專業(yè)課課件操作系統(tǒng)第4章io設(shè)備管理

操作系統(tǒng)OperatingSystems聞立杰清華大學(xué)軟件學(xué)院

進程管理21.I/O硬件2.I/O控制方式3.I/O軟件4.磁盤第四章I/O設(shè)備管理進程管理3在現(xiàn)代計算機系統(tǒng)中，有大量的輸入輸出設(shè)備，其種類繁多、差異大。隨著技術(shù)的發(fā)展，新設(shè)備也不斷地出現(xiàn)。因此，如何管理好這些設(shè)備，使資源得以合理的利用，是操作系統(tǒng)的又一個主要功能。I/O（Input/Output）設(shè)備進程管理44.1

I/O硬件對于I/O硬件，操作系統(tǒng)所關(guān)心的并不是硬件自身的設(shè)計、制造和維護，而是如何對其進行編程，即該設(shè)備給軟件提供的接口是什么，包括它所接受的控制命令、所完成的功能，以及所返回的出錯報告。進程管理5按交互方向分類：輸入設(shè)備：鍵盤、鼠標(biāo)、掃描儀、攝像頭；輸出設(shè)備：顯示器、打印機、音箱；輸入/輸出：磁盤、網(wǎng)卡、聲卡、耳麥。4.1.1

I/O設(shè)備的類型進程管理6按數(shù)據(jù)組織分類：塊設(shè)備：以數(shù)據(jù)塊作為信息的存儲和傳輸單位，每個數(shù)據(jù)塊都有一個地址，數(shù)據(jù)塊之間的讀寫操作是相互獨立的，如磁盤；字符設(shè)備：以字符作為信息存儲和傳輸單位，數(shù)據(jù)即字符流，無定位無尋址，如鼠標(biāo)；進程管理7有了I/O設(shè)備，是否就能完成I/O功能呢？進程管理84.1.2設(shè)備控制器機械部分電子部分一個I/O單元由兩部分組成：機械部分和電子部分（設(shè)備控制器或適配器）。進程管理9機械部分即為I/O設(shè)備本身電子部分稱為：設(shè)備控制器（devicecontroller）或適配器（adapter）適配器的形式通常是印刷電路卡，可以插入到主板的擴充槽中；控制器的形式是一組芯片；完成設(shè)備與主機間的連接和通訊。進程管理104.1.3I/O地址每個設(shè)備控制器都有一些寄存器用來與CPU通信。通過向這些寄存器中寫入不同的值，OS能命令該設(shè)備去執(zhí)行發(fā)送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)、打開、關(guān)閉等操作；OS也能通過讀取這些寄存器的值來了解設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)。此外，許多控制器還有一個數(shù)據(jù)緩沖區(qū)供OS讀寫。CPU外部設(shè)備控制邏輯電路控制寄存器狀態(tài)寄存器數(shù)據(jù)寄存器如何讓I/O設(shè)備工作？進程管理11問題： CPU如何與設(shè)備控制器進行通信？這不是普通的內(nèi)存訪問！方法有三種：I/O獨立編址；內(nèi)存映像編址；混合編址。進程管理121.I/O獨立編址基本思路：給控制器中的每一個寄存器分配一個唯一的I/O端口（I/Oport）編號，稱為I/O端口地址，然后用專門的I/O指令對端口進行操作；這些端口地址所構(gòu)成的

地址空間是完全獨立的，

與內(nèi)存的地址空間沒有

關(guān)系。例如：INR0[4]

表示讀入I/O

端口地址為4的內(nèi)容；MOVR0[4]

表示讀入

內(nèi)存地址為4的內(nèi)容；進程管理13Linux0.11/boot/setup.smoval,#0x11!initializePICs-中斷控制器的初始化out#0x20,al!senditto8259A-1moval,#0x20!startofhardwareint's(0x20)

