設(shè)備管理I-O設(shè)備

第五章設(shè)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(shè)備分配5.5設(shè)備處理5.6磁盤存儲(chǔ)器管理第一頁(yè)，共八十一頁(yè)。5.1I/O系統(tǒng)5.1.1I/O設(shè)備1.I/O設(shè)備的類型1)按傳輸速率分類按傳輸速度的高低，可將I/O設(shè)備分為三類。第一類是低速設(shè)備，這是指其傳輸速率僅為每秒鐘幾個(gè)字節(jié)至數(shù)百個(gè)字節(jié)的一類設(shè)備。屬于低速設(shè)備的典型設(shè)備有鍵盤、鼠標(biāo)器、語(yǔ)音的輸入和輸出等設(shè)備。第二類是中速設(shè)備，這是指其傳輸速率在每秒鐘數(shù)千個(gè)字節(jié)至數(shù)萬(wàn)個(gè)字節(jié)的一類設(shè)備。典型的中速設(shè)備有行式打印機(jī)、激光打印機(jī)等。第三類是高速設(shè)備，這是指其傳輸速率在數(shù)百千個(gè)字節(jié)至數(shù)十兆字節(jié)的一類設(shè)備。典型的高速設(shè)備有磁帶機(jī)、磁盤機(jī)、光盤機(jī)等。第二頁(yè)，共八十一頁(yè)。2)按信息交換的單位分類可將I/O設(shè)備分成兩類。第一類是塊設(shè)備(BlockDevice)，這類設(shè)備用于存儲(chǔ)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(jié)構(gòu)設(shè)備。典型的塊設(shè)備是磁盤，每個(gè)盤塊的大小為512B~4KB。磁盤設(shè)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(duì)它可隨機(jī)地讀/寫任一塊；此外，磁盤設(shè)備的I/O常采用DMA方式。第二類是字符設(shè)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(shè)備。第三頁(yè)，共八十一頁(yè)。3)按設(shè)備的共享屬性分類這種分類方式可將I/O設(shè)備分為如下三類：獨(dú)占設(shè)備。(2)共享設(shè)備。(3)虛擬設(shè)備。第四頁(yè)，共八十一頁(yè)。2.設(shè)備與控制器之間的接口圖5-1設(shè)備與控制器間的接口第五頁(yè)，共八十一頁(yè)。5.1.2設(shè)備控制器1.設(shè)備控制器的基本功能接收和識(shí)別命令2)數(shù)據(jù)交換3)標(biāo)識(shí)和報(bào)告設(shè)備的狀態(tài)4)地址識(shí)別5)數(shù)據(jù)緩沖6)差錯(cuò)控制第六頁(yè)，共八十一頁(yè)。2.設(shè)備控制器的組成圖5-2設(shè)備控制器的組成第七頁(yè)，共八十一頁(yè)。5.1.3I/O通道1.I/O通道(I/OChannel)設(shè)備的引入實(shí)際上，I/O通道是一種特殊的處理機(jī)。它具有執(zhí)行I/O指令的能力，并通過(guò)執(zhí)行通道(I/O)程序來(lái)控制I/O操作。但I(xiàn)/O通道又與一般的處理機(jī)不同，主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：一是其指令類型單一，這是由于通道硬件比較簡(jiǎn)單，其所能執(zhí)行的命令，主要局限于與I/O操作有關(guān)的指令；再就是通道沒(méi)有自己的內(nèi)存，通道所執(zhí)行的通道程序是放在主機(jī)的內(nèi)存中的，換言之，是通道與CPU共享內(nèi)存。第八頁(yè)，共八十一頁(yè)。2.通道類型1)字節(jié)多路通道(ByteMultiplexorChannel)圖5-3字節(jié)多路通道的工作原理第九頁(yè)，共八十一頁(yè)。