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第五章 设备管理 5.1 I/O系统 5.2 I/O控制方式 5.3 缓冲管理 5.4 设备分配 5.5 设备处理 5.6 磁盘存储器管理 5.1 I/O 系 统 5.1.1 I/O 设备 1.I/O 设备的类型 1)按传输速率分类 按 传 输 速 度 的 高 低，可 将I/O 设 备 分 为 三 类。第 一 类 是 低 速设 备，这 是 指 其 传 输 速 率 仅 为 每 秒 钟 几 个 字 节 至 数 百 个 字 节 的一 类 设 备。属 于 低 速 设 备 的 典 型 设 备 有 键 盘、鼠 标 器、语 音 的输 入 和 输 出 等 设 备。第 二 类 是 中 速 设 备，这 是 指 其 传 输 速 率 在每 秒 钟 数 千 个 字 节 至 数 万 个 字 节 的 一 类 设 备。典 型 的 中 速 设 备有 行 式 打 印 机、激 光 打 印 机 等。第 三 类 是 高 速 设 备，这 是 指 其传 输 速 率 在 数 百 千 个 字 节 至 数 十 兆 字 节 的 一 类 设 备。典 型 的 高速设备有磁带机、磁盘机、光盘机等。2)按信息交换的单位分类 可 将I/O 设 备 分 成 两 类。第 一 类 是 块 设 备(Block Device)，这 类 设 备 用 于 存 储 信 息。由 于 信 息 的 存 取 总 是 以 数 据 块 为单 位，故 而 得 名。它 属 于 有 结 构 设 备。典 型 的 块 设 备 是 磁盘，每 个 盘 块 的 大 小 为512 B4 KB。磁 盘 设 备 的 基 本 特 征 是其 传 输 速 率 较 高，通 常 每 秒 钟 为 几 兆 位；另 一 特 征 是 可 寻 址，即 对 它 可 随 机 地 读/写 任 一 块；此 外，磁 盘 设 备 的I/O 常 采 用DMA 方 式。第 二 类 是 字 符 设 备(Character Device)，用 于 数据的输入和输出。其基本单位是字符，故称为字符设备。3)按设备的共享属性分类这种分类方式可将I/O 设备分为如下三类：(1)独占设备。(2)(2)共享设备。(3)(3)虚拟设备。2.设备与控制器之间的接口 图 5-1 设备与控制器间的接口 5.1.2 设备控制器1.设备控制器的基本功能 1)接收和识别命令 2)2)数据交换 3)3)标识和报告设备的状态 4)4)地址识别 5)5)数据缓冲 6)6)差错控制 2.设备控制器的组成 图 5-2 设备控制器的组成 5.1.3 I/O 通道 1.I/O 通道(I/O Channel)设备的引入 实 际 上，I/O 通 道 是 一 种 特 殊 的 处 理 机。它 具 有 执 行I/O指 令 的 能 力，并 通 过 执 行 通 道(I/O)程 序 来 控 制I/O 操 作。但I/O 通道又与一般的处理机不同，主要表现在以下两个方面：一 是 其 指 令 类 型 单 一，这 是 由 于 通 道 硬 件 比 较 简 单，其 所 能 执 行 的 命 令，主 要 局 限 于 与I/O 操 作 有 关 的 指 令；再就 是 通 道 没 有 自 己 的 内 存，通 道 所 执 行 的 通 道 程 序 是 放 在 主机的内存中的，换言之，是通道与CPU 共享内存。2.通道类型 1)字节多路通道(Byte Multiplexor Channel)图 5-3 字节多路通道的工作原理 2)数组选择通道(Block Selector Channel)字 节 多 路 通 道 不 适 于 连 接 高 速 设 备，这 推 动 了 按 数 组 方式 进 行 数 据 传 送 的 数 组 选 择 通 道 的 形 成。这 种 通 道 虽 然 可 以连 接 多 台 高 速 设 备，但 由 于 它 只 含 有 一 个 分 配 型 子 通 道，在一 段 时 间 内 只 能 执 行 一 道 通 道 程 序，控 制 一 台 设 备 进 行 数 据传 送，致 使 当 某 台 设 备 占 用 了 该 通 道 后，便 一 直 由 它 独 占，即 使 是 它 无 数 据 传 送，通 道 被 闲 置，也 不 允 许 其 它 设 备 使 用该 通 道，直 至 该 设 备 传 送 完 毕 释 放 该 通 道。可 见，这 种 通 道的利用率很低。