out#0x21,almoval,#0x28!startofhardwareint's(0x28)out#0xA1,al……inal,#0x64

!8042statusport

!鍵盤控制器狀態(tài)寄存器testal,#2jnzempty_8042!isinputbufferfull?進程管理142.內(nèi)存映像編址基本思路：把所有控制器當(dāng)中的每一個寄存器都映射為一個內(nèi)存地址，專門用于I/O操作（功能上），對這些單元的讀寫操作即為普通的內(nèi)存訪問操作。端口地址空間與內(nèi)存的地址空間統(tǒng)一編址，前者是后者的一部分，一般位于后者的頂端部分。進程管理15編程方便，無需專門的I/O指令；不能對控制寄存器的內(nèi)容進行Cache；每一次都要判斷訪問的是內(nèi)存還是I/O。進程管理163.混合編址基本思路：對于設(shè)備控制器中的寄存器，采用獨立編址的方法；而對于設(shè)備的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，采用內(nèi)存映像編址的方法。進程管理17PC機上的部分I/O端口地址（本圖摘自Silberschatz,GalvinandGagne：“OperatingSystemConcepts”）進程管理18到目前為止，已經(jīng)介紹了I/O設(shè)備的類型、I/O設(shè)備的控制器、I/O設(shè)備的端口地址?，F(xiàn)在的問題則是：根據(jù)已有的這些知識，能否開始編程使用這些I/O設(shè)備，完成相應(yīng)的輸入輸出功能呢？進程管理194.2

I/O控制方式程序循環(huán)檢測方式（ProgrammedI/O）中斷驅(qū)動方式（Interrupt-drivenI/O）直接內(nèi)存訪問方式（DMA,DirectMemory

Access）進程管理204.2.1

程序循環(huán)檢測方式

小寶寶在家吃飯若寶寶還未吃飽，重復(fù)如下步驟若寶寶的嘴巴沒空（如上一口飯菜尚未吃完），循環(huán)等待裝一勺飯菜，喂到寶寶嘴里進程管理21基本思路：在程序（設(shè)備驅(qū)動程序）中通過不斷地檢測I/O設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)，來控制I/O操作的完成。在進行I/O操作之前，要循環(huán)檢測設(shè)備是否就緒；在I/O操作進行之中，要循環(huán)檢測設(shè)備是否完成。從硬件來說，控制I/O的所有工作均由CPU來完成。也稱為繁忙等待方式（busywaiting）或輪詢方式

（polling）。缺點...進程管理22一個例子已知I/O地址采用內(nèi)存映像編址的方式，現(xiàn)需要在打印機上打印一個字符串“ABCDEFGH”?；舅悸罚喊堰@8個字符逐個送到打印機設(shè)備的I/O端口地址（內(nèi)存地址）?！瑼BCDEFGH內(nèi)存pprinter_status_regprinter_data_register進程管理23for(i=0;i<count;i++)

{

while(*printer_status_reg!=READY);*printer_data_register=p[i];

}while(飯未吃完)

{

while(寶寶的嘴巴沒空)等待；裝一勺飯菜，喂到寶寶嘴里；

}程序循環(huán)檢測方式若是I/O獨立編址方式，如何編程？進程管理244.2.2

中斷驅(qū)動方式

循環(huán)檢測的控制方法占用了太多的CPU時間，可能會造成CPU時間的浪費。

例如：假設(shè)打印機的打印速度為100字符/秒，在循環(huán)檢測方式下，一個字符被寫入到打印機的數(shù)據(jù)寄存器中后，CPU需要等待10毫秒才能寫入下一個字符。一種解決的辦法：中斷驅(qū)動的控制方式。進程管理25寶寶在幼兒園吃飯老師從食堂取來飯菜若寶寶尚未準(zhǔn)備好吃飯，循環(huán)等待將飯菜裝入每個寶寶的小碗寶寶開始吃飯，老師去做別的事情在吃飯時，寶寶通過各種信號打斷老師進程管理26老師被打斷如果寶寶舉手，給他/她添飯如果寶寶舉拳頭，給他/她添湯如果寶寶吃完了，收拾碗和勺子......回到剛才的狀態(tài)進程管理27在硬件一級，當(dāng)一個I/O設(shè)備完成任務(wù)時，它的控制器會通過總線向中斷控制器發(fā)出一個信號，如果中斷控制器接受了該信號，就把標(biāo)明該設(shè)備的一個編號放在地址線上，并向CPU發(fā)出一個中斷信號。CPU就中斷當(dāng)前工作，并以該編號為索引去訪問中斷向量表，取出中斷處理程序的起始地址，并在該程序運行后向中斷控制器發(fā)出確認信號。進程管理28