2)數(shù)組選擇通道(BlockSelectorChannel)字節(jié)多路通道不適于連接高速設(shè)備，這推動(dòng)了按數(shù)組方式進(jìn)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(tái)高速設(shè)備，但由于它只含有一個(gè)分配型子通道，在一段時(shí)間內(nèi)只能執(zhí)行一道通道程序，控制一臺(tái)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，致使當(dāng)某臺(tái)設(shè)備占用了該通道后，便一直由它獨(dú)占，即使是它無(wú)數(shù)據(jù)傳送，通道被閑置，也不允許其它設(shè)備使用該通道，直至該設(shè)備傳送完畢釋放該通道。可見，這種通道的利用率很低。第十頁(yè)，共八十一頁(yè)。3)數(shù)組多路通道(BlockMultiplexorChannel)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(gè)設(shè)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(shè)備)分時(shí)并行操作的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合而形成的一種新通道。它含有多個(gè)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(tái)高、中速的外圍設(shè)備，其數(shù)據(jù)傳送是按數(shù)組方式進(jìn)行的。第十一頁(yè)，共八十一頁(yè)。3.“瓶頸”問(wèn)題圖5-4單通路I/O系統(tǒng)第十二頁(yè)，共八十一頁(yè)。圖5-5多通路I/O系統(tǒng)第十三頁(yè)，共八十一頁(yè)。5.1.4總線系統(tǒng)圖5-6總線型I/O系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第十四頁(yè)，共八十一頁(yè)。1.ISA和EISA總線1)ISA(IndustryStandardArchitecture)總線這是為了1984年推出的80286型微機(jī)而設(shè)計(jì)的總線結(jié)構(gòu)。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(tái)設(shè)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(kuò)展ISA(EISA)總線，其帶寬為32位，總線的傳輸速率高達(dá)32Mb/s，同樣可以連接12臺(tái)外部設(shè)備。第十五頁(yè)，共八十一頁(yè)。2.局部總線(LocalBus)VESA(VideoElectronicStandardAssociation)總線2)PCI(PeripheralComponentInterface)總線第十六頁(yè)，共八十一頁(yè)。5.2I/O控制方式5.2.1程序I/O方式在程序I/O方式中，由于CPU的高速性和I/O設(shè)備的低速性，致使CPU的絕大部分時(shí)間都處于等待I/O設(shè)備完成數(shù)據(jù)I/O的循環(huán)測(cè)試中，造成對(duì)CPU的極大浪費(fèi)。在該方式中，CPU之所以要不斷地測(cè)試I/O設(shè)備的狀態(tài)，就是因?yàn)樵贑PU中無(wú)中斷機(jī)構(gòu)，使I/O設(shè)備無(wú)法向CPU報(bào)告它已完成了一個(gè)字符的輸入操作。第十七頁(yè)，共八十一頁(yè)。圖5-7程序I/O和中斷驅(qū)動(dòng)方式的流程第十八頁(yè)，共八十一頁(yè)。5.2.2中斷驅(qū)動(dòng)I/O控制方式在I/O設(shè)備輸入每個(gè)數(shù)據(jù)的過(guò)程中，由于無(wú)須CPU干預(yù)，因而可使CPU與I/O設(shè)備并行工作。僅當(dāng)輸完一個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，才需CPU花費(fèi)極短的時(shí)間去做些中斷處理?？梢?