第7章設(shè)備管理

1、第第6章章 設(shè)備管理設(shè)備管理I/O設(shè)備管理概述設(shè)備管理概述 磁盤(pán)管理磁盤(pán)管理I/O控制方式控制方式 緩沖管理緩沖管理6.1 I/O 設(shè)備管理概述設(shè)備管理概述 I/O管理的功能管理的功能l監(jiān)視設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)視設(shè)備的狀態(tài)l進(jìn)行設(shè)備分配進(jìn)行設(shè)備分配l完成完成I/O操作操作l緩沖管理緩沖管理I/O硬件組成硬件組成l主機(jī)主機(jī)I/O系統(tǒng)系統(tǒng)四級(jí)結(jié)構(gòu)四級(jí)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)I/O通道1I/O通道2控制器控制器控制器控制器設(shè)備l微型機(jī)微型機(jī)I/O系統(tǒng)系統(tǒng)單總線結(jié)構(gòu)單總線結(jié)構(gòu)圖形控制器橋/內(nèi)存控制器SCSI磁盤(pán)控制器擴(kuò)展總線接口 其它 控制器打印機(jī)磁盤(pán)PCI總線監(jiān)視器處理器高速緩存內(nèi)存磁盤(pán)IDE磁盤(pán)控制器磁盤(pán)磁盤(pán)擴(kuò)展總線并

2、行端口串行端口鍵盤(pán)I/O設(shè)備設(shè)備設(shè)備的類型設(shè)備的類型l塊設(shè)備如：磁盤(pán)、磁帶，塊大小512B32KB，通常為512B。塊設(shè)備的特點(diǎn)是速度高、隨機(jī)訪問(wèn)、I/O采用DMA（直接存取方式）。l字符設(shè)備如：鍵盤(pán)、行式打印機(jī)。特點(diǎn)是速度低、不可尋址、I/O采用中斷驅(qū)動(dòng)。設(shè)備控制器設(shè)備控制器設(shè)備控制器或適配器設(shè)備控制器或適配器是I/O設(shè)備的電子部分，它是CPU與I/O設(shè)備之間的接口，它接收從CPU發(fā)來(lái)的命令，并控制I/O設(shè)備工作。通常一臺(tái)控制器可控制多臺(tái)同一類型的設(shè)備。在微機(jī)中，設(shè)備控制器設(shè)備控制器常做成印刷電路卡的形式，如I/O卡。設(shè)備控制器設(shè)備控制器的種類很多，需要不同的軟件來(lái)控制它，這樣的軟件就是設(shè)備

3、驅(qū)動(dòng)程序設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?？刂破鞯墓δ芸刂破鞯墓δ芙邮蘸妥R(shí)別CPU發(fā)來(lái)的命令數(shù)據(jù)交換了解設(shè)備的狀態(tài)，報(bào)告給CPU地址識(shí)別設(shè)備控制器設(shè)備控制器是計(jì)算機(jī)中的一個(gè)實(shí)體，主要是計(jì)算機(jī)中的一個(gè)實(shí)體，主要職責(zé)是職責(zé)是控制一個(gè)或多個(gè)控制一個(gè)或多個(gè)I/O設(shè)備設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)，以實(shí)現(xiàn)I/O設(shè)備和計(jì)算機(jī)之間的設(shè)備和計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換數(shù)據(jù)交換。它是。它是CPU與與I/O設(shè)備之間的接口，設(shè)備之間的接口，接收從接收從CPU發(fā)來(lái)的命令，并去控制發(fā)來(lái)的命令，并去控制I/O設(shè)備工作設(shè)備工作，使，使處理機(jī)處理機(jī)從繁雜的設(shè)備控制事務(wù)中解脫出來(lái)從繁雜的設(shè)備控制事務(wù)中解脫出來(lái)。設(shè)備控制器的組成設(shè)備控制器的組成數(shù)據(jù)寄存器控制/狀態(tài)寄存器I/

4、O邏輯控制器與設(shè)備接口1控制器與設(shè)備接口2數(shù)據(jù)線地址線控制線CPU與控制器接口數(shù)據(jù)狀態(tài)控制數(shù)據(jù)狀態(tài)控制控制器與設(shè)備接口l控制器與控制器與CPU之間接口之間接口用于控制設(shè)備與總線之間交換數(shù)據(jù)。l控制器與設(shè)備之間接口控制器與設(shè)備之間接口用于根據(jù)CPU發(fā)來(lái)的命令，控制設(shè)備的動(dòng)作。lI/O邏輯邏輯用于實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的控制。I/O邏輯對(duì)收到的地址進(jìn)行譯碼，在根據(jù)譯出的命令對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制。設(shè)備通道設(shè)備通道l雖然有控制器可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制，但當(dāng)外設(shè)很多時(shí)，CPU負(fù)擔(dān)過(guò)重，為此在CPU與控制器之間增加通道通道。l增加通道的目的增加通道的目的“是建立獨(dú)立的I/O操作，不僅使數(shù)據(jù)的傳送能獨(dú)立于CPU，而且有關(guān)I/O操

