操作系統(tǒng)孫曉那第六章設(shè)備管理

1、操作系統(tǒng)教師：孫曉娜郵箱：第六章 設(shè)備管理6.1 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)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，為申請設(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)備映射 為了提高應(yīng)用軟件對運行平臺的適應(yīng)能力，方便實現(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)性或設(shè)備獨立性 設(shè)備無關(guān)性：應(yīng)用軟件所引用的，用于實際i/o操作的設(shè)備與物理i/o系統(tǒng)中實際安裝的設(shè)備沒有固定的聯(lián)系。設(shè)備映射 邏輯設(shè)

2、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際i/o操作的設(shè)備 物理設(shè)備則指，物理i/o系統(tǒng)中實際安裝的設(shè)備 從應(yīng)用軟件的角度，邏輯設(shè)備上一類物理設(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)備與實際安裝的物理設(shè)備沒有固定的聯(lián)系 事實上，在應(yīng)用軟件運行期間，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)換成對相關(guān)物理設(shè)備的引用 設(shè)備管理的這種功能成為邏輯設(shè)備到物理設(shè)備的映射功能，簡稱為設(shè)備映射功能設(shè)備驅(qū)動 又稱為設(shè)備處理，指對物理設(shè)備進(jìn)行控制，以實現(xiàn)真正的i/o操作 設(shè)備驅(qū)動的主要

3、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，某些硬件無法再某種操作系統(tǒng)中使用，原因很可能就是沒有專門或通用的設(shè)備驅(qū)動程序，或者設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)計有問題，使得設(shè)備無法正常工作。i/o緩沖區(qū)的管理功能 為了緩和處理機和外部設(shè)備間速度不匹配的矛盾

4、，提高處理機和外部設(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)備管理的分層模型 將設(shè)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，該層也可視為虛擬存儲系統(tǒng)，文件系統(tǒng)或通信系統(tǒng)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)

5、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)的內(nèi)部看，該層主要實現(xiàn)設(shè)備驅(qū)動的功能，毫無疑問，該層與設(shè)備硬件密切相關(guān)。支持中斷的設(shè)備管理模型設(shè)備硬件用戶進(jìn)程iocs資源等待隊列i/o等待隊列設(shè)備驅(qū)動程序啟動過程|繼續(xù)過程設(shè)備中斷內(nèi)核中斷管理模塊用戶進(jìn)程設(shè)備無關(guān)層設(shè)備相關(guān)層硬件6.2 計算機i/o子系統(tǒng)的組成 總線型i/o系統(tǒng)的結(jié)果i/o設(shè)備i/o設(shè)備i/o設(shè)備i/o設(shè)備處理機內(nèi)存通道型i/o系統(tǒng)i/o通道i/o通道i/o通道處理機內(nèi)存i/o設(shè)備i/o設(shè)備i/o設(shè)備i/o設(shè)備i/o設(shè)備具有控制器的i/o系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 傳統(tǒng)的設(shè)備=機械部分+電子部

6、分 電子部分在系統(tǒng)的控制下驅(qū)動機械部分運轉(zhuǎn)，完成i/o操作 由于設(shè)備中電子部分比機械部分的速度快得多，為了減低硬件成本，將電子部分從設(shè)備中分離出來作為一個獨立的部件，這就是控制器 分離之后的設(shè)備僅由機械部分構(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關(guān)聯(lián)的設(shè)備，例如，磁盤控制器可以控制多個磁盤驅(qū)動器i/o通道i/o通道處理機內(nèi)存i/o設(shè)備i/o設(shè)備i/o設(shè)備i/o設(shè)備i/o設(shè)備控制器控制器控制器控制器i/o設(shè)備設(shè)備的控制-設(shè)備的尋址與操作 從處理機的角度看，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 為了使

7、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)存物理單元統(tǒng)一編址（2）獨立于內(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 隨著外部各種類型增加，設(shè)備間極可能可能發(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算機硬件知識，并對系統(tǒng)配置的硬件有較全面的了解 顧名思義是指，插上了就可以使用，不需要用戶進(jìn)行其他設(shè)置 “即插即用”

8、技術(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 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/撥出）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)動的程序 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