，這樣可使CPU和I/O設(shè)備都處于忙碌狀態(tài)，從而提高了整個(gè)系統(tǒng)的資源利用率及吞吐量。例如，從終端輸入一個(gè)字符的時(shí)間約為100ms，而將字符送入終端緩沖區(qū)的時(shí)間小于0.1ms。若采用程序I/O方式，CPU約有99.9ms的時(shí)間處于忙—等待中。采用中斷驅(qū)動(dòng)方式后，CPU可利用這99.9ms的時(shí)間去做其它事情，而僅用0.1ms的時(shí)間來(lái)處理由控制器發(fā)來(lái)的中斷請(qǐng)求。可見，中斷驅(qū)動(dòng)方式可以成百倍地提高CPU的利用率。第十九頁(yè)，共八十一頁(yè)。5.2.3直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)DMAI/O控制方式1.DMA(DirectMemoryAccess)控制方式的引入該方式的特點(diǎn)是：①數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕締挝皇菙?shù)據(jù)塊，即在CPU與I/O設(shè)備之間，每次傳送至少一個(gè)數(shù)據(jù)塊；②所傳送的數(shù)據(jù)是從設(shè)備直接送入內(nèi)存的，或者相反；③僅在傳送一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)塊的開始和結(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?？梢?，DMA方式較之中斷驅(qū)動(dòng)方式，又是成百倍地減少了CPU對(duì)I/O的干預(yù)，進(jìn)一步提高了CPU與I/O設(shè)備的并行操作程度。第二十頁(yè)，共八十一頁(yè)。2.DMA控制器的組成圖5-8DMA控制器的組成第二十一頁(yè)，共八十一頁(yè)。為了實(shí)現(xiàn)在主機(jī)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(shè)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(lái)的I/O命令或有關(guān)控制信息，或設(shè)備的狀態(tài)。(2)內(nèi)存地址寄存器MAR。在輸入時(shí)，它存放把數(shù)據(jù)從設(shè)備傳送到內(nèi)存的起始目標(biāo)地址；在輸出時(shí)，它存放由內(nèi)存到設(shè)備的內(nèi)存源地址。(3)數(shù)據(jù)寄存器DR。用于暫存從設(shè)備到內(nèi)存，或從內(nèi)存到設(shè)備的數(shù)據(jù)。(4)數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)器DC。存放本次CPU要讀或?qū)懙淖?節(jié))數(shù)。第二十二頁(yè)，共八十一頁(yè)。3.DMA工作過(guò)程圖5-9DMA方式的工作流程第二十三頁(yè)，共八十一頁(yè)。5.2.4I/O通道控制方式1.I/O通道控制方式的引入I/O通道方式是DMA方式的發(fā)展，它可進(jìn)一步減少CPU的干預(yù)，即把對(duì)一個(gè)數(shù)據(jù)塊的讀(或?qū)?為單位的干預(yù)，減少為對(duì)一組數(shù)據(jù)塊的讀(或?qū)?及有關(guān)的控制和管理為單位的干預(yù)。同時(shí)，又可實(shí)現(xiàn)CPU、通道和I/O設(shè)備三者的并行操作，從而更有效地提高整個(gè)系統(tǒng)的資源利用率。例如，當(dāng)CPU要完成一組相關(guān)的讀(或?qū)?操作及有關(guān)控制時(shí)，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(wèn)的I/O設(shè)備，通道接到該指令后，通過(guò)執(zhí)行通道程序便可完成CPU指定的I/O任務(wù)。第二十四頁(yè)，共八十一頁(yè)。2.通道程序操作碼。(2)內(nèi)存地址。(3)計(jì)數(shù)。(4)通道程序結(jié)束位P。