計算機操作系統(tǒng)第五章設備管理

1、第五章第五章設備管理設備管理 第一節(jié)第一節(jié)輸入輸出系統(tǒng)輸入輸出系統(tǒng) 第二節(jié)第二節(jié)輸入輸出控制方式輸入輸出控制方式 第三節(jié)第三節(jié)緩沖管理緩沖管理 第四節(jié)第四節(jié)設備分配設備分配 第五節(jié)第五節(jié)設備處理設備處理 第六節(jié)第六節(jié)磁盤存儲管理磁盤存儲管理第一節(jié)第一節(jié)輸入輸出系統(tǒng)輸入輸出系統(tǒng) I/O設備設備 設備控制器設備控制器 I/O通道通道 總線系統(tǒng)總線系統(tǒng)I/O設備設備 I/O設備的類型設備的類型 按傳輸速率分類：低速、中速、高速設備按傳輸速率分類：低速、中速、高速設備 按信息交換單位分類：塊、字符設備按信息交換單位分類：塊、字符設備 按設備的共享屬性：獨占、共享、虛擬設備按設備的共享屬性：獨占、共享、

2、虛擬設備 設備與控制器之間的接口設備與控制器之間的接口 接口芯片、接口（電路）板（卡）接口芯片、接口（電路）板（卡） 信號線：數據、控制、狀態(tài)信號線信號線：數據、控制、狀態(tài)信號線設備控制器 基本功能 接收和識別來自CPU的各種命令 實現CPU與設備控制器、設備控制器與設備之間的數據交換 記錄設備的狀態(tài)供CPU查詢 識別所控制的各個設備的地址 組成 設備控制器與處理機的接口 設備控制器與設備的接口 I/O邏輯設備控制器l地址識別l數據緩沖l差錯控制CPU與控制器接口控制器與設備接口數據線 地址線 控制線 數據寄存器控制/狀態(tài)寄存器I/O邏輯控制器與設備接口1控制器與設備接口n數據狀態(tài)控制數據狀態(tài)

3、控制I/O通道 通道的引入建立獨立的I/O操作，進一步減輕CPU的負擔I/O處理機處理機 ，通過執(zhí)行通道程序來控制I/O操作與一般處理的區(qū)別 1）指令類型單一，主要局限于與I/O操作相關的指令 2）通道程序放在內存，即與CPU共享內存空間。 通道的類型通道的類型 字節(jié)多路通道：字節(jié)多路通道：多路分時復用多路分時復用一個主通道，多個子通道，子通道按時間片輪轉一個主通道，多個子通道，子通道按時間片輪轉法使用主通道，信息按字節(jié)傳輸法使用主通道，信息按字節(jié)傳輸 數組選擇通道：數組選擇通道：只有一個子通道，由某臺設備獨占，只有一個子通道，由某臺設備獨占，數據成組（塊）傳送；數據成組（塊）傳送； 數組多路

4、通道：數組多路通道：多個子通道，按數組方式傳送數據多個子通道，按數組方式傳送數據具有較高的數據具有較高的數據傳輸速率和通道利用率傳輸速率和通道利用率 “瓶頸瓶頸”問題問題通道資源有限，系統(tǒng)需要同時啟動的設通道資源有限，系統(tǒng)需要同時啟動的設備可能較多；備可能較多；解決方法：解決方法：增加設備到主機間的通路。增加設備到主機間的通路。I/O通道存儲器通道1通道2控制器1控制器2I/O設備1I/O設備2I/O設備3I/O設備4CPU總線系統(tǒng)總線系統(tǒng) 系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線 連接連接CPU、存儲器、存儲器、I/O設備（接口）等的紐帶；設備（接口）等的紐帶； 總線的性能評價：時鐘頻率、帶寬、傳輸速率?？偩€的性能

5、評價：時鐘頻率、帶寬、傳輸速率。 ISA和和EISA總線總線 ISA（IndustryStandardArchitecture），），1984年，年，帶寬：帶寬：8位位16位，最高傳輸速率：位，最高傳輸速率：216Mbps，能，能連接連接12臺設備。臺設備。 EISA（ExtendedISA），），1989年，帶寬：年，帶寬：32位位，最，最高傳輸速率：高傳輸速率：32Mbps，能連接，能連接12臺設備。臺設備。 局部總線（局部總線（LocalBus） 將多媒體卡、高速將多媒體卡、高速LAN網卡、高性能圖形板等從網卡、高性能圖形板等從ISA總線總線上卸下來，在通過局部總線控制器直接接到上卸下來