5、作的組織、管理及結(jié)束也盡量獨(dú)立，以保證CPU有更多的時(shí)間去進(jìn)行數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理。l通道是特殊的處理機(jī)通道是特殊的處理機(jī)它指令單一。沒(méi)有內(nèi)存。通道的類型通道的類型l數(shù)組選擇通道數(shù)組選擇通道連接磁盤(pán)等高速外設(shè)。以塊為傳送單位。通道隨與多個(gè)外設(shè)相連，但通常被一個(gè)設(shè)備專用，用完釋放后才讓給其他設(shè)備。l數(shù)組多路通道數(shù)組多路通道連接高速外設(shè)。如磁盤(pán)。綜合字節(jié)多路通道的”并行“和選擇通道的”高速“的優(yōu)點(diǎn)。通道利用一臺(tái)設(shè)備”讀寫(xiě)定位“的時(shí)間，再與另一外設(shè)交換信息。l字節(jié)多路通道字節(jié)多路通道連接中、低速外設(shè)。如打印機(jī)、終端等。以字節(jié)為傳送單位。傳送時(shí)，通道與多個(gè)外設(shè)交叉?zhèn)鬟f，當(dāng)一個(gè)外設(shè)交換一個(gè)字節(jié)后，立即騰出，

6、將通道讓給另一個(gè)設(shè)備使用。主通道：A1B1C1A2B2C2控制器 A控制器 B控制器 C控制器 D控制器 N子通道A： A1A2A3子通道B： B1B2B3子通道C： C1C2C3子通道N： N1N2N3ABCDN設(shè)備通道的連接方式通道的連接方式計(jì)算機(jī)I/O通道1I/O通道2設(shè)備設(shè)備設(shè)備設(shè)備控制器1控制器2l單通路單通路l多通路多通路設(shè)備與計(jì)算機(jī)之間有多條通道，增加靈活性。增強(qiáng)可靠性。某通道、控制器壞，也不會(huì)影響數(shù)據(jù)交換。設(shè)備1設(shè)備2設(shè)備3設(shè)備4設(shè)備5設(shè)備6設(shè)備7控制器1控制器2控制器3控制器4通道1通道2存儲(chǔ)器6.2 I/O控制方式控制方式 I/O數(shù)據(jù)控制方式的發(fā)展經(jīng)歷了四個(gè)階段l程序直接控

7、制方式程序直接控制方式l中斷驅(qū)動(dòng)方式中斷驅(qū)動(dòng)方式lDMA控制方式控制方式l通道方式通道方式在I/O控制的整個(gè)發(fā)展過(guò)程中，始終貫穿著一條宗旨，盡量減少主機(jī)對(duì)I/O控制的干預(yù)，把主機(jī)從繁雜的I/O控制事物中解脫出來(lái)，以更多地去完成數(shù)據(jù)處理任務(wù)。程序直接控制方式程序直接控制方式忙忙等待方式等待方式缺點(diǎn)缺點(diǎn) lCPU與外設(shè)只能串行工作。lCPU在一段時(shí)間內(nèi)只能與一臺(tái)外設(shè)交換數(shù)據(jù)信息。l無(wú)法發(fā)現(xiàn)和處理由于設(shè)備和其它硬件所產(chǎn)生的錯(cuò)誤。發(fā)指令啟動(dòng)外設(shè)設(shè)備的標(biāo)志位=0等待進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送CPU是否接到啟動(dòng)命令準(zhǔn)備完畢標(biāo)志位置0等待CPU的下條指令外設(shè)是否做數(shù)據(jù)傳送準(zhǔn)備（a）（b）中斷驅(qū)動(dòng)方式中斷驅(qū)動(dòng)方式中斷方式缺

8、點(diǎn)中斷方式缺點(diǎn)l中斷的次數(shù)過(guò)多。l 中斷次數(shù)的急劇增加會(huì)造成CPU無(wú)法及時(shí)響應(yīng)中斷，出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象。DMA控制方式控制方式中斷方式比程序I/O方式有效，但它是以字節(jié)為單位進(jìn)行的，每傳送一個(gè)字節(jié)，控制器便向CPU請(qǐng)求一次中斷，如果將這種方式用于塊設(shè)備的I/O，顯然是低效的。例如要讀1KB的數(shù)據(jù)塊，需要中斷1K次CPU。為了減少CPU對(duì)I/O的干預(yù)，引入DMA方式。該方式的特點(diǎn)為：l數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕締挝皇菙?shù)據(jù)塊數(shù)據(jù)塊。l所傳送的數(shù)據(jù)是從設(shè)備直接送入內(nèi)存的。l僅在傳送一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)塊的開(kāi)始或結(jié)束時(shí)，才需CPU干預(yù)，整塊數(shù)據(jù)的傳送是在控制器的控制下完成的。DMA控制器的組成控制器的組成增加兩類寄存器：