3)数组多路通道(Block Multiplexor Channel)数 组 选 择 通 道 虽 有 很 高 的 传 输 速 率，但 它 却 每 次 只 允许 一 个 设 备 传 输 数 据。数 组 多 路 通 道 是 将 数 组 选 择 通 道 传输 速 率 高 和 字 节 多 路 通 道 能 使 各 子 通 道(设 备)分 时 并 行 操作 的 优 点 相 结 合 而 形 成 的 一 种 新 通 道。它 含 有 多 个 非 分 配型 子 通 道，因 而 这 种 通 道 既 具 有 很 高 的 数 据 传 输 速 率，又能 获 得 令 人 满 意 的 通 道 利 用 率。也 正 因 此，才 使 该 通 道 能被 广 泛 地 用 于 连 接 多 台 高、中 速 的 外 围 设 备，其 数 据 传 送是按数组方式进行的。3.“瓶颈”问题 图 5-4 单通路I/O 系统 图 5-5 多通路I/O 系统 5.1.4 总线系统 图 5-6 总线型I/O 系统结构 1.ISA 和EISA 总线 1)ISA(Industry Standard Architecture)总线 这 是 为 了1984年 推 出 的80286型 微 机 而 设 计 的 总 线 结 构。其 总 线 的 带 宽 为8位，最 高 传 输 速 率 为2 Mb/s。之 后 不 久 又 推出 了16 位 的(EISA)总 线，其 最 高 传 输 速 率 为8 Mb/s，后 又 升至16 Mb/s，能连接12台设备。2)EISA(Extended ISA)总线 到80年 代 末 期，ISA 总 线 已 难 于 满 足 带 宽 和 传 输 速 率 的 要求，于 是 人 们 又 开 发 出 扩 展ISA(EISA)总 线，其 带 宽 为32位，总线的传输速率高达32 Mb/s，同样可以连接12台外部设备。2.局部总线(Local Bus)1)VESA(Video Electronic Standard Association)总线 2)2)PCI(Peripheral Component Interface)总线 5.2 I/O 控制方式 5.2.1 程序I/O 方式 在 程 序I/O 方 式 中，由 于CPU 的 高 速 性 和I/O 设 备 的 低速 性，致 使CPU 的 绝 大 部 分 时 间 都 处 于 等 待I/O 设 备 完 成数 据I/O 的 循 环 测 试 中，造 成 对CPU 的 极 大 浪 费。在 该 方式 中，CPU 之 所 以 要 不 断 地 测 试I/O 设 备 的 状 态，就 是 因 为在CPU 中 无 中 断 机 构，使I/O 设 备 无 法 向CPU 报 告 它 已 完成了一个字符的输入操作。图 5-7 程序I/O 和中断驱动方式的流程 5.2.2 中断驱动I/O 控制方式 在I/O 设 备 输 入 每 个 数 据 的 过 程 中，由 于 无 须CPU 干 预，因 而 可 使CPU 与I/O 设 备 并 行 工 作。仅 当 输 完 一 个 数 据 时，才需CPU 花 费 极 短 的 时 间 去 做 些 中 断 处 理。可 见，这 样 可 使CPU 和I/O 设 备 都 处 于 忙 碌 状 态，从 而 提 高 了 整 个 系 统 的 资 源利 用 率 及 吞 吐 量。例 如，从 终 端 输 入 一 个 字 符 的 时 间 约 为100 ms，而 将 字 符 送 入 终 端 缓 冲 区 的 时 间 小 于 0.1 ms。若 采 用程 序I/O 方 式，CPU 约 有 99.9 ms 的 时 间 处 于 忙等 待 中。采用 中 断 驱 动 方 式 后，CPU 可 利 用 这 99.9 ms 的 时 间 去 做 其 它 事情，而 仅 用 0.1 ms 的 时 间 来 处 理 由 控 制 器 发 来 的 中 断 请 求。可见，中断驱动方式可以成百倍地提高CPU 的利用率。5.2.3 直接存储器访问DMA I/O 控制方式 1.DMA(Direct Memory Access)控制方式的引入 该 方 式 的 特 点 是：数 据 传 输 的 基 本 单 位 是 数 据 块，即 在CPU 与I/O 设 备 之 间，每 次 传 送 至 少 一 个 数 据 块；所 传 送 的数 据 是 从 设 备 直 接 送 入 内 存 的，或 者 相 反；仅 在 传 送 一 个或 多 个 数 据 块 的 开 始 和 结 束 时，才 需CPU 干 预，整 块 数 据 的 传送 是 在 控 制 器 的 控 制 下 完 成 的。