1 第五章設備管理 5 1I O系統(tǒng)5 2I O控制方式5 3緩沖管理5 4設備分配5 5設備處理5 6磁盤存儲器管理 E Mail lchxu QQ 531305157 2 引言 計算機系統(tǒng)的一個重要組成部分是I O系統(tǒng) 在該系統(tǒng)中包括有用于實現(xiàn)信息輸入 輸出和存儲功能的設備和相應的設備控制器 在有的大中型機中 還有I O通道或I O處理機 設備管理的主要對象是I O設備 還可能要涉及到設備控制器和I O通道 而設備管理的主要任務是完成用戶提出的I O請求 提高I O速率以及提高I O設備的利用率 設備管理的主要功能有 緩沖區(qū)管理 設備分配 設備處理 虛擬設備以及實現(xiàn)設備獨立性等 由于I O設備不僅種類繁多 而且它們的特點和操作方式往往相差甚大 這就使得設備管理成為操作系統(tǒng)最繁雜且與硬件最緊密相關的部分 3 5 1I O系統(tǒng) 顧名思義 I O系統(tǒng)是用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入 輸出及數(shù)據(jù)存儲的系統(tǒng) 在I O系統(tǒng)中 除了需要直接用于I O和存儲信息的設備外 還需要有相應的設備控制器和高速總線 在有的大 中型計算機系統(tǒng)中 還配置了I O通道或I O處理機 本節(jié)將介紹 一 I O設備二 設備控制器三 I O通道四 總線結構 4 一 I O設備 1 I O設備的類型2 設備與控制器之間的接口 5 1 I O設備的類型 I O設備的類型繁多 從OS觀點看 其重要的性能指標有 數(shù)據(jù)傳輸速率 數(shù)據(jù)的傳輸單位 設備共享屬性等 因而可以從不同角度對它們進行分類 1 按傳輸速率分類2 按信息交換的單位分類3 按設備的共享屬性分類 6 1 按傳輸速率分類 按傳輸速度的高低 可將I O設備分為三類 第一類是低速設備這是指其傳輸速率僅為每秒鐘幾個字節(jié)至數(shù)百個字節(jié)的一類設備 屬于低速設備的典型設備有鍵盤 鼠標器 語音的輸入和輸出等設備 第二類是中速設備這是指其傳輸速率在每秒鐘數(shù)千個字節(jié)至數(shù)萬個字節(jié)的一類設備 典型的中速設備有行式打印機 激光打印機等 第三類是高速設備這是指其傳輸速率在數(shù)百千個字節(jié)至數(shù)十兆字節(jié)的一類設備 典型的高速設備有磁帶機 磁盤機 光盤機等 7 2 按信息交換的單位分類 按信息交換的單位 可將I O設備分成兩類 第一類是塊設備 BlockDevice 這類設備用于存儲信息 由于信息的存取總是以數(shù)據(jù)塊為單位 故而得名 它屬于有結構設備 典型的塊設備是磁盤 每個盤塊的大小為512B 4KB 磁盤設備的基本特征是其傳輸速率較高 通常每秒鐘為幾兆位 另一特征是可尋址 即對它可隨機地讀 寫任一塊 此外 磁盤設備的I O常采用DMA方式 第二類是字符設備 CharacterDevice 用于數(shù)據(jù)的輸入和輸出 其基本單位是字符 故稱為字符設備 它屬于無結構類型 字符設備的種類繁多 如交互式終端 打印機等 字符設備的基本特征是其傳輸速率較低 通常為幾個字節(jié)至數(shù)千字節(jié) 另一特征是不可尋址 即輸入 輸出時不能指定數(shù)據(jù)的輸入源地址及輸出的目標地址 此外 字符設備在輸入 輸出時 通常采用終端驅動方式 8 3 按設備的共享屬性分類 這種分類方式可將I O設備分為如下三類 1 獨占設備 2 共享設備 3 虛擬設備 9 2 設備與控制器之間的接口 數(shù)據(jù)信號線控制信號線狀態(tài)信號線 10 二 設備控制器 