9、l內(nèi)存地址寄存器MARl數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)器DCPU控制器控制/狀態(tài)寄存器內(nèi)存地址寄存器忙/閑位中斷位開(kāi)始中斷數(shù)據(jù)線信號(hào)線數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)器內(nèi)存CountDMA工作過(guò)程工作過(guò)程存儲(chǔ)器地址增1數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)器減1挪用存儲(chǔ)器周期傳送數(shù)據(jù)字開(kāi)始設(shè)置MAR和DC的初值啟動(dòng)DMA傳送命令DC=0？是在繼續(xù)執(zhí)行用戶程序的同時(shí)，準(zhǔn)備又一次傳送請(qǐng)求中斷否當(dāng)CPU需要從磁盤(pán)讀數(shù)據(jù)時(shí)，便向磁盤(pán)控制器DMA發(fā)命令，該命令送命令寄存器CR，將內(nèi)存地址送內(nèi)存地址寄存器MAR，本次要讀的字節(jié)數(shù)送數(shù)據(jù)寄存器DC。啟動(dòng)DMA后，CPU干其他的事情，數(shù)據(jù)傳送在DMA的控制下完成。通道方式通道方式lDMA方式比中斷方式、程序I/O方式以顯著地

10、減少了CPU的干預(yù)，即從字節(jié)為單位的干預(yù)減少到以數(shù)據(jù)塊為單位的干預(yù)。lI/O通道方式是DMA方式的發(fā)展，把以數(shù)據(jù)塊為單位的干預(yù)，減少到對(duì)一組數(shù)據(jù)塊為單位的干預(yù)。l在DMA方式中，每發(fā)出一個(gè)I/O指令，能讀（寫(xiě)）一個(gè)連續(xù)的數(shù)據(jù)塊，當(dāng)需要一次去讀多個(gè)離散的數(shù)據(jù)塊且將它們分別傳送到不同的內(nèi)存區(qū)域時(shí)，則需多條I/O指令和多次中斷，而通道只需一次即可完成。l通道有一系列通道指令構(gòu)成。通道指令的格式：操作碼規(guī)定了指令所要執(zhí)行的操作，如讀、寫(xiě)等。計(jì)數(shù)表示本條指令要讀（寫(xiě)）數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)。內(nèi)存地址數(shù)據(jù)要送入的內(nèi)存地址或從內(nèi)存何處取出數(shù)據(jù)。通道程序結(jié)束位P表示通道程序是否結(jié)束。P=1表示本條指令是通道程序的最后一

11、條指令。記錄結(jié)束位RR=0表示本條通道指令與下一條通道指令所處理的數(shù)據(jù)屬于一個(gè)記錄，R=1表示該指令處理的數(shù)據(jù)是最后一條記錄。通道指令通道指令下面示出了一個(gè)由六條通道指令所構(gòu)成的簡(jiǎn)單的通道程序。該程序的功能是將內(nèi)存中不同地址的數(shù)據(jù)寫(xiě)成多個(gè)記錄。其中，前三條指令是分別將813892單元中的80個(gè)字符和10341173單元中的140個(gè)字符及58305889單元中的60個(gè)字符寫(xiě)成一個(gè)記錄；第4條指令是單獨(dú)寫(xiě)一個(gè)具有300個(gè)字符的記錄；第5、6條指令共寫(xiě)含500個(gè)字符的記錄。 操 作 P R 計(jì) 數(shù) 內(nèi) 存 地 址 WRITE 0 0 80 813 WRITE 0 0 140 1034 WRITE 0

12、 1 60 5830 WRITE 0 1 300 2000 WRITE 0 0 250 1650 WRITE 1 1 250 2720 6.3 I/O系統(tǒng)系統(tǒng)lI/O系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)設(shè)備分配考慮因素設(shè)備分配考慮因素l設(shè)備固有屬性設(shè)備固有屬性獨(dú)占設(shè)備共享設(shè)備虛擬設(shè)備l設(shè)備分配中的安全性設(shè)備分配中的安全性安全分配方式（單請(qǐng)求方式）不安全分配方式設(shè)備的獨(dú)立性設(shè)備的獨(dú)立性l設(shè)備獨(dú)立性設(shè)備獨(dú)立性也稱設(shè)備無(wú)關(guān)性指用戶程序獨(dú)立于具體物理設(shè)備。即用戶只需說(shuō)明使用哪類設(shè)備，如打印機(jī)或顯示器（邏輯設(shè)備名），無(wú)需指定某個(gè)具體設(shè)備（物理設(shè)備名）。操作系統(tǒng)統(tǒng)一合理地進(jìn)行設(shè)備分配。l設(shè)備獨(dú)立性的優(yōu)點(diǎn)設(shè)備獨(dú)立性的優(yōu)

