操作系统第五章：磁盘与设备管理

学完本章需要回答的几个问题？

• IO控制器主要功能、组成、两种寄存器编址方式
• IO控制方式
• IO软件层次结构、输入输出应用程序接口、阻塞IO/非阻塞IO
• IO核心子系统
• 假脱机技术
• 设备的分配与回收
• 缓冲区管理
• 磁盘结构、调度算法、减少磁盘延迟方法
• 磁盘管理、固态硬盘SSD

IO控制器

为什么要给IO控制器中的寄存器编址？
IO设备的电子部件称为IO控制器，IO控制器中有多种寄存器，这些寄存器可以通过编址让CPU统一操作设备。
CPU又有寄存器、高速缓存、乱序执行等机制，保证了它能在某种程度上高速与内存交互。

IO控制方式

由于寄存器限制，一次中断对应一个字的传输。需要注意的是，中断处理程序就是负责搬数据的，这个跟进程阻塞时保护现场本质上是不一样的。

虽然数据的传送单位是块，但其实内部寄存器传输单位依然是字。CPU只负责开始和结束，中间搬数据过程不再需要CPU介入

IO软件层次结构

用户层软件：库函数例如printf
设备独立性软件：

设备驱动程序：

驱动程序以独立进程存在
中断处理程序：

驱动程序、中断处理程序与硬件打交道

输入输出管理

绿色和紫色部分是操作系统内核空间的缓冲区，也是内存，不是寄存器

阻塞 I/O（等待结果型） 和非阻塞 I/O（状态反馈型） 的根本区别在于：当 I/O 请求无法立即满足时，控制权（CPU）是在内核中“原地打转”等待，还是立刻交回给用户程序。

1. 只有缓冲区满才会阻塞吗？

   • 写操作是“缓冲区满”导致阻塞。

   • 读操作是“缓冲区空”导致阻塞。

2. 是由 I/O 控制器的状态寄存器反馈的吗？

   • 直接原因：是由**内核缓冲区（软件状态）**反馈给你的。

   • 根本原因：硬件寄存器（硬件状态）处理太慢，导致了内核缓冲区积压（或空虚），最终才波及到你。

**非阻塞 I/O 是用户进程和内核缓冲区之间的协议，而状态寄存器是驱动程序和硬件之间的协议。**硬件状态寄存器的信息如果变成BUSY，会进入阻塞态，但不直接传导到上层，他可能马上又好了 。但可能会有滞后效应，频繁BUSY，会导致内核缓冲区挤压，从而导致上层的软件也发生了阻塞

IO核心子系统

UNIX一切皆文件，设备保护即文件保护
IO调度即磁盘调度

假脱机技术

设备的分配与回收

等待进程队列即相应阻塞队列

缓冲区管理

磁盘结构

磁盘调度算法

减少磁盘延迟时间的方法

注意：
1、移动磁头时间开销很大（为什么柱面编址在前？）
2、所有柱面、盘面都是同时旋转的

磁盘的管理

固态硬盘SSD

系统IO总线以逻辑块为单位读写数据，但是它对应的是固态硬盘的一页，一块有多个页