常見設備接口類型：

1、字符設備：鍵盤鼠標、串口

??????a.以字節為單位順序訪問

??????b.I/O命令通常使用文件訪問接口和語義

2、塊設備：磁盤、磁帶、光驅

??????a.均勻的數據塊訪問

??????b.I/O命令通常使用文件系統接口，也可以使用內存映射訪問

3、網絡設備：以太網、無線、藍牙

??????a.格式化的報文交換

??????b.I/O網絡報文，通過網絡接口支持多種網絡協議。

同步與異步I/O：

1、阻塞I/O：發出請求后等待數據讀出或寫入完畢

2、非阻塞I/O：發出請求后不等待立即返回，返回值為成功傳輸的字節數

3、異步I/O：讀數據時，使用指針標記好用戶緩沖區，立即返回，稍后內核將填充緩沖區并通知用戶；寫數據內核寫入完畢后通知用戶

I/O結構

北橋連高速設備，南橋連IO設備。

I/O數據傳輸

CPU與設備控制器的數據傳輸：

1、程序控制I/O：

??????a. 通過CPU的in/out或者load/store傳輸所有數據

??????b. 特點是硬件簡答，編程容易，但是小伙CPU時間，適用于簡單的小型的設備I/O

2、直接內存訪問（DMA）

??????a. 設備控制器可直接訪問系統總線

??????b. 控制器直接與內存湘湖傳輸數據

??????c. 特點是設備傳輸數據不影響CPU，只需要CPU參與設置，適用于高吞吐量的I/O。

I/O設備通知操作系統的機制：

1、CPU主動輪詢：

?????a. I/O設備在特定狀態寄存器中放置狀態和錯誤信息

?????b. 操作系統定期檢測狀態寄存器

?????c. 特點是簡單，I/O操作頻繁或不可預測時開銷較大，并且延時較大

2、設備中斷

?????a. CPU在I/O之前設置任務參數

?????b. CPU在發出I/O請求之后繼續執行其他任務

?????c. I/O設備處理I/O請求

?????d. I/O設備處理完成時，觸發CPU中斷請求

?????e. CPU接收中斷，分發到相應中斷處理例程

?????f. 特點是處理不可預測事件事件效果好，但是中斷較多時開銷較高

? ? ?g. 實際操作系統中一些高帶寬設備可能結合了輪詢和設備中斷，第一次傳入數據包之前采用中斷，輪詢后面的數據包知道硬件緩存為空。

磁盤調度

???????????通過優化磁盤訪問請求順序來提高磁盤訪問性能。

1、尋道時間是磁盤訪問最耗時的部分

2、同時會有多個在同一磁盤上的I/O請求

3、隨機處理磁盤訪問請求的性能表現很差

調度算法：

1、FIFO：按順序處理請求，公平對待所有進程，在有很多進程的情況下，接近隨機調度的性能

2、SSTF（最短服務時間優先）：選擇離磁臂當前位置最近的請求執行

3、掃描算法：磁臂在一個方向上移動，訪問所有未完成的請求，直到磁臂到達該方向上最后的磁道，也稱電梯算法

4、循環掃描算法：限制為僅在一個方向上掃描，當最后一個磁道也被訪問過了后，磁臂返回到磁盤的另外一端再次進行

5、C-LOOK算法：磁臂先到達該方向上最后一個請求的位置，然后立即反轉

6、N步掃描算法：一側請求過多時，磁頭會有粘著現象，后面磁道無法響應，將磁盤請求隊列分成長度為N的子隊列，按FIFO算法依次處理所有隊列，掃描算法處理每個隊列

7、雙隊列掃描算法：只有兩個隊列，交替使用掃描算法處理兩個隊列，新生成的I/O請求放入另一個隊列中。

磁盤緩存

概念：

緩存是數據傳輸雙方訪問速度差異較大時引入的速度匹配中間層。

磁盤緩存是磁盤扇區在內存中的緩存區。類似于虛擬內存管理，只是方向相反。但是磁盤的訪問頻率是遠低于虛擬存儲中的內存訪問頻率，因此次磁盤緩存調度算法會比虛擬存儲復雜。

單緩存與雙緩存：

單緩存只有一個緩存區，任意時刻只有一端可以對緩存區進行操作，速度受到限制；雙緩存包含兩個緩存區，設備與用戶進程可以分別操作一個緩沖區，當一個緩沖區1寫完并且緩沖區2讀完了，可以將兩個緩沖區交換，繼續操作。

訪問頻率置換算法：

在一段密集磁盤訪問之后， LFU算法的引用計數會增加到很大，之后的變化無法反應當前的引用情況。因此該算法考慮磁盤訪問的密集特征，對密集引用不計數，在短周期內使用LRU算法，在長周期中使用LFU算法。

????????具體實現過程為，維護一個特殊棧（LRU的要求），棧中緩存塊被訪問時移到棧頂。與LRU不同是棧被分為三個區域：新區域、中間區域和舊區域。如果該塊在新區域中，引用計數不變，否則，引用計數加1，在舊區域中找計數最小的塊置換出去。這樣就將LRU與LFU結合在一起，并且避免了密集訪問的影響。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的清华大学《操作系统》（二十三）：I/O子系统的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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