用戶進程strcpy(buffer,“ABCDEFGH”);print(buffer,strlen(buffer));中斷驅(qū)動方式進程管理29

系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)printcopy_from_user(buffer,p,count);

//p:內(nèi)核緩沖區(qū)enable_interrupts();while(*printer_status_reg!=READY);

*printer_data_register=p[0];scheduler();老師從食堂取來飯菜若寶寶尚未準(zhǔn)備好吃飯，循環(huán)等待將飯菜裝入每個寶寶的小碗寶寶開始吃飯，老師去做別的事情在吃飯時，寶寶通過各種信號打斷老師進程管理30

中斷處理程序if(count==0)

{

unblock_user();}

else

{

*printer_data_register=p[++i];

count--;

}acknowledge_intereupt();return_from_interrupt();執(zhí)行過程進程管理31中斷驅(qū)動方式的基本思路用戶進程通過系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)來發(fā)起I/O操作，并在發(fā)起后阻塞該進程，調(diào)度其他的進程使用CPU。在I/O操作完成時，設(shè)備向CPU發(fā)出中斷，然后在中斷處理程序中做進一步的處理。在中斷驅(qū)動方式下，數(shù)據(jù)的每次讀寫還是通過CPU來完成，但是當(dāng)I/O設(shè)備在進行數(shù)據(jù)處理時，CPU不必等待，可以繼續(xù)執(zhí)行其他的進程。進程管理324.2.3

直接內(nèi)存訪問方式

I/O讀操作的典型過程：CPU向設(shè)備控制器發(fā)出命令，啟動讀操作；設(shè)備控制器控制I/O設(shè)備完成此次讀操作，并將數(shù)據(jù)保存在設(shè)備控制器內(nèi)部的寄存器或緩沖區(qū)中，然后中斷CPU；CPU把數(shù)據(jù)讀入內(nèi)存。進程管理33進程管理34直接內(nèi)存訪問（DirectMemoryAccess，DMA）方式：在硬件上需要一個DMA控制器。DMA控制器可以直接去訪問系統(tǒng)總線，它能代替CPU去指揮I/O設(shè)備與內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)傳送。DMA控制器包含了一些寄存器，可被CPU來讀或?qū)?。包括：一個內(nèi)存地址寄存器、一個字節(jié)計數(shù)器，以及一個或多個控制寄存器（指明了I/O設(shè)備的端口地址、數(shù)據(jù)傳送方向、傳送單位，以及每一次傳送的字節(jié)數(shù)）。進程管理35（本圖摘自AndrewS.Tanenbaum：“ModernOperatingSystems”）5.DMA工作原理是否所有

設(shè)備都要

用DMA？進程管理36如果使用DMA，過程如下：CPU對DMA控制器進行編程，告訴它應(yīng)把什么數(shù)

據(jù)傳送到內(nèi)存的什么地方，并向磁盤控制器發(fā)出

命令，讓它去磁盤驅(qū)動器中讀入所需的數(shù)據(jù)塊，

保存到內(nèi)部緩沖區(qū)中，并驗證數(shù)據(jù)的正確性；DMA控制器通過總線向磁盤控制器發(fā)出一個讀操

作的信號，并把將寫入的內(nèi)存地址打在總線上；磁盤控制器取出一個字節(jié)，按該地址寫入內(nèi)存；磁盤控制器向DMA發(fā)一個確認信號，DMA把內(nèi)存