(5)記錄結(jié)束標(biāo)志R。第二十五頁(yè)，共八十一頁(yè)。操作PR計(jì)數(shù)內(nèi)存地址WRITE0080813WRITE001401034WRITE01605830WRITE013002000WRITE002501850WRITE11250720第二十六頁(yè)，共八十一頁(yè)。5.3緩沖管理5.3.1緩沖的引入緩和CPU與I/O設(shè)備間速度不匹配的矛盾。(2)減少對(duì)CPU的中斷頻率，放寬對(duì)CPU中斷響應(yīng)時(shí)間的限制。(3)提高CPU和I/O設(shè)備之間的并行性。第二十七頁(yè)，共八十一頁(yè)。圖5-10利用緩沖寄存器實(shí)現(xiàn)緩沖第二十八頁(yè)，共八十一頁(yè)。5.3.2單緩沖和雙緩沖1.單緩沖(SingleBuffer)圖5-11單緩沖工作示意圖第二十九頁(yè)，共八十一頁(yè)。2.雙緩沖(DoubleBuffer)圖5-12雙緩沖工作示意圖第三十頁(yè)，共八十一頁(yè)。圖5-13雙機(jī)通信時(shí)緩沖區(qū)的設(shè)置第三十一頁(yè)，共八十一頁(yè)。5.3.3循環(huán)緩沖1.循環(huán)緩沖的組成圖5-14循環(huán)緩沖第三十二頁(yè)，共八十一頁(yè)。2.循環(huán)緩沖區(qū)的使用Getbuf過(guò)程。(2)Releasebuf過(guò)程。第三十三頁(yè)，共八十一頁(yè)。3.進(jìn)程同步Nexti指針追趕上Nextg指針。(2)Nextg指針追趕上Nexti指針。第三十四頁(yè)，共八十一頁(yè)。5.3.4緩沖池(BufferPool)1.緩沖池的組成

1.緩沖池的組成對(duì)于既可用于輸入又可用于輸出的公用緩沖池，其中至少應(yīng)含有以下三種類型的緩沖區(qū)：①空(閑)緩沖區(qū)；②裝滿輸入數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)；③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(gè)隊(duì)列，于是可形成以下三個(gè)隊(duì)列：（1）空緩沖隊(duì)列emq。(2)輸入隊(duì)列inq。(3)輸出隊(duì)列outq。第三十五頁(yè)，共八十一頁(yè)。2.Getbuf過(guò)程和Putbuf過(guò)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第三十六頁(yè)，共八十一頁(yè)。3.緩沖區(qū)的工作方式圖5-15緩沖區(qū)的工作方式第三十七頁(yè)，共八十一頁(yè)。5.4設(shè)備分配5.4.1設(shè)備分配中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)1.設(shè)備控制表DCT圖5-16設(shè)備控制表第三十八頁(yè)，共八十一頁(yè)。2.控制器控制表、通道控制表和系統(tǒng)設(shè)備表圖5-17COCT、CHCT和SDT表第三十九頁(yè)，共八十一頁(yè)。5.4.2設(shè)備分配時(shí)應(yīng)考慮的因素1.設(shè)備的固有屬性獨(dú)享設(shè)備。

(2)共享設(shè)備。

(3)虛擬設(shè)備。第四十頁(yè)，共八十一頁(yè)。2.設(shè)備分配算法先來(lái)先服務(wù)。(2)優(yōu)先級(jí)高者優(yōu)先。第四十一頁(yè)，共八十一頁(yè)。3.設(shè)備分配中的安全性安全分配方式2)不安全分配方式第四十二頁(yè)，共八十一頁(yè)。5.4.3設(shè)備獨(dú)立性1.設(shè)備獨(dú)立性(DeviceIndependence)的概念為了提高OS的可適應(yīng)性和可擴(kuò)展性，在現(xiàn)代OS中都毫無(wú)例外地實(shí)現(xiàn)了設(shè)備獨(dú)立性，也稱為設(shè)備無(wú)關(guān)性。其基本含義是：應(yīng)用程序獨(dú)立于具體使用的物理設(shè)備。