[精选]08第八章 设备与IO管理1.pptx

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1、第八章 设备与I/O 管理n 设备及其分类n 设备的物理特性n IO 传输方式查询、中断、通道、DMA n 设备分配与去配n 设备驱动n 设备调度n 缓冲技术n 输入输出进程n RAID 技术n 虚拟设备8.1 设备及其分类n 用途n 存储型设备n 磁盘，磁带，光盘n IO 型设备n 扫描仪，打印机，mouse，keyboard，monitor，n 网络设备n 网卡，交换机，etc.8.1 设备及其分类n 管理n 共享型设备块型n 多个进程的IO 操作以块为单位可以交叉n 独占型设备块型n 多个进程的IO 操作以块为单位不宜交叉n 独占型设备字符型n 多个进程的IO 操作以字符为单位不能交叉I

2、O 设备的物理特性传输一字节发生一次中断存储设备的物理特性磁带的物理特性头标 信息块 信息块 信息块.尾标间隙操作：反绕，正向查找，反向查找，读，写，地址：一维文件：顺序结构（一个文件占若干连续块）8.2 设备的物理特性.磁盘组的物理特性.盘面0盘面1盘面2盘面m-1扇区1扇区0扇区n-1柱面0 柱面l-1.引臂柱面号i盘面号j扇区号k块号b 一维地址三维地址编址方法：使相邻块物理上最近例子：l=2;m=3;n=3柱面号：0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1盘面号：0 0 0 1 1 1 2 2 2 0 0 0 1 1 1 2 2 2扇区号：0 1 2 0 1

3、 2 0 1 2 0 1 2 0 1 2 0 1 2块 号：0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17三维地址 一维地址：b=i m n+j n+k一维地址 三维地址：i=b m n j=b mod m n n k=b mod m n mod n未考虑读写延迟的扇区编号：扇区0扇区7扇区6扇区5扇区4扇区3扇区2 扇区1扇区0扇区7扇区3扇区6扇区2扇区5扇区1 扇区4考虑读写延迟的扇区编号单交错：扇区0扇区5扇区2扇区7扇区4扇区1扇区6 扇区3考虑读写延迟的扇区编号双交错：光盘的物理特性:读取原理:pit/land 螺旋线,22188圈展开5.6

4、km,内侧转速:530转/分;外侧转速:200转/分密度均匀,读取速度均匀 DataECCP14个bit构成一个symble42个symble构成一个frame98个frame构成一个sectorSector2352bytes588bits的frame各包含24字节Preamble:16bytes,前12bytes为:00FFFFFFFFFFFFFFFFFFFF00后随3bytes扇区编号,最后字节为mode2048字节 288字节8.3 I/O 传输方式n IO 操作演变历史n 程序查询方式 programmed IO polling n CPU and Device can not wor

5、k in parallel n 中断方式 interrupt n CPU and device can work in parallel,too many interrupts for CPUn 通道方式 channel n special processor for dealing with io operationsn 直接内存方式 DMA n DMA controller in charge of block io8.3.1 程序控制查询方式CPU 启动设备完成F T缺点:处理机与设备串行工作;消耗大量处理机时间.8.3.2 中断驱动方式n CPUn 计算n 启动设备n 计算n n 计算

6、n 中断处理n 计算设备:工作特点:CPU 与设备并行工作 设备多时对CPU 打搅多8.3.3 DMA方式 数据传输CPUDMA控制器内存地 址计 数控 制缓冲磁盘 中断 DMA 请求总线磁盘控制器 答复 DMA 编程8.3.3 DMA方式.n CPU通过设置DMA控制器实现DMA编程，同时启动磁盘控制器由磁盘读入数据至内部缓冲区并进行和校验；n DMA控制器向磁盘控制器发出读请求，并将内存地址放在地址总线上；n 磁盘控制器将字节传到内存指定单元；n 磁盘控制器向DMA控制器发送答复；n DMA控制器将内部地址存放器加1同时将记数减1，重复上述过程直至计数值为0，此时DMA控制器向CPU发出中

