6-2設(shè)備控制使用方法

1、第十五講 設(shè)備管理、磁盤(pán)設(shè)備目的與要求：了解設(shè)備管理子系統(tǒng)的層次，功能及技術(shù)、了解磁盤(pán)設(shè)備。重點(diǎn)與難點(diǎn)：層次構(gòu)造；設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序；緩沖技術(shù)；磁盤(pán)調(diào)度的方法；盤(pán)陣選擇。作業(yè)： 6，8，11，16，18.6.2.2 輸入輸出層次構(gòu)造 通常，操作系統(tǒng)將設(shè)備管理系統(tǒng)劃分并組織成三個(gè)層次： 用戶(hù)層I/O 設(shè)備無(wú)關(guān)的I/O 設(shè)備驅(qū)動(dòng)及中斷處置用戶(hù)層I/O設(shè)備驅(qū)動(dòng)及中斷處置硬件系統(tǒng)調(diào)用接口，設(shè)備無(wú)關(guān)的操作系統(tǒng)軟件.用戶(hù)進(jìn)程用戶(hù)層I/O設(shè)備無(wú)關(guān)的I/O設(shè)備驅(qū)動(dòng)及中斷處置硬件設(shè)備管理子系統(tǒng)邏輯構(gòu)造圖中心態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn).用戶(hù)程序規(guī)范C庫(kù)I/O函數(shù)內(nèi)核總控系統(tǒng)調(diào)用途置總控Write處置(文件系統(tǒng)、TCP/IP)磁盤(pán)控制器/網(wǎng)

2、卡盤(pán)/網(wǎng)卡中斷處置用戶(hù)態(tài)中心態(tài)異步伐用接口磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)程序/網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)調(diào)用各模塊關(guān)系圖系統(tǒng)調(diào)用接口用戶(hù)程序.一、用戶(hù)層I/O 這一層與設(shè)備的控制細(xì)節(jié)無(wú)關(guān)，不直接與設(shè)備打交道。 它將設(shè)備(或在設(shè)備上的邏輯對(duì)象看作邏輯資源，為用戶(hù)進(jìn)程提供各類(lèi)I/O函數(shù)。用戶(hù)以設(shè)備標(biāo)識(shí)符和一些簡(jiǎn)單的函數(shù)來(lái)運(yùn)用設(shè)備，如翻開(kāi)、封鎖、讀、寫(xiě)等。 如C庫(kù)中的函數(shù)fopen(); fread(); fwrite(); fclose()等 。.二、設(shè)備無(wú)關(guān)的I/O 這一層的根本功能：執(zhí)行適用于一切設(shè)備的公共I/O功能，并向其上層提供一致的系統(tǒng)調(diào)用接口。主要義務(wù)： 設(shè)備命名及與設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的映射。在UNIX中，如/dev/tty0

3、0獨(dú)一地確定了一個(gè)inode數(shù)據(jù)構(gòu)造，其中包含了主設(shè)備號(hào)，經(jīng)過(guò)主設(shè)備號(hào)可以找到相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。 設(shè)備訪問(wèn)維護(hù)。 分配及釋放獨(dú)占型設(shè)備。 設(shè)備I/O數(shù)據(jù)緩沖機(jī)制。 文件系統(tǒng)功能、TCP/IP協(xié)議等(支持設(shè)備上的邏輯存儲(chǔ)、通訊對(duì)象.三、設(shè)備驅(qū)動(dòng)與中斷處置 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序 包括了一切與設(shè)備相關(guān)的代碼，其功能是從與設(shè)備無(wú)關(guān)的軟件中接納I/O的懇求，排入懇求隊(duì)列或執(zhí)行之。 中斷處置 當(dāng)進(jìn)程進(jìn)展I/O操作時(shí)，將其阻塞至I/O操作終了并發(fā)生中斷。中斷發(fā)生時(shí)，由中斷處置程序啟動(dòng)懇求排隊(duì)的下一懇求假設(shè)有并解除等I/O進(jìn)程的阻塞形狀，使其可以繼續(xù)執(zhí)行。 .6.2.3. 緩沖技術(shù)一、單緩沖 當(dāng)用戶(hù)進(jìn)程發(fā)出I/O懇