可 见，DMA 方 式 较 之 中 断 驱动 方 式，又 是 成 百 倍 地 减 少 了CPU 对I/O 的 干 预，进 一 步 提 高了CPU 与I/O 设备的并行操作程度。2.DMA 控制器的组成 图 5-8 DMA 控制器的组成 为 了 实 现 在 主 机 与 控 制 器 之 间 成 块 数 据 的 直 接 交 换，必须在DMA 控制器中设置如下四类寄存器：(1)命 令/状 态 寄 存 器CR。用 于 接 收 从CPU 发 来 的I/O 命令或有关控制信息，或设备的状态。(2)内 存 地 址 寄 存 器MAR。在 输 入 时，它 存 放 把 数 据 从设 备 传 送 到 内 存 的 起 始 目 标 地 址；在 输 出 时，它 存 放 由 内 存到设备的内存源地址。(3)数 据 寄 存 器DR。用 于 暂 存 从 设 备 到 内 存，或 从 内 存到设备的数据。(4)数据计数器DC。存放本次CPU 要读或写的字(节)数。3.DMA 工作过程 图 5-9 DMA 方式的工作流程 5.2.4 I/O 通道控制方式 1.I/O 通道控制方式的引入 I/O 通 道 方 式 是DMA 方 式 的 发 展，它 可 进 一 步 减 少CPU的 干 预，即 把 对 一 个 数 据 块 的 读(或 写)为 单 位 的 干 预，减 少为 对 一 组 数 据 块 的 读(或 写)及 有 关 的 控 制 和 管 理 为 单 位 的 干预。同 时，又 可 实 现CPU、通 道 和I/O 设 备 三 者 的 并 行 操 作，从 而 更 有 效 地 提 高 整 个 系 统 的 资 源 利 用 率。例 如，当CPU 要完 成 一 组 相 关 的 读(或 写)操 作 及 有 关 控 制 时，只 需 向I/O 通 道发 送 一 条I/O 指 令，以 给 出 其 所 要 执 行 的 通 道 程 序 的 首 址 和 要访 问 的I/O 设 备，通 道 接 到 该 指 令 后，通 过 执 行 通 道 程 序 便 可完成CPU 指定的I/O 任务。2.通道程序(1)操作码。(2)(2)内存地址。(3)(3)计数。(4)(4)通道程序结束位P。(5)(5)记录结束标志R。操作P R计数 内存地址WRITE 0 0 80 813WRITE 0 0 140 1034WRITE 0 1 60 5830WRITE 0 1 300 2000WRITE 0 0 250 1850WRITE 1 1 250 7205.3 缓 冲 管 理 5.3.1 缓冲的引入(1)缓和CPU 与I/O 设备间速度不匹配的矛盾。(2)(2)减少对CPU 的中断频率，放宽对CPU 中断响应时间的限制。(3)(3)提高CPU 和I/O 设备之间的并行性。图 5-10 利用缓冲寄存器实现缓冲 5.3.2 单缓冲和双缓冲 1.单缓冲(Single Buffer)图 5-11 单缓冲工作示意图 2.双缓冲(Double Buffer)图 5-12 双缓冲工作示意图 图 5-13 双机通信时缓冲区的设置 5.3.3 循环缓冲 1.循环缓冲的组成 图 5-14 循环缓冲（1）定义循环缓存：#defineMAX_BUFF_LEN1024/定义缓存大小typedefstruct/定义数据结构uintdata;DATA_BUFF_T;typedefstruct/定义缓存结构uintreadPos;uintwritePos;DATA_BUFF_TDATAMAX_BUFF_LEN;DATAS_BUFF_T;staticDATAS_BUFF_TBuff0;/定义缓存（2）初始化循环缓存：Buff0.readPos=0;Buff0.writePos=0;（3）判断缓存中是否有数据：BOOLHaveData_Buff(void)if(Buff0.readPos!=Buff0.write.Pos)return1;elsereturn0;（4）向缓存中写数据：BOOLWriteData(uintdata)uintnextPos;nextPos=(Buff0.writePos+1)%MAX_BUFF_LEN;if(nectPos!=Buff0.readPos)/判断缓存是否满Buff0.DATAwritePos.data=data;Buff0.writePos=nextPos;return1;elsereturn0;（5）从缓存中读数据：uintReadData(void)uintdataTemp;if(HaveData_Buff()=1)dataTemp=Buff0.DATAReadPos.data;ReadPos=(ReadPos+1)%MAX_BUFF_LEN;returndataTemp;2.