13、點(diǎn)設(shè)備分配時(shí)的靈活性易于實(shí)現(xiàn)I/O重定向l設(shè)備獨(dú)立性的實(shí)現(xiàn)設(shè)備獨(dú)立性的實(shí)現(xiàn)邏輯設(shè)備表邏輯設(shè)備表操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)邏輯設(shè)備到物理設(shè)備的轉(zhuǎn)換。邏輯設(shè)備表邏輯設(shè)備表（Logical Unit Table，LUT） 邏輯設(shè)備名 物理設(shè)備名 驅(qū)動(dòng)程序入口地址/dev/print 3 2056/dev/tty 5 1034邏輯設(shè)備表邏輯設(shè)備表LUT的設(shè)置：的設(shè)置：l整個(gè)系統(tǒng)一張（單用戶系統(tǒng)）l一個(gè)用戶一張（多用戶系統(tǒng)）設(shè)備分配用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)備分配用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)備等待隊(duì)列尾指針設(shè)備類型設(shè)備標(biāo)識(shí)COCT指針設(shè)備等待隊(duì)列首指針設(shè)備忙/閑標(biāo)記設(shè)備控制表控制器等待隊(duì)列尾指針控制器標(biāo)識(shí)CHCT指針控制器等待隊(duì)列首指針控制器忙/

14、閑標(biāo)記控制器控制表通道等待隊(duì)列尾指針通道標(biāo)識(shí)通道等待隊(duì)列首指針通道忙/閑標(biāo)記通道控制表DCT指針設(shè)備類型獲得設(shè)備的進(jìn)程號(hào)設(shè)備標(biāo)識(shí)系統(tǒng)設(shè)備表表項(xiàng)1表項(xiàng)i（a）（b）（c）（d）l設(shè)備控制表DCT （每個(gè)設(shè)備一張）l控制器控制表COCT （每個(gè)控制器一張）l通道控制表CHCT （每個(gè)通道一張）l系統(tǒng)設(shè)備表SDT （整個(gè)系統(tǒng)一張）設(shè)備分配程序設(shè)備分配程序單通路情況下的設(shè)備分配程序開(kāi)始查SDT，找到DCTDCT.busy=1計(jì)算安全性安全嗎？由DCT找到COCTCOCT.busy=1由COCT找到CHCTCHCT.busy=1啟動(dòng)I/O設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束將進(jìn)程阻塞在等待該通道的等待隊(duì)列上將進(jìn)程阻塞在

15、等待該控制器的等待隊(duì)列上將進(jìn)程阻塞在等待該設(shè)備的等待隊(duì)列上將進(jìn)程阻塞在等待該設(shè)備的等待隊(duì)列上是否是否是否否是SPOOLing技術(shù)技術(shù)Simultanczus Periphernal Operations On -Line輸入緩沖區(qū)輸出緩沖區(qū)輸入進(jìn)程SPi輸出進(jìn)程SPo輸入井輸出井磁盤(pán)內(nèi)存輸入設(shè)備輸出設(shè)備SPOOLing的系統(tǒng)組成：的系統(tǒng)組成：輸入井和輸出井輸入緩沖區(qū)和輸出緩沖區(qū)輸入進(jìn)程SPi和輸出進(jìn)程SPo圖4脫機(jī)I/O示意圖 輸入設(shè)備外圍機(jī)磁盤(pán)主機(jī)外圍機(jī)輸出設(shè)備28磁帶回顧：脫機(jī)輸入回顧：脫機(jī)輸入/輸出輸出(Off-Line I/O)技術(shù)技術(shù)輸入輸出機(jī)用用SPOOLing技術(shù)共享打印機(jī)技術(shù)共

