蒲曉蓉操作系統(tǒng)原理教學(xué)課件

1、本章要點(diǎn)設(shè)備管理的主要功能、模型I/O子系統(tǒng)的組成、結(jié)構(gòu)設(shè)備的控制、I/O控制設(shè)備的類型設(shè)備分配I/O緩沖技術(shù)虛擬設(shè)備與SPOOLing系統(tǒng)磁盤設(shè)備的管理4.1 設(shè)備管理概述設(shè)備管理的主要功能 設(shè)備分配 設(shè)備映射設(shè)備驅(qū)動I/O緩沖區(qū)的管理 設(shè)備分配多道程序系統(tǒng)中的設(shè)備不允許用戶直接使用，而是由操作系統(tǒng)統(tǒng)一調(diào)度和控制。設(shè)備分配功能是設(shè)備管理的基本任務(wù)。設(shè)備分配程序按照一定的策略，為申請?jiān)O(shè)備的用戶進(jìn)程分配設(shè)備，記錄設(shè)備的使用情況 設(shè)備管理的主要功能 設(shè)備分配 設(shè)備映射設(shè)備驅(qū)動I/O緩沖區(qū)的管理 設(shè)備映射為了提高應(yīng)用軟件對運(yùn)行平臺的適應(yīng)能力，方便實(shí)現(xiàn)應(yīng)用軟件I/O重定向，大多數(shù)現(xiàn)代操作系統(tǒng)均支持應(yīng)用

2、軟件對設(shè)備的無關(guān)性，即通常所說的設(shè)備無關(guān)性，或者設(shè)備獨(dú)立性。 設(shè)備無關(guān)性：應(yīng)用軟件所引用的、用于實(shí)現(xiàn)I/O操作的設(shè)備與物理I/O系統(tǒng)中實(shí)際安裝的設(shè)備沒有固定的聯(lián)系。設(shè)備映射邏輯設(shè)備和物理設(shè)備 邏輯設(shè)備是指，應(yīng)用軟件所引用的用于實(shí)現(xiàn)I/O操作的設(shè)備。 物理設(shè)備則指，物理I/O系統(tǒng)中實(shí)際安裝的設(shè)備。從應(yīng)用軟件的角度看，邏輯設(shè)備是一類物理設(shè)備的抽象。從操作系統(tǒng)設(shè)備管理程序的角度看，物理設(shè)備則是某種邏輯設(shè)備的實(shí)例。設(shè)備映射如果某系統(tǒng)支持設(shè)備無關(guān)性，那么該系統(tǒng)中應(yīng)用軟件所引用的邏輯設(shè)備與實(shí)際安裝的物理設(shè)備沒有固定的聯(lián)系。事實(shí)上，在應(yīng)用軟件運(yùn)行期間，操作系統(tǒng)的設(shè)備管理程序必須將該應(yīng)用軟件對邏輯設(shè)備的引用轉(zhuǎn)

3、換成對相關(guān)物理設(shè)備的引用。設(shè)備管理的這種功能稱為邏輯設(shè)備到物理設(shè)備的映射功能，簡稱設(shè)備映射功能。設(shè)備管理的主要功能 設(shè)備分配 設(shè)備映射設(shè)備驅(qū)動I/O緩沖區(qū)的管理 設(shè)備驅(qū)動 又稱設(shè)備處理，指對物理設(shè)備進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)真正的I/O操作。設(shè)備驅(qū)動的主要任務(wù)是：接收上層軟件發(fā)來的抽象服務(wù)請求，例如讀/寫命令，再把它轉(zhuǎn)換為具體要求，通過一系列的I/O指令，控制設(shè)備完成請求的操作；同時，設(shè)備驅(qū)動程序還將設(shè)備發(fā)來的有關(guān)信號傳送給上層軟件，例如設(shè)備是否已損壞等。 設(shè)備驅(qū)動設(shè)備驅(qū)動程序與硬件密切相關(guān)，應(yīng)為每一類設(shè)備配置一種驅(qū)動程序。設(shè)備驅(qū)動程序一般由設(shè)備開發(fā)廠商根據(jù)操作系統(tǒng)的要求組織編寫，操作系統(tǒng)僅對與設(shè)備驅(qū)動

4、的接口提出要求，一般不負(fù)責(zé)具體設(shè)備驅(qū)動程序的編寫。有時候，某些硬件無法在某種操作系統(tǒng)中使用，原因很可能就是沒有專門的或通用的設(shè)備驅(qū)動程序，或者設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)計(jì)有問題，使得設(shè)備無法正常工作。設(shè)備管理的主要功能 設(shè)備分配 設(shè)備映射設(shè)備驅(qū)動I/O緩沖區(qū)的管理 I/O緩沖區(qū)的管理為了緩和處理機(jī)與外部設(shè)備間速度不匹配的矛盾，提高處理機(jī)和外部設(shè)備間的并行性，現(xiàn)代操作系統(tǒng)大都在設(shè)備管理部分引入了緩沖技術(shù)。通常，緩沖區(qū)是指內(nèi)存中的若干區(qū)域，用于緩存進(jìn)程與外部設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸。又稱為I/O緩沖區(qū)。I/O緩沖區(qū)管理的任務(wù)是：組織I/O緩沖區(qū)，并為使用者提供獲得和釋放I/O緩沖區(qū)的手段。 通用設(shè)備管理分層模型 將設(shè)

5、備管理功能模塊分為設(shè)備硬件無關(guān)以及設(shè)備硬件相關(guān)兩個層次。設(shè)備硬件無關(guān)層主要實(shí)現(xiàn)：I/O緩沖區(qū)管理以及設(shè)備映射功能。該層與設(shè)備用法有關(guān)，與設(shè)備硬件無關(guān)。一般地，根據(jù)設(shè)備的用法，該層也可視作虛擬存儲系統(tǒng)、文件系統(tǒng)或通信系統(tǒng)的一部分。通用設(shè)備管理分層模型 設(shè)備硬件相關(guān)層將設(shè)備硬件無關(guān)層與設(shè)備硬件隔離開來。從設(shè)備硬件無關(guān)層的角度看，設(shè)備硬件相關(guān)層為其提供了一個相對簡潔的I/O功能接口；該接口屏蔽了設(shè)備硬件復(fù)雜的操作細(xì)節(jié)。從設(shè)備硬件相關(guān)層的內(nèi)部看，該層主要實(shí)現(xiàn)設(shè)備驅(qū)動功能。毫無疑問，該層與設(shè)備硬件密切相關(guān)。通用設(shè)備管理分層模型用戶進(jìn)程設(shè)備硬件無關(guān)層設(shè)備硬件相關(guān)層設(shè)備硬件支持中斷的設(shè)備管理模型 用戶進(jìn)程設(shè)

6、備硬件內(nèi)核中斷管理模塊I/O請求IOCS資源等待隊(duì)列I/O等待隊(duì)列設(shè)備驅(qū)動程序啟動過程|繼續(xù)過程設(shè)備中斷4.2 計(jì)算機(jī)I/O子系統(tǒng)的組成 總線型I/O系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)處理機(jī)I/O設(shè)備I/O設(shè)備I/O設(shè)備I/O設(shè)備I/O設(shè)備系統(tǒng)總線內(nèi)存通道型I/O系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)處理機(jī)I/O設(shè)備I/O設(shè)備I/O通道I/O通道系統(tǒng)總線內(nèi)存I/O通道I/O設(shè)備I/O設(shè)備I/O設(shè)備I/O設(shè)備具有控制器的I/O系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 傳統(tǒng)的設(shè)備 = 機(jī)械部分 + 電子部分電子部分在系統(tǒng)的控制下驅(qū)動機(jī)械部分運(yùn)轉(zhuǎn)，完成I/O操作。由于設(shè)備中電子部分比機(jī)械部分的速度快得多。為了降低硬件成本，將電子部分從設(shè)備中分離出來作為一個獨(dú)立的部件，這就是控制器。