循环缓冲区的使用(1)Getbuf 过程。(2)(2)Releasebuf 过程。3.进程同步(1)Nexti 指针追赶上Nextg 指针。(2)(2)Nextg 指针追赶上Nexti 指针。5.3.4 缓冲池(Buffer Pool)1.缓冲池的组成 对 于 既 可 用 于 输 入 又 可 用 于 输 出 的 公 用 缓 冲 池，其 中至 少 应 含 有 以 下 三 种 类 型 的 缓 冲 区：空(闲)缓 冲 区；装 满 输 入 数 据 的 缓 冲 区；装 满 输 出 数 据 的 缓 冲 区。为 了管 理 上 的 方 便，可 将 相 同 类 型 的 缓 冲 区 链 成 一 个 队 列，于 是可形成以下三个队列：（1）空缓冲队列emq。(2)输入队列inq。(3)输出队列outq。2.Getbuf过程和Putbuf 过程 Procedure Getbuf(type)begin Wait(RS(type);Wait(MS(type);B(number)KG-*3=Takebuf(type);Signal(MS(type);end Procedure Putbuf(type,number)begin Wait(MS(type);Addbuf(type,number);Signal(MS(type);Signal(RS(type);end 3.缓冲区的工作方式 图 5-15 缓冲区的工作方式 5.4 设 备 分 配 5.4.1 设备分配中的数据结构 1.设备控制表DCT 图 5-16 设备控制表 2.控制器控制表、通道控制表和系统设备表 图 5-17 COCT、CHCT 和SDT 表 5.4.2 设备分配时应考虑的因素 1.设备的固有属性(1)独享设备。(2)(2)共享设备。(3)虚拟设备。2.设备分配算法(1)先来先服务。(2)(2)优先级高者优先。3.设备分配中的安全性 1)安全分配方式 2)2)不安全分配方式 5.4.3 设备独立性 1.设备独立性(Device Independence)的概念 为 了 提 高OS 的 可 适 应 性 和 可 扩 展 性，在 现 代OS 中 都 毫 无例 外 地 实 现 了 设 备 独 立 性，也 称 为 设 备 无 关 性。其 基 本 含 义是：应 用 程 序 独 立 于 具 体 使 用 的 物 理 设 备。为 了 实 现 设 备 独立 性 而 引 入 了 逻 辑 设 备 和 物 理 设 备 这 两 个 概 念。在 应 用 程 序中，使 用 逻 辑 设 备 名 称 来 请 求 使 用 某 类 设 备；而 系 统 在 实 际执 行 时，还 必 须 使 用 物 理 设 备 名 称。因 此，系 统 须 具 有 将 逻辑 设 备 名 称 转 换 为 某 物 理 设 备 名 称 的 功 能，这 非 常 类 似 于 存储器管理中所介绍的逻辑地址和物理地址的概念。在 实 现 了 设 备 独 立 性 的 功 能 后，可 带 来 以 下 两 方面的好处。1)设备分配时的灵活性 2)易于实现I/O 重定向 2.设备独立性软件 1)执行所有设备的公有操作 这 些 公 有 操 作 包 括：对 独 立 设 备 的 分 配 与 回 收；将 逻 辑 设 备 名 映 射 为 物 理 设 备 名，进 一 步 可 以 找 到 相 应物 理 设 备 的 驱 动 程 序；对 设 备 进 行 保 护，禁 止 用 户 直接 访 问 设 备；缓 冲 管 理，即 对 字 符 设 备 和 块 设 备 的 缓冲 区 进 行 有 效 的 管 理，以 提 高I/O 的 效 率；差 错 控 制。由 于 在I/O 操 作 中 的 绝 大 多 数 错 误 都 与 设 备 无 关，故 主 要 由设 备 驱 动 程 序 处 理，而 设 备 独 立 性 软 件 只 处 理 那 些 设 备 驱动程序无法处理的错误。2)向用户层(或文件层)软件提供统一接口 无论何种设备，它们向用户所提供的接口应该是相同的。例如，对各种设备的读操作，在应用程序中都使用read;而对各种设备的写操作，也都使用write。3.逻辑设备名到物理设备名映射的实现 1)逻辑设备表2)2)LUT 的设置问题 图 5-18 逻辑设备表 5.4.4 独占设备的分配程序 1.