输入输出管理

统一编址（内存映射 I/O）

控制器寄存器占用内存地址空间的一部分，和内存单元一起编址。

• 用普通访存指令（如 mov）就能读写寄存器，不需要专门的 I/O 指令；
• 代价：占用一部分内存地址空间；访存指令和 I/O 操作看起来一样，要靠地址区分。

独立编址（专用 I/O 指令）

寄存器（I/O 端口）有一套独立的地址，叫端口号，和内存地址可以重叠。

• 必须用专门的 I/O 指令（如 x86 的 IN、OUT）访问；
• 好处：不占内存地址；指令清晰。代价：指令系统变复杂，I/O 指令通常功能较弱。

1. 程序直接控制（轮询）

CPU 向控制器发读命令;
/* 设备没就绪就一直查，CPU 空转 */
while (状态寄存器 != 就绪) ;
R = 数据寄存器;      /* 设备 → CPU 寄存器 */
mem[i++] = R;        /* CPU 寄存器 → 内存 */
/* 每读一个字都重复上面这些 */

实现简单。代价：CPU 与 I/O 完全串行，CPU 利用率极低。

2. 中断驱动

CPU 发出读命令后转去执行别的进程；设备把一个字准备好放进数据寄存器，就发中断。CPU 在每条指令周期末尾检查中断，响应后由中断处理程序把这个字读进 CPU 寄存器，再写入内存。

CPU 与 I/O 可以并行了。代价：每个字（字节）都要中断一次，保存和恢复现场开销大；数据仍然要经过 CPU。

3. DMA（直接存储器存取）

CPU 只在开始时把参数写进 DMA 控制器：读还是写、内存起址、传多少。之后 DMA 控制器自己在设备和内存之间一字一字搬，整块搬完才发一次中断。

限制：每次只能传连续的若干块，读到内存里也必须连续存放；要读多段不连续的数据，CPU 得分别发多条 I/O 指令、处理多次中断。

4. 通道控制

通道是一种专门负责 I/O 的处理机。CPU 只需发一条 I/O 指令，指明通道程序在内存中的位置和要操作的设备；通道执行这段通道程序，把一组数据块（可以不连续）传完，才向 CPU 发中断。

和 CPU 的区别：通道指令类型单一，只能做 I/O；没有自己的内存，通道程序放在主存里，和 CPU 共享主存。

通道按信息交换方式分：字节多路通道（连多台低速设备）、数组选择通道（一次只服务一台高速设备）、数组多路通道（多台高速设备，按块轮流）。

例 1 · 中断方式

主频 500 MHz，CPI = 5。外设数据传输率 0.5 MB/s，以 32 位为单位中断传送。中断服务程序 18 条指令，其他开销相当于 2 条指令。

例 2 · DMA 方式

同一台机器，外设换成 5 MB/s，用 DMA，每块 5000 B，每次 DMA 的预处理 + 后处理共 500 个时钟周期。DMA 传送本身不占 CPU 时间。

三类接口

• 字符设备接口：get / put 系统调用，读写一个字符（键盘、打印机）；
• 块设备接口：read / write 读写一块，seek 修改读写指针（可寻址）；
• 网络设备接口：网络套接字 socket，socket / bind / connect / read / write。

驱动程序对下各不相同，对上要符合操作系统规定的统一接口，否则 OS 调不了它。

阻塞 I/O vs 非阻塞 I/O

• 阻塞 I/O：进程发出请求后被阻塞，I/O 完成才被唤醒。例：从键盘读字符（scanf），没有输入就一直等；
• 非阻塞 I/O：调用立即返回，进程继续执行，之后再查询或等待通知。例：往磁盘写数据，请求交出去就可以接着做事。

阻塞是说“进程等不等”，和“CPU 忙不忙等”是两件事：阻塞的进程让出 CPU，不占 CPU。

单缓冲为什么是 max(C, T) + M

1. 设备输完一块（T），缓冲区满了，开始传到用户区（M）。
2. M 期间：缓冲区正在被取，设备不能冲入；用户区正在被填，CPU 也不能算。M 和谁都不能重叠。
3. M 结束后：缓冲区空了，设备开始输下一块（T）；用户区满了，CPU 开始算（C）。两者并行，等较慢的那个结束，才能开始下一次 M。

所以稳定后每个周期 = max(C, T) + M。

双缓冲为什么是 max(C + M, T)

1. 设备往 A 写的同时，B 里的数据可以往用户区传，所以 M 可以和 T 重叠了。
2. 但用户区只有一个：M 要等上一块的 C 算完才能覆盖用户区，所以 M 和 C 仍然串行，合起来是 C + M。
3. 设备这一侧每块要 T。两侧并行，谁慢谁决定节奏：max(C + M, T)。