16、享打印機(jī)打印機(jī)是經(jīng)常要用的輸出設(shè)備，屬于獨(dú)占設(shè)備。利用SPOOLing 技術(shù)，可將它改造為一臺(tái)供多用戶共享的設(shè)備，從而提高了設(shè)備的利用率。具體過(guò)程：l1用戶要求打印l2輸出進(jìn)程SPO在“輸出井”為之申請(qǐng)一空閑盤(pán)區(qū)，并將要求打印的數(shù)據(jù)送入其中。l3SPO為用戶進(jìn)程申請(qǐng)“用戶請(qǐng)求打印表”，將打印要求填入其中，并將該表掛到請(qǐng)求打印隊(duì)列上。l4打印機(jī)空閑時(shí)， SPO從打印隊(duì)列上取出一張“請(qǐng)求打印表”將要打印數(shù)據(jù)從“輸出井”送到內(nèi)存“輸出緩沖區(qū)”，由打印機(jī)進(jìn)行打印。l5重復(fù)4。SPOOLing特點(diǎn)：特點(diǎn)：提高I/O速度；將獨(dú)占設(shè)備改造為共享設(shè)備實(shí)現(xiàn)虛擬設(shè)備功能舉例：打印機(jī)設(shè)備和可由打印機(jī)管理器管理的打印

17、作業(yè)隊(duì)列。如:應(yīng)用程序直接向針式打印機(jī)輸出需要15分鐘，而像打印作業(yè)隊(duì)列輸出只需要1分鐘，此后用戶可以關(guān)閉應(yīng)用程序而轉(zhuǎn)入其他工作，在以后適當(dāng)?shù)臅r(shí)候由打印機(jī)管理器完成15分鐘的打印輸出而無(wú)須用戶干預(yù)。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序l設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的功能：設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的功能：l向有關(guān)I/O設(shè)備的控制器（中的控制/狀態(tài)寄存器）發(fā)出控制命令，監(jiān)督它們的正確執(zhí)行，并進(jìn)行必要的錯(cuò)誤處理。l對(duì)等待各種設(shè)備、控制器和通道的進(jìn)程進(jìn)行排隊(duì)。l執(zhí)行比寄存器級(jí)別更高的一些特殊處理，如代碼轉(zhuǎn)換、退出處理等。l設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的特點(diǎn)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的特點(diǎn)不同類型的設(shè)備配置不同的驅(qū)動(dòng)程序。由于驅(qū)動(dòng)程序與硬件緊密相關(guān)，常用匯編語(yǔ)言寫(xiě)。驅(qū)動(dòng)程

18、序的結(jié)構(gòu)與I/O設(shè)備的硬件特性緊密相關(guān)。中斷中斷l(xiāng)中斷中斷是指在計(jì)算機(jī)執(zhí)行期間，系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生任何非尋常和非預(yù)期的急需處理事件，使得CPU暫時(shí)中斷當(dāng)前正在執(zhí)行的程序，而轉(zhuǎn)去執(zhí)行相應(yīng)的事件處理程序，待處理完畢后又返回原來(lái)被中斷處，繼續(xù)執(zhí)行或調(diào)度新的進(jìn)程執(zhí)行的過(guò)程。l禁止中斷禁止中斷也被稱為關(guān)中斷。PSW的中斷允許位的被重新設(shè)置被稱為開(kāi)中斷。中斷請(qǐng)求、關(guān)中斷和開(kāi)中斷都是由硬件實(shí)現(xiàn)的。l中斷的分類中斷的分類硬中斷l(xiāng)內(nèi)中斷l(xiāng)外中斷軟中斷第二章進(jìn) 程 管 理 禁止中斷（中斷屏蔽方法）禁止中斷（中斷屏蔽方法） 當(dāng)一個(gè)進(jìn)程正在使用處理機(jī)執(zhí)行它的臨界區(qū)代碼時(shí)，要防止其他進(jìn)程再進(jìn)入其臨界區(qū)訪問(wèn)的最簡(jiǎn)單方法是禁止一

19、切中斷發(fā)生，或稱之為屏蔽中斷、關(guān)中斷。其典型模式為：.關(guān)中斷;臨界區(qū);開(kāi)中斷;中斷優(yōu)先級(jí)中斷優(yōu)先級(jí)低優(yōu)先級(jí)高優(yōu)先級(jí)電源故障時(shí)鐘中斷配置文件處理機(jī)內(nèi)部中斷設(shè)備 n設(shè)備 1DPC/dispatchAPC3130272632線程優(yōu)先級(jí)0至31102928硬件中斷軟件中斷按中斷源的輕重緩急，OS對(duì)不同的中斷賦予了不同的優(yōu)先級(jí)。UNIX系統(tǒng)中，外中斷和陷入的優(yōu)先級(jí)共分為8級(jí)。Windows 2000中的中斷優(yōu)先級(jí)分為32級(jí) 所有線程都運(yùn)行在中斷優(yōu)先級(jí)0和1上所有的硬件中斷的優(yōu)先級(jí)都高于軟件中斷中斷處理過(guò)程中斷處理過(guò)程N(yùn)N+1用戶程序中斷服務(wù)子程序處理機(jī)狀態(tài)字 PSW程序計(jì)數(shù)器 PC寄存器 1寄存器 n中