基本的设备分配程序 1)分配设备 2)2)分配控制器 3)3)分配通道 2.设备分配程序的改进 1)增加设备的独立性2)3)2)考虑多通路情况 5.4.5 SPOOLing 技术 1.什么是SPOOLing 为 了 缓 和CPU 的 高 速 性 与I/O 设 备 低 速 性 间 的 矛 盾 而 引 入 了脱 机 输 入、脱 机 输 出 技 术。该 技 术 是 利 用 专 门 的 外 围 控 制 机，将 低 速I/O 设 备 上 的 数 据 传 送 到 高 速 磁 盘 上；或 者 相 反。事 实 上，当 系 统 中 引 入 了 多 道 程 序 技 术 后，完 全 可 以 利 用 其 中 的 一 道 程序，来 模 拟 脱 机 输 入 时 的 外 围 控 制 机 功 能，把 低 速I/O 设 备 上 的数 据 传 送 到 高 速 磁 盘 上；再 用 另 一 道 程 序 来 模 拟 脱 机 输 出 时 外围 控 制 机 的 功 能，把 数 据 从 磁 盘 传 送 到 低 速 输 出 设 备 上。这 样，便 可 在 主 机 的 直 接 控 制 下，实 现 脱 机 输 入、输 出 功 能。此 时 的外 围 操 作 与CPU 对 数 据 的 处 理 同 时 进 行，我 们 把 这 种 在 联 机 情况 下 实 现 的 同 时 外 围 操 作 称 为 SPOOLing(Simultaneaus Periphernal Operating On-Line)，或称为假脱机操作。2.SPOOLing 系统的组成 图 5-19 SPOOLing 系统的组成 3.共享打印机 共 享 打 印 机 技 术 已 被 广 泛 地 用 于 多 用 户 系 统 和 局 域 网 络中。当 用 户 进 程 请 求 打 印 输 出 时，SPOOLing 系 统 同 意 为 它打 印 输 出，但 并 不 真 正 立 即 把 打 印 机 分 配 给 该 用 户 进 程，而 只 为 它 做 两 件 事：由 输 出 进 程 在 输 出 井 中 为 之 申 请 一个 空 闲 磁 盘 块 区，并 将 要 打 印 的 数 据 送 入 其 中；输 出 进程 再 为 用 户 进 程 申 请 一 张 空 白 的 用 户 请 求 打 印 表，并 将 用 户的打印要求填入其中，再将该表挂到请求打印队列上。4.SPOOLing 系统的特点(1)提高了I/O 的速度。(2)(2)将独占设备改造为共享设备。(3)(3)实现了虚拟设备功能。5.5 设 备 处 理 5.5.1 设备驱动程序的功能和特点 1.设备驱动程序的功能(1)接 收 由I/O 进 程 发 来 的 命 令 和 参 数，并 将 命 令 中 的 抽象 要 求 转 换 为 具 体 要 求，例 如，将 磁 盘 块 号 转 换 为 磁 盘 的盘面、磁道号及扇区号。(2)检 查 用 户I/O 请 求 的 合 法 性，了 解I/O 设 备 的 状 态，传递有关参数，设置设备的工作方式。(3)发 出I/O 命 令，如 果 设 备 空 闲，便 立 即 启 动I/O 设 备去 完 成 指 定 的I/O 操 作；如 果 设 备 处 于 忙 碌 状 态，则 将 请 求者的请求块挂在设备队列上等待。(4)及 时 响 应 由 控 制 器 或 通 道 发 来 的 中 断 请 求，并 根 据其中断类型调用相应的中断处理程序进行处理。(5)对 于 设 置 有 通 道 的 计 算 机 系 统，驱 动 程 序 还 应 能 够根据用户的I/O 请求，自动地构成通道程序。2.设备处理方式(1)为每一类设备设置一个进程，专门用于执行这类设备的I/O 操作.(2)在整个系统中设置一个I/O 进程，专门用于执行系统中所有各类设备的I/O 操作。(3)不 设 置 专 门 的 设 备 处 理 进 程，而 只 为 各 类 设 备 设 置相应的设备处理程序(模块)，供用户进程或系统进程调用。3.设备驱动程序的特点(1)驱动程序主要是指在请求I/O 的进程与设备控制器之间的一个通信和转换程序。(2)驱 动 程 序 与 设 备 控 制 器 和I/O 设 备 的 硬 件 特 性 紧 密 相 关，因而对不同类型的设备应配置不同的驱动程序。(3)驱动程序与I/O 设备所采用的I/O 控制方式紧密相关。(4)由 于 驱 动 程 序 与 硬 件 紧 密 相 关，因 而 其 中 的 一 部 分 必须用汇编语言书写。5.5.2 设备驱动程序的处理过程 1.