為了實(shí)現(xiàn)設(shè)備獨(dú)立性而引入了邏輯設(shè)備和物理設(shè)備這兩個(gè)概念。在應(yīng)用程序中，使用邏輯設(shè)備名稱來(lái)請(qǐng)求使用某類設(shè)備；而系統(tǒng)在實(shí)際執(zhí)行時(shí)，還必須使用物理設(shè)備名稱。因此，系統(tǒng)須具有將邏輯設(shè)備名稱轉(zhuǎn)換為某物理設(shè)備名稱的功能，這非常類似于存儲(chǔ)器管理中所介紹的邏輯地址和物理地址的概念。第四十三頁(yè)，共八十一頁(yè)。在實(shí)現(xiàn)了設(shè)備獨(dú)立性的功能后，可帶來(lái)以下兩方面的好處。1)設(shè)備分配時(shí)的靈活性2)易于實(shí)現(xiàn)I/O重定向第四十四頁(yè)，共八十一頁(yè)。2.設(shè)備獨(dú)立性軟件1)執(zhí)行所有設(shè)備的公有操作這些公有操作包括：①對(duì)獨(dú)立設(shè)備的分配與回收；②將邏輯設(shè)備名映射為物理設(shè)備名，進(jìn)一步可以找到相應(yīng)物理設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序；③對(duì)設(shè)備進(jìn)行保護(hù)，禁止用戶直接訪問(wèn)設(shè)備；④緩沖管理，即對(duì)字符設(shè)備和塊設(shè)備的緩沖區(qū)進(jìn)行有效的管理，以提高I/O的效率；⑤差錯(cuò)控制。由于在I/O操作中的絕大多數(shù)錯(cuò)誤都與設(shè)備無(wú)關(guān)，故主要由設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序處理，而設(shè)備獨(dú)立性軟件只處理那些設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序無(wú)法處理的錯(cuò)誤。第四十五頁(yè)，共八十一頁(yè)。2)向用戶層(或文件層)軟件提供統(tǒng)一接口無(wú)論何種設(shè)備，它們向用戶所提供的接口應(yīng)該是相同的。例如，對(duì)各種設(shè)備的讀操作，在應(yīng)用程序中都使用read;而對(duì)各種設(shè)備的寫操作，也都使用write。第四十六頁(yè)，共八十一頁(yè)。3.邏輯設(shè)備名到物理設(shè)備名映射的實(shí)現(xiàn)邏輯設(shè)備表2)LUT的設(shè)置問(wèn)題圖5-18邏輯設(shè)備表第四十七頁(yè)，共八十一頁(yè)。5.4.4獨(dú)占設(shè)備的分配程序1.基本的設(shè)備分配程序分配設(shè)備2)分配控制器3)分配通道第四十八頁(yè)，共八十一頁(yè)。2.設(shè)備分配程序的改進(jìn)增加設(shè)備的獨(dú)立性

2)考慮多通路情況第四十九頁(yè)，共八十一頁(yè)。5.4.5SPOOLing技術(shù)1.什么是SPOOLing為了緩和CPU的高速性與I/O設(shè)備低速性間的矛盾而引入了脫機(jī)輸入、脫機(jī)輸出技術(shù)。該技術(shù)是利用專門的外圍控制機(jī)，將低速I/O設(shè)備上的數(shù)據(jù)傳送到高速磁盤上；或者相反。事實(shí)上，當(dāng)系統(tǒng)中引入了多道程序技術(shù)后，完全可以利用其中的一道程序，來(lái)模擬脫機(jī)輸入時(shí)的外圍控制機(jī)功能，把低速I/O設(shè)備上的數(shù)據(jù)傳送到高速磁盤上；再用另一道程序來(lái)模擬脫機(jī)輸出時(shí)外圍控制機(jī)的功能，把數(shù)據(jù)從磁盤傳送到低速輸出設(shè)備上。這樣，便可在主機(jī)的直接控制下，實(shí)現(xiàn)脫機(jī)輸入、輸出功能。此時(shí)的外圍操作與CPU對(duì)數(shù)據(jù)的處理同時(shí)進(jìn)行，我們把這種在聯(lián)機(jī)情況下實(shí)現(xiàn)的同時(shí)外圍操作稱為SPOOLing(SimultaneausPeriphernalOperatingOn-Line)，或稱為假脫機(jī)操作。