設備控制器是計算機中的一個實體 其主要職責是控制一個或多個 同類 I O設備 以實現(xiàn)I O設備和計算機之間的數(shù)據(jù)交換 它是CPU和I O設備之間的接口 它接收從CPU發(fā)來的命令 并去控制I O設備工作 以使處理機從繁雜的設備控制事務中解脫出來 設備控制器是一個可編址的設備 當它僅控制一個設備時 它只有一個唯一的設備地址 若控制器可連接多個設備時 則應含有多個設備地址 并使每一個設備地址對應一個設備 設備控制器的復雜性因不同設備而異 相差甚大 于是可把設備控制器分成兩類 一類用于控制字符設備的控制器 一類用于控制塊設備的控制器 在微型機和小型機中的控制器 常做成印刷電路卡形式 因而也成接口卡 可將它插入計算機 插槽中 本小節(jié)介紹 1 設備控制器的基本功能2 設備控制器的組成 11 1 設備控制器的基本功能 1 接收和識別命令2 數(shù)據(jù)交換3 標識和報告設備的狀態(tài)4 地址識別5 數(shù)據(jù)緩沖6 差錯控制 12 2 設備控制器的組成 1 設備控制器與處理機的接口2 設備控制器與設備的接口3 I O邏輯 13 三 I O通道 1 I O通道 I OChannel 設備的引入2 通道類型3 瓶頸 問題 14 1 I O通道 I OChannel 設備的引入 設備控制器雖然已大大減少CPU對I O設備的干預 但當主機所配置的外設很多是 CPU的負擔仍然很重 為此 在CPU和設備控制器之間有增設了通道 其主要目的是為了建立獨立的I O操作 不僅是數(shù)據(jù)的傳輸能獨立于CPU 而且也希望有關對I O操作的組織 管理及其結束處理也盡量獨立 以保證CPU有更多的時間去進行數(shù)據(jù)處理 或者說其目的是使一些原來由CPU處理的I O任務轉由通道來承擔 從而把CPU從繁雜的I O任務中解脫出來 在設置了通道后 CPU只需要向通道發(fā)送一條I O指令 通道在接收到該指令后 便從內存中取出本次要執(zhí)行的通道程序 然后執(zhí)行該通道程序 僅當通道完成了規(guī)定的I O任務后 才向CPU發(fā)中斷信號 實際上 I O通道是一種特殊的處理機 它具有執(zhí)行I O指令的能力 并通過執(zhí)行通道 I O 程序來控制I O操作 但I O通道又與一般的處理機不同 主要表現(xiàn)在以下兩個方面 一是其指令類型單一 這是由于通道硬件比較簡單 其所能執(zhí)行的命令 主要局限于與I O操作有關的指令 再就是通道沒有自己的內存 通道所執(zhí)行的通道程序是放在主機的內存中的 換言之 是通道與CPU共享內存 15 2 通道類型 1 字節(jié)多路通道 ByteMultiplexorChannel 2 數(shù)組選擇通道 BlockSelectorChannel 3 數(shù)組多路通道 BlockMultiplexorChannel 16 1 字節(jié)多路通道 17 2 數(shù)組選擇通道 字節(jié)多路通道不適于連接高速設備 這推動了按數(shù)組方式進行數(shù)據(jù)傳送的數(shù)組選擇通道的形成 這種通道雖然可以連接多臺高速設備 但由于它只含有一個分配型子通道 在一段時間內只能執(zhí)行一道通道程序 控制一臺設備進行數(shù)據(jù)傳送 致使當某臺設備占用了該通道后 便一直由它獨占 即使是它無數(shù)據(jù)傳送 通道被閑置 也不允許其它設備使用該通道 直至該設備傳送完畢釋放該通道 可見 這種通道的利用率很低 18 3 數(shù)組多路通道 數(shù)組選擇通道雖有很高的傳輸速率 但它卻每次只允許一個設備傳輸數(shù)據(jù) 數(shù)組多路通道是將數(shù)組選擇通道傳輸速率高和字節(jié)多路通道能使各子通道 