20、斷堆棧檢查CPU響應(yīng)中斷的條件是否滿足。如果CPU響應(yīng)中斷，則須關(guān)中斷，使CPU進(jìn)入不可再次響應(yīng)中斷的狀態(tài)。保存被中斷進(jìn)程的現(xiàn)場(chǎng)。分析中斷原因。執(zhí)行中斷處理子程序?；謴?fù)被中斷進(jìn)程的現(xiàn)場(chǎng)。開(kāi)中斷 。中斷現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)示意圖 6.4 磁盤(pán)管理磁盤(pán)管理l速度是影響文件系統(tǒng)性能的主要因素l提高磁盤(pán)I/O速度的主要途徑：選擇性能好的磁盤(pán)采用好的磁盤(pán)調(diào)度算法設(shè)置磁盤(pán)高速緩沖區(qū)磁盤(pán)性能磁盤(pán)性能影響磁盤(pán)性能的因素：數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)磁盤(pán)的類型磁盤(pán)訪問(wèn)時(shí)間磁盤(pán)結(jié)構(gòu)和管理磁盤(pán)結(jié)構(gòu)和管理l一個(gè)磁盤(pán)含多個(gè)盤(pán)片。l每個(gè)盤(pán)片含兩面。l每面含若干個(gè)磁道。l每條磁道上存儲(chǔ)相同數(shù)目的二進(jìn)制位。l每條磁道又分成若干個(gè)扇區(qū)，一個(gè)扇區(qū)相當(dāng)于一個(gè)盤(pán)

21、塊。l盤(pán)片旋轉(zhuǎn)，當(dāng)磁頭磁頭位于某個(gè)磁道、某個(gè)扇區(qū)下時(shí)，就可將該扇區(qū)的內(nèi)容讀出或?qū)懭?。磁盤(pán)的格式化磁盤(pán)的格式化（低級(jí)格式化）（低級(jí)格式化）例一個(gè)磁道分成30個(gè)固定大小的扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)的容量為600個(gè)字節(jié)，其中512個(gè)字節(jié)存放數(shù)據(jù)，88個(gè)字節(jié)存放控制信息。磁盤(pán)的類型磁盤(pán)的類型l固定頭磁盤(pán)固定頭磁盤(pán)每條磁道上都有一個(gè)讀/寫(xiě)磁頭（大容量磁盤(pán)）l移動(dòng)頭磁盤(pán)移動(dòng)頭磁盤(pán)每個(gè)盤(pán)面僅配一個(gè)讀/寫(xiě)磁頭。即微機(jī)上用的硬盤(pán)（也叫溫切斯特硬盤(pán)）、軟盤(pán)。磁盤(pán)的訪問(wèn)磁盤(pán)的訪問(wèn)rNbTtsnmTstrsaTTTTl尋道時(shí)間尋道時(shí)間Ts：磁頭從當(dāng)前位置移動(dòng)到指定磁道上所經(jīng)歷的時(shí)間。 (s:啟動(dòng)磁盤(pán)時(shí)間、m:常數(shù)=0.3、n:磁

22、道數(shù))Ts：隨尋道距離的增大而增大，約10msl旋轉(zhuǎn)延遲時(shí)間旋轉(zhuǎn)延遲時(shí)間Tr：磁頭找到指定的扇區(qū)所經(jīng)歷的時(shí)間。硬盤(pán)Tr=3ms 軟盤(pán)100msl傳輸時(shí)間傳輸時(shí)間Tt：數(shù)據(jù)從磁盤(pán)讀出，或向磁盤(pán)寫(xiě)入數(shù)據(jù)所經(jīng)歷的時(shí)間。 (r:磁盤(pán)旋轉(zhuǎn)速度 N:一條磁道上的字節(jié)數(shù) b:每次讀寫(xiě)的字節(jié)數(shù))l磁盤(pán)訪問(wèn)時(shí)間磁盤(pán)訪問(wèn)時(shí)間 如何減少磁盤(pán)的訪問(wèn)時(shí)間如何減少磁盤(pán)的訪問(wèn)時(shí)間例2：磁盤(pán)的尋道時(shí)間為10ms，旋轉(zhuǎn)時(shí)間為10000r/min，每個(gè)磁道有320個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)512個(gè)字節(jié)，假設(shè)讀取一個(gè)包含2560個(gè)扇區(qū)的文件，文件的大小是1.3MB現(xiàn)在估計(jì)磁盤(pán)的訪問(wèn)時(shí)間。 (1)若數(shù)據(jù)順序組織：讀第一個(gè)磁道的時(shí)間讀第一個(gè)磁道