6、，在通過局部總線控制器直接接到CPU總線上，總線上，使之與高速使之與高速CPU總線相匹配?？偩€相匹配。 VESA（VideoElectronicStandardAssociation），），1991年，帶寬：年，帶寬：32位位，最高傳輸速率：，最高傳輸速率：132Mbps，能連，能連接接24臺設備，控制器中無緩沖；臺設備，控制器中無緩沖； PCI（PeripheralComponentInterface），），1992年和年和1995年，年，V2.1支持帶寬：支持帶寬：64位位，最高傳輸速率：，最高傳輸速率：500Mbps，能支持，能支持10種種外設，有一個復雜的管理層，管外設，有一個復雜的管

7、理層，管理層中配有數據緩沖。理層中配有數據緩沖。第二節(jié)第二節(jié)輸入輸出控制方式輸入輸出控制方式 程序程序I/O方式方式 中斷驅動中斷驅動I/O方式方式 DMA控制方式控制方式 I/O通道控制方式通道控制方式將CPU從繁忙的I/O操作中解脫出來 程序程序I/O方式方式 忙忙等待方式等待方式 CPU向控制器發(fā)指令，啟動向控制器發(fā)指令，啟動I/O設備，同時把狀設備，同時把狀態(tài)寄存器中的狀態(tài)標志置態(tài)寄存器中的狀態(tài)標志置1，busy=1； 然后然后不斷地循環(huán)檢測不斷地循環(huán)檢測狀態(tài)標志。狀態(tài)標志。 如果如果busy=1，說明，說明I/O設備忙，設備忙，CPU再進行下一輪再進行下一輪檢測；檢測； 如果如果bu

8、sy=0，說明，說明I/O操作結束，操作結束，CPU執(zhí)行下一條執(zhí)行下一條指令。指令。中斷驅動中斷驅動I/O方式方式 中斷中斷I/O驅動過程驅動過程 啟動：由啟動：由CPU根據進程的根據進程的I/O請求發(fā)出一條請求發(fā)出一條I/O命令；此后命令；此后CPU繼續(xù)執(zhí)行其它進程，即繼續(xù)執(zhí)行其它進程，即CPU與外設并行工作與外設并行工作。 I/O設備完成操作后，由控制器通過控制線向設備完成操作后，由控制器通過控制線向CPU發(fā)送一發(fā)送一中斷信號，由中斷信號，由CPU檢查檢查I/O操作是否正確，操作是否正確， 中斷驅動方式帶來的優(yōu)缺點中斷驅動方式帶來的優(yōu)缺點 管理靈活、簡單，系統(tǒng)效率高（管理靈活、簡單，系統(tǒng)效

9、率高（CPU、I/O設備）。設備）。 設備與設備與CPU（內存）之間的數據交換仍（內存）之間的數據交換仍以字（節(jié)）為單以字（節(jié)）為單位位。DMA控制方式控制方式 DMA（DirectMemoryAccess）引入）引入 在外圍設備和內存之間開辟直接的數據交換通路。在在外圍設備和內存之間開辟直接的數據交換通路。在該種控制方式中，設備控制器具有更強的功能，在它該種控制方式中，設備控制器具有更強的功能，在它的控制下，設備和內存之間可以成批地進行數據交換，的控制下，設備和內存之間可以成批地進行數據交換，不用不用CPU的干預。的干預。減輕了減輕了CPU的負擔，同時數據傳輸的負擔，同時數據傳輸以塊為單位，

10、提高了數據傳送速度。以塊為單位，提高了數據傳送速度。 DMA控制器的組成控制器的組成 命令命令/狀態(tài)寄存器狀態(tài)寄存器CR 內存地址寄存器內存地址寄存器MAR 數據寄存器數據寄存器DR 數據計數器數據計數器DC DMA工作過程工作過程（以磁盤數據讀入為例）（以磁盤數據讀入為例） CPU向磁盤控制器發(fā)送一條讀命令向磁盤控制器發(fā)送一條讀命令到到CR中，目中，目標起始地址到標起始地址到MAR中，數據字節(jié)數到中，數據字節(jié)數到DC中，磁中，磁盤中的源地址到控制器的控制邏輯上；盤中的源地址到控制器的控制邏輯上； 啟動啟動DMA控制器進行數據傳送（竊用總線周期），控制器進行數據傳送（竊用總線周期），此后，此后