将抽象要求转换为具体要求 2.2.检查I/O 请求的合法性 3.3.读出和检查设备的状态 4.4.传送必要的参数 5.5.工作方式的设置 6.6.启动I/O 设备 图 5-20 中断现场保护示意图 图 5-21 中断处理流程5.6 磁盘存储器管理5.6.1 磁盘性能简述 1.数据的组织和格式 图 5-22 磁盘的格式化 2.磁盘的类型 1)固定头磁盘 这 种 磁 盘 在 每 条 磁 道 上 都 有 一 读/写 磁 头，所 有 的 磁 头 都被 装 在 一 刚 性 磁 臂 中。通 过 这 些 磁 头 可 访 问 所 有 各 磁 道，并进 行 并 行 读/写，有 效 地 提 高 了 磁 盘 的I/O 速 度。这 种 结 构 的磁盘主要用于大容量磁盘上。2)移动头磁盘 每 一 个 盘 面 仅 配 有 一 个 磁 头，也 被 装 入 磁 臂 中。为 能 访问 该 盘 面 上 的 所 有 磁 道，该 磁 头 必 须 能 移 动 以 进 行 寻 道。可见，移 动 磁 头 仅 能 以 串 行 方 式 读/写，致 使 其I/O 速 度 较 慢；但由于其结构简单，故仍广泛应用于中小型磁盘设备中。3.磁盘访问时间 1)寻道时间Ts 这 是 指 把 磁 臂(磁 头)移 动 到 指 定 磁 道 上 所 经 历 的 时 间。该 时 间 是 启 动 磁 臂 的 时 间s 与 磁 头 移 动 n 条 磁 道 所 花 费 的 时 间之和，即Ts=m n+s其 中，m 是 一 常 数，与 磁 盘 驱 动 器 的 速 度 有 关，对 一 般 磁 盘，m=0.2；对 高 速 磁 盘，m0.1,磁 臂 的 启 动 时 间 约 为2 ms。这 样，对 一 般 的 温 盘，其 寻 道 时 间 将 随 寻 道 距 离 的 增 加 而 增大，大体上是530 ms。2)旋转延迟时间T 这 是 指 定 扇 区 移 动 到 磁 头 下 面 所 经 历 的 时 间。对 于 硬盘，典 型 的 旋 转 速 度 大 多 为5400 r/min，每 转 需 时11.1 ms，平 均 旋 转 延 迟 时 间 T为5.55 ms；对 于 软 盘，其 旋 转 速 度为300 r/min 或600 r/min，这样，平均T为50100 ms。3)传输时间Tt 这 是 指 把 数 据 从 磁 盘 读 出 或 向 磁 盘 写 入 数 据 所 经 历 的时间。Tt的大小与每次所读/写的字节数b和旋转速度有关：其 中，r 为 磁 盘 每 秒 钟 的 转 数；N 为 一 条 磁 道 上 的 字 节 数，当 一 次 读/写 的 字 节 数 相 当 于 半 条 磁 道 上 的 字 节 数 时，Tt与T相同，因此，可将访问时间Ta表示为：5.6.2 磁盘调度1.先来先服务FCFS(First-Come,First Served)图 5-23 FCFS 调度算法2.最短寻道时间优先SSTF(Shortest Seek Time First)图 5-24 SSTF 调度算法 3.扫描(SCAN)算法 1)进程“饥饿”现象 SSTF 算 法 虽 然 能 获 得 较 好 的 寻 道 性 能，但 却 可 能 导致 某 个 进 程 发 生“饥 饿”(Starvation)现 象。因 为 只 要 不断 有 新 进 程 的 请 求 到 达，且 其 所 要 访 问 的 磁 道 与 磁 头 当 前所 在 磁 道 的 距 离 较 近，这 种 新 进 程 的I/O 请 求 必 须 优 先 满足。对SSTF 算 法 略 加 修 改 后 所 形 成 的SCAN 算 法，即 可 防止老进程出现“饥饿”现象。2)SCAN 算法 图 5-25 SCAN 调度算法示例4.循环扫描(CSCAN)算法 图 5-26 CSCAN 调度算法示例n 磁盘请求以10、22、20、2、40、6、38 柱面的次序到达磁盘驱动器，如果磁头当前位于柱面20。若查找移过每个柱面要花6ms，用以下算法计算出查找时间：n 1)FCFS，n 2)最短查找优先，n 3)电梯调度(正向柱面大的方向)。FCFS 10、22、20、2、40、6、38最短查找优先20、22、10、6、2、38、40电梯调度20、22、38、40、10、6、25.N-Step-SCAN 和FSCAN 调度算法 1)N-Step-SCAN 算法 在SSTF、SCAN 及CSCAN 几 种 调 度 算 法 中，都 可 能 出 现 磁 臂 停 留 在某 处 不 动 的 情 况，例 如，有 一 个 或 几 个 进 程 对 某 一 磁 道 有 较 高 的 访 问 频 率，即 这 个(些)进 程 反 复 请 求 对 某 一 磁 道 的I/O 操 作，从 而 垄 断 了 整 个 磁 盘 设备。