7、断信号.8.3.4 通道方式n 通道n 负责IO 操作的处理机n 指令系统n 基本操作：读、写、控制、转移、结束n 指令格式：操作码，传输量，特征位，地址n 运控部件n CAW，CCW，CSW，CDWn 存储区域与CPU 共用内存,通道内有缓冲区n 通道程序，IO 数据channel does have its buffers通道程序执行过程：按CAW 取通道命令CCWCAW+1 CAW是通道结束命令执行此命令F向CPU 发中断一个通道程序可以控制假设干设备进行屡次IO 传输。T通道类型n 字节多路通道byte multiplexer channel n 多个非分配型子通道，连接低速外围设备n

8、 数组选择通道block selector channel n 一个分配型子通道，连接多台高速设备n 数组多路通道block multiplexer channel n 多个非分配型子通道，连接多台高速设备设备、通道、内存连接选择通道磁盘字节多路通道打印机输入机内存储器处理机磁带数组多路通道8.4 设备的分配与去配n 独占型设备的分配与去配n 块型独占n 字符型独占n 共享型设备的分配与去配n 块型共享数据结构设备控制块UCB 通道控制块CCB 设备标识设备状态占有设备进程通道标识通道状态通道类型占有通道进程系统设备表SDT 设备类 总数 设备等待队列 UCB 表指针 lp m Sm UCBU

9、CBUCB 独占型设备的分配与去配用户使用独占型设备活动：申请，使用，使用，使用，释放 申请：1 根据设备类查SDT 表 2 P Sm 3 查UCB 表找一空闲设备并分配 使用：1 IO 传输 释放：1 找SDT 表对应入口 2 查UCB 表，去配 3 V Sm 8.4 设备的分配与去配l 共享型设备的分配与去配 用户使用共享型设备活动 使用，使用，使用 特征 来自文件系统；每次读写一块；通常经过缓冲；排队优化。使用 IO 操作8.5 设备驱动n 通道程序n CCW 指令序列n 静态编制或动态生成n 设备启动n 通道启动n 中断处理n 通道向CPU 发的中断8.5 设备驱动设备CAWCCWCD

10、WCSWCCW1CCW2CCWi.CCWn数据区.形成通道程序.地址CAW.启动通道.中断处理.启动中断内存CPU通道 8.6 设备调度n 优化效劳顺序n 考虑因素n 公平性n 防止饿死n 高效性n 减少磁盘引臂移动量磁盘引臂调度disk head schedulingn 先到先效劳FCFS n 请求序列：130，42，180，15，108，68，970 15 42 53 68 97 108 130 180 199移动量:130-53+130-42+180-42+180-15+108-15+108-68+97-68=630磁盘引臂调度disk head schedulingn 最短寻找时间优先

11、SSTF n 请求序列：130，42，180，15，108，68，970 15 42 53 68 97 108 130 180 199移动量:53-42+180-42+180-15=314磁盘引臂调度disk head schedulingl SCAN LOOK 请求序列：130，42，180，15，108，68，97SCAN 移动量:53-0+180-0=233LOOK 移动量:53-15+180-15=2030 15 42 53 68 97 108 130 180 199 Look Scan磁盘引臂调度disk head schedulingl C-SCAN C-LOOK 请求序列：130

12、，42，180，15，108，68，97特点：所有磁道地位最长等待时间相同0 15 42 53 68 97 108 130 180 199 C-Look C-Scan8.7 缓冲技术n 设备处理数据到达与离开速度不一致所采用的技术。n Buffering vs.Cachingn buffering:one data copyn caching:multiple data copy slow 多,fast 少n 硬缓冲与软缓冲 n 硬缓冲区通常设在设备中 n 软缓冲区通常设在内存系统空间中 n 私用缓冲与公共缓冲 n 一个缓冲区与一个固定设备相联系，不同设备使用不同的缓冲区 n 利用率低 n 缓