11、，CPU可以執(zhí)行其它任務；可以執(zhí)行其它任務； DMA控制器按照命令控制器按照命令每傳送一個字節(jié)每傳送一個字節(jié)，修改并檢，修改并檢查查DC和和MAR中的數值（分別做中的數值（分別做-1和和+1操作）；操作）； 若若DC中的值不為中的值不為0，則繼續(xù)傳送下一個字節(jié)，則繼續(xù)傳送下一個字節(jié)；為；為0，則發(fā)出一個中斷請求。，則發(fā)出一個中斷請求。DMA與中斷控制方式的區(qū)別與中斷控制方式的區(qū)別 中斷控制方式在每個數據傳送完后都發(fā)中斷 DMA是在所要求傳送的一批數據都傳送完后才發(fā)中斷I/O通道控制方式通道控制方式 I/O通道控制方式的引入通道控制方式的引入 進一步減少進一步減少CPU對對I/O操作的干預；操作

12、的干預； 以以多個數據塊多個數據塊為單位進行數據傳送；為單位進行數據傳送； 一次傳送多組數據到多個不同的內存區(qū)域。一次傳送多組數據到多個不同的內存區(qū)域。 通道程序通道程序 由一系列通道指令（通道命令）構成；由一系列通道指令（通道命令）構成； 每條指令都包含：每條指令都包含： 操作碼、內存地址、計數、通道程序結束位操作碼、內存地址、計數、通道程序結束位P、記錄結束標志、記錄結束標志R操作PR計數內存地址Write0080813Write001401034Write01605830Write013002000Write002501650Write115002720通道程序實例通道程序實例第三節(jié)第三

13、節(jié)緩沖管理緩沖管理 緩沖的引入緩沖的引入 單緩沖和雙緩沖單緩沖和雙緩沖 循環(huán)緩沖循環(huán)緩沖 緩沖池緩沖池解決CPU和I/O設備速度不匹配的矛盾 緩沖的引入緩沖的引入 緩和緩和CPU與與I/O設備間速度不匹配的矛盾設備間速度不匹配的矛盾 減少對減少對CPU的中斷頻率，放寬對的中斷頻率，放寬對CPU中斷中斷響應時間的限制響應時間的限制 提高提高CPU與與I/O設備之間的并行性設備之間的并行性單緩沖和雙緩沖單緩沖和雙緩沖 單緩沖單緩沖 雙緩沖（生產者雙緩沖（生產者-消費者）消費者）用戶進程用戶進程工作區(qū)工作區(qū)緩沖區(qū)緩沖區(qū)I/O設備設備輸入輸入傳送傳送用戶進程用戶進程工作區(qū)工作區(qū)緩沖區(qū)緩沖區(qū)2I/O設備

14、設備緩沖區(qū)緩沖區(qū)1循環(huán)緩沖（輸入循環(huán)緩沖（輸入-計算）計算） 循環(huán)緩沖的引入循環(huán)緩沖的引入 同步進程速度不一致；同步進程速度不一致； 雙緩沖無法完全解決。雙緩沖無法完全解決。 循環(huán)緩沖的組成循環(huán)緩沖的組成 多個緩沖區(qū)、多個指針多個緩沖區(qū)、多個指針 循環(huán)緩沖的使用循環(huán)緩沖的使用 GetBuf() ReleaseBuf()RGGGRC空緩沖區(qū)滿緩沖區(qū)工作緩沖區(qū)緩沖池緩沖池 緩沖池的引入緩沖池的引入 把專用循環(huán)緩沖變?yōu)榘褜Ｓ醚h(huán)緩沖變?yōu)楣霉镁彌_區(qū)，以提高內存利用率。緩沖區(qū)，以提高內存利用率。 緩沖池的組成（每個隊列配備兩個指針）緩沖池的組成（每個隊列配備兩個指針） 空閑緩沖（區(qū)）隊列空閑緩沖（區(qū)

15、）隊列emq、F(emq)、L(emq) 輸入緩沖（區(qū)）隊列輸入緩沖（區(qū)）隊列inq、F(inq)、L(inq) 輸出緩沖（區(qū)）隊列輸出緩沖（區(qū)）隊列outq、F(outq)、L(outq) 緩沖區(qū)的四種工作方式緩沖區(qū)的四種工作方式 收容輸入：收容輸入設備的輸入數據收容輸入：收容輸入設備的輸入數據 提取輸入：提取輸入：計算進程提取緩沖區(qū)中的數據使用計算進程提取緩沖區(qū)中的數據使用 收容輸出：計算進程輸出結果數據到緩沖區(qū)收容輸出：計算進程輸出結果數據到緩沖區(qū) 提取輸出：輸出設備提取緩沖區(qū)中的數據提取輸出：輸出設備提取緩沖區(qū)中的數據緩緩 沖沖 池池收容輸入收容輸入 提取輸入提取輸入提取輸出提取輸出