9、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)分層的觀點來講，設(shè)備驅(qū)動程序可以說操作系統(tǒng)的一部分，也可以被認(rèn)為硬件設(shè)備的一部分。i/ok控制方式-程序i/o方式在早期的計算機系統(tǒng)中，由于沒有中斷裝置，處理機對于i/o設(shè)備的控制采取程序i/o方式也稱忙等方式或循環(huán)測試方式對于讀操作，這種方式的基本工作過程為：1.處理機向設(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12.處理機不斷地循環(huán)測試忙標(biāo)志，直到忙標(biāo)志變?yōu)?3.處理機通過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4.若數(shù)據(jù)已讀完，則結(jié)束本過程，否則轉(zhuǎn)（1），繼續(xù)讀下一個數(shù)據(jù)在程序

10、i/o方式中，由于處理機的速度非?？?，而設(shè)備的速度相對較慢，使得處理機的絕大部分時間都處于等待設(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。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：1.處理機向設(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)2.處理機完成其他工作，設(shè)備準(zhǔn)備數(shù)據(jù)3.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，向處理機發(fā)中斷信號，告知數(shù)據(jù)已準(zhǔn)備好4.處理機響應(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5.若數(shù)據(jù)已讀完，結(jié)束，否則，轉(zhuǎn)（1）繼續(xù)中斷方法控制i/o的優(yōu)點在于，設(shè)備與處理機并行，提高了處理機的利用率，性能優(yōu)于程序控

11、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/字節(jié)的傳輸，設(shè)備均要向cpu請求一次中斷 對于使用設(shè)備而言，這種方式的效率還是顯得有些低下，因為，頻繁的，大量的中斷所積累的開銷很大 為了進(jìn)一步減少處理機對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方式的特點 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對處理機的占用，進(jìn)一步提高了處理機的利用率

12、，提高了處理機和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，專門用于處理i/o操作，通道有自己的運控部件和指令系統(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，可以說事先編制好的程序段，頁可以動態(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 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），才向處理機發(fā)出一次中斷 通道不僅可以傳送數(shù)據(jù)，更重要的是

13、它還完成對設(shè)備的控制，中通道的協(xié)助下，主機只需要發(fā)出一個啟動通道，執(zhí)行通道程序的指令即可，主機僅與通道直接通信，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，從而大大減輕量主機的負(fù)擔(dān)。6.3 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、掃描儀、打印機、繪圖儀、數(shù)碼相機等 存儲型設(shè)備：磁帶機、磁盤機等，可用作輸入，也可以用在輸出，主要用于長期保存信息，

14、但需要管理其上的存儲空間 可以在存儲設(shè)備上可以建立文件系統(tǒng)，有組織，有結(jié)構(gòu)地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)備由于若干長度相同的塊構(gòu)成 一塊的長度通常是2n 個字節(jié)，如256b，512b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)獨占型vs共享型設(shè)備 獨占型設(shè)備包括所有的字符型設(shè)備及磁帶機 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)備包括除磁帶機以為的

15、所有塊型設(shè)備 i/o傳輸單元：塊 宏觀上，一個共享型設(shè)備可以被多個進(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6.4 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，占用進(jìn)程，等待進(jìn)程等 具體實現(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之不同的系統(tǒng)中會有所不同設(shè)備控制塊ucb 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)） 占用設(shè)備的進(jìn)程 設(shè)備等待隊列（指向等待設(shè)備的等待隊列） 通路等待隊列（使用設(shè)備時需要申請相應(yīng)的通道）

16、控制器控制塊cucb 控制器標(biāo)識 控制器狀態(tài) 相連的通道 相連的設(shè)備 占用控制器的進(jìn)程通道控制塊ccb 通道標(biāo)識 通道狀態(tài) 相連的控制器 占用通道的進(jìn)程設(shè)備無關(guān)性 為了實現(xiàn)設(shè)備的無關(guān)性，操作系統(tǒng)要求進(jìn)程申請設(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 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和進(jìn)程的不必要等

17、待 程序與設(shè)備無關(guān)，假設(shè)申請者指定具體設(shè)備，而被指定的設(shè)備已損壞或未聯(lián)機，則要么程序無法正常的工作，要么修改程序系統(tǒng)設(shè)備表sdt 根據(jù)上述實現(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)備等待隊列以及ucb表的起始地址登記證另一個表中，該表通常稱作系統(tǒng)設(shè)備表sdt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)備請求隊列，設(shè)備分配程序總是把設(shè)備分配給隊首的進(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)備等待隊列的前面，對于優(yōu)先級相同的進(jìn)程，則按先來先服務(wù)的原則進(jìn)行排隊，設(shè)備分配程序總是把設(shè)備