13、冲区由系统统一管理，按需要动态分派给正在进行I/O 传输的设备空缓冲 空缓冲空缓冲.head共n 个Var buf_num:semaphore;init n mutex:semaphore;init 1 1.申请 2.释放1 P buf_num P mutex 2 P mutex 空缓冲入链尾3 取链头空缓冲 V mutex 4 V mutex V buf_num 缓冲池管理 tail8.7.5 缓冲技术实现：输入设备 进程空间缓冲输入设备缓冲缓冲.io链进程方面：中断方面：IO 链空设备忙申请空缓冲启动设备等待由io 链取一缓冲信息 进程空间释放空缓冲缓冲入io 链有等待进程唤醒传输完毕申请

14、空缓冲启动设备F TFTF TTF8.7.5 缓冲技术实现：输出设备 进程空间缓冲输出设备缓冲缓冲.io链进程方面：中断方面：申请一空缓冲信息 缓冲设备忙启动设备缓冲入io 链传输完T FF T释放空缓冲io 链空取一缓冲启动设备T F8.7.5 输入输出设备：磁带、磁盘 缓冲区头缓冲区体设备块号IO 标识等待进程块型缓冲区：进程空间缓冲IO 设备缓冲缓冲.io 链进程方面输入：进程方面输出：中断方面：申请空缓冲填写头部设备工作入io 链尾启动设备信息 进程释放缓冲申请空缓冲填写头部信息 缓冲设备工作启动设备入io 链输入唤醒等待者释放空缓冲io 链空取一缓冲启动设备F TF TT FF T等

15、待UNIX 缓冲n 字符型缓冲n 100 个缓冲区，长度8 字节6 字符+2 指针n 组成公共缓冲池，所有字符型设备公用n 缓冲区或属于cfreelist,或属于某字符设备eg.tty,lpn 块型缓冲n 50 个缓冲区，长度514 字节n 组成公共缓冲池，所有块型设备公用n 缓冲区可属于bfreelist and/or devtabn 预先读入的块breada n 延迟写出的块bdwrite 字符型设备缓冲struct cblock struct cblock*c_next;char info6;struct cblock*cfreelist;/free c blocks struct cl

16、ist/associated with a character device int c_cc;/character count int c_cf;/pointer to first block int c_cl;/pointer to last blockstruct buf/actually a buffer header,shared by all mounted disks int b_flags;/BUSY,ASYNC,DELWRI,DONE.struct buf*b_forw;/headed by devtab struct buf*b_back;struct buf*av_for

17、w;/position on free list struct buf*av_back;int b_dev;int b_wcount;/transfer count char*b_addr;/low order core buffer address char*b_xmem;/high order core buffer address char*b_blkno/block#on device char b_error;char*b_resid;/word not transferred after error bufNBUF块型设备缓冲头部15 14 13 12 11 10 9 8 7 6

18、5 4 3 2 1 0B_READ/B_WRITEB_DONEB_ERRORB_BUSYB_WANTEDB_RELOCB_ASYNCB_DELWRIb_flag:struct devtab/设备IO 队列 char d_active;/busy flag char d_errcnt;/error count struct buf*b_forw;/first buffer for this dev struct buf*b_back;/last buffer for this dev struct buf*d_actf;/head of IO queue struct buf*d_actl;/t

19、ail of IO queuechar buffersNBUF514;/块型缓冲区struct buf bfreelist;/缓冲区头部的链头相关操作：getblkdev,blkno/assign a buffer for the given block breaddev,blkno/read a blockif necessary,return buf pointerbreadadev,blkno,rablkno/read in first block,like read;but also start io on second block bwritebp/write the buffer,

20、wait for pletion,then releasebawritebp/start the io,release buffer,no wait for pletionbdwritebp/release buffer,mark it so that if it is grabbed for another purpose,it will be written out before being given upbrelsebp/release the buffer,with no io impliedgetblk dev,blkno n 参数：dev:设备号，blkno:设备块号n 返回：缓

21、冲区指针bpn 步骤：n 块在b 链中，且当前空闲n 由av 链摘除，标记BUSY,返回缓冲块指针n 块在b 链中，但BUSY 其它进程在用n sleep 空闲事件发生，由av 链摘除，标记BUSY,返回缓冲块指针n 不在b 的链中，在av 链上取到延迟写的块n 写出该块，分配下一个缓冲区n 不在b 的链中，av 链已空n 等待任意缓冲区变空闲的事件n 不在b 的链中，在av 链上得到空缓冲n 分配，由av 链摘除，返回缓冲块指针brelse bp n 参数：bp:缓冲区头指针n 返回：无n 步骤：n If 有等待者b_flag&B_WANTED!=0,唤醒;n Elsen bfreelist