16、收容輸出收容輸出hinsinsouthout用用戶戶程程序序輸入設備輸入設備輸出設備輸出設備第四節(jié)第四節(jié)I/O軟件軟件 設備獨立性軟件設備獨立性軟件 設備驅動程序設備驅動程序一一設備獨立性設備獨立性 設備獨立性的概念（設備無關性）設備獨立性的概念（設備無關性） 應用程序獨立于具體使用的物理設備應用程序獨立于具體使用的物理設備。 帶來的好處帶來的好處 設備分配時的靈活性設備分配時的靈活性 易于實現易于實現I/O重定向：可以更換重定向：可以更換I/O操作的設備而不改程序。操作的設備而不改程序。 設備獨立性軟件設備獨立性軟件 位于驅動程序之上，驅動程序與設備有關。位于驅動程序之上，驅動程序與設備有關

17、。 主要功能：主要功能： 執(zhí)行所有設備的公有操作執(zhí)行所有設備的公有操作：分配與回收、邏輯名到物理設備的：分配與回收、邏輯名到物理設備的映射、設備的保護、緩沖管理、差錯控制等映射、設備的保護、緩沖管理、差錯控制等 向用戶層（或文件層）軟件提供統(tǒng)一接口向用戶層（或文件層）軟件提供統(tǒng)一接口 邏輯設備名到物理設備名映射的實現邏輯設備名到物理設備名映射的實現 邏輯設備表邏輯設備表（LogicalUnitTable） 用于將應用程序所使用的邏輯設備名映射為物理設備用于將應用程序所使用的邏輯設備名映射為物理設備名。名。 表項：邏輯設備名、物理設備名、設備驅動程序入口表項：邏輯設備名、物理設備名、設備驅動程序

18、入口地址等地址等 LUT的設置問題的設置問題 整個系統(tǒng)一張整個系統(tǒng)一張LUT，邏輯設備名要具有唯一性。，邏輯設備名要具有唯一性。 為每個用戶設置一張為每個用戶設置一張LUT，并將該表放入，并將該表放入PCB中；與中；與系統(tǒng)設備表聯合作用。系統(tǒng)設備表聯合作用。二二設備處理（驅動）設備處理（驅動）接收上層軟件發(fā)來的抽象要求，比如：接收上層軟件發(fā)來的抽象要求，比如：Read、Write等命令，再把它們轉化為具體要求發(fā)送給設備控制器，啟等命令，再把它們轉化為具體要求發(fā)送給設備控制器，啟動設備執(zhí)行；同時，還負責把設備控制器發(fā)來的信號傳送動設備執(zhí)行；同時，還負責把設備控制器發(fā)來的信號傳送給上層軟件。給上層

19、軟件。 設備驅動程序的功能和特點設備驅動程序的功能和特點 設備驅動程序的處理過程設備驅動程序的處理過程 中斷處理程序的處理過程中斷處理程序的處理過程設備驅動程序的功能和特點設備驅動程序的功能和特點 設備驅動程序的功能設備驅動程序的功能 接收由接收由I/O進程發(fā)來的命令和參數，轉換為具體要求；進程發(fā)來的命令和參數，轉換為具體要求； 檢查用戶檢查用戶I/O請求的合法性，了解設備狀態(tài)，傳遞或設請求的合法性，了解設備狀態(tài)，傳遞或設置參數；置參數； 發(fā)出發(fā)出I/O命令，啟動設備，或掛在相應的設備隊列上；命令，啟動設備，或掛在相應的設備隊列上； 及時響應由控制器或通道發(fā)來的中斷請求；及時響應由控制器或通道

20、發(fā)來的中斷請求； 對于設有通道的計算機系統(tǒng)，根據對于設有通道的計算機系統(tǒng)，根據I/O請求自動構成通請求自動構成通道程序。道程序。 設備驅動程序的特點設備驅動程序的特點 是指在請求是指在請求I/O的進程與設備控制器之間的一的進程與設備控制器之間的一個個通信和轉換程序通信和轉換程序。 與與設備控制器和設備控制器和I/O設備的設備的硬件特性緊密相關硬件特性緊密相關，因而對不同類型的設備應配置不同的驅動程因而對不同類型的設備應配置不同的驅動程序。序。 與與I/O設備所采用的設備所采用的I/O控制方式控制方式緊密相關。緊密相關。 其中一部分必須用其中一部分必須用匯編語言匯編語言書寫。書寫。設備驅動程序的