7、分離之后的設(shè)備僅由機(jī)械部分構(gòu)成，一個控制器可與多個設(shè)備相連，交替地或分時地控制與其相連的設(shè)備。例如，磁盤控制器可以控制多個磁盤驅(qū)動器。具有控制器的I/O系統(tǒng)結(jié)構(gòu)處理機(jī)控制器I/O設(shè)備I/O通道系統(tǒng)總線內(nèi)存I/O通道控制器I/O設(shè)備控制器控制器I/O設(shè)備I/O設(shè)備I/O設(shè)備I/O設(shè)備設(shè)備的控制設(shè)備的尋址與操作從處理機(jī)的角度看，各種外部設(shè)備可以看作是由一組設(shè)備寄存器組成的。常見的設(shè)備寄存器有：操作方式寄存器、命令寄存器、數(shù)據(jù)寄存器、狀態(tài)寄存器等。為了使CPU能夠?qū)ぶ愤@些設(shè)備寄存器，硬件平臺引入了I/O端口地址的概念。設(shè)備的控制設(shè)備的尋址與操作I/O端口地址的編址方式有兩種：（1）將設(shè)備寄存器與內(nèi)存

8、物理單元統(tǒng)一編址；（2）獨(dú)立于內(nèi)存物理地址為設(shè)備寄存器編址。無論一個設(shè)備是否由多個控制器控制，或者一個控制器控制了多少個設(shè)備，每一個設(shè)備都能通過這些寄存器的地址唯一確定。設(shè)備的控制即插即用 隨著外部設(shè)備種類增加，設(shè)備間極可能發(fā)生沖突。即，設(shè)備使用的中斷號、DMA、內(nèi)存地址、端口地址可能因相同或重疊而導(dǎo)致設(shè)備無法正常工作。手工調(diào)整這些設(shè)備的相關(guān)參數(shù)要求用戶具有較多的計(jì)算機(jī)硬件知識，并對系統(tǒng)配置的硬件有較全面的了解。 設(shè)備的控制即插即用顧名思義是指，插上了就可使用，不需要用戶進(jìn)行其它設(shè)置?！凹床寮从谩奔夹g(shù)取消了跳線和軟件配置程序，當(dāng)用戶插入一個“即插即用”適配卡或設(shè)備時，“即插即用”功能就可以自動

9、進(jìn)行檢測，配置相應(yīng)的接口參數(shù)，并安裝相應(yīng)的驅(qū)動程序。設(shè)備的控制即插即用對已安裝硬件的自動和動態(tài)識別包括系統(tǒng)初始安裝時、兩次系統(tǒng)啟動之間以及運(yùn)行時發(fā)生的硬件事件（如筆記本的對接/分離以及設(shè)備的插入/拔出）的響應(yīng)；配合操作系統(tǒng)分配/再分配硬件資源 加載相應(yīng)的驅(qū)動程序。當(dāng)系統(tǒng)中加入新設(shè)備時，如果操作系統(tǒng)中沒有集成相應(yīng)設(shè)備的驅(qū)動程序，則會要求用戶指定驅(qū)動程序的位置并完成驅(qū)動程序的安裝。設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)備驅(qū)動程序一般由設(shè)備制造商提供，不包含在操作系統(tǒng)中。但是，為了方便用戶，操作系統(tǒng)軟件包中通常會集成提供標(biāo)準(zhǔn)的、通用的或者流行的、常用設(shè)備廠商的設(shè)備驅(qū)動程序供用戶選擇。從系統(tǒng)分層的觀點(diǎn)來講，設(shè)備驅(qū)動程序可以是

10、操作系統(tǒng)的一部分，也可以被認(rèn)為是硬件設(shè)備的一部分。I/O控制方式程序I/O方式 在早期的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，由于沒有中斷裝置，處理機(jī)對于I/O設(shè)備的控制采取程序I/O方式也稱忙等待方式或循環(huán)測試方式。對于讀操作，這種方式的基本工作過程為：處理機(jī)向設(shè)備(或設(shè)備控制器)發(fā)出一條I/O指令啟動設(shè)備、輸入數(shù)據(jù)，同時將狀態(tài)寄存器中的“忙”標(biāo)志置為1。處理機(jī)不斷地循環(huán)測試忙標(biāo)志，直到忙標(biāo)志變?yōu)?；處理機(jī)通過I/O讀指令將數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)寄存器中取出，送入內(nèi)存中指定單元；若數(shù)據(jù)已讀完，則結(jié)束本過程，否則轉(zhuǎn)，繼續(xù)讀下一個數(shù)據(jù)。在程序I/O方式中，由于處理機(jī)的速度非常快，而設(shè)備的速度相對較慢，使得處理機(jī)的絕大部分時間都處于

11、等待設(shè)備完成數(shù)據(jù)I/O的循環(huán)測試中，造成對CPU的極大浪費(fèi)。I/O控制方式中斷I/O方式對于讀操作，中斷方式的基本工作過程為：處理機(jī)向設(shè)備(或設(shè)備控制器)發(fā)出一條I/O指令，啟動設(shè)備，輸入數(shù)據(jù)；處理機(jī)完成其它工作，設(shè)備準(zhǔn)備數(shù)據(jù)；當(dāng)設(shè)備準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)寄存器，向處理機(jī)發(fā)中斷信號，告之?dāng)?shù)據(jù)已準(zhǔn)備好；處理機(jī)響應(yīng)中斷請求，從數(shù)據(jù)寄存器中將數(shù)據(jù)取出，送入內(nèi)存的指定單元；若數(shù)據(jù)已讀完，結(jié)束。否則，轉(zhuǎn)，繼續(xù)。中斷方式控制I/O的優(yōu)點(diǎn)在于，設(shè)備與處理機(jī)并行，提高了處理機(jī)的利用率。性能優(yōu)于程序控制I/O方式。I/O控制方式DMA方式中斷I/O比程序I/O方式高效，但以字/字節(jié)為傳輸單位。每完成一個字/

12、字節(jié)的傳輸，設(shè)備均要向CPU請求一次中斷。對于塊設(shè)備而言，這種方式的效率還是顯得有些低下。因?yàn)?，頻繁的、大量的中斷所累積的開銷很大。為了進(jìn)一步減少處理機(jī)對I/O事務(wù)的干預(yù)，出現(xiàn)了 DMA（Direct Memory Access)直接存儲器訪問方式。 DMA的特點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕締挝皇菙?shù)據(jù)塊；數(shù)據(jù)直接從設(shè)備送入內(nèi)存，或者直接從內(nèi)存送入設(shè)備；僅在傳送一個或多個數(shù)據(jù)塊的開始和結(jié)束時，才需要處理機(jī)的干預(yù)。與中斷方式相比，DMA方式大大減少了數(shù)據(jù)I/O對處理機(jī)的占用，進(jìn)一步提高了處理機(jī)的利用率，提高了處理機(jī)和I/O設(shè)備的并行操作能力。I/O控制方式I/O通道方式通道相當(dāng)于一個功能單純的處理機(jī)，專門用于處

13、理I/O操作。通道有自己的運(yùn)控部件和指令系統(tǒng)，但沒有專門的內(nèi)存，而是通過“周期竊用”方式與主機(jī)共享內(nèi)存。通道通過執(zhí)行通道程序來完成I/O操作。通道程序是通道指令的有序序列，它由系統(tǒng)中的輸入/輸出進(jìn)程根據(jù)用戶進(jìn)程的I/O要求來確定，可以是事先編制好的程序段，也可以動態(tài)產(chǎn)生。通道程序以及需要與設(shè)備交換的數(shù)據(jù)均放置在內(nèi)存中。I/O控制方式I/O通道方式一條通道指令可以傳送一組數(shù)據(jù)，一個通道程序可以傳送多組數(shù)據(jù)。多組數(shù)據(jù)全部傳送完畢后(即一個通道程序執(zhí)行完畢)，才向處理機(jī)發(fā)出一次中斷。通道不僅可以傳送數(shù)據(jù)，更重要的是它還完成對設(shè)備的控制。在通道的協(xié)助下，主機(jī)只需發(fā)出一個啟動通道、執(zhí)行通道程序的指令即可