設備 分時并行操作的優(yōu)點相結合而形成的一種新通道 它含有多個非分配型子通道 因而這種通道既具有很高的數(shù)據(jù)傳輸速率 又能獲得令人滿意的通道利用率 也正因此 才使該通道能被廣泛地用于連接多臺高 中速的外圍設備 其數(shù)據(jù)傳送是按數(shù)組方式進行的 19 3 瓶頸 問題 20 四 總線結構 總線型I O系統(tǒng)結構中 系統(tǒng)各部件如CPU 存儲器及各種I O設備之間是通過總線實現(xiàn)聯(lián)系的 總線的性能是用總線的時鐘頻率 帶寬和相應的總線傳輸速率來衡量的 總線隨著要求的不斷提高從早期的ISA總線發(fā)展到EISA VESA 直到當今廣為流行的PCI總線 21 1 ISA和EISA總線 1 ISA IndustryStandardArchitecture 總線 這是為了1984年推出的80286型微機而設計的總線結構 其總線的帶寬為8位 最高傳輸速率為2Mb s 之后不久又推出了16位的 EISA 總線 其最高傳輸速率為8Mb s 后又升至16Mb s 能連接12臺設備 2 EISA ExtendedISA 總線 到80年代末期 ISA總線已難于滿足帶寬和傳輸速率的要求 于是人們又開發(fā)出擴展ISA EISA 總線 其帶寬為32位 總線的傳輸速率高達32Mb s 同樣可以連接12臺外部設備 22 2 局部總線 LocalBus 1 VESA VideoElectronicStandardAssociation 總線2 PCI PeripheralComponentInterface 總線 23 5 2I O控制方式 一 程序I O方式二 中斷驅動I O控制方式三 直接存儲器訪問DMAI O控制方式四 I O通道控制方式 24 一 程序I O方式 早期的計算機系統(tǒng)中 由于無中斷機構 處理及對I O設備的控制采取程序I O方式 或稱為 忙 等待 方式 在程序I O方式中 由于CPU的高速性和I O設備的低速性 致使CPU的絕大部分時間都處于等待I O設備完成數(shù)據(jù)I O的循環(huán)測試中 造成對CPU的極大浪費 在該方式中 CPU之所以要不斷地測試I O設備的狀態(tài) 就是因為在CPU中無中斷機構 使I O設備無法向CPU報告它已完成了一個字符的輸入操作 25 二 中斷驅動I O控制方式 在I O設備輸入每個數(shù)據(jù)的過程中 由于無須CPU干預 因而可使CPU與I O設備并行工作 僅當輸完一個數(shù)據(jù)時 才需CPU花費極短的時間去做些中斷處理 可見 這樣可使CPU和I O設備都處于忙碌狀態(tài) 從而提高了整個系統(tǒng)的資源利用率及吞吐量 例如 從終端輸入一個字符的時間約為100ms 而將字符送入終端緩沖區(qū)的時間小于0 1ms 若采用程序I O方式 CPU約有99 9ms的時間處于忙 等待中 采用中斷驅動方式后 CPU可利用這99 9ms的時間去做其它事情 而僅用0 1ms的時間來處理由控制器發(fā)來的中斷請求 可見 中斷驅動方式可以成百倍地提高CPU的利用率 26 三 直接存儲器訪問DMAI O控制方式 1 DMA DirectMemoryAccess 控制方式的引入2 DMA控制器的組成3 DMA工作過程 27 1 DMA控制方式的引入 雖然中斷驅動I O方式比程序I O方式更有效 但CPU是以字 節(jié) 為單位進行干預的 該方式用于塊設備的I O顯然是低效的 該方式的特點是 數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕締挝皇菙?shù)據(jù)塊 即在CPU與I O設備之間 