22、 上有等待者,唤醒n bp 入av 链bread dev,blkno n 参数：dev:设备号，blkno:设备块号n 返回：载有信息的缓冲区bpn 步骤：n bp=getblk dev,blkno n if 缓冲区数据有效n return bp/在cache 中得到n 启动磁盘读d_actf/d_actl 链n sleep 等待读盘完成事件n 中断n bp 入b_forw/b_back 链,标记BUSYn return bp breada dev,blkno,rablkno n 参数：dev:设备号，blkno:读块号，rablkno:预读块号n 返回：blk 缓冲块指针rbpn 步骤：n

23、rbp=getblk dev,blkno n if 信息无效n 启动设备读入d_actf/d_actl 链n rabp=getblk dev,rablkno n if B_DONE/缓冲区从b 链得到n brelse rabp/入av 链n else/缓冲区从av 链得到n 启动设备读入d_actf/d_actl 链/中断时入b 链和av 链n iowait rbp n return rbp bwrite bp n 参数：bp：缓冲区指针n 步骤：n 入设备d_act 队列假设设备不忙启动设备n if!B_ASYNC n sleep 等待IO 完成事件n 中断n bp 入b 链,b_forw/

24、b_back n brelse bp,bp 入av 链bdwrite bp n 参数:bp:缓冲区指针n 返回:无n 步骤：n 标记b_flags=|B_DELWRI|B_DONEn bp 入设备b_forw/b_back 队列n brelse bp,bp 入av 链bawrite bp n 参数：bp:缓冲区头指针n 返回：无n 步骤：n bp-b_flag=|B_ASYNCn bwrite bp n 中断n 入b_act 队列n 入av 队列8.8 输入输出进程n 专门负责IO 传输的进程n 另外一种IO 模式 效劳模式n C/S Modeln 特点n 界面清晰,方便使用n 两次进程切换,

25、速度问题8.9 RAID技术n RAID:n Redundant Array of Inexpensive Disksn pared with SLEDs Single Large Expensive Disksn Redundant Array of Independent Disks/独立磁盘冗余阵列n Proposed by researchers at UC Berkeleyn David A.Pattersonn Backgroundn disk access speed increases slowly pared with CPUn solution:multiple paral

26、lel ponentn Objectiven enhanced performancen high reliabilityRAID技术n RAIDn RAID is a set of physical disks viewed by the operating system as a single logical driven Data are distributed across an array of physical drivesn Redundant disk capacity is used to store parity information,which guarantees d

27、ata recoverability in case of disk failuren Hardware RAID vs.Software RAIDn hardware based:special controller n Windows NT,2000,UNIX support software RAIDn SCSI RAID vs.IDE RAIDn performance:SCSI outperforms IDEn price:IDE beats SCSI8.9.1 RAID级别n How to organize data across multiple disks?n Industry

28、 standards schemen levels:n level 0,level 5n level 6,level 7n level 01/10n level 03/30n level 05/50n level 15/51Level 0n StripStriping:n data are striped and stored on multiple disksn high data transfer capacity n no fault toleranced0d3d6d9disk0d1d4d7d10disk1d2d5d8d11disk2d0,d1,d2,d3,d11Level 1n Mir

29、rormirroringn pletely duplicatedn high recoverabilityn expensived0d1d2d3disk1d0d1d2d3disk2d0,d1,d2,d3,.Level 0+1n RAID01/10n high reliabilityn high availabilityn expensived0d2d4d6disk1d1d3d5d7disk2d0,d1,d2,d3,d4,d5,d6,d7d0d2d4d6disk0d1d3d5d7disk3Level 5n Strip+parityn safety between 1 and 0n economy