4、求時(shí)，操作系統(tǒng)在主存的系統(tǒng)空間為該操作分配一個(gè)緩沖區(qū)，可以實(shí)現(xiàn)預(yù)讀和滯后寫(xiě)。在進(jìn)程數(shù)據(jù)區(qū)與外設(shè)之間設(shè)立緩沖區(qū)可以改善進(jìn)程運(yùn)轉(zhuǎn)速度與I/O傳輸速度之間的速差矛盾。.二、雙緩沖 可以實(shí)現(xiàn)用戶(hù)數(shù)據(jù)區(qū)緩沖區(qū)之間交換數(shù)據(jù)和緩沖區(qū)外設(shè)之間交換數(shù)據(jù)并行。三、循環(huán)緩沖 引入系統(tǒng)緩沖池，采用有限緩沖區(qū)的消費(fèi)者/消費(fèi)者模型對(duì)緩沖池中的緩沖區(qū)進(jìn)展循環(huán)運(yùn)用。 緩沖區(qū)結(jié)合預(yù)讀和滯后寫(xiě)技術(shù)對(duì)具有反復(fù)性及陣發(fā)性I/O進(jìn)程提高I/O速度很有協(xié)助。.緩沖A緩沖G緩沖E緩沖C緩沖B緩沖D緩沖F緩沖HHash表方式的設(shè)備緩沖隊(duì)列空閑隊(duì)列頭 緩沖區(qū)管理例如.6.2.4.設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序 一設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序接口函數(shù)驅(qū)動(dòng)程序初始化函數(shù)：這個(gè)函數(shù)

5、是為了使驅(qū)動(dòng)程序其它函數(shù)能被上層正常調(diào)用，而做一些針對(duì)驅(qū)動(dòng)程序本身的初始化任務(wù)。如向操作系統(tǒng)登記該驅(qū)動(dòng)程序的接口函數(shù)，該初始化函數(shù)在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)或驅(qū)動(dòng)程序安裝入內(nèi)核時(shí)執(zhí)行。驅(qū)動(dòng)程序卸載函數(shù)：是驅(qū)動(dòng)程序初始化函數(shù)的逆過(guò)程，在支持驅(qū)動(dòng)程序可動(dòng)態(tài)加載卸載的系統(tǒng)中才需求。 懇求設(shè)備函數(shù)：該函數(shù)懇求一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序所管理的設(shè)備，按照設(shè)備特性進(jìn)展獨(dú)占式占用或者分時(shí)共享式占用，假設(shè)是獨(dú)占式懇求勝利還應(yīng)該對(duì)設(shè)備做初始化任務(wù)。 釋放設(shè)備函數(shù)：是懇求設(shè)備函數(shù)的逆過(guò)程。 .IO操作函數(shù)：這個(gè)函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的IO。假設(shè)對(duì)獨(dú)占型設(shè)備，包含了啟動(dòng)IO的指令，對(duì)分時(shí)共享型設(shè)備，該函數(shù)通常將IO懇求構(gòu)成一個(gè)懇求包，將其排到設(shè)備懇求

6、隊(duì)列，假設(shè)懇求隊(duì)列空，那么直接啟動(dòng)設(shè)備。中斷處置函數(shù)：這個(gè)函數(shù)在設(shè)備IO完成時(shí)向CPU發(fā)中斷后被調(diào)用。該函數(shù)對(duì)IO完成作善后處置，普通是找到等待剛完成IO懇求的阻塞進(jìn)程，將其就緒，使其能進(jìn)一步作后續(xù)任務(wù)。假設(shè)存在IO懇求隊(duì)列，那么啟動(dòng)下一個(gè)IO懇求。.5.設(shè)備管理有關(guān)的數(shù)據(jù)構(gòu)造描畫(huà)設(shè)備、控制器等部件的表格。系統(tǒng)中經(jīng)常為每一個(gè)部件、每一臺(tái)設(shè)備分別設(shè)置一張表格，常稱(chēng)為部件控制塊或設(shè)備表。這類(lèi)表格詳細(xì)描畫(huà)設(shè)備的類(lèi)型、標(biāo)識(shí)符、進(jìn)展形狀，以及當(dāng)前運(yùn)用者的進(jìn)程標(biāo)識(shí)符等。建立同類(lèi)資源的隊(duì)列。系統(tǒng)為了方便對(duì)I/O設(shè)備的分配管理，通常在設(shè)備表的根底上經(jīng)過(guò)指針將一樣物理屬性的設(shè)備聯(lián)成隊(duì)列稱(chēng)設(shè)備隊(duì)列。面向進(jìn)程I/O

7、懇求的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)構(gòu)造。每當(dāng)進(jìn)程發(fā)出塊I/O懇求時(shí)，系統(tǒng)建立一張表格稱(chēng)I/O懇求包。將此次I/O懇求的參數(shù)填入表中，同時(shí)也將該I/O有關(guān)的系統(tǒng)緩沖區(qū)地址等信息填入表中。I/O懇求包隨著I/O的完成而刪除。建立I/O隊(duì)列。如懇求包隊(duì)列 。.設(shè)備表設(shè)備表設(shè)備表懇求包懇求包設(shè)備管理有關(guān)數(shù)據(jù)構(gòu)造關(guān)系 .63存儲(chǔ)設(shè)備6.3.1.常見(jiàn)存儲(chǔ)外設(shè) 磁盤(pán) 數(shù)據(jù)組織 (一個(gè)磁盤(pán)有多個(gè)盤(pán)面組成，盤(pán)面有同心圓磁道組成，磁道由扇區(qū)組成，扇區(qū)為根本傳輸單位 物理特性 單磁頭，多磁頭.存取安裝主軸動(dòng)臂盤(pán)片柱面磁道讀寫(xiě)頭多磁頭活動(dòng)頭盤(pán)表示圖 . 光學(xué)存儲(chǔ)設(shè)備 CD-ROM CD-R,CD-RW.6.3.2 .磁盤(pán)調(diào)度磁盤(pán)地址：設(shè)