23、的時(shí)間如下：Ts+Tr+Tt (讀320個(gè)扇區(qū)時(shí)間) =10ms+3ms +6ms = 19ms如果在讀其余的磁道讀其余的磁道時(shí)，不需尋道，后面每個(gè)磁道的讀取時(shí)間時(shí)間是3+6=9ms，讀取整個(gè)文件總時(shí)間讀取整個(gè)文件總時(shí)間=19+7*9=82ms=0.082s(2)如果采用隨機(jī)訪問(wèn)，也就是說(shuō)，訪問(wèn)隨機(jī)分布在磁盤(pán)上的扇區(qū)。對(duì)于每個(gè)扇區(qū)的訪問(wèn)時(shí)間為： Ts+Tr+Tt (讀一個(gè)扇區(qū)時(shí)間) =10ms+3ms+0.01875ms= 13.01875ms,讀取整個(gè)文件總時(shí)間讀取整個(gè)文件總時(shí)間=2560*13.01875=33328ms=33.328s結(jié)論結(jié)論1：適當(dāng)集中數(shù)據(jù)傳送，有利于提高傳輸速率。適當(dāng)

24、集中數(shù)據(jù)傳送，有利于提高傳輸速率。結(jié)論結(jié)論2：減少磁盤(pán)訪問(wèn)時(shí)間的途徑之二減少磁盤(pán)訪問(wèn)時(shí)間的途徑之二：數(shù)據(jù)盡可能順序組織數(shù)據(jù)盡可能順序組織5545583391918219072160701501038112184146被訪問(wèn)的下 移動(dòng)距離一個(gè)磁道號(hào) （磁道數(shù)）平均尋道長(zhǎng)度：553FCFS調(diào)度算法90105832553391638118201501321601018424被訪問(wèn)的下 移動(dòng)距離一個(gè)磁道號(hào) （磁道數(shù)）平均尋道長(zhǎng)度：275SSTF調(diào)度算法從100#磁道開(kāi)始從100#磁道開(kāi)始磁盤(pán)調(diào)度算法磁盤(pán)調(diào)度算法FCFS：先來(lái)先服務(wù)優(yōu)點(diǎn)：公平、簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)：未對(duì)尋道進(jìn)行優(yōu)化，平均尋道時(shí)間較長(zhǎng)。SSTF先滿

25、足尋道時(shí)間短的進(jìn)程。優(yōu)點(diǎn)：對(duì)尋道優(yōu)化缺點(diǎn)：“饑餓”現(xiàn)象發(fā)生FCFS和和SSTF磁盤(pán)調(diào)度算法磁盤(pán)調(diào)度算法lSCAN算法：算法：對(duì)SSTF算法進(jìn)行改造，不僅考慮要訪問(wèn)的磁道與當(dāng)前磁盤(pán)的距離，更優(yōu)先考慮磁頭的當(dāng)前移動(dòng)方向。因該算法中磁頭的移動(dòng)規(guī)律頗似電梯的運(yùn)行，故稱“電梯調(diào)度算法”。l循環(huán)掃描循環(huán)掃描CSCAN： 對(duì)SCAN進(jìn)行改造，解決進(jìn)程嚴(yán)重延遲現(xiàn)象。內(nèi)外內(nèi)外掃描算法掃描算法磁盤(pán)調(diào)度算法磁盤(pán)調(diào)度算法1505016010184249094583255339163811820被訪問(wèn)的下 移動(dòng)距離一個(gè)磁道號(hào) （磁道數(shù)）平均尋道長(zhǎng)度：278SCAN調(diào)度算法150501601018424181663820

26、39155165839032被訪問(wèn)的下 移動(dòng)距離一個(gè)磁道號(hào) （磁道數(shù)）平均尋道長(zhǎng)度：357CSCAN調(diào)度算法從100#磁道開(kāi)始，向磁道號(hào)增加的方向從100#磁道開(kāi)始，向磁道號(hào)增加的方向SCAN和和CSCAN7.5緩沖管理緩沖管理緩沖的引入緩沖的引入緩和CPU與I/O設(shè)備間速度不匹配的矛盾減少對(duì)CPU的中斷頻率提高CPU和I/O設(shè)備之間的并行性協(xié)調(diào)傳輸數(shù)據(jù)大小不一致的設(shè)備緩沖是在通信問(wèn)題中，為了使通信雙方的速度匹配緩沖是在通信問(wèn)題中，為了使通信雙方的速度匹配而引入的一個(gè)中間層次，這個(gè)層次的速度比通信雙而引入的一個(gè)中間層次，這個(gè)層次的速度比通信雙方中較慢的一方快，而與較快的一方更匹配方中較慢的一方