30、 between 1 and 0n speed 0,less than 1d1d4p3d9disk1d2p1d7d10disk2d0,d1,d2,d3,d4,d5,d6,d7d0d3d6p4disk0p0d5d8d11disk3JBOD-SPANn Not a standard RAID leveln just bundle of disksn no performance improvementn no safety guaranteed0d1d2d3disk0d4d5disk1 disk2d1,d2,d3,d4,d5RAID level 0 1 5N#of disks 2,3,4 2 3,

31、4,5Capacity S N S N/2 S N-1Store efficiency 100%50%N-1/NFault tolerance no 2 3 Availability 1 2 2Random read 4 3 5Random write 4 3 2Sequential read 5 2 4Sequential write 4 3 3Cost$8.9.2 Remark on Software RAIDn Pros:n cost lessn simplicityn Cons:n performancen boot volume limitation/导引卷不能是RAIDn leve

32、l support:only 0,1,5 are supportedn OS patibility:multiple problemn other software patibilityn reliabilityn software bugsBenefit from RAIDn Increased read/write speedn Improved data reliabilityn Enlarged storage capacityn multiple disks viewed as a single volume8.10 虚拟设备n 概念n 利用共享型设备实现的数量较多、速度较快的独占型

33、设备n 引入n 用户直接使用独占型设备效率低n 实现n 输入型虚拟设备n 输出型虚拟设备n 虚拟设备的例子n SPOOLing 输入n SPOOLing 输出8.7.1 虚拟设备引入l 用户使用独占型设备活动：申请，使用，使用，使用，释放l 缺点：速度：CPU 与设备速度不匹配 设备利用率：占有期间不一定一直使用进程独占此设备l 方法：在进程与独占型设备之间增加共享设备缓冲虚拟设备虚拟设备虚拟设备虚拟设备进程独占设备 共享设备如磁盘间断传输连续传输8.10.2 虚拟设备的实现l 输入型虚拟设备的实现 申请：l 分配一虚设备l 分配一实设备l 信息由实设备 虚设备l 去配该实设备 使用：l 信息

34、由虚设备 进程空间 释放：l 去配虚设备l 输出型虚拟设备的实现 申请：l 分配一虚设备 使用：l 信息由进程空间 虚设备 释放：l 分配一实设备l 信息由虚设备 实设备l 去配实设备l 去配虚设备8.10.2 虚拟设备的实现8.10.3 虚拟设备的例子n SPOOLing 输入n 作业预输入输入机 输入井n SPOOLing 输出n 作业缓输出输出井 输出机n SPOOLingn Simultaneous Peripheral Operation On-Linen 由SPOOLing 程序控制通道完成.job11job1m.输入井预输入进程输入机输入机预输入进程通道通道内存.SPOOLing

35、 输入程序1vs.SPOOLing 输入进程n有待输入作业 有空闲作业表等待等待取一“空闲作业表为JCB作业状态改为“提交申请输入井空间作业内容 输入井填写JCB作业状态改为“后备作业调度1等待“后备作业唤醒SPOOLing 输入程序F TF TF T.通道通道job11job1n.输出井缓输出进程缓输出进程内存输出机输出机SPOOLing 输出程序1vs.SPOOLing 输出进程n 输出作业结果释放输出井空间状态改为“空闲有等空闲JCB 的预输入进程唤醒一个输出井有“完成作业取一“完成作业状态改为“退出等待SPOOLing 输出程序FTTF8.11 稳定存储器stable storagen

36、 定义n 不丧失信息的存储器称为稳定存储器n 实现n 不存在绝对可靠的存储介质n 策略：冗余n 在两种失效独立的介质上构建n 保存n 将信息写到第一个存储块n 上述操作成功后，将相同信息写到第二存储块n 仅当第二次传输也成功时，整个保存操作完成8.11 稳定存储器stable storagen 实现n 恢复n 鉴别两个数据块内容n 一对信息完全相同，且无检测到错误，正常n 其中一块检测到错误，用另一块取代n 两块均未检测到错误，但内容不同，用第二块内容取代第一块内容8.12 系统举例Linuxn 涉及内容n 设备驱动，设备缓冲，文件管理n 主要特点n 允许系统管理员动态添加或删除设备，其相应的