我 们 把 这 一 现 象 称 为“磁 臂 粘 着”(Armstickiness)。在 高 密 度 磁 盘上 容 易 出 现 此 情 况。N 步SCAN 算 法 是 将 磁 盘 请 求 队 列 分 成 若 干 个 长 度 为N 的 子 队 列，磁 盘 调 度 将 按FCFS 算 法 依 次 处 理 这 些 子 队 列。而 每 处 理 一个 队 列 时 又 是 按SCAN 算 法，对 一 个 队 列 处 理 完 后，再 处 理 其 他 队 列。当正 在 处 理 某 子 队 列 时，如 果 又 出 现 新 的 磁 盘I/O 请 求，便 将 新 请 求 进 程 放入 其 他 队 列，这 样 就 可 避 免 出 现 粘 着 现 象。当N 值 取 得 很 大 时，会 使N 步扫 描 法 的 性 能 接 近 于SCAN 算 法 的 性 能；当N=1 时，N 步SCAN 算 法 便 蜕化为FCFS 算法。2)FSCAN 算法 FSCAN 算 法 实 质 上 是 N 步 SCAN 算 法 的 简 化，即FSCAN 只 将 磁 盘 请 求 队 列 分 成 两 个 子 队 列。一 个 是 由 当 前所 有 请 求 磁 盘I/O 的 进 程 形 成 的 队 列，由 磁 盘 调 度 按SCAN算 法 进 行 处 理。在 扫 描 期 间，将 新 出 现 的 所 有 请 求 磁 盘I/O的 进 程，放 入 另 一 个 等 待 处 理 的 请 求 队 列。这 样，所 有 的新请求都将被推迟到下一次扫描时处理。5.6.3 磁盘高速缓存(Disk Cache)1.磁盘高速缓存的形式 是 指 利 用 内 存 中 的 存 储 空 间，来 暂 存 从 磁 盘 中 读 出 的 一 系 列盘 块 中 的 信 息。因 此，这 里 的 高 速 缓 存 是 一 组 在 逻 辑 上 属 于 磁 盘，而 物 理 上 是 驻 留 在 内 存 中 的 盘 块。高 速 缓 存 在 内 存 中 可 分 成 两 种形 式。第 一 种 是 在 内 存 中 开 辟 一 个 单 独 的 存 储 空 间 来 作 为 磁 盘 高速 缓 存，其 大 小 是 固 定 的，不 会 受 应 用 程 序 多 少 的 影 响；第 二 种是 把 所 有 未 利 用 的 内 存 空 间 变 为 一 个 缓 冲 池，供 请 求 分 页 系 统 和磁 盘I/O 时(作 为 磁 盘 高 速 缓 存)共 享。此 时 高 速 缓 存 的 大 小，显然 不 再 是 固 定 的。当 磁 盘I/O 的 频 繁 程 度 较 高 时，该 缓 冲 池 可 能包 含 更 多 的 内 存 空 间；而 在 应 用 程 序 运 行 得 较 多 时，该 缓 冲 池 可能只剩下较少的内存空间。2.数据交付方式 系统可以采取两种方式，将数据交付给请求进程：(1)数 据 交 付。这 是 直 接 将 高 速 缓 存 中 的 数 据，传 送到请求者进程的内存工作区中。(2)指 针 交 付。只 将 指 向 高 速 缓 存 中 某 区 域 的 指 针，交付给请求者进程。后 一 种 方 式 由 于 所 传 送 的 数 据 量 少，因 而 节 省 了 数据从磁盘高速缓存存储空间到进程的内存工作区的时 3.置换算法 由 于 请 求 调 页 中 的 联 想 存 储 器 与 高 速 缓 存(磁 盘I/O 中)的 工 作 情 况 不 同，因 而 使 得 在 置 换 算 法 中 所 应 考 虑 的 问 题也 有 所 差 异。因 此，现 在 不 少 系 统 在 设 计 其 高 速 缓 存 的 置换 算 法 时，除 了 考 虑 到 最 近 最 久 未 使 用 这 一 原 则 外，还 考虑了以下几点：(1)访问频率。(2)可预见性。(3)数据的一致性。4.周期性地写回磁盘 在UNIX 系 统 中 专 门 增 设 了 一 个 修 改(update)程 序，使之 在 后 台 运 行，该 程 序 周 期 性 地 调 用 一 个 系 统 调 用SYNC。该 调 用 的 主 要 功 能 是 强 制 性 地 将 所 有 在 高 速 缓 存 中 已 修 改的 盘 块 数 据 写 回 磁 盘。一 般 是 把 两 次 调 用SYNC 的 时 间 间 隔定 为30 s。