每次傳送至少一個數(shù)據(jù)塊 所傳送的數(shù)據(jù)是從設備直接送入內存的 或者相反 僅在傳送一個或多個數(shù)據(jù)塊的開始和結束時 才需CPU干預 整塊數(shù)據(jù)的傳送是在控制器的控制下完成的 可見 DMA方式較之中斷驅動方式 又是成百倍地減少了CPU對I O的干預 進一步提高了CPU與I O設備的并行操作程度 28 2 DMA控制器的組成 為了實現(xiàn)在主機與控制器之間成塊數(shù)據(jù)的直接交換 必須在DMA控制器中設置如下四類寄存器 1 命令 狀態(tài)寄存器CR 用于接收從CPU發(fā)來的I O命令或有關控制信息 或設備的狀態(tài) 2 內存地址寄存器MAR 在輸入時 它存放把數(shù)據(jù)從設備傳送到內存的起始目標地址 在輸出時 它存放由內存到設備的內存源地址 3 數(shù)據(jù)寄存器DR 用于暫存從設備到內存 或從內存到設備的數(shù)據(jù) 4 數(shù)據(jù)計數(shù)器DC 存放本次CPU要讀或寫的字 節(jié) 數(shù) 29 3 DMA工作過程 30 四 I O通道控制方式 1 I O通道控制方式的引入2 通道程序 31 1 I O通道控制方式的引入 雖然DMA方式比中斷方式已經(jīng)顯著減少了CPU的干預 但CPU每次發(fā)出一條I O指令也只能讀 寫一個數(shù)據(jù)塊 I O通道方式是DMA方式的發(fā)展 它可進一步減少CPU的干預 即把對一個數(shù)據(jù)塊的讀 或寫 為單位的干預 減少為對一組數(shù)據(jù)塊的讀 或寫 及有關的控制和管理為單位的干預 同時 又可實現(xiàn)CPU 通道和I O設備三者的并行操作 從而更有效地提高整個系統(tǒng)的資源利用率 例如 當CPU要完成一組相關的讀 或寫 操作及有關控制時 只需向I O通道發(fā)送一條I O指令 以給出其所要執(zhí)行的通道程序的首址和要訪問的I O設備 通道接到該指令后 通過執(zhí)行通道程序便可完成CPU指定的I O任務 32 2 通道程序 通道是通過能夠執(zhí)行通道程序 并與設備控制器共同完成對I O設備的控制的 通道程序是由一系列通道指令 或稱為通道命令 所構成的 每條通道指令包含 1 操作碼2 內存地址3 計數(shù)4 通道程序結束位P5 記錄結束標志R右表是一個六條通道指令構成的簡單通道程序 33 5 3緩沖管理 一 緩沖的引入二 單緩沖和雙緩沖三 循環(huán)緩沖四 緩沖池 BufferPool 34 一 緩沖的引入 1 緩和CPU與I O設備間速度不匹配的矛盾 2 減少對CPU的中斷頻率 放寬對CPU中斷響應時間的限制 3 提高CPU和I O設備之間的并行性 35 二 單緩沖和雙緩沖 1 單緩沖2 雙緩沖 36 1 單緩沖 37 2 雙緩沖 雙緩沖工作原理 雙機通信時緩沖區(qū)的設置 38 三 循環(huán)緩沖 1 循環(huán)緩沖的組成2 循環(huán)緩沖區(qū)的使用3 進程同步 39 1 循環(huán)緩沖的組成 40 2 循環(huán)緩沖區(qū)的使用 1 Getbuf過程2 Releasebuf過程 41 3 進程同步 1 Nexti指針追趕上Nextg指針2 Nextg指針追趕上Nexti指針 42 四 緩沖池 BufferPool 1 緩沖池的組成2 Getbuf過程和Putbuf過程3 緩沖區(qū)的工作方式 43 1 緩沖池的組成 對于既可用于輸入又可用于輸出的公用緩沖池 其中至少應含有以下三種類型的緩沖區(qū) 空 閑 緩沖區(qū) 裝滿輸入數(shù)據(jù)的緩沖區(qū) 裝滿輸出數(shù)據(jù)的緩沖區(qū) 為了管理上的方便 