推论：当 C ≥ T 时，两个公式都等于 C + M，双缓冲没有收益（瓶颈在 CPU）。

循环缓冲

多个等大缓冲区连成环。in 指针指向下一个可以冲入数据的空缓冲区，out 指针指向下一个可以取出数据的满缓冲区。本质是生产者—消费者问题的有界缓冲区。

缓冲池

全系统共用。三个队列：空缓冲队列、装满输入数据的队列、装满输出数据的队列。四种工作缓冲区：收容输入（hin）、提取输入（sin）、收容输出（hout）、提取输出（sout）。按需从队列摘取，用完挂回相应队列。

分配步骤

1. 根据进程请求的物理设备名查 SDT，找到该设备的 DCT；
2. 查 DCT：设备忙，就把进程 PCB 挂到设备等待队列；不忙，分配设备；
3. 由 DCT 找到 COCT：控制器忙，挂到控制器等待队列；不忙，分配控制器；
4. 由 COCT 找到 CHCT：通道忙，挂到通道等待队列；不忙，分配通道。

三者都分到，才启动 I/O。回收时按相反方向释放，并唤醒各自等待队列里的进程。

改进：设备独立性（逻辑设备名）

上面的做法要用户写物理设备名，换一台设备程序就得改；某台忙时，同类的另一台空着也用不上。

改进：用户只写逻辑设备名（“打印机”），系统在 SDT 中找第一台该类型且空闲的设备分配，再在逻辑设备表 LUT 里登记：

LUT 可以全系统一张（逻辑设备名不能重名，适合单用户）或每个用户一张（登录时建立，多用户系统用）。

安全分配 vs 不安全分配

• 安全分配：进程发出 I/O 请求后立即阻塞，直到 I/O 完成才唤醒。一个进程同时只占一台设备，破坏了“请求和保持”，不会死锁；代价是 CPU 与 I/O 对这个进程来说是串行的。
• 不安全分配：发出请求后继续运行，还能再申请别的设备，只有请求的设备被占用时才阻塞。进程推进快，但可能死锁。

分配时考虑的因素

• 设备固有属性：独占设备分给一个进程用到释放；共享设备可同时分给多个进程；虚拟设备靠 SPOOLing。
• 分配算法：先来先服务、优先级高者优先。
• 静态分配（作业开始前一次分齐，破坏请求和保持）/ 动态分配（运行中按需申请）。

共享打印机是怎么做到的

1. 进程请求打印时，系统并不把打印机分给它，而是由输出进程在输出井里为它申请一块空闲区，把要打印的数据送进去；
2. 再为它申请一张空白的打印请求表，填好后挂到假脱机文件队列上；
3. 对进程来说打印已经“完成”，它可以继续运行；
4. 打印机空闲时，输出进程从队首取一张请求表，把对应数据从输出井经输出缓冲区送到打印机。

特点和代价

• 独占设备 → 共享设备：物理上打印机仍然一次只打一份，但多个进程可以同时“提交”；
• 实现了虚拟设备：每个进程都觉得自己有一台打印机；
• 提高了 I/O 速度：进程和井交换数据，缓和了 CPU 与慢速设备的矛盾；
• 代价：占用磁盘空间和内存缓冲区，要有多道程序支持。是“空间换时间”。

不需要外围控制机，这是它和脱机技术的区别。

结构

• 盘面：每个盘片上下两面，每面一个磁头，所有磁头装在同一磁臂上共进退；
• 磁道：盘面上的一圈同心圆；扇区：磁道再切成的一段，每个扇区存的数据量相同（内圈扇区面积小，密度大）；
• 柱面：所有盘面上半径相同的磁道组成一个柱面；
• 磁盘地址 = (柱面号, 盘面号, 扇区号)：先移磁臂到柱面，再激活盘面的磁头，最后等扇区转到磁头下。

为什么柱面号放最高位：读地址连续的块时，先把同一柱面的各个盘面读完，磁臂不用动。换成 (盘面号, 柱面号, 扇区号) 就要频繁移磁臂。

访问时间

旋转延迟和传输时间只和转速有关，OS 管不了。磁盘调度算法只优化寻道时间。

减少旋转延迟

• 交替编号：读完一个扇区后磁头要一小段时间处理数据，这期间盘还在转。让逻辑相邻的扇区在物理上隔开几个，处理完正好转到下一个，不用多等一圈。
• 错位命名：相邻盘面的 0 号扇区错开一个角度。读完一面最后一个扇区、切换磁头需要时间，切换好时下一面的 0 号扇区正好转到。

磁盘管理

• 低级格式化（物理格式化）：划分扇区，每个扇区 = 头 + 数据区 + 尾（含校验码 ECC）；
• 分区：把磁盘分成由若干柱面组成的分区（C 盘、D 盘）；
• 高级格式化（逻辑格式化）：在分区上建立文件系统，写入根目录、空闲空间管理的初始数据结构（位示图、FAT 等）；
• 引导块：ROM 里只放很小的自举装入程序，完整的自举程序放在磁盘固定位置的启动块（引导块）上，有启动分区的叫启动盘 / 系统盘；
• 坏块：简单磁盘由 OS 在 FAT 等结构里标记，对 OS 不透明；复杂磁盘由控制器维护坏块链表，低级格式化时用备用扇区替换坏块（扇区备用），对 OS 透明。