21、處理過程設備驅動程序的處理過程 將抽象要求轉化為具體要求將抽象要求轉化為具體要求 檢查檢查I/O請求合法性請求合法性 讀出和檢查設備的狀態(tài)讀出和檢查設備的狀態(tài) 傳送必要的參數傳送必要的參數 工作方式的設置工作方式的設置 啟動啟動I/O設備設備第五節(jié)第五節(jié)設備分配設備分配 設備分配中的數據結構設備分配中的數據結構 設備分配時應考慮的因素設備分配時應考慮的因素 獨占設備的分配程序獨占設備的分配程序 SPOOLing技術技術設備分配中的數據結構設備分配中的數據結構 設備控制表設備控制表DCT 一臺設備配置一張設備控制表，用于記錄一臺設備配置一張設備控制表，用于記錄設備狀態(tài)設備狀態(tài)； 包含的字段：包含

22、的字段： 設備類型設備類型type 設備標識符設備標識符deviceid 設備狀態(tài)：設備狀態(tài)：設備或與其相連的控制器設備或與其相連的控制器/通道忙，狀態(tài)為通道忙，狀態(tài)為“1”； 設備隊列隊首指針：設備隊列隊首指針：指向等待此設備的阻塞進程隊列；指向等待此設備的阻塞進程隊列； 與設備連接的控制器的控制表指針：與設備連接的控制器的控制表指針：多條通路則對應多個指針；多條通路則對應多個指針； 重復執(zhí)行次數或時間：重復執(zhí)行次數或時間：允許通信重試的次數或延遲時間。允許通信重試的次數或延遲時間。 控制器控制表控制器控制表COCT 表項字段：控制器標識符、控制器狀態(tài)、與控制器表項字段：控制器標識符、控制器

23、狀態(tài)、與控制器相連的通道表指針、控制器隊列的隊首指針、控制相連的通道表指針、控制器隊列的隊首指針、控制器隊列的隊尾指針。器隊列的隊尾指針。 通道控制表通道控制表CHCT 表項字段：通道標識符、通道狀態(tài)、與通道連接的表項字段：通道標識符、通道狀態(tài)、與通道連接的控制器表首址、通道隊列的隊首指針、通道隊列的控制器表首址、通道隊列的隊首指針、通道隊列的隊尾指針。隊尾指針。 系統(tǒng)設備表系統(tǒng)設備表SDT 記錄系統(tǒng)中全部設備的狀況記錄系統(tǒng)中全部設備的狀況； 表項字段：設備類型、設備標識符、設備控制表、表項字段：設備類型、設備標識符、設備控制表、設備驅動程序的入口地址等。設備驅動程序的入口地址等。設備分配時應

24、考慮的因素設備分配時應考慮的因素 設備的固有屬性設備的固有屬性 獨占設備獨占設備 共享設備共享設備 虛擬設備虛擬設備 設備分配算法設備分配算法 先來先服務先來先服務 按優(yōu)先級按優(yōu)先級 設備分配中的安全性設備分配中的安全性 安全分配方式安全分配方式進程發(fā)出進程發(fā)出I/O請求并得到響應后，就進入阻塞狀請求并得到響應后，就進入阻塞狀態(tài)，一直等待態(tài)，一直等待I/O完成。完成。特點：進程進展緩慢，但不會產生死鎖特點：進程進展緩慢，但不會產生死鎖 不安全分配方式不安全分配方式進程在發(fā)出進程在發(fā)出I/O請求后繼續(xù)運行，需要時再發(fā)出請求后繼續(xù)運行，需要時再發(fā)出其它的其它的I/O請求，直至申請不到請求，直至申請

25、不到I/O設備而被迫阻設備而被迫阻塞。塞。特點：進程進展迅速，但可能發(fā)生死鎖特點：進程進展迅速，但可能發(fā)生死鎖方法：設備分配前，必須進行安全性檢查方法：設備分配前，必須進行安全性檢查獨占設備的分配程序獨占設備的分配程序 基本的設備分配程序基本的設備分配程序 分配設備：按照分配設備：按照I/O請求的物理設備名，查找請求的物理設備名，查找SDTDCT/設備狀態(tài)字設備狀態(tài)字。若忙，阻塞；否則，分析安。若忙，阻塞；否則，分析安全性，安全，則分配；否則，阻塞。全性，安全，則分配；否則，阻塞。 分配控制器：分配控制器：再查再查DCTCOCT/狀態(tài)字狀態(tài)字，控制器忙？，控制器忙？阻塞；否則，分配該控制器給進