可將相同類型的緩沖區(qū)鏈成一個隊列 于是可形成以下三個隊列 1 空緩沖隊列emq2 輸入隊列inq3 輸出隊列outq 44 2 Getbuf過程和Putbuf過程 ProcedureGetbuf type beginWait RS type Wait MS type B number KG 3 Takebuf type Signal MS type endProcedurePutbuf type number beginWait MS type Addbuf type number Signal MS type Signal RS type end 45 3 緩沖區(qū)的工作方式 46 5 4設備分配 一 設備分配中的數(shù)據(jù)結構二 設備分配時應考慮的因素三 設備獨立性四 獨占設備的分配程序五 SPOOLing技術 47 一 設備分配中的數(shù)據(jù)結構 1 設備控制表DCT2 控制器控制表 通道控制表和系統(tǒng)設備表 48 二 設備分配時應考慮的因素 1 設備的固有屬性2 設備分配算法3 設備分配中的安全性 49 1 設備的固有屬性 1 獨享設備2 共享設備3 虛擬設備 50 2 設備分配算法 1 先來先服務2 優(yōu)先級高者優(yōu)先 51 3 設備分配中的安全性 1 安全分配方式2 不安全分配方式 52 三 設備獨立性 1 設備獨立性 DeviceIndependence 的概念2 設備獨立性軟件3 邏輯設備名到物理設備名映射的實現(xiàn) 53 1 設備獨立性的概念 為了提高OS的可適應性和可擴展性 在現(xiàn)代OS中都毫無例外地實現(xiàn)了設備獨立性 也稱為設備無關性 其基本含義是 應用程序獨立于具體使用的物理設備 為了實現(xiàn)設備獨立性而引入了邏輯設備和物理設備這兩個概念 在應用程序中 使用邏輯設備名稱來請求使用某類設備 而系統(tǒng)在實際執(zhí)行時 還必須使用物理設備名稱 因此 系統(tǒng)須具有將邏輯設備名稱轉換為某物理設備名稱的功能 這非常類似于存儲器管理中所介紹的邏輯地址和物理地址的概念 在實現(xiàn)了設備獨立性的功能后 可帶來以下兩方面的好處 1 設備分配時的靈活性2 易于實現(xiàn)I O重定向 54 2 設備獨立性軟件 1 執(zhí)行所有設備的公有操作 這些公有操作包括 對獨立設備的分配與回收 將邏輯設備名映射為物理設備名 進一步可以找到相應物理設備的驅動程序 對設備進行保護 禁止用戶直接訪問設備 緩沖管理 即對字符設備和塊設備的緩沖區(qū)進行有效的管理 以提高I O的效率 差錯控制 由于在I O操作中的絕大多數(shù)錯誤都與設備無關 故主要由設備驅動程序處理 而設備獨立性軟件只處理那些設備驅動程序無法處理的錯誤 2 向用戶層 或文件層 軟件提供統(tǒng)一接口 無論何種設備 它們向用戶所提供的接口應該是相同的 例如 對各種設備的讀操作 在應用程序中都使用read 而對各種設備的寫操作 也都使用write 55 3 邏輯設備名到物理設備名映射的實現(xiàn) 1 邏輯設備表2 LUT的設置問題 56 四 獨占設備的分配程序 1 基本的設備分配程序1 分配設備2 分配控制器3 分配通道2 設備分配程序的改進1 增加設備的獨立性2 考慮多通路情況 57 五 SPOOLing技術 1 什么是SPOOLing2 SPOOLing系統(tǒng)的組成3 共享打印機4 SPOOLing系統(tǒng)的特點 58 1 什么是SPOOLing 為了緩和CPU的高速性與I O設備低速性間的矛盾而引入了脫機輸入 脫機輸出技術 該技術是利用專門的外圍控制機 將低速I O設備上的數(shù)據(jù)傳送到高速磁盤上 或者相反 事實上 當系統(tǒng)中引入了多道程序技術后 