第五十頁(yè)，共八十一頁(yè)。2.SPOOLing系統(tǒng)的組成圖5-19SPOOLing系統(tǒng)的組成第五十一頁(yè)，共八十一頁(yè)。3.共享打印機(jī)共享打印機(jī)技術(shù)已被廣泛地用于多用戶系統(tǒng)和局域網(wǎng)絡(luò)中。當(dāng)用戶進(jìn)程請(qǐng)求打印輸出時(shí)，SPOOLing系統(tǒng)同意為它打印輸出，但并不真正立即把打印機(jī)分配給該用戶進(jìn)程，而只為它做兩件事：①由輸出進(jìn)程在輸出井中為之申請(qǐng)一個(gè)空閑磁盤塊區(qū)，并將要打印的數(shù)據(jù)送入其中；②輸出進(jìn)程再為用戶進(jìn)程申請(qǐng)一張空白的用戶請(qǐng)求打印表，并將用戶的打印要求填入其中，再將該表掛到請(qǐng)求打印隊(duì)列上。第五十二頁(yè)，共八十一頁(yè)。4.SPOOLing系統(tǒng)的特點(diǎn)提高了I/O的速度。(2)將獨(dú)占設(shè)備改造為共享設(shè)備。(3)實(shí)現(xiàn)了虛擬設(shè)備功能。第五十三頁(yè)，共八十一頁(yè)。5.5設(shè)備處理5.5.1設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的功能和特點(diǎn)1.設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的功能(1)接收由I/O進(jìn)程發(fā)來(lái)的命令和參數(shù)，并將命令中的抽象要求轉(zhuǎn)換為具體要求，例如，將磁盤塊號(hào)轉(zhuǎn)換為磁盤的盤面、磁道號(hào)及扇區(qū)號(hào)。(2)檢查用戶I/O請(qǐng)求的合法性，了解I/O設(shè)備的狀態(tài)，傳遞有關(guān)參數(shù)，設(shè)置設(shè)備的工作方式。第五十四頁(yè)，共八十一頁(yè)。(3)發(fā)出I/O命令，如果設(shè)備空閑，便立即啟動(dòng)I/O設(shè)備去完成指定的I/O操作；如果設(shè)備處于忙碌狀態(tài)，則將請(qǐng)求者的請(qǐng)求塊掛在設(shè)備隊(duì)列上等待。(4)及時(shí)響應(yīng)由控制器或通道發(fā)來(lái)的中斷請(qǐng)求，并根據(jù)其中斷類型調(diào)用相應(yīng)的中斷處理程序進(jìn)行處理。(5)對(duì)于設(shè)置有通道的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)程序還應(yīng)能夠根據(jù)用戶的I/O請(qǐng)求，自動(dòng)地構(gòu)成通道程序。第五十五頁(yè)，共八十一頁(yè)。2.設(shè)備處理方式(1)為每一類設(shè)備設(shè)置一個(gè)進(jìn)程，專門用于執(zhí)行這類設(shè)備的I/O操作.(2)在整個(gè)系統(tǒng)中設(shè)置一個(gè)I/O進(jìn)程，專門用于執(zhí)行系統(tǒng)中所有各類設(shè)備的I/O操作。(3)不設(shè)置專門的設(shè)備處理進(jìn)程，而只為各類設(shè)備設(shè)置相應(yīng)的設(shè)備處理程序(模塊)，供用戶進(jìn)程或系統(tǒng)進(jìn)程調(diào)用。第五十六頁(yè)，共八十一頁(yè)。3.設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的特點(diǎn)(1)驅(qū)動(dòng)程序主要是指在請(qǐng)求I/O的進(jìn)程與設(shè)備控制器之間的一個(gè)通信和轉(zhuǎn)換程序。(2)驅(qū)動(dòng)程序與設(shè)備控制器和I/O設(shè)備的硬件特性緊密相關(guān)，因而對(duì)不同類型的設(shè)備應(yīng)配置不同的驅(qū)動(dòng)程序。(3)驅(qū)動(dòng)程序與I/O設(shè)備所采用的I/O控制方式緊密相關(guān)。