26、程。阻塞；否則，分配該控制器給進程。 分配通道：分配通道：再查再查COCTCHCT/狀態(tài)字狀態(tài)字，通道忙？阻塞；，通道忙？阻塞；否則，分配通道給進程。否則，分配通道給進程。以上三者分配均成功，才算設備分配成功。以上三者分配均成功，才算設備分配成功。 設備分配程序的改進設備分配程序的改進原因：原因：以物理設備名提出以物理設備名提出I/O請求，單通路的請求，單通路的I/O結構，容易產生結構，容易產生“瓶頸瓶頸”現象?，F象。 增加設備的獨立性：增加設備的獨立性：使用邏輯設備名請求使用邏輯設備名請求I/O，依次查同類設備的依次查同類設備的DCT，僅當該類設備都忙時，僅當該類設備都忙時，才把進程掛在該類

27、設備的等待隊列上；如果有設才把進程掛在該類設備的等待隊列上；如果有設備可用，繼續(xù)分析安全性備可用，繼續(xù)分析安全性 考慮多通路情況：得到設備后，依次檢查與此設考慮多通路情況：得到設備后，依次檢查與此設備相連的各個控制器，直到找到一個可用的為止；備相連的各個控制器，直到找到一個可用的為止；然后，依次檢查與此控制器相連的各個通道，直然后，依次檢查與此控制器相連的各個通道，直到確定一個可用的通道位置；到確定一個可用的通道位置；否則，需要阻塞進否則，需要阻塞進程程。SPOOLing技術技術 什么是什么是SPOOLing 即聯機情況下的同時外圍操作，稱為即聯機情況下的同時外圍操作，稱為“假脫機假脫機操作操

28、作”，“后臺后臺”工作方式。工作方式。（SimultaneausPeriphernalOperatingOn-Line） 利用利用SPOOLing技術技術，可將，可將一臺物理一臺物理I/O設備設備虛擬為多臺邏輯設備虛擬為多臺邏輯設備，從而允許多個用戶共享，從而允許多個用戶共享使用一臺物理設備；即利用高速的共享設備使用一臺物理設備；即利用高速的共享設備（磁盤）實現低速獨占設備的共享使用的技術。（磁盤）實現低速獨占設備的共享使用的技術。 SPOOLing系統(tǒng)的組成系統(tǒng)的組成輸入井和輸出井輸入井和輸出井輸入緩沖區(qū)和輸出緩沖區(qū)輸入緩沖區(qū)和輸出緩沖區(qū)輸入進程輸入進程Spi和輸出進程和輸出進程Spo：SP

29、OOLing系統(tǒng)的組成系統(tǒng)的組成輸入進程輸入進程SPi輸出進程輸出進程SPo輸入緩沖區(qū)輸入緩沖區(qū)Bi輸出緩沖區(qū)輸出緩沖區(qū)Bo輸入輸入設備設備輸出輸出設備設備磁盤磁盤輸入井輸入井輸出井輸出井 共享打印機共享打印機 SPOOLing系統(tǒng)接收到用戶進程的打印輸出請系統(tǒng)接收到用戶進程的打印輸出請求后：求后： 由由輸出進程在輸出井中為之申請一個空閑磁輸出進程在輸出井中為之申請一個空閑磁盤塊區(qū)盤塊區(qū)，并將要打印的數據送入其中；，并將要打印的數據送入其中； 輸出進程再為用戶進程申請一張空白的用戶輸出進程再為用戶進程申請一張空白的用戶請求打印表請求打印表，并將用戶的打印要求填入其中，并將用戶的打印要求填入其中

30、，再將該表掛到請求打印隊列上。再將該表掛到請求打印隊列上。 當打印機空閑時，輸出進程將從請求打印隊列當打印機空閑時，輸出進程將從請求打印隊列的隊首取出一張請求打印表，再從輸出井把數的隊首取出一張請求打印表，再從輸出井把數據送到內存緩沖區(qū)，啟動打印機打印輸據送到內存緩沖區(qū)，啟動打印機打印輸出，出， SPOOLing系統(tǒng)的特點系統(tǒng)的特點提高了提高了I/O的速度的速度，緩和了，緩和了CPU與與I/O設的設的速度矛盾；速度矛盾；將獨占設備改造為共享設備：將獨占設備改造為共享設備：利用高速利用高速共享設備；共享設備；實現了虛擬設備功能實現了虛擬設備功能：用戶都感到獨占：用戶都感到獨占了一臺設備。了一臺設