完全可以利用其中的一道程序 來模擬脫機輸入時的外圍控制機功能 把低速I O設備上的數(shù)據(jù)傳送到高速磁盤上 再用另一道程序來模擬脫機輸出時外圍控制機的功能 把數(shù)據(jù)從磁盤傳送到低速輸出設備上 這樣 便可在主機的直接控制下 實現(xiàn)脫機輸入 輸出功能 此時的外圍操作與CPU對數(shù)據(jù)的處理同時進行 我們把這種在聯(lián)機情況下實現(xiàn)的同時外圍操作稱為SPOOLing SimultaneausPeriphernalOperatingOn Line 或稱為假脫機操作 59 2 SPOOLing系統(tǒng)的組成 60 3 共享打印機 共享打印機技術已被廣泛地用于多用戶系統(tǒng)和局域網(wǎng)絡中 當用戶進程請求打印輸出時 SPOOLing系統(tǒng)同意為它打印輸出 但并不真正立即把打印機分配給該用戶進程 而只為它做兩件事 由輸出進程在輸出井中為之申請一個空閑磁盤塊區(qū) 并將要打印的數(shù)據(jù)送入其中 輸出進程再為用戶進程申請一張空白的用戶請求打印表 并將用戶的打印要求填入其中 再將該表掛到請求打印隊列上 61 4 SPOOLing系統(tǒng)的特點 1 提高了I O的速度2 將獨占設備改造為共享設備3 實現(xiàn)了虛擬設備功能 62 5 5設備處理 一 設備驅動程序的功能和特點二 設備驅動程序的處理過程三 中斷處理程序的處理過程 63 一 設備驅動程序的功能和特點 1 設備驅動程序的功能2 設備處理方式3 設備驅動程序的特點 64 1 設備驅動程序的功能 1 接收由I O進程發(fā)來的命令和參數(shù) 并將命令中的抽象要求轉換為具體要求 例如 將磁盤塊號轉換為磁盤的盤面 磁道號及扇區(qū)號 2 檢查用戶I O請求的合法性 了解I O設備的狀態(tài) 傳遞有關參數(shù) 設置設備的工作方式 3 發(fā)出I O命令 如果設備空閑 便立即啟動I O設備去完成指定的I O操作 如果設備處于忙碌狀態(tài) 則將請求者的請求塊掛在設備隊列上等待 4 及時響應由控制器或通道發(fā)來的中斷請求 并根據(jù)其中斷類型調用相應的中斷處理程序進行處理 5 對于設置有通道的計算機系統(tǒng) 驅動程序還應能夠根據(jù)用戶的I O請求 自動地構成通道程序 65 2 設備處理方式 1 為每一類設備設置一個進程 專門用于執(zhí)行這類設備的I O操作 2 在整個系統(tǒng)中設置一個I O進程 專門用于執(zhí)行系統(tǒng)中所有各類設備的I O操作 3 不設置專門的設備處理進程 而只為各類設備設置相應的設備處理程序 模塊 供用戶進程或系統(tǒng)進程調用 66 3 設備驅動程序的特點 1 驅動程序主要是指在請求I O的進程與設備控制器之間的一個通信和轉換程序 2 驅動程序與設備控制器和I O設備的硬件特性緊密相關 因而對不同類型的設備應配置不同的驅動程序 3 驅動程序與I O設備所采用的I O控制方式緊密相關 4 由于驅動程序與硬件緊密相關 因而其中的一部分必須用匯編語言書寫 67 二 設備驅動程序的處理過程 1 將抽象要求轉換為具體要求2 檢查I O請求的合法性3 讀出和檢查設備的狀態(tài)4 傳送必要的參數(shù)5 工作方式的設置6 啟動I O設備 68 三 中斷處理程序的處理過程 1 喚醒被阻塞的驅動程序進程2 保護被中斷進程的CPU現(xiàn)場3 分析中斷原因 轉入相應的設備中斷處理程序4 進行中斷處理5 恢復被中斷進程的現(xiàn)場 69 5 6磁盤存儲器管理 一 磁盤性能簡述二 磁盤調度三 磁盤高速緩存四 提高磁盤I O速度的其他方法五 廉價磁盤冗余陣列 70 一 磁盤性能簡述 1 