第五章输入输出（IO）
IO设备
分为两类：
- 块设备
把信息存储在固定大小的块中，每个块都有自己的地址，所有传输以一个或多个完整的块为单位，基本特征时每个块能独立于其它的块而读写。如磁盘
- 字符设备
以字符为单位发送或接收一个字符流，而不考虑任何块结构，不可寻址也没有任何寻道操作，如打印机、网络接口、鼠标等
时钟、内存映射的显示器不属于以上两种。
设备控制器
IO设备一般由机械部件和电子部件组成，其中电子部件称作设备控制器或适配器。
设备控制器的任务：把串行的位流转换为字节块，并进行必要的错误校正工作，使内存可用。
内存映射IO
CPU与设备的控制寄存器和数据缓冲区进行通信的方式：
- 每个设备寄存器被分配一个IO端口号，形成IO端口空间，是普通用户程序不能对其进行访问，
- 内存映射IO，即每个控制寄存器都被分配唯一的内存地址，且不会有内存被分配这一地址。
优点：可以使用C或C++访问这些寄存器而不需要汇编代码；不需要特殊的保护机制来组织用户进程执行IO操作；可以引用内存的每一条指令也可以引用控制寄存器。
缺点：必须对每个页面有选择性地禁用高速缓存。
直接存储器DMA
用于大量的数据输入输出，绕过CPU直接在内存和外设之间传递数据。
需要缓冲区的原因：通过内部缓冲，词牌控制器可在开始传送之前检验校验和，如果校验和是错误的，就会发出一个表明错误的信号并且不会传送；避免控制器存储很多字，简化控制器设计。
中断
如果没有其它中断悬而未决，中断控制器立刻对中断进行处理，如果有另一个中断还在处理，或者有更高优先级的中断请求，那么该设备暂时不被理睬。中断控制器在地址线上放置一个数字表明那个设备需要关注，并制器一个中断CPU的信号，中断信号导致CPU停止当前的工作并开始做其它的事情。
IO软件的目标
- 设备独立性
- 统一命名
- 错误处理
- 同步、异步传输
- 缓冲
程序控制（轮询）IO
首先数据被复制到内核空间，然后操作系统进入密闭的循环，一次输出一个字符，然后不断查询设备是否就绪准备接收另一个字符，这一行为称为轮询或忙等待。
优点：简单
缺点：直到IO完成之前要占用全部的CPU，低效。
中断驱动IO
在CPU等待打印机就绪时，可用使用中断来调度别的进程，请求打印字符串的进程被阻塞。
使用DMA的IO
将中断的次数从打印每个字符一次减少到打印每个缓冲区一次
中断完成后的步骤
设备驱动程序
每个连接到计算机的IO设备都需要某些设备特定的代码对其进行控制，这样的代码称为设备驱动程序，一般都设备的制造商编写并随同设备一起交付。
设备无关IO软件
设计方式：对每种设备类型，操作系统定义一组驱动程序必须支持的函数。驱动程序通常包含一张表格，具有针对这些函数指向驱动程序自身的指针，驱动程序装载时，操作系统记录这张函数指针表的地址，当操作系统需要调用一个函数时，就可以通过这张表格发出间接调用。
缓冲
缓冲太多会降低传输效率
IO系统层次及功能
盘
磁盘被组织为柱面，柱面包含若干磁道，磁道被分为若干扇区。
重叠寻道：控制器同时控制多个驱动器进行寻道。
RAID
廉价磁盘冗余阵列,基本思想：将一个装满磁盘的盒子安装到计算机，用RAID控制器替换磁盘控制器卡，将数据复制到整个RAID上，然后继续常规的操作。
0级RAID：每个条带k个扇区，0~k-1为条带0，k到2k-1为条带1，……，如果软件发出命令读取连续四条条带的数据块，就会将命令分解为四条单独命令，每条对应磁盘的一块。数据量越大性能越好
1级RAID：真正的RAID，复制了所有的磁盘，存在四个主磁盘和四个备份磁盘，执行写操作时，每个条带都被写了两次，执行读操作时，可以使用任何一个副本，写性能不比单个驱动器好，读性能高出两倍，容错性好，恢复简单。
2级RAID：工作在字甚至字节的基础。将单个虚拟磁盘的每个字节分割成4位的半字节对，然后每个半字节对加入一个汉明码从而形成7位的字，1、2、4位位奇偶校验位。优点：一个驱动器的损坏不会引起问题，汉明码可以解决；缺点：要求所有驱动器的旋转必须同步
3级RAID:2级的简化版本，为每个数据字计算奇偶校验位，并写入奇偶驱动器中，各个驱动器必须精确同步。
4级RAID:将奇偶条带写到另一个磁盘。如果有磁带发生微小更新，就必须读取所有的驱动器并重新计算奇偶校验，需要两次读和写。
5级RAID：消除4级raid的瓶颈，均匀分布奇偶校验位。
6级RAID：与5级相似，跨磁盘分条带的数据具有两个奇偶块，写的代价更高，能提高更高的可靠性。
磁盘臂调度算法
读写磁盘块的时间影响因素：
寻道时间占主导地位。
磁盘驱动程序维护一张表，按柱面号索引，每一柱面的未完成请求组成一个链表，链表头存放在表的相应表目中。
1、先来先服务算法FIFS
很难优化寻道时间。
2、最短寻道优先算法SSF
下一次总是处理与磁头距离最近的请求以使寻道时间最小化。
缺点：如果磁盘负载很重，那么大部分时间磁盘臂将停留在磁盘的中部区域，而两端极端区域的请求不得不等待，远离中部区域的请求得到的服务很差，获得最小响应时间的目标和公平性存在冲突。
3、电梯算法
维护一个二进制位，当一个请求处理完之后，检查该位，如果是UP，磁盘臂移到下一个更高的未完成的请求，如果更高的位置没有未完成的请求，就将方向位取反，当方向位为DOWN时，同时存在一个低位置的请求，就移向该位置，如果不存在未决的请求就停止等待。
如果寻道时间远快于旋转延迟，就使用不同的优化策略，未完成的请求应该按扇区号排序。
错误处理
对于坏块的两种处理方法：
- 在控制器中对它们进行处理
- 在操作系统中对它们进行处理
前者对于坏扇区，用备用扇区替换它：将备份扇区重映射为坏扇区；将所有扇区向上移动一个扇区。