这 样，因 系 统 故 障 所 造 成 的 工 作 损 失 不 会 超 过30 s 的 劳 动 量。而 在MS-DOS 中 所 采 用 的 方 法 是：只 要 高 速 缓存 中 的 某 盘 块 数 据 被 修 改，便 立 即 将 它 写 回 磁 盘，并 将 这种 高 速 缓 存 称 为“写 穿 透、高 速 缓 存”(write-through cache)。MS-DOS 所 采 用 的 写 回 方 式，几 乎 不 会 造 成 数 据 的丢失，但须频繁地启动磁盘。5.6.4 提高磁盘I/O 速度的其它方法 1.提前读(Read-Ahead)2.2.延迟写 3.3.优化物理块的分布 4.4.虚拟盘 5.6.5 廉价磁盘冗余阵列 1.并行交叉存取 图 5-27 磁盘并行交叉存取方式 2.RAID 的分级(1)RAID 0 级。(2)(2)RAID 1 级。(3)(3)RAID 3 级。(4)(4)RAID 5 级。(5)(5)RAID 6 级和RAID 7 级。3.RAID 的优点(1)可靠性高。(2)(2)磁盘I/O 速度高。(3)(3)性能/价格比高。9、静夜四无邻，荒居旧业贫。5月-235月-23Sunday,May 21,202310、雨中黄叶树，灯下白头人。03:37:0203:37:0203:375/21/2023 3:37:02 AM11、以我独沈久，愧君相见频。5月-2303:37:0203:37May-2321-May-2312、故人江海别，几度隔山川。03:37:0203:37:0203:37Sunday,May 21,202313、乍见翻疑梦，相悲各问年。5月-235月-2303:37:0203:37:02May 21,202314、他乡生白发，旧国见青山。21 五月 20233:37:02 上午03:37:025月-2315、比不了得就不比，得不到的就不要。五月 233:37 上午5月-2303:37May 21,202316、行动出成果，工作出财富。2023/5/21 3:37:0203:37:0221 May 202317、做前，能够环视四周；做时，你只能或者最好沿着以脚为起点的射线向前。3:37:02 上午3:37 上午03:37:025月-239、没有失败，只有暂时停止成功！。5月-235月-23Sunday,May 21,202310、很多事情努力了未必有结果，但是不努力却什么改变也没有。03:37:0203:37:0203:375/21/2023 3:37:02 AM11、成功就是日复一日那一点点小小努力的积累。5月-2303:37:0203:37May-2321-May-2312、世间成事，不求其绝对圆满，留一份不足，可得无限完美。03:37:0203:37:0203:37Sunday,May 21,202313、不知香积寺，数里入云峰。5月-235月-2303:37:0203:37:02May 21,202314、意志坚强的人能把世界放在手中像泥块一样任意揉捏。21 五月 20233:37:02 上午03:37:025月-2315、楚塞三湘接，荆门九派通。五月 233:37 上午5月-2303:37May 21,202316、少年十五二十时，步行夺得胡马骑。2023/5/21 3:37:0203:37:0221 May 202317、空山新雨后，天气晚来秋。3:37:02 上午3:37 上午03:37:025月-239、杨柳散和风，青山澹吾虑。5月-235月-23Sunday,May 21,202310、阅读一切好书如同和过去最杰出的人谈话。03:37:0203:37:0203:375/21/2023 3:37:02 AM11、越是没有本领的就越加自命不凡。5月-2303:37:0203:37May-2321-May-2312、越是无能的人，越喜欢挑剔别人的错儿。03:37:0203:37:0203:37Sunday,May 21,202313、知人者智，自知者明。胜人者有力，自胜者强。5月-235月-2303:37:0203:37:02May 21,202314、意志坚强的人能把世界放在手中像泥块一样任意揉捏。21 五月 20233:37:02 上午03:37:025月-2315、最具挑战性的挑战莫过于提升自我。五月 233:37 上午5月-2303:37May 21,202316、业余生活要有意义，不要越轨。2023/5/21 3:37:0203:37:022