14、。主機(jī)僅與通道直接通信，不必考慮設(shè)備的具體控制以及如何完成數(shù)據(jù)傳送等問題，從而大大減輕了主機(jī)的負(fù)擔(dān)。4.3 設(shè)備分類 設(shè)備類型根據(jù)外部設(shè)備的用途不同，可以將其分為輸入/輸出型設(shè)備與存儲型設(shè)備；根據(jù)外設(shè)傳輸?shù)幕緮?shù)據(jù)單位不同，可以將設(shè)備分為塊型設(shè)備與字符型設(shè)備；按照資源管理的方式不同，可以將設(shè)備分為獨(dú)占型設(shè)備和共享型設(shè)備。輸入/輸出型 VS 存儲型設(shè)備 輸入/輸出型設(shè)備：鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器、讀卡機(jī)、掃描儀、打印機(jī)、繪圖儀、數(shù)碼相機(jī)等。存儲型設(shè)備：磁帶機(jī)、磁鼓機(jī)、磁盤機(jī)等?？捎米鬏斎耄部梢杂米鬏敵?。主要用于長期保存信息，但需要管理其上的存儲空間?？梢栽诖鎯υO(shè)備上可以建立文件系統(tǒng)，有組織、有結(jié)構(gòu)地

15、長期存儲信息。 塊型設(shè)備 VS 字符型設(shè)備塊型設(shè)備通常就是存儲型設(shè)備。這類設(shè)備由若干長度相同的塊構(gòu)成。一塊的長度通常為2n個字節(jié)，如256B、512B、1024B等。對這類設(shè)備來說，塊是存儲分配的基本單位，也是I/O傳輸?shù)幕締挝?。字符型設(shè)備通常就是輸入/輸出型設(shè)備。這類設(shè)備I/O傳輸?shù)幕締挝皇亲止?jié)。獨(dú)占型 VS 共享型設(shè)備獨(dú)占型設(shè)備包括所有的字符型設(shè)備及磁帶機(jī)。任意時間段內(nèi)最多只能被一個進(jìn)程占用。使用時，進(jìn)程首先向系統(tǒng)申請，可能進(jìn)入阻塞狀態(tài)。當(dāng)設(shè)備可用時，喚醒一個等待進(jìn)程。使用完畢以后，進(jìn)程必須釋放設(shè)備。共享型設(shè)備包括除磁帶機(jī)以外的所有塊型設(shè)備。 I/O傳輸單位：塊 宏觀上，一個共享型設(shè)備

16、可以被多個進(jìn)程同時占用；微觀上，多個進(jìn)程交替使用同一設(shè)備。 進(jìn)程使用這類設(shè)備時，無須申請或釋放設(shè)備，也不存在某個進(jìn)程占用設(shè)備的問題。 4.4 設(shè)備分配 分配：設(shè)備、控制器和通道需要記錄與他們相關(guān)的信息。包括：資源標(biāo)識、物理連接情況、占有進(jìn)程、等待進(jìn)程等。具體實(shí)現(xiàn)時，可以將其分為設(shè)備控制塊、控制器控制塊和通道控制塊。這些控制塊中包含的信息在不同的系統(tǒng)中會有所不同 設(shè)備控制塊UCB(Unit Control Block) 設(shè)備標(biāo)識設(shè)備狀態(tài)相連的控制器重試次數(shù)(I/O出錯時的重試次數(shù))占有設(shè)備的進(jìn)程設(shè)備等待隊(duì)列(指向等待本設(shè)備的等待隊(duì)列)通路待隊(duì)列(使用設(shè)備時需要申請相應(yīng)的通路)控制器控制塊CUCB

17、 控制器標(biāo)識控制器狀態(tài)相連的通道相連的設(shè)備占有控制器的進(jìn)程通道控制塊CCB通道標(biāo)識通道狀態(tài)相連的控制器占有通道的進(jìn)程設(shè)備無關(guān)性 為了實(shí)現(xiàn)設(shè)備的無關(guān)性，操作系統(tǒng)要求進(jìn)程申請?jiān)O(shè)備時，應(yīng)當(dāng)指明所需設(shè)備的類別(或者邏輯設(shè)備名)，不能指定某一設(shè)備的具體編號。系統(tǒng)根據(jù)進(jìn)程的請求以及資源分配情況在相應(yīng)類別的設(shè)備中選擇一個空閑的物理設(shè)備，并將其分配給申請者。 優(yōu)點(diǎn)提高設(shè)備的利用率。從根本上講，申請者只關(guān)心使用設(shè)備的結(jié)果，不在乎到底使用哪一個設(shè)備。假設(shè)申請者指定具體設(shè)備，被指定的設(shè)備可能正在被使用，因而申請無法滿足。而此時，其他同類設(shè)備可能空閑。這將造成資源的浪費(fèi)和進(jìn)程的不必要等待；程序與設(shè)備無關(guān)。假設(shè)申請者指

18、定具體設(shè)備，而被指定的設(shè)備已損壞或未聯(lián)機(jī)，則要么程序無法正常工作，要么修改程序。系統(tǒng)設(shè)備表SDT根據(jù)上述實(shí)現(xiàn)要求，系統(tǒng)通常將相同類型設(shè)備的UCB記錄在一張表中，稱作UCB表。將邏輯設(shè)備名、設(shè)備數(shù)、設(shè)備等待隊(duì)列以及UCB表的起始地址登記在另一個表中，該表通常稱作系統(tǒng)設(shè)備表(SDT) ，如表4.7所示 。設(shè)備類別設(shè)備總數(shù)可用設(shè)備數(shù)設(shè)備等待隊(duì)列UCB首址打印機(jī)54讀卡機(jī)33設(shè)備分配算法 先來先服務(wù)根據(jù)進(jìn)程對某設(shè)備提出請求的先后次序，將這些進(jìn)程排成一個設(shè)備請求隊(duì)列。設(shè)備分配程序總是把設(shè)備分配給隊(duì)首的進(jìn)程。優(yōu)先級高者優(yōu)先服務(wù) 根據(jù)進(jìn)程優(yōu)先級的高低，將優(yōu)先級高的進(jìn)程排在設(shè)備等待隊(duì)列的前面。對于優(yōu)先級相同的

19、進(jìn)程，則按先來先服務(wù)的原則進(jìn)行排隊(duì)，設(shè)備分配程序總是把設(shè)備分配給排在隊(duì)首的進(jìn)程。 獨(dú)占型設(shè)備的分配 進(jìn)程使用獨(dú)占設(shè)備的過程：申請、使用、釋放。1 進(jìn)程申請?jiān)O(shè)備2 系統(tǒng)分配設(shè)備3 進(jìn)程發(fā)送使用命令4 系統(tǒng)將轉(zhuǎn)到設(shè)備驅(qū)動模塊完成一次I/O傳輸5 進(jìn)程釋放設(shè)備6 系統(tǒng)回收設(shè)備當(dāng)進(jìn)程的一次設(shè)備申請成功，直到發(fā)出釋放命令期間，一直獨(dú)占設(shè)備。 共享型設(shè)備的分配 進(jìn)程使用共享型設(shè)備不需要申請，當(dāng)然也就不存在占用或釋放設(shè)備的問題。但是，I/O期間只能有一個進(jìn)程使用設(shè)備。因此，進(jìn)程使用共享型設(shè)備之前，有一個隱含的申請命令；使用完畢以后，有一個隱含的釋放命令，以實(shí)現(xiàn)一次基本I/O傳輸期間的排它性，保證操作的正常進(jìn)