18、分配給排在隊首的進(jìn)程獨占型設(shè)備的分配 進(jìn)程使用獨占設(shè)備的過程：申請、使用、釋放 進(jìn)程申請設(shè)備 系統(tǒng)分配設(shè)備 進(jìn)程發(fā)送使用命令 系統(tǒng)將轉(zhuǎn)到設(shè)備驅(qū)動模塊完成一次i/o傳輸 進(jìn)程釋放設(shè)備 系統(tǒng)回收設(shè)備 進(jìn)程回收設(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，以實現(xiàn)一次基本i/o傳輸期間的排他性，保證操作的正常進(jìn)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)。6.5

19、 i/o緩沖技術(shù)緩沖技術(shù)的引入 緩解處理機與設(shè)備間速度比匹配的矛盾 實現(xiàn)設(shè)備 與處理機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

20、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，對處理機透明，不需要處理機的直接管理，不影響系統(tǒng)性能 軟件實現(xiàn)的緩沖區(qū)是內(nèi)存空間的一部分，其目的是為了彌補硬件緩沖區(qū)的不足。因為并非所有外設(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)存為進(jìn)程對某個設(shè)備的i/o訪問分配一個緩沖區(qū)，如同外部設(shè)備操作系統(tǒng)緩沖區(qū)用戶進(jìn)程 假定，一塊數(shù)據(jù)從

21、外部設(shè)備輸入到內(nèi)存所花費的時間為t，中內(nèi)存中移動所花費的時間為m，被用戶進(jìn)程加工處理花費的時間為c，那么 中沒有使用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 中使用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max（t,c）+m 相對于沒有i/o緩沖區(qū)的情況，單i/o緩沖區(qū)能提高用戶進(jìn)程的運行效率 如果用戶進(jìn)程中對有關(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)程的性能雙緩沖 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)

22、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)以后，前述的平均工作時間近似為：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)程不會再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)量以及改善系統(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)形隊列，故稱為循環(huán)緩沖 實質(zhì)上，雙緩沖可以看作是循環(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)程和計算進(jìn)程，屬于專用緩沖 當(dāng)

23、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，采用采用公共緩沖池技術(shù)，其實的緩沖區(qū)可為多個設(shè)備和進(jìn)程服務(wù) 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，而太小的緩沖區(qū)則會增加系統(tǒng)管理開銷 緩沖池中的緩沖區(qū)通常組織成鏈表結(jié)構(gòu) 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

24、直接對緩沖區(qū)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6.6 虛擬設(shè)備虛擬設(shè)備的引入 獨占型設(shè)備的速度一般比較慢，進(jìn)程需要長時間等待i/o傳輸完成，影響進(jìn)程的推進(jìn)速度 進(jìn)程中占用設(shè)備起家不一定一直使用此設(shè)備，而其他申請該設(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)，能解決獨占設(shè)備利用率不高的問題虛擬設(shè)備技術(shù)的實現(xiàn) 虛擬設(shè)備技術(shù)類似于緩沖區(qū)技術(shù)，可以認(rèn)為是為設(shè)備提供了更多更大的，甚至在實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)的實現(xiàn)：中獨占型設(shè)備與進(jìn)程之間加入一個共享型設(shè)備作為過渡

25、，如圖進(jìn)程內(nèi)存間斷傳輸連續(xù)傳輸某一區(qū)域共享性設(shè)備獨占型設(shè)備 共享型設(shè)備的某一區(qū)域是由若干設(shè)備塊構(gòu)成，對進(jìn)程而言相當(dāng)于真是的設(shè)備 由于共享型設(shè)備較獨占型的速度較快，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，一段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獨占型設(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)備的實現(xiàn) 對于輸入型虛擬設(shè)備，數(shù)據(jù)的流向： 假定用于輸入的獨占型設(shè)備時讀卡機，用于實現(xiàn)虛擬設(shè)備的共享型設(shè)備時磁盤，則對

26、于進(jìn)程所發(fā)出的資料申請命令，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)備的實現(xiàn)1. 申請 分配一臺虛擬設(shè)備（磁盤區(qū)域）分配一臺實設(shè)備（一臺讀卡機），對信息由實設(shè)備連續(xù)地傳輸?shù)教摂M設(shè)備（磁盤區(qū)域）釋放實設(shè)備（讀卡機）2. 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3. 釋放 回收虛擬設(shè)備（磁盤區(qū)域）輸出型虛擬設(shè)備的實現(xiàn) 對于輸出型虛擬設(shè)備來說，數(shù)據(jù)的流向：內(nèi)存共享型設(shè)備獨占型設(shè)備 假定用于輸出的獨占型設(shè)備上打印機，用于實現(xiàn)虛擬設(shè)備的共享型設(shè)備上磁盤，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： 申請 分配一臺虛擬設(shè)備（磁盤）區(qū)域 使用