8、備號(hào)+柱面號(hào)+盤(pán)面號(hào)+扇區(qū)號(hào) 讀寫(xiě)一次磁盤(pán)信息所需的時(shí)間可分解為：尋覓時(shí)間、延遲時(shí)間、傳輸時(shí)間 為提高磁盤(pán)傳輸效率，軟件應(yīng)著重思索減少尋覓時(shí)間和延遲時(shí)間.一、減少尋覓時(shí)間的方法 減少尋覓時(shí)間是提高磁盤(pán)傳輸效率的關(guān)鍵。由于“尋覓時(shí)間在幾十毫秒時(shí)間量級(jí)。 操作系統(tǒng)磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)程序可以經(jīng)過(guò)合理調(diào)度多道進(jìn)程對(duì)磁盤(pán)的訪問(wèn)懇求順序，到達(dá)減少磁盤(pán)平均效力時(shí)間的目的。.調(diào)度戰(zhàn)略： FCFSFirst Come First Served SSTFShortest Seek Time First SCAN調(diào)度(電梯調(diào)度法 C-SCAN調(diào)度一個(gè)方向呼應(yīng)懇求 LOOK調(diào)度、 C-LOOK調(diào)度是scan和c-scan的改良

9、.二、減少延遲時(shí)間的方法普通常將盤(pán)面扇區(qū)交替編號(hào)；磁盤(pán)迭中不同盤(pán)面錯(cuò)開(kāi)命名。 04157362704136253704625163702514.6.3.3.盤(pán)陣經(jīng)過(guò)冗余提高可靠性 ：如建立鏡像盤(pán)。經(jīng)過(guò)并行性提高性能 ：如將原來(lái)在一個(gè)物理盤(pán)延續(xù)的數(shù)據(jù)分條分布到多盤(pán)。aAA為a的備份abcdefghijklmnopqrstaeimqbfjnrcgkosdhlpt將數(shù)據(jù)分布到多個(gè)盤(pán)中.RAID級(jí)別RAID級(jí)別0：指用到塊級(jí)條帶化的磁盤(pán)陣列。RAID級(jí)別1：指磁盤(pán)鏡像。 冗余 (a)RAID 0: 無(wú)冗余條帶化 (b)RAID1: 鏡像磁盤(pán) C .RAID級(jí)別0+1：是指RAID級(jí)別0和1的結(jié)合。RA

10、ID0 提供性能，RAID1提供可靠性。它通常用于性能和可靠性都很重要的環(huán)境中。RAID級(jí)別1+0，其中磁盤(pán)被鏡像成對(duì)，然后最后所得到的鏡像對(duì)被條帶化。這種RAID比起RAID0+1有實(shí)際上的優(yōu)勢(shì)。例如，假設(shè)在RAID0+1中單獨(dú)一個(gè)磁盤(pán)失效，其他盤(pán)上的對(duì)應(yīng)條帶都不可訪問(wèn)。對(duì)于RAID1+0中的一個(gè)磁盤(pán)失效，這個(gè)單獨(dú)的磁盤(pán)不可用，但它的鏡像盤(pán)依然可用。.RAID級(jí)別2：RAID級(jí)別2也叫做存儲(chǔ)類(lèi)型校驗(yàn)碼ECC構(gòu)造。單個(gè)位的錯(cuò)誤被存儲(chǔ)器系統(tǒng)檢測(cè)出來(lái)。錯(cuò)誤校驗(yàn)方案存儲(chǔ)兩個(gè)或更多額外的位，可在單個(gè)位被破壞時(shí)重建數(shù)據(jù)。RAID級(jí)別3：稱(chēng)為bit-interleaved奇偶校驗(yàn)構(gòu)造，在級(jí)別2上進(jìn)展了改善，磁盤(pán)控制器可以檢測(cè)扇區(qū)能否被正確讀，因此一個(gè)單獨(dú)的奇偶校驗(yàn)位可用來(lái)進(jìn)展錯(cuò)誤校驗(yàn)，也可以用于檢測(cè)。RAID級(jí)別4：稱(chēng)為block-interleaved奇偶校驗(yàn)構(gòu)造，運(yùn)用塊級(jí)條帶化，像在RAID0中一樣，此外，對(duì)于N個(gè)磁盤(pán)上的對(duì)應(yīng)塊，在另外單獨(dú)的磁盤(pán)上保管奇偶校驗(yàn)塊。.RAID級(jí)別5：稱(chēng)為block-interleaved分布式奇偶校驗(yàn)，與級(jí)別4不同在于，把數(shù)據(jù)和奇偶校驗(yàn)分布到一切的N+1