20、行。使用共享型設(shè)備的過程中，進(jìn)程完全有可能進(jìn)入阻塞等待狀態(tài)。 4.5 I/O緩沖技術(shù) 緩沖技術(shù)的引入 緩解處理機(jī)與設(shè)備間速度不匹配的矛盾 實(shí)現(xiàn)設(shè)備與處理機(jī)一定程度的并行操作減少設(shè)備的中斷頻率，放寬對中斷響應(yīng)時間的限制 提前讀指用戶進(jìn)程從 I/O緩沖區(qū)中取走前一個數(shù)據(jù)以后，立即發(fā)出對下一個數(shù)據(jù)的輸入請求。操作系統(tǒng)將在適當(dāng)?shù)臅r候響應(yīng)該請求以便把用戶進(jìn)程需要的下一個數(shù)據(jù)從用戶進(jìn)程指定的輸入設(shè)備讀入到I/O 緩沖區(qū)中。顯然，用戶進(jìn)程加工前一個數(shù)據(jù)的工作與操作系統(tǒng)輸入下一個數(shù)據(jù)的工作可以同時進(jìn)行。延后寫是指，當(dāng)用戶進(jìn)程請求輸出數(shù)據(jù)時，操作系統(tǒng)將很快把用戶進(jìn)程請求輸出的數(shù)據(jù)從用戶進(jìn)程的工作區(qū)中取走并將其暫

21、時存放在I/O緩沖區(qū)中。 直到用戶進(jìn)程指定的輸出設(shè)備空閑時， 操作系統(tǒng)才把暫時存放在I/O緩沖區(qū)中的用戶進(jìn)程的輸出數(shù)據(jù)寫入用戶進(jìn)程指定的輸出設(shè)備上。顯然，用戶進(jìn)程生成下一個輸出數(shù)據(jù)的工作與操作系統(tǒng)輸出前一個輸出數(shù)據(jù)的工作可以同時進(jìn)行。硬件緩沖和軟件緩沖 硬件緩沖區(qū)配置在設(shè)備中，具有專門的用途。對處理機(jī)透明，不需要處理機(jī)的直接管理，不會影響系統(tǒng)性能。軟件實(shí)現(xiàn)的緩沖區(qū)是內(nèi)存空間的一部分。其目的是為了彌補(bǔ)硬件緩沖區(qū)的不足。因?yàn)椴⒎撬型庠O(shè)都擁有，或者足夠擁有硬件緩沖區(qū)。操作系統(tǒng)中介紹的緩沖區(qū)都是指軟件緩沖區(qū)。緩沖區(qū)的組織形式單緩沖雙緩沖循環(huán)緩沖緩沖池 單緩沖簡單，僅在內(nèi)存中為進(jìn)程對某個設(shè)備的I/O訪

22、問分配一個緩沖區(qū)，如圖 操作系統(tǒng)外部設(shè)備用戶進(jìn)程緩沖區(qū)假定，一塊數(shù)據(jù)從外部設(shè)備輸入到內(nèi)存所花費(fèi)的時間為T，在內(nèi)存中移動所花費(fèi)的時間為M，被用戶進(jìn)程加工處理所花費(fèi)的時間為C，那么在沒有使用I/O緩沖區(qū)的情況下，平均每塊數(shù)據(jù)的處理時間近似為：T+C在使用單I/O緩沖區(qū)的情況下，平均每塊數(shù)據(jù)的處理時間近似為：max(T,C)+M相對于沒有I/O緩沖區(qū)的情形， 單I/O緩沖區(qū)能提高用戶進(jìn)程的運(yùn)行效率。如果用戶進(jìn)程在對有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理時不釋放I/O緩沖區(qū)， 那么用戶進(jìn)程的性能并不能得到改善。如果T遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于C，即外部設(shè)備的I/O速度比用戶進(jìn)程的計(jì)算速度慢得多，那么，單I/O緩沖區(qū)不會顯著改善用戶進(jìn)程的

23、性能。雙緩沖 OS外部設(shè)備用戶進(jìn)程緩沖區(qū)緩沖區(qū)增加一個緩沖區(qū)，兩個緩沖區(qū)可以交替使用。當(dāng)數(shù)據(jù)從緩沖區(qū)復(fù)制到用戶進(jìn)程空間時，輸入設(shè)備不必等待，可立即開始向另一個緩沖區(qū)輸入數(shù)據(jù)。因此，增加了一個緩沖區(qū)后，前述的平均工作時間可近似為：max(T,C)。 另外，若用戶進(jìn)程陣發(fā)性I/O的數(shù)據(jù)超過一個緩沖區(qū)而不滿兩個緩沖區(qū)，雙緩沖使進(jìn)程不會在I/O數(shù)據(jù)期間被阻塞。循環(huán)緩沖 當(dāng)用戶進(jìn)程處理數(shù)據(jù)的速度較快、外部設(shè)備處理數(shù)據(jù)的速度較慢，或者用戶進(jìn)程陣發(fā)性輸入/輸出的數(shù)據(jù)較多時，必須考慮增加緩沖區(qū)的數(shù)量以改善系統(tǒng)性能，這就是多緩沖區(qū)方式。多個I/O緩沖區(qū)常常被組織成一個環(huán)形隊(duì)列，故，稱為循環(huán)緩沖。實(shí)質(zhì)上，雙緩沖可

24、以看作是循環(huán)緩沖的一個特例。緩沖池 上述三種緩沖區(qū)的組織形式僅適用于某種特定的I/O進(jìn)程和計(jì)算進(jìn)程，屬于專用緩沖。當(dāng)系統(tǒng)中的設(shè)備很多時，將會有許多這樣的循環(huán)緩沖區(qū)，消耗大量的內(nèi)存空間，而且其利用率也不高。為了提高緩沖區(qū)的利用率，可以采用公共緩沖池技術(shù)，其中的緩沖區(qū)可為多個設(shè)備和進(jìn)程服務(wù)。 緩沖池兩種緩沖池：分別用于塊型設(shè)備和字符型設(shè)備。用于塊型設(shè)備的緩沖池：緩沖區(qū)較大，其長度通常與外部設(shè)備物理塊的長度相同；用于字符型設(shè)備的緩沖池：緩沖區(qū)較小，其長度通常為8個字節(jié)、16個字節(jié)等。若單個緩沖區(qū)的容量太大會造成資源浪費(fèi)，而太小的緩沖區(qū)則會增加系統(tǒng)管理開銷。 緩沖池緩沖池中的緩沖區(qū)通常組織成鏈表結(jié)構(gòu)。

25、需要緩沖區(qū)時，從鏈表中申請一個或多個緩沖區(qū)。使用完畢時，釋放的緩沖區(qū)將被鏈接到鏈表中。緩沖區(qū)和緩沖池都屬于操作系統(tǒng)空間，用戶進(jìn)程不能直接對緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作 只能通過系統(tǒng)調(diào)用間接地使用； 或讓操作系統(tǒng)將緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)復(fù)制到用戶進(jìn)程空間，或者相反。 緩沖技術(shù)的實(shí)現(xiàn) 內(nèi)容簡單，請讀者自學(xué)。4.6 虛擬設(shè)備虛擬設(shè)備的引入 獨(dú)占型設(shè)備的速度一般較慢，進(jìn)程常需要長時間等待I/O傳輸完成，影響進(jìn)程的推進(jìn)速度；進(jìn)程在占有設(shè)備期間不一定一直使用此設(shè)備，而其他申請?jiān)撛O(shè)備的進(jìn)程只能阻塞等待，降低了設(shè)備的利用率，影響其他進(jìn)程的推進(jìn)速度。引入虛擬設(shè)備技術(shù)，能解決獨(dú)占設(shè)備利用率不高的問題。虛擬設(shè)備技術(shù)的實(shí)現(xiàn)虛擬設(shè)備