27、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 申請一臺實設(shè)備（打印機）將數(shù)據(jù)虛擬設(shè)備（磁盤區(qū)域）輸出到實設(shè)備（打印機），回收實設(shè)備（打印機）spooling 系統(tǒng) spooling：simultaneous periphered operation on-line，直譯是“聯(lián)機情況下同時進(jìn)行的外圍設(shè)備操作”。通常稱其為“假脫機操作” spooling系統(tǒng)是虛擬設(shè)備最典型的代表，包括假脫機輸入和輸出系統(tǒng) 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)存的時間或緩存從內(nèi)存流向過慢輸出設(shè)備的時間6.7 磁盤設(shè)備的管理磁盤的性能和安全性 磁盤上計算機系統(tǒng)最重要的外部存

28、儲設(shè)備之一 影響磁盤性能和數(shù)據(jù)安全性的重要因素： 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) 硬盤每張盤片分為上、下兩個盤面，每個盤面存在若干磁道，同一盤上的所有磁道是繞旋轉(zhuǎn)軸的一組同心圓，所存磁道由外向內(nèi)依次由0開始編號，成為磁道號 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)一次編號，若磁盤組有1個柱

29、面，則編號為0，1，2，n-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)行控制磁頭定位等操作，并不存放數(shù)據(jù)，因而實際可用盤面數(shù)為m=2（s-1），由下至上，編號依次為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，它把一個磁道等分成若干個區(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 扇區(qū)數(shù)磁盤進(jìn)行i/o 傳輸?shù)幕締挝唬彩谴疟P空間分配的基本單位，若扇區(qū)的數(shù)量為n，則每條磁道的扇區(qū)被一次編號：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

30、：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相互轉(zhuǎn)換的問題 為了提高效率，對于移動磁頭式磁盤機來說，磁頭引臂的機械運動（尋道）速度過慢，其次才是盤片轉(zhuǎn)動的速度，因此，編排邏輯塊號時，扇區(qū)號先編號，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。磁道的i/o速度很快 固定頭磁盤的優(yōu)點是訪問

31、速度快，其缺點是成本較高，容易受磁頭數(shù)量限制 移動頭磁盤為每一個盤面配置一個磁頭，所存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)行讀/寫，i/o速度相對較慢，但由于具有結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，容量不變磁頭數(shù)量限制等優(yōu)點，因而被廣泛使用影響磁盤i/o性能的技術(shù) 從磁盤讀數(shù)據(jù)的過程：尋道時間（當(dāng)前位置指定位置）+旋轉(zhuǎn)延遲（定位扇區(qū)）+數(shù)據(jù)傳輸時間=訪問時間尋道時間 把磁頭從當(dāng)前位置移動到指定磁道所需的時間，是影響磁盤數(shù)據(jù)傳輸率的重要參數(shù)，與磁頭移動的磁道數(shù)量成正比 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 與磁道轉(zhuǎn)速直接相關(guān)，是指旋轉(zhuǎn)磁盤，將指定扇區(qū)移

32、動到磁頭下面所需要的時間傳輸時間 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)延遲時間相同 綜上所述，傳統(tǒng)上影響磁道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，但不是決定性的調(diào)整磁盤i/o性能 磁盤的尋道時間和轉(zhuǎn)速時固定不變的 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)延遲先來先服務(wù)算法fcfs 這是最公平最簡單的算法，但是效率非常低，只適合于負(fù)載很輕的系統(tǒng)最短尋道時間優(yōu)先算法ss

33、tf 優(yōu)先為距離磁頭當(dāng)前所在位置最近的磁道服務(wù)掃描算法scan 也成為電梯算法，類似電梯的工作原理 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)磁帶方向移動，否則，判斷當(dāng)前磁道以外的磁道是否有訪問 這樣的算法比較公平，效率比較高，但是會出現(xiàn)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比較長 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列分成若干個長度為n的子隊列，磁盤調(diào)度程序按照fcfs算法依次出來這些子隊列，而處理每一個子隊列時，按照scan算法 當(dāng)n值取很大時，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 實際應(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)等待的服務(wù)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