31、備。第六節(jié)第六節(jié)磁盤存儲管理磁盤存儲管理 磁盤性能簡述磁盤性能簡述 磁盤調度磁盤調度 磁盤高速緩存磁盤高速緩存 提高磁盤提高磁盤I/O速度的其它方法速度的其它方法 廉價磁盤冗余陣列廉價磁盤冗余陣列磁盤性能簡述 數據的組織和格式 盤片和盤面，磁道（磁頭），扇區(qū) 格式化：標識符字段、數據字段 磁盤的類型 固定頭磁盤 移動頭磁盤 磁盤的類型磁盤的類型1）固定頭磁盤 每條磁道上有一個讀/寫頭，所有的磁頭被裝在一剛性磁臂中。2） 移動頭磁盤 每個盤面配一個磁頭，也裝在磁臂上。為了能訪問所有磁道，必須能夠移動進行尋道。 磁盤訪問時間磁盤訪問時間 尋道時間尋道時間Ts 把磁臂（磁頭）移動到指定磁道上所經歷的

32、時間，包把磁臂（磁頭）移動到指定磁道上所經歷的時間，包含啟動磁臂和磁頭移動含啟動磁臂和磁頭移動n條磁道所花費的時間。條磁道所花費的時間。 旋轉延遲時間旋轉延遲時間T 指定扇區(qū)移動到磁頭下面所經歷的時間。與盤面的旋指定扇區(qū)移動到磁頭下面所經歷的時間。與盤面的旋轉速度有關。轉速度有關。 5400轉轉-5.55ms；7200轉轉4.16ms 傳輸時間傳輸時間Tt 把數據從磁盤讀出或向磁盤寫入數據所經歷的時間。把數據從磁盤讀出或向磁盤寫入數據所經歷的時間。與旋轉速度和一次讀寫的數據量有關。與旋轉速度和一次讀寫的數據量有關。磁盤調度磁盤調度 先來先服務先來先服務FCFS 最短尋道時間優(yōu)先最短尋道時間優(yōu)先

33、SSTF 掃描（掃描（Scan）算法）算法 循環(huán)掃描（循環(huán)掃描（CScan）算法）算法 *N-Step-Scan和和FSCAN算法算法先來先服務先來先服務FCFS 根據進程請求訪問磁盤的根據進程請求訪問磁盤的先后次序先后次序進行調進行調度。度。 優(yōu)點：優(yōu)點： 公平、簡單；公平、簡單； 缺點：缺點： 未對尋道次序進行優(yōu)化，未對尋道次序進行優(yōu)化，平均尋道時間可能較平均尋道時間可能較長長，僅適用于磁盤請求較少的場合。，僅適用于磁盤請求較少的場合。最短尋道時間優(yōu)先（最短尋道時間優(yōu)先（SSTF） 選擇選擇要求訪問的磁道與當前磁頭所在的磁要求訪問的磁道與當前磁頭所在的磁道距離最近的進程道距離最近的進程（磁

34、盤請求），使每次（磁盤請求），使每次的尋道時間最短。的尋道時間最短。 該算法該算法不能保證平均尋道時間最短不能保證平均尋道時間最短。 可能導致可能導致“饑餓饑餓”現象?，F象。掃描（掃描（Scan）算法）算法 磁頭磁頭每次只作單方向移動每次只作單方向移動，直到到達邊緣，直到到達邊緣磁道為止，然后磁道為止，然后再作反向移動再作反向移動。 下一次待訪問的磁道只能在此頭移動的前下一次待訪問的磁道只能在此頭移動的前方，且選擇磁頭移動距離最近的一個磁盤方，且選擇磁頭移動距離最近的一個磁盤請求響應。請求響應。 又稱為又稱為“電梯調度算法電梯調度算法”。 消除了饑餓現象。消除了饑餓現象。循環(huán)掃描（循環(huán)掃描（C

35、Scan）算法）算法 磁頭只作由內向外的單方向掃描磁頭只作由內向外的單方向掃描，到達外，到達外邊緣后，則返回最內側的磁道重新進行下邊緣后，則返回最內側的磁道重新進行下一輪掃描。一輪掃描。 改進了對于邊緣區(qū)磁道訪問的不公平。改進了對于邊緣區(qū)磁道訪問的不公平。N-Step-Scan和和FSCAN算法算法 “磁臂粘著磁臂粘著”現象：現象：一個或幾個進程對某一一個或幾個進程對某一磁道有較高的訪問頻率時，造成磁頭的磁道有較高的訪問頻率時，造成磁頭的“不移動不移動”現象?，F象。 N步掃描：步掃描：把磁盤訪問請求排成長度為把磁盤訪問請求排成長度為N的的多個隊列。系統(tǒng)在處理完一個磁盤請求隊多個隊列。系統(tǒng)在處理