26、技術(shù)類似緩沖區(qū)技術(shù)，可以認(rèn)為是為設(shè)備提供了多個更大的、甚至在實(shí)際工作中是無限長度的緩沖區(qū)，進(jìn)一步提高系統(tǒng)效率。虛擬設(shè)備技術(shù)的實(shí)現(xiàn)：在獨(dú)占型設(shè)備與進(jìn)程之間加入一個共享型設(shè)備作為過渡，如圖內(nèi)存共享型設(shè)備進(jìn)程某一區(qū)域獨(dú)占型設(shè)備間斷傳輸連續(xù)傳輸共享型設(shè)備的某一區(qū)域是由若干個設(shè)備塊構(gòu)成的，對進(jìn)程而言相當(dāng)于真實(shí)的設(shè)備。由于共享型設(shè)備較獨(dú)占型設(shè)備的速度較快。所以，進(jìn)程I/O所需的時間較短，提高了進(jìn)程的推進(jìn)速度。又由于共享型設(shè)備的存儲容量很大，可提供多個這樣的區(qū)域，因而虛擬設(shè)備的數(shù)量多，一般可為每個需要使用設(shè)備的進(jìn)程提供一個。這些進(jìn)程不用排隊(duì)等待，他們的推進(jìn)速度也就不受任何影響。這樣，多個進(jìn)程可以同時使用同一

27、獨(dú)占型設(shè)備，而每個進(jìn)程對應(yīng)一個虛擬設(shè)備，提高了設(shè)備利用率。 輸入型虛擬設(shè)備的實(shí)現(xiàn) 對于輸入型虛擬設(shè)備，數(shù)據(jù)的流向： 獨(dú)占型設(shè)備 共享型設(shè)備 進(jìn)程空間/內(nèi)存假定用于輸入的獨(dú)占型設(shè)備是讀卡機(jī)，用于實(shí)現(xiàn)虛擬設(shè)備的共享型設(shè)備是磁盤，則對于進(jìn)程所發(fā)出的資源申請命令、使用命令及釋放命令，操作系統(tǒng)需要完成的工作如下：輸入型虛擬設(shè)備的實(shí)現(xiàn) 申請 分配一臺虛擬設(shè)備(磁盤區(qū)域)，分配一臺實(shí)設(shè)備(一臺讀卡機(jī))，將信息由實(shí)設(shè)備(讀卡機(jī))連續(xù)地傳輸?shù)教摂M設(shè)備(磁盤區(qū)域)，釋放實(shí)設(shè)備(讀卡機(jī))；使用 將數(shù)據(jù)從虛擬設(shè)備(磁盤區(qū)域)傳輸?shù)竭M(jìn)程空間；釋放 回收虛擬設(shè)備(磁盤區(qū)域)。輸出型虛擬設(shè)備的實(shí)現(xiàn) 對于輸出型虛擬設(shè)備來說，

28、數(shù)據(jù)的流向： 內(nèi)存 共享型設(shè)備 獨(dú)占型設(shè)備假定用于輸出的獨(dú)占型設(shè)備是打印機(jī)，用于實(shí)現(xiàn)虛擬設(shè)備的共享型設(shè)備是磁盤，則對于進(jìn)程所發(fā)出的資源申請命令、使用命令及釋放命令，操作系統(tǒng)需要完成的工作如下：輸出型虛擬設(shè)備的實(shí)現(xiàn) 申請 分配一臺虛擬設(shè)備(磁盤區(qū)域)；使用 將數(shù)據(jù)由進(jìn)程空間傳送到虛擬設(shè)備(磁盤區(qū)域)；釋放 申請一臺實(shí)設(shè)備(一臺打印機(jī))，將數(shù)據(jù)由虛擬設(shè)備(磁盤區(qū)域)輸出到實(shí)設(shè)備(打印機(jī))，回收實(shí)設(shè)備(打印機(jī))。 SPOOLing系統(tǒng) SPOOLing：Simultaneous Peripheral Operations On-Line ，直譯意思是“聯(lián)機(jī)情況下同時進(jìn)行的外圍設(shè)備操作”，通常稱其為“

29、假脫機(jī)操作”。SPOOLing系統(tǒng)是虛擬設(shè)備最典型的代表，包括假脫機(jī)輸入和輸出系統(tǒng)兩個部分。核心思想：在快速輔助存儲設(shè)備中建立I/O緩沖區(qū)，用于緩存從慢速輸入設(shè)備流入內(nèi)存的數(shù)據(jù)，或緩存從內(nèi)存流向慢速輸出設(shè)備的數(shù)據(jù)。4.7 磁盤設(shè)備的管理磁盤的性能和安全性磁盤是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)最重要的外部存儲設(shè)備之一 影響磁盤性能和數(shù)據(jù)安全性的主要因素： 磁盤性能參數(shù)：轉(zhuǎn)速、尋道時間、磁盤緩存； 磁盤控制器：IDE、SCSI磁盤控制器； RAID等磁盤容錯技術(shù)； 磁盤管理算法：磁盤調(diào)度算法、磁盤高速緩存、高性能的文件系統(tǒng)；磁盤設(shè)備的物理特性 磁盤由若干張圓形的盤片組成，每張盤片上都涂有磁層，用于記錄數(shù)據(jù)；各盤片的圓心

30、固定在一個旋轉(zhuǎn)軸上，該軸沿固定方向等速地轉(zhuǎn)動，并帶動磁盤組不停地旋轉(zhuǎn)。硬盤的轉(zhuǎn)速比軟盤快幾十倍，并在開機(jī)后一直高速旋轉(zhuǎn)，隨時準(zhǔn)備就緒；而軟盤則需要I/O時才旋轉(zhuǎn)，否則停止旋轉(zhuǎn)。軟盤使用前必須等待轉(zhuǎn)速從0加速，并穩(wěn)定到額定轉(zhuǎn)速，故工作效率較低。每張盤片分為上、下兩個盤面，每個盤面有若干磁道，同一盤面上的所有磁道是繞旋轉(zhuǎn)軸的一組同心圓，所有磁道由外向內(nèi)依次由0開始編號，稱為磁道號。磁盤組中各盤面上序號相同的磁道構(gòu)成一個柱面，由外向內(nèi)依次編號，若磁盤組有l(wèi)個柱面，則編號為0,1,2,l-1，稱為柱面號。若磁盤組共有s個盤片，則共有2s個盤面，但通常最上面和最下面的兩個盤面作為伺服面，用以進(jìn)行控制磁頭

31、定位等操作，并不存放數(shù)據(jù)，因而實(shí)際可用盤面數(shù)為m2(s-1)，由下至下依次編號為0,1,2,m-1，稱為盤面號。整個盤面被劃分為若干大小相同的扇面，它把一個磁道等分為若干個區(qū)域，一個區(qū)域稱為一個扇區(qū)。數(shù)據(jù)保存在各個扇區(qū)中，每個扇區(qū)內(nèi)保存的數(shù)據(jù)量相同，為2的冪次，例如512字節(jié)、1024字節(jié)甚至2048字節(jié)。扇區(qū)是磁盤進(jìn)行I/O傳輸?shù)幕締挝?，也是磁盤空間分配的基本單位。若扇區(qū)的數(shù)量為n，則每條磁道上的扇區(qū)被依次編號為0,1, 2,n-1，稱為扇區(qū)號。磁盤的基本存儲單元(扇區(qū))的尋址方式為三維地址：柱面號、盤面號、扇區(qū)號。為了方便管理及屏蔽存儲設(shè)備的物理細(xì)節(jié)，操作系統(tǒng)向上層軟件提供統(tǒng)一的接口，常