27、快，而與較快的一方更匹配 。緩沖的設(shè)置緩沖的設(shè)置CACHEI/O設(shè)備或控制器內(nèi)部的純硬件緩沖區(qū)內(nèi)存開(kāi)辟的緩沖區(qū)脫機(jī)I/O技術(shù)和SPOOLing技術(shù)內(nèi)存中的緩沖區(qū)內(nèi)存中的緩沖區(qū)單緩沖單緩沖l若沒(méi)有緩沖區(qū)：從磁盤(pán)把一塊數(shù)據(jù)送入用戶區(qū)，其所花費(fèi)的時(shí)間為T(mén)，CPU對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，其所花費(fèi)的時(shí)間為C，則系統(tǒng)對(duì)整塊數(shù)據(jù)的處理時(shí)間為T(mén)+C（ T與與C串行串行 ）l提供緩沖區(qū)從磁盤(pán)把一塊數(shù)據(jù)送入緩沖區(qū)，其所花費(fèi)的時(shí)間為T(mén)，操作系統(tǒng)將緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)送入用戶區(qū)，花費(fèi)的時(shí)間為M，CPU對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，其所花費(fèi)的時(shí)間為C，則系統(tǒng)對(duì)整塊數(shù)據(jù)的處理時(shí)間為max(C，T)+M(通常M遠(yuǎn)小于T或C) （ T與與C并行并行 ）用

28、戶進(jìn)程輸出設(shè)備緩沖區(qū)操作系統(tǒng)（a）單緩沖問(wèn)題：通常TC,CPU等待雙緩沖雙緩沖用戶進(jìn)程輸出設(shè)備緩沖區(qū)1操作系統(tǒng)（b）雙緩沖緩沖區(qū)2l對(duì)于雙緩沖，先將數(shù)據(jù)輸入到第一個(gè)緩沖區(qū)，l在向第二個(gè)緩沖區(qū)送數(shù)據(jù)的同時(shí)，CPU對(duì)第一個(gè)緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。l因此在有雙緩沖的情況下，系統(tǒng)處理一塊數(shù)據(jù)的時(shí)間為max(C,T)。 l如果CT，CPU就不必等待設(shè)備輸入。問(wèn)題：TC,CPU仍等待循環(huán)緩沖循環(huán)緩沖當(dāng)輸入、輸出的速度基本相匹配時(shí)，可使用雙緩沖，但若兩者的速度相差甚遠(yuǎn)時(shí)，雙緩沖的效果就不太理想，因此可有多緩沖。典型的即生產(chǎn)者和消費(fèi)者問(wèn)題。NextINextGNextICurrentNextG（b）消費(fèi)者調(diào)用G

29、etBuf（a）循環(huán)緩沖緩沖池緩沖池以上的緩沖只能用于某一進(jìn)程，他們屬于專用緩沖。為了提高緩沖區(qū)的利用率，可采用公用緩沖池。三個(gè)緩沖區(qū)鏈組成的隊(duì)列：三個(gè)緩沖區(qū)鏈組成的隊(duì)列：l空緩沖區(qū)隊(duì)列emql輸入隊(duì)列inql輸出隊(duì)列outq緩沖池緩沖池hinhoutsoutsin用戶程序收容輸入提取輸出提取輸入收容輸出緩沖池四種工作緩沖區(qū)：l用于收容輸入數(shù)據(jù)的工作緩沖區(qū)hinl用于提取輸入數(shù)據(jù)的工作緩沖區(qū)sinl用于收容輸出數(shù)據(jù)的工作緩沖區(qū)houtl用于提取輸出數(shù)據(jù)的工作緩沖區(qū)sout緩沖池管理的緩沖池管理的兩個(gè)過(guò)程兩個(gè)過(guò)程GetBuf和和PutBuf Procedure Putbuf(type,numbe

30、r) wait(MS(type); Addbuf(type,number);Signal(MS(type);Signal(RS(type);Procedure Getbuf(type) wait(RS(type); /同步信號(hào)燈同步信號(hào)燈wait(MS(type); /互斥信號(hào)燈互斥信號(hào)燈B(number)=Takebuf(type);/從隊(duì)列中摘取一緩沖區(qū)從隊(duì)列中摘取一緩沖區(qū)Signal(MS(type);l對(duì)三個(gè)隊(duì)列的操作是類似的，主要有兩個(gè)操作： l AddBuf(Type,number)：將由number指向的緩沖區(qū)掛在某個(gè)隊(duì)列Type l TakeBuf(Type)：從Type指示的某個(gè)隊(duì)列上，摘下一個(gè)緩沖區(qū)。l實(shí)現(xiàn)互斥和同步，系統(tǒng)設(shè)置兩個(gè)過(guò)程：GetBuf和PutBuf。 緩沖池管理的工作方式緩沖池管理的工作方式l收容輸入