地址加1，把字節(jié)計數(shù)器減1。若計數(shù)器的值大于0

轉(zhuǎn)第2步；DMA控制器向CPU發(fā)出一個中斷，告訴它數(shù)據(jù)傳

輸已完成。進程管理374.3

I/O軟件4.3.1I/O軟件的接口頭腦風(fēng)暴（BrainStorm）為了管理I/O設(shè)備，需要哪一些相關(guān)軟件？這些軟件各自完成何種功能，相互的關(guān)系、組織結(jié)構(gòu)又如何？進程管理38應(yīng)用程序開發(fā)人員程序/OS的接口操作系統(tǒng)程序員希望OS提供什么樣的接口，有何特點?鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器、打印機、磁盤、磁帶、光驅(qū)…進程管理39設(shè)備獨立性：使得用戶在編寫程序、訪問各種I/O設(shè)備時，無需事先指定特定的設(shè)備類型，各種類型設(shè)備之間的差異由OS來處理，對用戶是透明的。統(tǒng)一命名：即用簡單的字符串或整數(shù)的方式來命名一個文件或設(shè)備。例如在Unix當(dāng)中，所有的文件和設(shè)備都采用相同的命名規(guī)則：路徑名。阻塞與非阻塞I/O：當(dāng)進程啟動一個系統(tǒng)調(diào)用后，是立即返回還是被阻塞起來，直到I/O操作完成。進程管理40Windows中的CreateFile()函數(shù)創(chuàng)建或打開以下的某種對象：控制臺、通信資源（如串口）、目錄、磁盤設(shè)備（分區(qū)）、文件（軟盤、硬盤、光盤、U盤）等；lpFileName,//filename

dwDesiredAccess,//訪問模式，讀/寫/執(zhí)行等

dwShareMode,//共享模式，

lpSecurityAttributes,//安全屬性

dwCreationDisposition,//howtocreate

dwFlagsAndAttributes,//fileattributes設(shè)備獨立性。統(tǒng)一命名：“A:\\1.txt”、“C:\\2.txt”、“F:\\3.txt”、“COM1”、“\\.\A:”、“\\.\C:”、“CON”。進程管理41阻塞與非阻塞I/O阻塞：進程被阻塞起來，直到I/O操作完成易于使用和理解有些情形下不能滿足要求非阻塞：I/O調(diào)用很快返回異步性：當(dāng)I/O操作進行時進程繼續(xù)執(zhí)行，當(dāng)I/O操作完成時，I/O子系統(tǒng)給進程發(fā)信號調(diào)用者具有主動權(quán)不易使用，多線程進程管理42HANDLE;=CreateFile("COM1",GENERIC_READ,0,

NULL,OPEN_EXISTING,0,NULL);//EV_RXCHAR:AcharacterwasreceivedandplacedintheinputbuffermMask(,EV_RXCHAR);mEvent(,&dwEvtMask,NULL);if(dwEvtMask&EV_RXCHAR){ReadFile(,buf,NumBytesToRead,

NumBytesRead,NULL);}阻塞I/O示例（串口訪問）進程管理43HANDLE;OVERLAPPEDo;=CreateFile(“COM1”,GENERIC_READ,0,

NULL,OPEN_EXISTING,

FILE_FLAG_OVERLAPPED,NULL);//重疊I/O//EV_RXCHAR:AcharacterwasreceivedandplacedintheinputbuffermMask(,EV_RXCHAR);o.hEvent=CreateEvent(NULL,...);bR=mEvent(,&dwEvtMask,&o);if(!bR)ASSERT(GetLastError()==ERROR_IO_PENDING);r=WaitForSingleObject(o.hEvent,INFINITE);if(r==WAIT_OBJECT_0)//有數(shù)據(jù)到達{非阻塞I/O示例進程管理44bR=ReadFile(,buf,sizeof(buf),

&nBytesRead,&o);if(!bR){if(GetLastError()==ERROR_IO_PENDING){r=WaitForSingleObject(o.hEvent,2000);if(r==WAIT_OBJECT_0)GetOverlappedResult(,&o,&nBytesRead,FALSE);elseif(r==WAIT_TIMEOUT)...}}進程管理45應(yīng)用程序開發(fā)人員程序/OS的接口操作系統(tǒng)OS/設(shè)備驅(qū)動的接口OS為設(shè)備廠商提供什么樣的接口?鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器、打印機、磁盤、磁帶、光驅(qū)…進程管理46設(shè)備驅(qū)動程序的接口為實現(xiàn)設(shè)備獨立性，OS把各種類型的設(shè)備劃分為三類：塊設(shè)備、字符設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，并為每一類定義了一個標(biāo)準(zhǔn)接口，大多數(shù)設(shè)備驅(qū)動程序都支持其中之一。這個接口供上層的OS軟件使用，它由一些抽象的函數(shù)組成，該接口是設(shè)備獨立的。分層：其他OS軟件/接口/設(shè)備驅(qū)動程序。進程管理47Open(deviceNumber)啟動設(shè)備，初始化并分配資源（如緩沖區(qū)）Close(deviceNumber)關(guān)閉設(shè)備，釋放資源字符設(shè)備接口read(deviceNumber,buffer,size)