32、使用一維地址，即只有邏輯磁盤塊號(邏輯扇區(qū)號)，將磁盤組中所有的扇區(qū)從0開始編號。顯然，這里就存在著一維地址與三維地址間相互轉(zhuǎn)換的問題為了提高效率，對于移動磁頭式磁盤機(jī)來說，磁頭引臂的機(jī)械運(yùn)動(尋道)速度最慢，其次才是盤片轉(zhuǎn)動的速度，因此，編排邏輯塊號時，扇區(qū)號先變化，其次是盤面號，最后才是柱面號。 磁盤的磁頭工作方式 磁盤：固定頭磁盤和移動頭磁盤。固定頭磁盤的每一條磁道上都有一個讀/寫磁頭，所有的磁頭都被安裝在一剛性磁臂中，通過磁頭訪問磁道，可以并行讀/寫，磁盤的I/O速度很快。固定頭磁盤的優(yōu)點(diǎn)是訪問速度快，其缺點(diǎn)是成本較高、容量受磁頭數(shù)量限制。磁盤的磁頭工作方式 移動頭磁盤為每一個盤面配置

33、一個磁頭，所有盤面的磁頭被裝入磁臂中，磁盤I/O時，必須移動磁頭(尋道)。因此，移動頭磁盤只能進(jìn)行串行讀/寫，I/O速度相對較慢，但由于其具有結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、容量不受磁頭數(shù)量限制等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛使用。影響磁盤I/O性能的技術(shù)指標(biāo) 從磁盤讀數(shù)據(jù)的過程：磁盤接收到讀指令后，磁頭從當(dāng)前位置移到目標(biāo)磁道位置，所需的時間稱為尋道時間；然后，旋轉(zhuǎn)磁盤，定位數(shù)據(jù)所在的扇區(qū)，所需的時間稱為旋轉(zhuǎn)延遲；最后，從磁盤上讀取數(shù)據(jù)，所需的時間稱為數(shù)據(jù)傳輸時間。訪問時間尋道時間旋轉(zhuǎn)延遲傳輸時間 尋道時間尋道時間：把磁頭從當(dāng)前位置移動到指定磁道所需要的時間。是影響磁盤數(shù)據(jù)傳輸率的重要參數(shù)，與磁頭移過的磁道數(shù)量成正比。

34、衡量磁盤的尋道性能時，通常使用平均尋道時間。旋轉(zhuǎn)延遲旋轉(zhuǎn)延遲與磁盤轉(zhuǎn)速直接相關(guān)，是指旋轉(zhuǎn)磁盤，將指定扇區(qū)移動到磁頭下面所需要的時間。假設(shè)Tr為旋轉(zhuǎn)延遲，r為磁盤轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)數(shù)/單位時間）那么Tr 1/(2r)例：對于一個轉(zhuǎn)速為3600rpm的硬盤而言，其每旋轉(zhuǎn)一周的時間為 16.7ms，其平均旋轉(zhuǎn)延遲為8.3ms。對于一個轉(zhuǎn)速為300rpm的軟盤而言，其每旋轉(zhuǎn)一周的時間為 200ms，其平均旋轉(zhuǎn)延遲為100ms。傳輸時間傳輸時間是指把數(shù)據(jù)從硬盤讀出或向磁盤寫入數(shù)據(jù)所經(jīng)歷的時間。傳輸時間與硬盤的轉(zhuǎn)速和所讀/寫的數(shù)據(jù)長度有關(guān)，當(dāng)一次讀/寫的數(shù)據(jù)長度相當(dāng)于半條磁道上的字節(jié)數(shù)時，傳輸時間與平均旋轉(zhuǎn)延遲相同

35、。 緩存當(dāng)緩存足夠大時，對于寫操作，盡管數(shù)據(jù)并未真正寫到磁盤上，但它給主機(jī)的印象就是寫操作已“非?？臁钡赝瓿?延后寫)；對于讀操作，盡管是讀一扇區(qū)，但磁盤卻將整條磁道的數(shù)據(jù)都讀入緩存中(提前讀)，當(dāng)下一次需要再讀數(shù)據(jù)時，就顯得非?？炝饲疤崾窍乱淮巫x的數(shù)據(jù)還位于同一條磁道。由于緩存不可能很大，因此對于密集訪問磁盤的系統(tǒng)而言，緩存并不能發(fā)揮多大的作用，但由于多數(shù)系統(tǒng)是間歇地訪問磁盤，因而緩存在很多時候還是能發(fā)揮較大的作用。綜上所述，傳統(tǒng)上影響磁盤I/O性能的主要技術(shù)指標(biāo)是平均尋道時間和轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速則影響平均旋轉(zhuǎn)延遲和數(shù)據(jù)傳輸時間。對于實(shí)際的系統(tǒng)而言，較大緩存也對硬盤的I/O性能有較大的影響，但不是決

36、定性的。調(diào)整磁盤I/O性能 磁盤的平均尋道時間和轉(zhuǎn)速是固定不變的。為了提高磁盤的I/O性能，只能從磁盤調(diào)度的方式和訪問數(shù)據(jù)的組織形式上入手，即縮短尋道時間和旋轉(zhuǎn)延遲。 磁盤調(diào)度算法當(dāng)有多個進(jìn)程都請求訪問磁盤時，他們訪問的位置(這里主要關(guān)心磁道)各不一樣，磁頭需要來回頻繁移動進(jìn)行尋道操作。磁頭的尋道操作屬于機(jī)械運(yùn)動，花費(fèi)的時間較長，而且過度的尋道操作會大大縮短磁盤的壽命。因此，必須采用適當(dāng)?shù)拇疟P調(diào)度算法，使得在盡可能公平的情況下，縮短平均尋道時間，并使磁頭移動距離最小。先到先服務(wù)算法FCFS(First Come First Serve) FCFS算法按照輸入/輸出請求的先后次序?yàn)楦鱾€進(jìn)程服務(wù)。

37、這是最公平、最簡單的算法，但是效率非常低。例如，一個有100條磁道的磁盤，磁道依次編號為099，磁頭當(dāng)前位于第20磁道，對于如下的訪問請求：請求次序： 1 2 3 4 5 訪問磁道： 99 2 97 10 26 先到先服務(wù)算法FCFS(First Come First Serve)若按FCFS算法，則磁頭移動的磁道數(shù)為79+97+95+87+16374磁頭在磁道之間來回頻繁移動，不但造成較大的時間開銷，影響效率，而且容易使磁頭臂疲勞，磁盤很容易損壞。因此，這種簡單的算法只適合于負(fù)載很輕的系統(tǒng)。最短尋道時間優(yōu)先算法SSTF(Shortest Seek Time First) 為了克服FCFS算法

38、之缺點(diǎn)，人們提出了SSTF算法，即優(yōu)先為距離磁頭當(dāng)前所在位置最近的磁道服務(wù)。例如，對于上述服務(wù)請求，按照SSTF算法，則系統(tǒng)將按如下次序?yàn)檫M(jìn)程提供服務(wù)，磁頭移動的磁道數(shù)為6+16+8+95+2127，效率比FCFS高了許多。服務(wù)次序： 1 2 3 4 5 訪問磁道： 26 10 2 97 99 掃描算法Scan 也稱電梯算法，其基本思想類似電梯的工作原理。其具體過程為：假定開始時磁頭處于最外磁道，并向內(nèi)磁道方向移動。在磁頭移動過程中，如果經(jīng)過的磁道有訪問請求，則為其服務(wù)。然后判斷當(dāng)前磁道以內(nèi)的磁道是否還有訪問請求，如果有，則磁頭繼續(xù)向內(nèi)磁道方向移動；否則，判斷當(dāng)前磁道以外的磁道是否有訪問請求，

39、若有，則磁頭掉轉(zhuǎn)方向朝外移動。若此時當(dāng)前磁道內(nèi)外均無訪問請求，則磁頭引臂停止不動。掃描算法Scan 這種算法比較公平，效率很高；但是，若在某一段時間內(nèi)某一磁道的訪問請求不斷，則磁頭引臂將停留在該磁道上不動（稱為磁臂粘著），磁盤被相應(yīng)的進(jìn)程壟斷，所有其他磁道上的請求將在較長時間內(nèi)得不到服務(wù)。N步掃描算法N-Scan N步掃描算法將磁盤請求隊(duì)列分成若干個長度為N的子隊(duì)列，磁盤調(diào)度程序按照FCFS算法依次處理這些子隊(duì)列，而處理每一個子隊(duì)列時，則按照SCAN算法。當(dāng)N值取得很大時，N步掃描算法的性能與SCAN算法的性能相當(dāng)；當(dāng)N取值為1時，N步掃描算法退化為FCFS算法。N步掃描算法N-Scan 在實(shí)

