I/O设备的种类繁多,从OS观点来看,其重要的性能指标有:数据传输速率、数据的传输单位、设备的共享属性等。
磁盘设备的基本特征:
字符设备基本特征是
设备分配:指设备管理程序按照一定的算法把某一个I/O设备、及其相应的设备控制器和通道分配给某一用户(进程),对于未分配到的进程,则插入等待队列中。
缓冲区管理:为了解决CPU与I/O之间速度不匹配的矛盾,在它们之间配置了缓冲区。这样设备管理程序又要负责管理缓冲区的建立、分配和释放。
实现物理I/O设备的操作
I/O的控制方式可分为:程序I/O方式、中断方式、DMA方式和通道方式。
本文涉及两种I/O系统:
由于没有中断机构,处理机对I/O设备直接进行控制,采取程序I/O方式、 (Polling轮询)或称为忙-等待方式。
工作原理:在CPU向设备控制器发出一条I/O指令启动I/O设备进行数据传输时,要同时把状态寄存器中的忙/闲标志busy置为1,然后便不断地循环测试busy。当busy=l时,表示该I/O设备尚未输入完一个字(符),CPU应继续对该标志进行测试,直至busy=0。实现如下:
在输入时,当设备控制器收到 CPU发来的读命令后,便准备接收从相应输入设备送来的数据。一旦数据进入数据寄存器,控制器便通过控制线向CPU发送一中断信号,由CPU检查输入过程中是否出错,若无错,便向控制器发取走数据的信号,然后便通过控制器将数据写入指定内存单元。流程图如下:
为了进一步减少CPU对I/O的干预,引入了直接存储器访问DMA控制方式。
通道是通过执行通道程序,并与设备控制器来共同实现对I/O设备的控制。通道程序是由一系列的通道指令所构成。
可以把通道分成以下三种类型:
它适用于连接低速或中速设备,如打印机、终端等。
适于连接高速设备(如磁盘机、磁带机),但是这种通道的利用率较低。
这种通道既具有很高的数据传输速率,又能获得令人满意的通道利用率。
cpu在执行用户程序时遇到I/O请求后:
目前为了解决CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾,在所有的**I/O设备与处理机(内存)**之间,都使用了缓冲区来交换数据。
引入的主要原因是:
缓冲有硬件缓冲和软件缓冲之分。
根据缓冲区设置个数的多少,可分为单缓冲、双缓冲和多缓冲。根据缓冲区的从属关系,可以分为专用缓冲区和缓冲池。
CPU从磁盘上读一块数据进行计算要分三步:
这样处理一个数据时间为(T+M+C)
当连续读入一组数据时:
读入某数据的第一步(输入时间T)和读入它前一个数据的最后一步(计算时间C)是可以并行执行的,这样就提高了CPU和外设的利用率。连续处理一个数据时间 = max (T,C) + M。
当读入某数据的第一步(输入时间T)和读入它前一个数据的后二步(传送时间M和计算时间C)二者的并行工作:
连续处理一个数据时间= max(T,(M+C))。
由于数据I/O多数是间断的,可增加缓冲区的个数来改善CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾,循环原理如图:
对于同时用于输入/输出的公用缓冲池,至少含有三种类型的缓冲区:
空缓冲区、装满输入数据的缓冲区和装满输出数据的缓冲区。
为了管理上的方便,可将相同类型的缓冲区链成一个队列,于是就形成三个队列:空缓冲区队列emq、输入缓冲区队列inq和输出缓冲区队列outq。
还应有四种工作缓冲区;
缓冲池有收容输入、提取输入、收容输出和提取输出四种工作方式
UNIX系统采用缓冲池技术,来平滑和加快文件信息从内存到磁盘的传输,并充分利用以前从磁盘读入已传入用户区、但仍在缓冲区的数据。
当从磁盘上读数据时:
为了提高操作系统的可适应性和可扩展性,目前几乎所有的操作系统都实现了设备的独立性。
实现设备独立性功能,带来两个好处:
为了实现设备的独立性,必须在驱动程序之上设置一层软件,称为设备独立性软件,其主要功能有以下两个方面:
I/O软件采用分层结构,它把软件组织成为一系列的层,低层参与隔离硬件特征,使其它部分软件不依赖硬件;而高层则参与向用户提供一个友好的、清晰而统一的接口。
I/O软件一般共分4层:中断处理程序、设备驱动程序、与设备无关的操作系统软件,以及用户级软件(指用户空间的I/O软件)
现代操作系统通过使用重构设备驱动程序技术,简化了驱动程序的安装。
在使用中断的微机系统中,执行输入请求的处理步骤:
早期批处理系统中使用的虚拟技术是以脱机方式工作的。
在联机情况下实现的同时与外围设备联机操作的技术称为(SPOOLing),或称为假脱机技术。
SPOOLing系统是对脱机输入、输出工作的模拟,它必须有**高速随机外存(硬盘)**的支持。
SPOOLing系统主要有以下三部分:
独享设备通过SPOOLing技术,可以将它改造为一台可供多个用户共享的设备,共享打印机技术已被广泛地用于多用户系统和局域网络。为此,SPOOLing系统创建一个特殊进程,称为守护(daemon)进程,以及一个特殊目录,称为SPOOLing目录
主机系统的独享设备分配程序是负责向对系统提出I/O请求的进程分配设备,及其相应的控制器和通道。
数据结构有:系统设备表(SDT)、设备控制表(DCT)、控制器控制表(COCT)、通道控制表(CHCT)。
对于具有单通道的系统,则当进程提出I/O请求后,系统依次查找上图的SDT和DCT、COCT、CHCT四个表,分别从中找出设备、相连的控制器、通道,根据相应表目状态字可知它是否正忙(DCT表目还要看状态字是否等待)。若忙,便将请求I/O进程的PCB挂在它的等待队列上;否则,便将它分配给进程。
只有在设备、控制器和通道三者都分配成功时,这次的设备分配才算成功。
为了提高可靠性和灵活性,通常采用多通路的I/O系统结构,此时对多个控制器和通道的分配,必须查找所有的控制器和通道,才能决定是否将该进程挂起。
提高磁盘I/O速度,系统应选择性能好的磁盘,采用好的磁盘调度算法和设置磁盘高速缓冲区。
磁盘存储器由磁盘驱动器、磁盘控制器和磁盘(片)三个部分组成。
按磁头的工作方式,可以分为活动头磁盘和固定头磁盘。
硬盘的容量 = 每扇区的字节数(512字节)×(扇区数/道)×(柱面数)×(磁头数)
寻道时间TS:
这是把磁头从当前位置移动到指定磁道上所经历的时间。该时间是启动磁盘的时间s与磁头移动n条磁道所花费的时间之和。
即 TS = m * n + s, 式中,m是一个常数,它与磁盘驱动器的速度有关。
旋转延迟时间Tr:
Tr 是指定扇区移动到磁头下所经历的时间。
传输时间Tt:
Tt 是指把数据从磁盘读出,或向磁盘写入数据所经历的时间,它的大小与每次所读/写的字节数b及旋转速度r(/秒)有关
磁盘是可被多个进程共享的设备。
先来先服务FCFS是一种最简单的磁盘调度算法。它根据进程请求访问磁盘的先后次序进行调度。
此算法的优点是公平、简单
该算法总是为那些与当前磁头所在的磁道距离最近请求服务,也就是执行寻道时间最短的那个I/O请求。
该算法不仅考虑到欲访问的磁道与当前磁道的距离,更优先考虑的是磁头的当前移动方向。由于这种算法中磁头移动的规律象电梯的运行,所以又称为电梯调度算法。
这是SCAN算法的一种变种算法,是为了提供更均匀的等待时间而设计的。
N步SCAN算法是将磁盘请求队列分成若干个长度为N的子队列,磁盘调度将按FCFS算法依次处理这些子队列,又按SCAN算法处理队列中的每一个请求.
FSCAN算法实质上是N-Step-SCAN算法的简化。它只将磁盘请求访问队列分成两个子队列。一个是当前所有请求磁盘I/O的进程队列,由磁盘调度按SCAN算法进行处理。另一个队列则是在扫描期间,新出现的所有请求磁盘I/O的进程队列.
注:固态硬盘的闪存完全擦写一次,算一次PE
end…
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