從一個字節(jié)流設(shè)備中讀入”size”個字節(jié)到buffer緩沖區(qū)中。write(deviceNumber,buffer,size)

從buffer緩沖區(qū)中取出”size”個字節(jié)寫入到一個字節(jié)流設(shè)備中。設(shè)備驅(qū)動程序的接口（續(xù)）進程管理48塊設(shè)備接口read(deviceNumber,deviceAddr,buffer)

從設(shè)備地址deviceAddr處讀入一個數(shù)據(jù)塊到buffer緩沖區(qū)write(deviceNumber,deviceAddr,buffer)

把buffer中的數(shù)據(jù)塊寫入到設(shè)備地址deviceAddrseek(deviceNumber,deviceAddress)

把訪問指針定位到正確的位置進程管理494.3.2

I/O軟件的層次結(jié)構(gòu)

用戶空間的I/O軟件設(shè)備獨立的系統(tǒng)軟件設(shè)備驅(qū)動程序中斷處理程序硬件I/O軟件系統(tǒng)的層次I/O設(shè)備管理軟件的基本思想是采用分層的結(jié)構(gòu)，把各種設(shè)備管理軟件組織成一系列的層次。低層與硬件特性更相關(guān)，它把硬件和較高層的軟件隔離開來。進程管理50

設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)備驅(qū)動程序：與具體的設(shè)備類型相關(guān)的，用來控制設(shè)備運行的程序。一般由設(shè)備生產(chǎn)商提供。通常是平臺相關(guān)（如Windows/Linux），適合于特定的某個設(shè)備（如鍵盤）或某類設(shè)備（如SCSI）每一個I/O設(shè)備都需要相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動程序，而每一個設(shè)備驅(qū)動程序一般只能處理一種設(shè)備類型。進程管理51DeviceDriversRestoftheoperatingsystemDevicedriverDevicedriver...DevicedriverI/OSystemDevicecontrollerDevicecontroller...DevicecontrollerDeviceDeviceDeviceDevice進程管理52設(shè)備驅(qū)動程序與中斷處理程序

如何協(xié)調(diào)工作，共同完成I/O

操作？如scanf(…)。進程管理53當(dāng)用戶進程需要輸入輸出服務(wù)時，會調(diào)用相應(yīng)的系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)(->sys_read)；該函數(shù)又調(diào)用相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動程序，驅(qū)動程序在啟動I/O操作后被阻塞(->driver_read)；I/O操作完成后，將產(chǎn)生一個中斷，然后中斷處理程序?qū)⒔庸蹸PU，并喚醒被阻塞的驅(qū)動程序。方案一進程管理54驅(qū)動程序以什么形式存在？單獨的一個進程嗎？調(diào)用驅(qū)動時有無進程切換？中斷處理程序是誰寫的？OSor廠商？設(shè)備驅(qū)動程序與中斷處理程序（兩個進程間）如何同步？如果有多個進程同時都要訪問該I/O設(shè)備，該怎么辦？問題進程管理55我們要為一個簡單的字符輸入設(shè)備實現(xiàn)相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動程序。當(dāng)用戶進程需要I/O操作時，啟動相應(yīng)系統(tǒng)調(diào)用，最終執(zhí)行各種設(shè)備統(tǒng)一的對外接口函數(shù)read(devID,buf,size)。設(shè)備驅(qū)動程序主要由兩個函數(shù)組成：foo_read()，該設(shè)備對read接口函數(shù)的具體實現(xiàn)。foo_interrupt()，中斷處理函數(shù)。一個例子進程管理56size_tfoo_read(structfile*filp,char*buf,

size_tcount,loff_t*ppos){foo_dev_t*foo_dev=filp->private_data;if(down_interruptible(&foo_dev->sem))//互斥

return-ERESTARTSYS;foo_dev->intr=0;//同步

outb(DEV_FOO_READ,DEV_FOO_CONTROL_PORT);

wait_event_interruptible(foo_dev->wait,

(foo_dev->intr==1));//被阻塞

if(put_user(foo_dev->data,buf))return-EFAULT;up(&foo_dev->sem);return1;}進程管理57voidfoo_interrupt(intirq,void*dev_id,

structpt_regs*regs){

foo->data=inb(DEV_FOO_DATA_PORT);foo->intr=1;

wake_up_interruptible(&foo->wait);}用戶進程A→系統(tǒng)調(diào)用→read→foo_read→A被阻塞→用戶進程B→被中斷→foo_interrupt→A被喚醒進程管理58方案1只適合需要互斥訪問的設(shè)備塊設(shè)備如何處理？