37、驱动程序通常以DLL 的形式动态加载，设备驱动程序可以采用高级语言编写，移植性好n 除NTFS 外，支持多种可装卸的文件系统，如FAT32、OS/2、HPFS、CDFS 等支持映像文件I/O n 设备管理子系统以I/O 请求包I/O Request Package，IRP方式驱动，每个I/O 请求均以表示为I/O 请求包，I/O 管理器负责协调所有各组成局部之间的相互作用n 通过系统进程线程提供异步I/O，在I/O 请求的进程线程不需要等待I/O 传输结果的情况下，请求者可以立即返回，具体I/O 操作由系统线程负责完成异步I/O 是通过异步过程调用Asynchronous Procedure

38、Call，APC 实现的应用程序系统服务IO管理程序文件系统磁盘驱动 光盘驱动 磁带驱动 Windows2000/XP IO子系统9、静夜四无邻，荒居旧业贫。5月-235月-23Sunday,May 14,202310、雨中黄叶树，灯下白头人。18:26:2118:26:2118:265/14/2023 6:26:21 PM11、以我独沈久，愧君相见频。5月-2318:26:2118:26May-2314-May-2312、故人江海别，几度隔山川。18:26:2118:26:2118:26Sunday,May 14,202313、乍见翻疑梦，相悲各问年。5月-235月-2318:26:2118

39、:26:21May 14,202314、他乡生白发，旧国见青山。14 五月 20236:26:21 下午18:26:215月-2315、比不了得就不比，得不到的就不要。五月 236:26 下午5月-2318:26May 14,202316、行动出成果，工作出财富。2023/5/14 18:26:2118:26:2114 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。6:26:21 下午6:26 下午18:26:215月-239、没有失败，只有暂时停止成功！。5月-235月-23Sunday,May 14,202310、很多事情努力了未必有结果，但是不努

40、力却什么改变也没有。18:26:2118:26:2118:265/14/2023 6:26:21 PM11、成功就是日复一日那一点点小小努力的积累。5月-2318:26:2218:26May-2314-May-2312、世间成事，不求其绝对圆满，留一份缺乏，可得无限完美。18:26:2218:26:2218:26Sunday,May 14,202313、不知香积寺，数里入云峰。5月-235月-2318:26:2218:26:22May 14,202314、意志坚强的人能把世界放在手中像泥块一样任意揉捏。14 五月 20236:26:22 下午18:26:225月-2315、楚塞三湘接，荆门九派

41、通。五月 236:26 下午5月-2318:26May 14,202316、少年十五二十时，步行夺得胡马骑。2023/5/14 18:26:2218:26:2214 May 202317、空山新雨后，天气晚来秋。6:26:22 下午6:26 下午18:26:225月-239、杨柳散和风，青山澹吾虑。5月-235月-23Sunday,May 14,202310、阅读一切好书如同和过去最杰出的人谈话。18:26:2218:26:2218:265/14/2023 6:26:22 PM11、越是没有本领的就越加自命非凡。5月-2318:26:2218:26May-2314-May-2312、越是无能的

42、人，越喜欢挑剔别人的错儿。18:26:2218:26:2218:26Sunday,May 14,202313、知人者智，自知者明。胜人者有力，自胜者强。5月-235月-2318:26:2218:26:22May 14,202314、意志坚强的人能把世界放在手中像泥块一样任意揉捏。14 五月 20236:26:22 下午18:26:225月-2315、最具挑战性的挑战莫过于提升自我。五月 236:26 下午5月-2318:26May 14,202316、业余生活要有意义，不要越轨。2023/5/14 18:26:2218:26:2214 May 202317、一个人即使已登上顶峰，也仍要自强不息。6:26:22 下午6:26 下午18:26:225月-23MOMODA POWERPOINTLorem ipsum dolor sit amet,consectetur adipiscing elit.Fusce id urna blandit,eleifend nulla ac,fringilla purus.Nulla iaculis tempor felis ut cursus.感 谢 您 的 下 载 观 看专家告诉演讲完毕，谢谢观看！