(4)由于驅(qū)動(dòng)程序與硬件緊密相關(guān)，因而其中的一部分必須用匯編語(yǔ)言書寫。第五十七頁(yè)，共八十一頁(yè)。5.5.2設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的處理過(guò)程將抽象要求轉(zhuǎn)換為具體要求2.檢查I/O請(qǐng)求的合法性3.讀出和檢查設(shè)備的狀態(tài)4.傳送必要的參數(shù)5.工作方式的設(shè)置6.啟動(dòng)I/O設(shè)備第五十八頁(yè)，共八十一頁(yè)。圖5-20中斷現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)示意圖第五十九頁(yè)，共八十一頁(yè)。圖5-21中斷處理流程第六十頁(yè)，共八十一頁(yè)。5.6磁盤存儲(chǔ)器管理5.6.1磁盤性能簡(jiǎn)述1.數(shù)據(jù)的組織和格式圖5-22磁盤的格式化第六十一頁(yè)，共八十一頁(yè)。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(guò)這些磁頭可訪問(wèn)所有各磁道，并進(jìn)行并行讀/寫，有效地提高了磁盤的I/O速度。這種結(jié)構(gòu)的磁盤主要用于大容量磁盤上。2)移動(dòng)頭磁盤每一個(gè)盤面僅配有一個(gè)磁頭，也被裝入磁臂中。為能訪問(wèn)該盤面上的所有磁道，該磁頭必須能移動(dòng)以進(jìn)行尋道?？梢?，移動(dòng)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，故仍廣泛應(yīng)用于中小型磁盤設(shè)備中。第六十二頁(yè)，共八十一頁(yè)。3.磁盤訪問(wèn)時(shí)間1)尋道時(shí)間Ts這是指把磁臂(磁頭)移動(dòng)到指定磁道上所經(jīng)歷的時(shí)間。該時(shí)間是啟動(dòng)磁臂的時(shí)間s與磁頭移動(dòng)n條磁道所花費(fèi)的時(shí)間之和，即Ts=m×n+s其中，m是一常數(shù)，與磁盤驅(qū)動(dòng)器的速度有關(guān)，對(duì)一般磁盤，m=0.2；對(duì)高速磁盤，m≤0.1,磁臂的啟動(dòng)時(shí)間約為2ms。這樣，對(duì)一般的溫盤，其尋道時(shí)間將隨尋道距離的增加而增大，大體上是5~30ms。第六十三頁(yè)，共八十一頁(yè)。2)旋轉(zhuǎn)延遲時(shí)間Tτ這是指定扇區(qū)移動(dòng)到磁頭下面所經(jīng)歷的時(shí)間。對(duì)于硬盤，典型的旋轉(zhuǎn)速度大多為5400r/min，每轉(zhuǎn)需時(shí)11.1ms，平均旋轉(zhuǎn)延遲時(shí)間Tτ為5.55ms；對(duì)于軟盤，其旋轉(zhuǎn)速度為300r/min或600r/min，這樣，平均Tτ為50~100ms。第六十四頁(yè)，共八十一頁(yè)。3)傳輸時(shí)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(shí)間。Tt的大小與每次所讀/寫的字節(jié)數(shù)b和旋轉(zhuǎn)速度有關(guān)：其中，r為磁盤每秒鐘的轉(zhuǎn)數(shù)；N為一條磁道上的字節(jié)數(shù)，當(dāng)一次讀/寫的字節(jié)數(shù)相當(dāng)于半條磁道上的字節(jié)數(shù)時(shí)，Tt與Tτ相同，因此，可將訪問(wèn)時(shí)間Ta表示為：第六十五頁(yè)，共八十一頁(yè)。5.6.2磁盤調(diào)度1.先來(lái)先服務(wù)FCFS(First-Come,FirstServed)圖5-23FCFS調(diào)度算法第六十六頁(yè)，共八十一頁(yè)。2.最短尋道時(shí)間優(yōu)先SSTF(ShortestSeekTimeFirst)圖5-24SSTF調(diào)度算法第六十七頁(yè)，共八十一頁(yè)。3.掃描(SCAN)算法1)進(jìn)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(dǎo)致某個(gè)進(jìn)程發(fā)生“饑餓”(Starvation)現(xiàn)象。