例如：A進程訪問磁盤的第i個數(shù)據(jù)塊，B進程也要訪問第i個數(shù)據(jù)塊，如何優(yōu)化，減少I/O操作？進程管理59數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：請求隊列（requestqueue）；塊設(shè)備驅(qū)動程序：上層函數(shù)，負責(zé)管理請求隊列；底層函數(shù)，負責(zé)與硬件打交道，完成真正的I/O；I/O請求的提交與真正實現(xiàn)是分離的。各個用戶進程（通過內(nèi)核）調(diào)用上層函數(shù)，提交I/O請求(mak_request)，然后阻塞；底層函數(shù)則從隊列中取出每個I/O請求，并完成之。能對各I/O請求進行優(yōu)化，如數(shù)據(jù)塊重組。方案二進程管理60Example:AscsidiskdriverinUNIX? sdstrategy:doerrorchecking,ifdeviceisnotbusy,issueastartrequestforthespecificunit(disk).? sdustart:findtheproperqueueforthisunit,puttherequestonthequeue,issuestart.? sdstart:requesttheresourcesneededfortherequest(scsibusorDMAresources).? sdgo:writethecommandstothecontroller,settheinterruptvector,issuethestartrequesttothecontroller.? sdintr:calledfromI/Ointerrupt,finishtherequest(schedulethewaitingprocess),issueanewrequestifthereisone.進程管理61設(shè)備獨立的I/O軟件是系統(tǒng)內(nèi)核的一部分，它的基本任務(wù)是實現(xiàn)所有設(shè)備都需要的一些通用的I/O功能，并向用戶級軟件提供一個統(tǒng)一的接口。實現(xiàn)的主要功能：給上層應(yīng)用的統(tǒng)一接口；與設(shè)備驅(qū)動程序的統(tǒng)一接口；提供與設(shè)備無關(guān)的數(shù)據(jù)塊大??；緩沖技術(shù)；設(shè)備獨立的I/O軟件進程管理62庫函數(shù)：如C語言里與I/O有關(guān)的庫函數(shù)write、

read等，它們實質(zhì)上只是將它們的參數(shù)再傳遞給

系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)，并由后者來完成實際的I/O操作；Spooling技術(shù)：在多道系統(tǒng)中，一種處理獨占設(shè)

備的方法。用戶空間的I/O軟件進程管理63利用假脫機技術(shù)（SPOOLing,SimultaneousPeripheralOperationOnLine,也稱虛擬設(shè)備技術(shù)）可把獨占設(shè)備轉(zhuǎn)變成具有共享特征的虛擬設(shè)備，從而提高設(shè)備利用率。ApplicationAApplicationBSPOOLingProgramDeviceVirtualI/OActualI/O打印機...進程管理644.4

磁盤4.4.1

磁盤硬件磁盤的硬件結(jié)構(gòu)：磁盤（軟盤和硬盤）由一個或多個金屬盤片組成，這些盤片組合固定在一根旋轉(zhuǎn)軸上，由同一個馬達驅(qū)動。每個盤片有上下兩個盤面，在盤面上涂有磁性材料，信息就記錄在這些盤面上。在每個盤面上方，都有一個磁頭，它固定在一個磁頭臂上，而磁頭臂又固定在一個傳動裝置上。通過磁頭的讀寫裝置，磁盤上的信息可以被寫入、讀出和修改。進程管理65磁道扇區(qū)柱面讀寫磁頭磁頭臂盤片傳動裝置旋轉(zhuǎn)軸移動方向進程管理66磁道：當(dāng)傳動裝置固定在某個位置時，若盤面旋轉(zhuǎn)一圈，磁頭所能訪問的圓環(huán)區(qū)域；柱面：在所有盤面上，半徑相同的所有磁道即組成一個柱面；扇區(qū)：每一個磁道被劃分為若干個扇區(qū)；磁盤的訪問過程：以扇區(qū)作為最小的尋址和存取單位。首先移動傳動裝置，通過它來移動磁頭，從而定位正確的柱面。然后選中相應(yīng)的磁頭，等我們想要的扇區(qū)正好路過這個磁頭正下方的時候，就可以對它進行訪問了。進程管理67如何寫一個字節(jié)？讀－修改－寫

