输入输出管理
第五章_输入输出管理
5.1 I / O 管理概述
5.1.1 I / O 设备分类
I / O 设备分类：
-
按使用特性分类（无明确界限）
- 人机交互类外部设备
- 存储设备
- 网络通信设备
-
按传输速率分类（无明确界限）
- 低速设备
- 中速设备
- 高速设备
-
按信息交换的单位分类
- 块设备（传输快，可寻址）
- 字符设备（传输慢，不可寻址，常采用中断驱动方式）
5.1.2 I / O 接口（设备控制器）
I / O 接口主要实现以下功能：
- 接受和识别CPU发出的命令（要有控制寄存器）
- 向CPU报告设备的状态（要有状态寄存器）
- 数据交换（要有数据寄存器，暂存输入/输出的数据）
- 地址识别（由I/O逻辑实现）
其内部构造图与两种寄存器编址方式在《计算机组成原理》中已经介绍过，这里不再进行介绍，仅贴一张图：
5.1.3 I / O 控制方式
5.1.3.1 程序直接控制方式（程序查询方式）
5.1.3.2 中断驱动方式
5.1.3.3 DMA 方式
DMA 控制器的结构如下：
DMA 方式过程如下：
5.1.4 I / O 软件的结构层次
5.1.4.1 I / O 软件的结构层次
其中又能够细分为 I / O 核心子系统，如图所示：
5.1.4.2 输入输出应用程序接口（应用程序接口）
该层次结构主要目的有二：
- 让应用程序无需关心底层硬件的具体实现细节。
- 使新设备能够以模块化的方式方便的加入系统，而无需改动内核代码。
这里顺便提一句什么是 阻塞与非阻塞 I / O 设备：
- 阻塞 I/O：应用程序发出 I/O 系统调用，进程需转为阻塞态等待。 eg：字符设备接口 —— 从键盘读一个字符 get
- 非阻塞 I/O：应用程序发出 I/O 系统调用，系统调用可迅速返回，进程无需阻塞等待。 eg：块设备接口 —— 往磁盘写数据 write
5.1.4.3 驱动程序接口
5.1.4.4 假脱机技术（SPOOLing技术）
本小节思维导图如下：
假脱机技术是为了缓和 CPU 的高速性与 I / O 设备低速性之间的矛盾。其思想来源于早期的 脱机 I / O 方式：
在输入的时候，外围机将低速输入设备（如纸带机）上的数据预先读入高速磁盘。
在输出的时候，CPU 先将结果高速写入磁盘，再由外围机将数据送至低速输出设备（如打印机）。
而现代常用软件的方式对脱机技术进行实现，因此叫做 假脱机技术。假就体现在 以多道程序和磁盘空间代替外围机，进而将一台物理独占设备虚拟为多台逻辑设备，实现设备共享：
通过 共享打印机 这种案例进行进一步的熟悉：
5.1.4.5 设备的分配与回收
本小节思维导图如下：
首先关于设备的分配与回收，我们 需要考虑如下因素：
关于 数据分配有如下这些数据结构：
设备分配的步骤 如下：
关于上述步骤的缺点，我们还能够做如下这些 步骤改进：
5.1.4.6 缓冲区管理
本小节 思维导图 如下：
关于 缓冲区的作用，如图所示：
而缓冲区又分为单缓冲区和双缓冲区的情况，
单缓冲区 的情况如下图所示：
双缓冲区 的情况如下图所示：
不难理解，若采用单缓冲区的策略，在通信的时候，任一时刻只能实现数据的单向传输。若采用双缓冲区的策略，在通信的时候，同一时刻能够实现数据的双向传输。
另外关于 循环缓冲区 的概念，简单了解即可：
关于 缓冲池 的概念如下所示：
5.2 磁盘和固态硬盘
5.2.1 磁盘的结构
磁盘的结构 如图所示：
磁盘的分类 如图所示：
5.2.2 磁盘调度算法
本小节思维导图如下：
首先来看 一次磁盘寻址究竟涉及到哪些时间开销：
5.2.2.1 先来先服务算法（FCFS）
5.2.2.2 最短寻道时间优先算法（SSTF）
5.2.2.3 扫描算法（SCAN）
5.2.2.4 LOOK 算法
5.2.2.5 C-SCAN 算法
5.2.2.6 C-LOOK 算法
5.2.3 减少磁盘延迟时间的方法
前面说的磁盘调度算法，优化的只能是寻道时间，而下面介绍的是关于其他方面优化的方法。
本小节思维导图如下图所示：
5.2.3.1 交替编号
5.2.3.2 磁盘地址结构的设计
5.2.3.3 错位命名
5.2.4 磁盘的管理
磁盘刚开始使用要进行 磁盘的初始化，即低级格式化：
引导块 的概念如下：
注意：磁盘上专门存放引导程序的一块区域叫做引导块，不是 BIOS 芯片。
对于 坏块的处理 如下图所示：
5.2.5 固态硬盘
本小节思维导图如下：
固态硬盘（SSD）是一种基于闪存技术（前面讲过的 ROM）的存储设备。其存储介质与 U 盘 类似，但容量更大，存储性能更优。
而固态硬盘具体长下面这个样子，由于 “块、页” 等术语经常会在 408 中的不同地方出现，注意进行区分，可以把块看成磁盘中的磁道，页看成磁道对应的扇区。
最后放个图，机械硬盘（磁盘）和固态硬盘的真实样子：