40、際應(yīng)用中，N步掃描算法被簡化為：只為一次特定的掃描開始前已經(jīng)等待的訪問請求服務(wù)，以防止發(fā)生掃描算法中存在的不公平現(xiàn)象，盡管這種不公平的現(xiàn)象對磁頭有利。在一次掃描期間內(nèi)新到達(dá)的訪問請求將只能放在下一次掃描期間完成處理，無論這些新的請求是否處于一次掃描的服務(wù)途中。磁盤高速緩存 指，操作系統(tǒng)利用內(nèi)存實(shí)現(xiàn)的、專門針對磁盤I/O操作的緩沖區(qū)。與磁盤機(jī)本身所帶的緩存以及磁盤控制器所帶的緩存相比，磁盤機(jī)和磁盤控制器上的緩存的特點(diǎn)：容量較??；利用此類緩存進(jìn)行數(shù)據(jù)提前讀和延后寫操作能與主機(jī)并行工作。磁盤高速緩存的特點(diǎn)容量較大；常存儲全局范圍、經(jīng)常訪問的重要數(shù)據(jù)：文件系統(tǒng)的目錄、文件分配表、索引塊等；缺點(diǎn)：利用該

41、緩存進(jìn)行數(shù)據(jù)提前讀和延后寫操作需要主機(jī)的管理，增加了主機(jī)的負(fù)擔(dān)。對于高檔的服務(wù)器而言，大的硬件緩存更能提高磁盤I/O的性能。但是，若磁盤機(jī)和磁盤控制器上沒有緩存，那么，就需要依靠磁盤高速緩存的作用。磁盤高速緩存的實(shí)現(xiàn)形式在內(nèi)存中單獨(dú)開辟一個大小固定的存儲空間作為磁盤高速緩存區(qū)。有的操作系統(tǒng)允許用戶指定或調(diào)整此空間的大小；二是把系統(tǒng)中所有未使用的內(nèi)存空間變?yōu)橐粋€緩沖池，供請求分頁系統(tǒng)和磁盤高速緩存共享，其大小不固定，當(dāng)磁盤I/O操作頻率時，磁盤高速緩存區(qū)可能較大。磁盤高速緩存的數(shù)據(jù)安全性讀操作不存在安全問題；寫操作對進(jìn)程而言數(shù)據(jù)已寫出。但數(shù)據(jù)其實(shí)是被寫入高速緩存中，并未真正寫到磁盤上。操作系統(tǒng)必

42、須在適當(dāng)?shù)臅r候?qū)?shù)據(jù)真正寫到磁盤。何時進(jìn)行寫操作呢？ 磁盤高速緩存的數(shù)據(jù)安全性有三種策略可供選擇：在系統(tǒng)空閑或需要淘汰被寫的緩存空間時進(jìn)行寫。這種策略風(fēng)險(xiǎn)最大，效率高；周期性地進(jìn)行寫。風(fēng)險(xiǎn)較低，效率較高；立即寫回，即只要高速緩存中的某盤塊數(shù)據(jù)被修改，便立即將它們寫回磁盤。這種高速緩存通常被稱為“寫穿透高速緩存(write-through cache)”，相當(dāng)于只有讀緩存而沒有寫緩存，其風(fēng)險(xiǎn)最低，效率也最低。 優(yōu)化數(shù)據(jù)的物理存儲結(jié)構(gòu) 磁盤I/O常針對整個文件進(jìn)行，如果一個文件被分散存儲到多個柱面上，則讀/寫這樣的文件時，需要進(jìn)行多次尋道操作和旋轉(zhuǎn)延遲。為什么把文件分散存儲呢？在系統(tǒng)建立的初期，文

43、件都是連續(xù)存儲的。但隨著系統(tǒng)使用時間的積累，文件會不斷被用戶刪除或新建。為了充分利用存儲空間，新建文件常分散存儲。磁盤高速緩存的效率，取決于其命中率。使用緩存需要基于兩個要素：一是訪問頻率，二是基于局部性原理的提前讀技術(shù)。提前讀技術(shù)是使用緩存的關(guān)鍵，當(dāng)讀入進(jìn)程申請的數(shù)據(jù)時，將其空間局部存儲的數(shù)據(jù)一起提前讀，以期在后面的操作中得到回報(bào)而在總體上節(jié)約時間。如果一個文件在物理上存儲得較分散，盡管不影響系統(tǒng)的正確性，但卻使提前讀操作失效，反而降低系統(tǒng)效率。若將分散到多個柱面或磁道上的文件進(jìn)行類似內(nèi)存分配過程中的碎片整理（緊湊），使這些文件在物理上連續(xù)存儲，則不僅能提高文件的讀/寫性能，減少尋道時間和平

44、均旋轉(zhuǎn)延遲，而且能提高磁盤高速緩存的命中率，從而提高整個系統(tǒng)效的效率，減少磁盤的機(jī)械損耗。因此，人們經(jīng)常使用MS-DOS、Windows等操作系統(tǒng)提供的磁盤碎片整理功能，以提高系統(tǒng)工作效率。上節(jié)內(nèi)容回顧設(shè)備管理的主要功能：設(shè)備分配、設(shè)備映射、設(shè)備驅(qū)動、I/O緩沖技術(shù)I/O緩沖區(qū)的組織形式：單緩沖、雙緩沖、循環(huán)緩沖、緩沖池虛擬設(shè)備技術(shù)：引入的原因、實(shí)現(xiàn)方法、SPOOLing系統(tǒng)實(shí)例磁盤設(shè)備的管理：磁盤性能參數(shù)：轉(zhuǎn)速、尋道時間、磁盤緩存；磁盤管理算法：磁盤調(diào)度、Disk Cache、高性能的文件系統(tǒng)；磁盤的平均訪問時間尋道時間旋轉(zhuǎn)延遲傳輸時間引入磁盤調(diào)度的例子 假定：一個硬盤的扇區(qū)長度為512個字

45、節(jié)，磁道長度為32個扇區(qū)，平均尋道時間為20ms，傳輸速率為1MB/s,轉(zhuǎn)速為3600rpm。顯然， 如果一個長度為128K個字節(jié)的文件存放在該硬盤上，那么該文件將在該硬盤上占用256個扇區(qū)。 請問：如果系統(tǒng)從該硬盤上完整地讀入該文件， 將花費(fèi)多長時間？若文件連續(xù)地存放在硬盤的8個相鄰的磁道上，那么系統(tǒng)完整地讀入該文件需要花費(fèi)的時間：(208.316.7)(8.316.7)7220ms若文件隨機(jī)地存放在硬盤的256個扇區(qū)上，那么讀入該文件需要花費(fèi)的時間：(208.30.5)2567373ms比較與分析比較前面兩種結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：如果文件的存儲方式不同，系統(tǒng)訪問文件的效率就不同；即，文件的存儲方式

46、影響著系統(tǒng)訪問文件的效率。文件的存儲方式對系統(tǒng)訪問文件的效率的影響主要在于：訪問文件總的尋道時間和總的旋轉(zhuǎn)延遲。結(jié) 論當(dāng)系統(tǒng)訪問一組磁盤扇區(qū)時，如果能夠減少總的尋道時間和總的旋轉(zhuǎn)延遲，那么系統(tǒng)的訪問效率將得到提高。磁盤調(diào)度算法小結(jié)FCFSSSTFSCANN-SCAN例子 假定：當(dāng)前有9個磁盤讀寫請求；這9個磁盤讀寫請求要訪問的磁道號按照各個磁盤讀寫請求到達(dá)的次序依次為：55、58、39、18、90、160、150、38、184。此外，磁頭當(dāng)前位于100號磁道上。如果系統(tǒng)使用SCAN算法，還假定磁頭當(dāng)前的移動方向?yàn)榇诺捞栐鲩L的方向。 請問：如果系統(tǒng)分別使用FIFO策略、SSTF算法、SCAN算法