36、完一個磁盤請求隊列的工作后，再響應其它隊列的請求。列的工作后，再響應其它隊列的請求。 FSCAN算法：算法：對對N步掃描的簡化。只排兩步掃描的簡化。只排兩個隊列：當前隊列、等待隊列。個隊列：當前隊列、等待隊列。磁盤高速緩存磁盤高速緩存 磁盤高速緩存（磁盤高速緩存（DiskCache）的形式）的形式 數據交付方式數據交付方式 磁盤緩存置換算法磁盤緩存置換算法 周期性地寫回磁盤周期性地寫回磁盤磁盤高速緩存的形式磁盤高速緩存的形式 DiskCache： 并非通常意義上的高速緩存，而是并非通常意義上的高速緩存，而是利用內存中利用內存中的空閑空間，暫存從磁盤中讀出的一系列盤塊的空閑空間，暫存從磁盤中讀出

37、的一系列盤塊中的信息中的信息。邏輯上屬于磁盤，物理上駐留內存。邏輯上屬于磁盤，物理上駐留內存的磁盤數據塊區(qū)。的磁盤數據塊區(qū)。 兩種形式：兩種形式： 固定大小固定大小的磁盤高速緩存，不受應用程序多少的磁盤高速緩存，不受應用程序多少影響。影響。 可變大小可變大小的磁盤高速緩存的磁盤高速緩存“緩沖池緩沖池”形式形式數據交付方式數據交付方式 DataDelivery：將磁盤高速緩存中的數據：將磁盤高速緩存中的數據傳送給請求者進程。傳送給請求者進程。 兩種方式：兩種方式： 數據交付數據交付：將數據傳送給請求者進程的內存工：將數據傳送給請求者進程的內存工作區(qū)中；作區(qū)中； 指針交付指針交付：只將高速緩存中相

38、應數據區(qū)的首址：只將高速緩存中相應數據區(qū)的首址指針交付給請求者進程；指針交付給請求者進程；磁盤緩存置換算法磁盤緩存置換算法 也稱為也稱為“訪問頻率替換算法訪問頻率替換算法” 要考慮的問題：訪問頻率、可預見性、數據的要考慮的問題：訪問頻率、可預見性、數據的一致性一致性 較常用的算法：較常用的算法： 最近最久未使用最近最久未使用LRU 最近未使用最近未使用NRU（Clock） 最少使用最少使用LFU周期性地寫回磁盤周期性地寫回磁盤 后臺專用程序，如：后臺專用程序，如：UNIX中的中的SYNC 間隔一定時間，強制性地把所有緩存中的間隔一定時間，強制性地把所有緩存中的已修改的盤塊數據寫回磁盤。已修改的

39、盤塊數據寫回磁盤。定期自動保存定期自動保存提高磁盤I/O速度的其它方法 提前讀（Read-Ahead） 延遲寫 優(yōu)化物理塊的分布 虛擬盤廉價磁盤冗余陣列Redundant Array of Inexpensive Disk 并行交叉存取 RAID的分級 RAID的優(yōu)點 編寫程序，模擬編寫程序，模擬FIFO（LRU、OPT）算法，完成算法，完成虛擬存儲管理的頁面淘汰過程。虛擬存儲管理的頁面淘汰過程。 要求：從鍵盤上輸入允許進程占有的頁架數及一個要求：從鍵盤上輸入允許進程占有的頁架數及一個訪問串，輸出淘汰過程，給出依次被淘汰的頁及共訪問串，輸出淘汰過程，給出依次被淘汰的頁及共發(fā)生的缺頁次數。發(fā)生的

40、缺頁次數。 例如：例如：從鍵盤上輸入允許進程占有的頁架數為：從鍵盤上輸入允許進程占有的頁架數為：3從鍵盤上輸入一個訪問串為：從鍵盤上輸入一個訪問串為：7012030423032120170輸出：輸出：FIFO共共14次缺頁次缺頁依次被淘汰的頁：依次被淘汰的頁：7,0,1,2,3,0,4,2,3,0,1上機練習三上機練習三習題五1 DMA控制方式與通道控制方式有什么不同？在在DMA控制方式中，控制方式中，DMA控制器控制設備和主存之間成批控制器控制設備和主存之間成批地進行數據交換，而不用地進行數據交換，而不用CPU干預。這樣既大大減輕了干預。這樣既大大減輕了CPU的的負擔，也使負擔，也使I/O數據傳送速度大大提高。這種控制方式應用于塊數據傳送速度大大提高。這種控制方式應用于塊設備的數據傳輸。設備的數據傳輸。通道控制方式與通道控制方式與DMA控制方式類似，也是一種實現設備控制方式類似，也是一種實現設備與內存直接交換數據的控制方式。在通道控制方式中，與內存直接交換數據的控制方式。在通道控制方式中，CPU只只需要發(fā)出啟動指令，指出通道相應的操作和需要發(fā)出啟動指令，指出通道相應的操作和I/O設備，該指