五、输入输出管理

本章导览

共 5 个小节：I/O 管理概述、I/O 管理概述、设备独立性软件、磁盘 & 固态硬盘、磁盘 & 固态硬盘

本章重点

• I/O 软件四层（自上而下）：用户层 → 设备独立性软件 → 设备驱动 → 中断处理
• 控制方式（由低效到高效）：程序查询 → 中断驱动 → DMA → 通道
• 关键技术：SPOOLing（假脱机）、缓冲区（单 / 双 / 循环）、磁盘调度（FCFS/SSTF/SCAN）

I/O 管理概述

关键点

• I/O 设备分类：按使用特性（人机 / 存储 / 网络）、按速率、按共享性（独占 / 共享 / 虚拟）
• I/O 控制器是 CPU 与设备的接口，含状态 / 控制 / 数据寄存器
• 控制方式：程序查询、中断驱动、DMA、通道（占用 CPU 递减）

I/O 管理概述

关键点

• I/O 软件四层（自上而下）：用户层 → 设备独立性软件 → 设备驱动 → 中断处理
• 分层目的：屏蔽硬件差异、提高效率与可扩展性
• 应用程序接口：字符设备 / 块设备 / 网络设备接口；系统调用是 I/O 入口

I/O 设备的概念和分类

I/O 控制器

I/O 控制方式

I/O 软件层次结构

输入输出应用程序接口

关键点

操作系统规定好设备驱动程序的接口标准，各厂商必须按要求开发设备驱动程序。 不同的操作系统，对设备驱动程序接口的标准各不相同。 设备厂商必须根据操作系统的接口要求，开发相应的设备驱动程序，设备才能被使用。

设备独立性软件

关键点

• 设备独立性软件：为上层提供与设备无关的统一接口
• SPOOLing（假脱机）：用磁盘缓冲把独占设备（如打印机）虚拟成共享设备
• 还含设备分配与回收、缓冲区管理（单 / 双 / 循环缓冲，缓和速度差）

I/O 核心子系统

假脱机技术（SPOOLing技术）

设备分配与回收

缓冲区管理

磁盘 & 固态硬盘

关键点

• 磁盘结构：盘片 / 磁道（Track）/ 扇区（Sector）/ 柱面（Cylinder）；寻址 = 柱面 + 盘面 + 扇区
• 访问时间 = 寻道时间 + 旋转延迟 + 传输时间，寻道是大头
• 磁盘调度：FCFS、SSTF（最短寻道）、SCAN（电梯）、C-SCAN、LOOK

磁盘 & 固态硬盘

关键点

• 磁盘管理：低级格式化（划扇区）、逻辑格式化（建文件系统）、引导块、坏块处理
• 固态硬盘 SSD：基于 NAND 闪存、无机械结构、随机访问快；但有擦写寿命，靠 FTL + 磨损均衡延长寿命
• HDD（便宜、大容量、随机慢）vs SSD（快、抗震、贵、有寿命）

磁盘的结构

磁盘调度算法

关键点

现在的硬盘移动一个磁道大约需要 0.2ms，磁臂启动时间约为 2ms。 1/r 就是转一圈需要的时间。找到目标扇区平均需要转半圈，因此再乘以 1/2。 硬盘的典型转速为 5400 转/分，或 7200 转/分。 延迟时间和传输时间都与磁盘转速相关，且为线性相关。而转速是硬件的固有属性，因此操作系统也无法优化延迟时

减少磁盘延迟时间的方法

磁盘的管理

固态硬盘 SSD