I/O管理和磁盘调度
I/O
大体分为下面三类：
- 人可读：适用于计算机用户间的交互，如打印机和终端（显示器、键盘、鼠标）
- 机器可读：适用于与电子设备通信，如磁盘驱动器、USB密钥、传感器、执行器
- 通信：适用于与远程设备通信，如数字线路驱动器、调制解调器
各类设备间很大差别，甚至同一类里也很大
- 数据传输速率
- 应用
- 控制的复杂性
- 传送单元
- 数据表示
- 错误条件
I/O功能的组织
三种控制方式
- 程序控制I/O：处理器代表一个进程给I/O模块发送一个I/O命令；该进程进入忙等待，知道操作完成后才能继续执行
- 中断驱动I/O：处理器代表进程向I/O模块发出一个I/O命令。有两种可能性：若来自进程的I/O指令是非阻塞的，则处理器继续执行发出I/O命令的进程的后续指令。若指令是阻塞的，则处理器执行的下一条指令来自OS，它将当前的进程设置为阻塞态并调度其他进程
- 直接存储器访问（DMA）：一个DMA模块控制内存和I/O模块之间的数据交换。为传送一块数据，处理器给DMA模块发请求，且只有在整个数据块传送结束后，它才被中断
操作系统设计问题
设计I/O目标：效率和通用性（使用一种统一的方式处理所有的设备）
I/O功能的逻辑结构
对于逻辑外部设备：
逻辑I/O：代表用户进程管理的普通I/O功能，允许用户进程根据设备标识符及诸如打开、关闭、读、写之类的简单命令与设备打交道
设备I/O：请求的操作和数据被转换为适当的I/O指令序列、通道命令和控制器指令
调度和控制：I/O操作的排队、调度实际上发生在这一层，是与I/O模块和设备硬件真正发生交互的软件层
I/O缓冲
讨论缓冲需要区分两类I/O设备：
- 面向块（block-oriented）：将信息保存在块中，块的大小通常固定，一次传送一块，可以通过块号来访问数据
eg：磁盘、USB智能卡
- 面向流（stream-oriented）：以字节流的方式输入/输出数据，没有块结构，
eg：终端、打印机、通信端口、鼠标和其他指示设备及其他大多数非辅存设备
不同缓冲
- 单缓冲：当用户进程发出I/O请求时，OS为该操作分配一个位于内存中的系统部分的缓冲区
- 双缓冲：在一个进程向一个缓冲区传送数据的同时，操作系统正在清空另一个缓冲区
- 循环缓冲：使用多于两个缓冲区的方案来弥补需求的不足
缓冲作用：平滑I/O需求的峰值的一种技术
磁盘调度
磁盘性能参数
寻道时间：将磁头臂移到指定磁道所需要的时间
旋转延迟：将磁盘的待访问地址区域旋转到读/写磁头可访问的位置所需要的时间
传输时间：像磁盘传送或从磁盘传送的时取决于磁盘的旋转速度，$T=\frac{b}{rN}$，b为传送的字节数，N表示一个磁道中的字节数，r表示旋转速度，转/秒
磁盘调度策略
磁盘产生性能差异的原因主要是寻道时间
- 随机调度（RSS，random scheduling）：磁道完全被随机访问，性能最差
- 先进先出（FIFO)：按顺序处理，公平
- 优先级（PRI）：基于优先级调度
- 后进先出（LIFO）：反而可以利用局部性提高吞吐量并缩短队列长度
以上仅基于队列或请求者的属性，如果调度程序知道当前轨道位置，可以采用基于请求项的调度
- 最短服务时间优先（SSTF）：选择使磁头臂从当前位置开始移动最少的磁盘I/O请求
- SCAN：除FIFO外，其他策略都可能使得某些请求直到整个队列为空时才可完成，导致饥饿，可以使用该方法要求磁头臂仅沿一个方向移动，并在途中满足所有未完成的请求，知道达到这个方向上最后一个磁道，或者这个方向上没有其他请求为止
- C-SCAN：循环SCAN，把扫描限定在一个方向上，当访问到沿某个方向的最后一个磁道时，磁头臂会返回到磁盘相反方向某段的磁道，并再次开始扫描；这样减少了新请求的最大延迟
为避免“磁头臂的黏性”，磁盘队列分成多段，一次只有一段被完全处理：
- N步SCAN：把请求队列分成长度为N的几个子队列，每次用SCAN处理一个子队列
- FSCAN：使用两个子队列，扫描开始时，所有请求在一个队列里，另一个队列为空，扫描过程中，新到的放入另一个队列；新请求的服务延迟到处理完所有老请求后