47、調(diào)度磁盤，那么系統(tǒng)處理這9個磁盤讀寫請求時磁頭的平均尋道長度為多少？FIFOSSTFSCANDisk Cache的工作原理當(dāng)用戶進(jìn)程請求從磁盤讀入一個扇區(qū)時，系統(tǒng)首先在disk cache中尋找該扇區(qū)的副本 - 如果能夠找到，那么系統(tǒng)將從disk cache中取出該扇區(qū)的副本并返給用戶進(jìn)程； - 否則，系統(tǒng)首先從磁盤上讀入該扇區(qū)并在disk cache中為其建立一個副本，然后將該副本返給用戶進(jìn)程。當(dāng)用戶進(jìn)程請求向磁盤上寫出一個扇區(qū)時，系統(tǒng)同樣首先在disk cache中尋找該扇區(qū)的副本 - 如果能夠找到，那么系統(tǒng)將根據(jù)用戶進(jìn)程的請求修改該扇區(qū)的副本； - 否則，系統(tǒng)同樣首先從磁盤上讀入該扇區(qū)并

48、在disk cache中為其建立一 個副本，然后根據(jù)用戶進(jìn)程的請求修改該副本。磁盤高速緩存的數(shù)據(jù)安全性Disk Cache中的數(shù)據(jù)寫出到磁盤：在系統(tǒng)空閑或需要淘汰被寫的緩存空間時進(jìn)行寫。周期性地進(jìn)行寫。立即寫回，稱為“寫穿透高速緩存”，相當(dāng)于只有讀緩存而沒有寫緩存。磁盤管理的另一個有效方法高性能的文件系統(tǒng) 磁盤碎片整理，使磁盤文件盡量連續(xù)磁盤容錯技術(shù) 磁盤中常常存儲著非常重要的數(shù)據(jù)，例如交易數(shù)據(jù)、帳目數(shù)據(jù)、學(xué)生成績等。若這些數(shù)據(jù)出了問題，或者存儲這些數(shù)據(jù)的磁盤報(bào)廢，其后果是非常嚴(yán)重的。因此，要求保證磁盤數(shù)據(jù)的可靠性。磁盤容錯技術(shù)通過在系統(tǒng)中設(shè)置冗余部件來提高系統(tǒng)可靠性。冗余部件包括增加冗余的磁

49、盤驅(qū)動器、磁盤控制器等，使得當(dāng)磁盤系統(tǒng)某部分出現(xiàn)缺陷或故障時，磁盤仍能正常工作，且不至于造成數(shù)據(jù)的錯誤和丟失。 磁盤容錯技術(shù)級別也稱為系統(tǒng)容錯技術(shù)(SFT, System Fault Tolerance)，大體分為三個級別：SFT-I低級磁盤容錯技術(shù)，主要防止磁盤表面介質(zhì)缺陷所引起的數(shù)據(jù)丟失；SFT-II中級磁盤容錯技術(shù)，主要防止磁盤驅(qū)動器和磁盤控制器故障所引起的數(shù)據(jù)丟失；SFT-III高級系統(tǒng)容錯技術(shù)，常使用雙服務(wù)器，以保證在其中一臺服務(wù)器出現(xiàn)故障，甚至停止工作時，整個系統(tǒng)仍能照常運(yùn)作。第一級容錯技術(shù) 最早出現(xiàn)、最基本的容錯技術(shù)，包括：雙份目錄和雙份文件分配表熱修復(fù)重定向和寫后讀校驗(yàn)雙份目錄

50、和雙份文件分配表文件目錄和文件分配表FAT是文件管理所需的關(guān)鍵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可在不同的磁盤上或同一磁盤的不同區(qū)域中，分別建立維護(hù)兩份目錄和FAT。當(dāng)其中一個目錄或FAT損壞時，系統(tǒng)便自動啟用另一個目錄和FAT，同時在磁盤的其它區(qū)域再建立新的文件目錄和FAT。每當(dāng)系統(tǒng)重新啟動時，都要對這兩份目錄和FAT進(jìn)行檢查，以保證它們的一致性。 熱修復(fù)重定向和寫后讀校驗(yàn)熱修復(fù)重定向是指，系統(tǒng)將一定的磁盤容量作為熱修復(fù)重定向區(qū)，用于存放當(dāng)發(fā)現(xiàn)磁盤塊有缺陷時的待寫數(shù)據(jù)，并對寫入該區(qū)的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行登記，以便于以后對此數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問。寫后讀校驗(yàn)是指，每次將數(shù)據(jù)寫到磁盤以后，立即從磁盤上讀出該塊數(shù)據(jù)，并進(jìn)行對比。若寫入的數(shù)

51、據(jù)與讀出的數(shù)據(jù)一致，則表示寫入成功；否則，重寫數(shù)據(jù)。若重寫后兩者仍不一致，則認(rèn)為該磁盤塊有缺陷，便將該塊標(biāo)識為壞塊，相應(yīng)數(shù)據(jù)寫入熱修復(fù)重定向區(qū)中。第二級容錯技術(shù) SFT-II用于防止磁盤驅(qū)動器或磁盤控制器發(fā)生故障。包括：磁盤鏡像磁盤雙工磁盤鏡像在同一磁盤控制器上，連接兩個完全相同的磁盤驅(qū)動器，如圖。同一數(shù)據(jù)被先后寫到兩個驅(qū)動器上。主機(jī)磁盤控制器通道磁盤驅(qū)動器磁盤雙工將兩臺完全相同的磁盤驅(qū)動器連接到兩個磁盤控制器上，如圖。數(shù)據(jù)被同時寫到兩個磁盤上。主機(jī)通道磁盤驅(qū)動器磁盤控制器磁盤控制器通道磁盤雙工 vs. 磁盤鏡像磁盤雙工的成本較高;可靠性更高;對兩個磁盤的寫入是并行進(jìn)行，速度較快;在某些實(shí)現(xiàn)中

52、讀數(shù)據(jù)時，還可使用分離查找技術(shù)，從響應(yīng)快的通道上取得數(shù)據(jù)，加快讀取速度。 RAID技術(shù) RAID(Redundant Array of Independent/ Inexpensive Disks)：獨(dú)立或廉價磁盤冗余陣列，其中，“獨(dú)立”是目前通用的一個行業(yè)術(shù)語，強(qiáng)調(diào)RAID陣列的重要性和可靠性；“廉價”是較早使用的一個術(shù)語，重在強(qiáng)調(diào)RAID磁盤陣列中采用的相對較小的、價格較便宜的磁盤。RAID技術(shù) RAID磁盤陣列技術(shù)能以較低的成本，提供大容量、快速、安全可靠的磁盤存儲系統(tǒng)。從容錯的角度講，RAID技術(shù)應(yīng)屬第二級容錯技術(shù)，但其內(nèi)涵遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止容錯。 RAID的構(gòu)成 一組可以并行工作的磁盤所構(gòu)成的磁盤陣列在磁盤子系統(tǒng)中執(zhí)行的或者在主機(jī)系統(tǒng)中執(zhí)行的磁盤陣列管理軟件。 磁盤陣列管理軟件把邏輯上連續(xù)的一組數(shù)據(jù)交叉分布存儲在磁盤陣列中的各個磁盤上，如圖物理磁盤0條帶15條帶14條帶13條帶12條帶11條帶10條帶9條帶8條帶7條帶6條帶5條帶4條帶3條帶2條帶1條帶0條帶12條帶8條帶4條帶0條帶13條帶9條帶5條帶1條帶14條帶10條帶6條帶2條帶15條