通道控制表,记录与通道链接的设备的通道的信息
独占设备 一次只能分给一个进程, 共享设备 可由系统协调多个进程使用, 虚拟设备 常通过 Spooling 把独占设备改造成逻辑共享设备。
SPOOLING技术:
用户进程发起 I/O 请求，SPOOLing 系统在磁盘上为其分配合适的 输入/输出井 ，并在内存中开辟极小的 缓冲区 。
输入时 ：通道将外设数据读入内存缓冲区，满后立刻刷新到磁盘输入井.输出时 ：进程迅速将数据扔进磁盘输出井，随后便可释放。
输入时 ：CPU/进程需要时，通道将数据从磁盘输入井高速秒读到目标内存.输出时 ：通道在后台默默地将磁盘输出井的文件逐个送往物理设备（如打印机）去处理。
如果没有SPOOLING,就需要在内存中开辟大空间等待传输,即使用双缓冲减小空间,也无法适应多进程
磁盘:
用在数据中心和云端.
磁道 是盘面上的同心圆, 扇区 是磁道划分出的区段, 柱面 是多个盘面上半径相同的磁道集合。
分区 是对磁盘的逻辑划分, 便于安装不同文件系统和管理数据。
引导块 位于磁盘起始区域, 保存启动相关信息。
坏块 是无法可靠读写的磁盘块, 需要屏蔽或重映射。
磁盘存取时间:
其中 寻道时间 往往占主要部分, 所以磁盘调度算法主要目标是减少磁头移动。
磁盘调度算法:
- FCFS: 先来先服务, 公平但平均寻道时间较长
- SSTF: 优先处理最近请求, 性能好但可能饥饿
- SCAN: 电梯算法, 磁头往返扫描
- LOOK: 只扫描到当前方向最后一个请求就返回
- C-SCAN: 单向扫描, 等待时间更均匀
- C-LOOK: 单向扫描的改进版, 只在请求范围内移动
RAID:
RAID 用多块磁盘换可靠性和吞吐量。
- RAID 0: 条带化, 快但无冗余
- RAID 1: 镜像, 可靠但空间利用率低
- RAID 5: 条带化加分布式校验, 综合性较强