讀入包含該字節(jié)的扇區(qū)；修改該字節(jié)；把整個扇區(qū)寫回到磁盤；進程管理68參數(shù)IBM360-KB軟盤Barracuda180硬盤柱面數(shù)4024247磁道數(shù)∕柱面224扇區(qū)∕磁道9609(平均)扇區(qū)∕磁盤72035742000字節(jié)數(shù)∕扇區(qū)512512磁盤容量360KB181GB柱面定位(相鄰)6毫秒0.8毫秒柱面定位(平均)77毫秒7.4毫秒旋轉(zhuǎn)時間200毫秒8.33毫秒扇區(qū)傳送時間22毫秒17微秒進程管理69硬盤的格式化可分為三個步驟，即低級格式化、分區(qū)和高級格式化。低級格式化：標(biāo)出磁道和扇區(qū)，在相鄰的扇區(qū)之間有狹窄的間隙隔開。一個扇區(qū)的格式是：相位編碼（preamble）＋數(shù)據(jù)區(qū)＋糾錯碼（ECC）。相位編碼：以某個特定的位組合模式開始，向硬件表明這是一個新扇區(qū)的開始。還包括柱面號、扇區(qū)號、扇區(qū)大小等類似信息；數(shù)據(jù)區(qū)：由格式化程序確定其大小，一般512；糾錯碼：包含冗余信息，用來糾正讀取錯誤。4.4.2

磁盤格式化進程管理70分區(qū)：用分區(qū)軟件把整個硬盤劃分為若干個邏輯分區(qū)，每個分區(qū)可視為一個獨立的磁盤。在多數(shù)計算機上，用第0個扇區(qū)來存放一些系統(tǒng)啟動代碼和一個分區(qū)表，記錄了每個分區(qū)的起始扇區(qū)和大小。高級格式化：對每一個邏輯分區(qū)，分別進行一種高級格式化（即通常的格式化操作），生成一個引導(dǎo)塊、空閑存儲管理結(jié)構(gòu)、根目錄和一個空白的文件系統(tǒng)。對不同的分區(qū)，可以使用不同的文件系統(tǒng)，如FAT16、FAT32、NTFS等。進程管理71磁盤的訪問是以扇區(qū)作為最小的尋址和存取單位，在訪問一個磁盤扇區(qū)時，所需的時間主要有：柱面定位時間：磁頭在磁頭臂牽引下，移動到指定柱面的機械運動時間；旋轉(zhuǎn)延遲時間：等待指定的扇區(qū)旋轉(zhuǎn)到磁頭的正下方所需的機械運動時間；它與磁盤轉(zhuǎn)速有關(guān)，如：軟盤轉(zhuǎn)速可為600rpm(每分鐘轉(zhuǎn)速)，硬盤可為5,400rpm至15,000rpm；數(shù)據(jù)傳送時間：從指定扇區(qū)讀寫數(shù)據(jù)的時間。4.4.3

磁盤調(diào)度算法進程管理72方法1：合理地組織磁盤數(shù)據(jù)的存儲位置。例子：磁盤轉(zhuǎn)速為10,000rpm，每個磁道有300個扇區(qū),每個扇區(qū)有512字節(jié)，現(xiàn)要讀一個150KB的文件。假設(shè)柱面定位(平均)時間為6.9毫秒，旋轉(zhuǎn)延遲(平均)時間為旋轉(zhuǎn)時間的一半(3ms)，扇區(qū)數(shù)據(jù)傳送時間17微秒；(1)文件由同一個磁道上的300個連續(xù)扇區(qū)構(gòu)成：(2)文件由300個隨機