數(shù)據(jù)的組織和格式2 磁盤的類型3 磁盤訪問時間 71 1 數(shù)據(jù)的組織和格式 72 2 磁盤的類型 1 固定頭磁盤 這種磁盤在每條磁道上都有一讀 寫磁頭 所有的磁頭都被裝在一剛性磁臂中 通過這些磁頭可訪問所有各磁道 并進行并行讀 寫 有效地提高了磁盤的I O速度 這種結構的磁盤主要用于大容量磁盤上 2 移動頭磁盤 每一個盤面僅配有一個磁頭 也被裝入磁臂中 為能訪問該盤面上的所有磁道 該磁頭必須能移動以進行尋道 可見 移動磁頭僅能以串行方式讀 寫 致使其I O速度較慢 但由于其結構簡單 故仍廣泛應用于中小型磁盤設備中 73 3 磁盤訪問時間 1 尋道時間Ts 這是指把磁臂 磁頭 移動到指定磁道上所經(jīng)歷的時間 該時間是啟動磁臂的時間s與磁頭移動n條磁道所花費的時間之和 即Ts m n s其中 m是一常數(shù) 與磁盤驅動器的速度有關 對一般磁盤 m 0 2 對高速磁盤 m 0 1 磁臂的啟動時間約為2ms 這樣 對一般的溫盤 其尋道時間將隨尋道距離的增加而增大 大體上是5 30ms 2 旋轉延遲時間T 這是指定扇區(qū)移動到磁頭下面所經(jīng)歷的時間 對于硬盤 典型的旋轉速度大多為5400r min 每轉需時11 1ms 平均旋轉延遲時間T 為5 55ms 對于軟盤 其旋轉速度為300r min或600r min 這樣 平均T 為50 100ms 3 傳輸時間Tt 這是指把數(shù)據(jù)從磁盤讀出或向磁盤寫入數(shù)據(jù)所經(jīng)歷的時間 Tt的大小與每次所讀 寫的字節(jié)數(shù)b和旋轉速度有關 Tt b rN 其中 r為磁盤每秒鐘的轉數(shù) N為一條磁道上的字節(jié)數(shù) 當一次讀 寫的字節(jié)數(shù)相當于半條磁道上的字節(jié)數(shù)時 Tt與T 相同 因此 可將訪問時間Ta表示為 Ta Ts 1 2r b rN 74 二 磁盤調度 1 先來先服務FCFS First Come FirstServed 2 最短尋道時間優(yōu)先SSTF ShortestSeekTimeFirst 3 掃描 SCAN 算法4 循環(huán)掃描 CSCAN 算法5 N Step SCAN和FSCAN調度算法 75 1 先來先服務FCFS 76 2 最短尋道時間優(yōu)先SSTF 77 3 掃描 SCAN 算法 1 進程 饑餓 現(xiàn)象 SSTF算法雖然能獲得較好的尋道性能 但卻可能導致某個進程發(fā)生 饑餓 Starvation 現(xiàn)象 因為只要不斷有新進程的請求到達 且其所要訪問的磁道與磁頭當前所在磁道的距離較近 這種新進程的I O請求必須優(yōu)先滿足 對SSTF算法略加修改后所形成的SCAN算法 即可防止老進程出現(xiàn) 饑餓 現(xiàn)象 2 SCAN算法 78 4 循環(huán)掃描 CSCAN 算法 79 5 N Step SCAN和FSCAN調度算法 1 N Step SCAN算法 在SSTF SCAN及CSCAN幾種調度算法中 都可能出現(xiàn)磁臂停留在某處不動的情況 例如 有一個或幾個進程對某一磁道有較高的訪問頻率 即這個 些 進程反復請求對某一磁道的I O操作 從而壟斷了整個磁盤設備 我們把這一現(xiàn)象稱為 磁臂粘著 Armstickiness 在高密度磁盤上容易出現(xiàn)此情況 N步SCAN算法是將磁盤請求隊列分成若干個長度為N的子隊列 磁盤調度將按FCFS算法依次處理這些子隊列 而每處理一個隊列時又是按SCAN算法 對一個隊列處理完后 再處理其他隊列 當正在處理某子隊列時 如果又出現(xiàn)新的磁盤I O請求 便將新請求進程放入其他隊列 這樣就可避免出現(xiàn)粘著現(xiàn)象 當N值取得很大時 會使N步掃描法的性能接近于SCAN算法的性能 當N 1時 N步SCAN算法便蛻化為FCFS算法 2 FSCAN算法 FSCAN算法實質上是N步SCAN算法的簡化 即FSCAN只將磁盤請求隊列分成兩個子隊列 一個是由當前所有請求磁盤I O的進程形成的隊列 由磁盤調度按SCAN算法進行處理 在掃描期間 將新出現(xiàn)的所有請求磁盤I O的進程 放入另一個等待處理的請求隊列 這樣 所有的新請求都將被推遲到下一次掃描時處理 80 三 磁盤高速緩存 1 磁盤高速緩存的形式2 數(shù)據(jù)交付方式3 置換算法4 周期性地寫回磁盤 81 1 磁盤高速緩存的形式 這里所說的磁盤高速緩存 是指利用內存中的存儲空間 來暫存從磁盤中讀出的一系列盤塊中的信息 因此 這里的高速緩存是一組在邏輯上屬于磁盤 而物理上是駐留在內存中的盤塊 高速緩存在內存中可分成兩種形式 第一種是在內存中開辟一個單獨的存儲空間來作為磁盤高速緩存 其大小是固定的 不會受應用程序多少的影響 第二種是把所有未利用的內存空間變?yōu)橐粋€緩沖池 供請求分頁系統(tǒng)和磁盤I O時 作為磁盤高速緩存 共享 此時高速緩存的大小 顯然不再是固定的 當磁盤I O的頻繁程度較高時 該緩沖池可能包含更多的內存空間 而在應用程序運行得較多時 該緩沖池可能只剩下較少的內存空間 82 2 數(shù)據(jù)交付方式 系統(tǒng)可以采取兩種方式 將數(shù)據(jù)交付給請求進程 1 數(shù)據(jù)交付 這是直接將高速緩存中的數(shù)據(jù) 傳送到請求者進程的內存工作區(qū)中 2 指針交付 只將指向高速緩存中某區(qū)域的指針 交付給請求者進程 后一種方式由于所傳送的數(shù)據(jù)量少 因而節(jié)省了數(shù)據(jù)從磁盤高速緩存存儲空間到進程的內存工作區(qū)的時 83 3 置換算法 由于請求調頁中的聯(lián)想存儲器與高速緩存 磁盤I O中 的工作情況不同 因而使得在置換算法中所應考慮的問題也有所差異 因此 現(xiàn)在不少系統(tǒng)在設計其高速緩存的置換算法時 除了考慮到最近最久未使用這一原則外 還考慮了以下幾點 1 訪問頻率2 可預見性3 數(shù)據(jù)的一致性 84 4 周期性地寫回磁盤 在UNIX系統(tǒng)中專門增設了一個修改 update 程序 使之在后臺運行 該程序周期性地調用一個系統(tǒng)調用SYNC 該調用的主要功能是強制性地將所有在高速緩存中已修改的盤塊數(shù)據(jù)寫回磁盤 一般是把兩次調用SYNC的時間間隔定為30s 這樣 因系統(tǒng)故障所造成的工作損失不會超過30s的勞動量 而在MS DOS中所采用的方法是 只要高速緩存中的某盤塊數(shù)據(jù)被修改 便立即將它寫回磁盤 并將這種高速緩存稱為 寫穿透 高速緩存 write throughcache MS DOS所采用的寫回方式 幾乎不會造成數(shù)據(jù)的丟失 但須頻繁地啟動磁盤 85 四 提高磁盤I O速度的其他方法 1 提前讀 Read Ahead 2 延遲寫3 優(yōu)化物理塊的分布4 虛擬盤5 優(yōu)化數(shù)據(jù)的分布1 優(yōu)化物理塊的分布2 優(yōu)化索引節(jié)點的分布 86 五 廉價磁盤冗余陣列 1 并行交叉存取2 RAID的分級3 RAID的優(yōu)點 87 1 并行交叉存取 88 2 RAID的分級 1 RAID0級2 RAID1級3 RAID3級4 RAID5級5 RAID6級和RAID7級 89 3 RAID的優(yōu)點 1 可靠性高2 磁盤I O速度高3 性能 價格比高 90 本章小結 習題 5 1 5 9 5 18 5 26