因?yàn)橹灰粩嘤行逻M(jìn)程的請(qǐng)求到達(dá)，且其所要訪問(wèn)的磁道與磁頭當(dāng)前所在磁道的距離較近，這種新進(jìn)程的I/O請(qǐng)求必須優(yōu)先滿足。對(duì)SSTF算法略加修改后所形成的SCAN算法，即可防止老進(jìn)程出現(xiàn)“饑餓”現(xiàn)象。第六十八頁(yè)，共八十一頁(yè)。2)SCAN算法圖5-25SCAN調(diào)度算法示例第六十九頁(yè)，共八十一頁(yè)。4.循環(huán)掃描(CSCAN)算法圖5-26CSCAN調(diào)度算法示例第七十頁(yè)，共八十一頁(yè)。5.N-Step-SCAN和FSCAN調(diào)度算法1)N-Step-SCAN算法在SSTF、SCAN及CSCAN幾種調(diào)度算法中，都可能出現(xiàn)磁臂停留在某處不動(dòng)的情況，例如，有一個(gè)或幾個(gè)進(jìn)程對(duì)某一磁道有較高的訪問(wèn)頻率，即這個(gè)(些)進(jìn)程反復(fù)請(qǐng)求對(duì)某一磁道的I/O操作，從而壟斷了整個(gè)磁盤設(shè)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(qǐng)求隊(duì)列分成若干個(gè)長(zhǎng)度為N的子隊(duì)列，磁盤調(diào)度將按FCFS算法依次處理這些子隊(duì)列。而每處理一個(gè)隊(duì)列時(shí)又是按SCAN算法，對(duì)一個(gè)隊(duì)列處理完后，再處理其他隊(duì)列。當(dāng)正在處理某子隊(duì)列時(shí)，如果又出現(xiàn)新的磁盤I/O請(qǐng)求，便將新請(qǐng)求進(jìn)程放入其他隊(duì)列，這樣就可避免出現(xiàn)粘著現(xiàn)象。當(dāng)N值取得很大時(shí)，會(huì)使N步掃描法的性能接近于SCAN算法的性能；當(dāng)N=1時(shí)，N步SCAN算法便蛻化為FCFS算法。第七十一頁(yè)，共八十一頁(yè)。2)FSCAN算法FSCAN算法實(shí)質(zhì)上是N步SCAN算法的簡(jiǎn)化，即FSCAN只將磁盤請(qǐng)求隊(duì)列分成兩個(gè)子隊(duì)列。一個(gè)是由當(dāng)前所有請(qǐng)求磁盤I/O的進(jìn)程形成的隊(duì)列，由磁盤調(diào)度按SCAN算法進(jìn)行處理。在掃描期間，將新出現(xiàn)的所有請(qǐng)求磁盤I/O的進(jìn)程，放入另一個(gè)等待處理的請(qǐng)求隊(duì)列。這樣，所有的新請(qǐng)求都將被推遲到下一次掃描時(shí)處理。第七十二頁(yè)，共八十一頁(yè)。5.6.3磁盤高速緩存(DiskCache)1.磁盤高速緩存的形式是指利用內(nèi)存中的存儲(chǔ)空間，來(lái)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(nèi)存中的盤塊。高速緩存在內(nèi)存中可分成兩種形式。第一種是在內(nèi)存中開辟一個(gè)單獨(dú)的存儲(chǔ)空間來(lái)作為磁盤高速緩存，其大小是固定的，不會(huì)受應(yīng)用程序多少的影響；第二種是把所有未利用的內(nèi)存空間變?yōu)橐粋€(gè)緩沖池，供請(qǐng)求分頁(yè)系統(tǒng)和磁盤I/O時(shí)(作為磁盤高速緩存)共享。此時(shí)高速緩存的大小，顯然不再是固定的。當(dāng)磁盤I/O的頻繁程度較高時(shí)，該緩沖池可能包含更多的內(nèi)存空間；而在應(yīng)用程序運(yùn)行得較多時(shí)，該緩沖池可能只剩下較少的內(nèi)存空間。第七十三頁(yè)，共八十一頁(yè)。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(qǐng)求進(jìn)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(qǐng)求者進(jìn)程的內(nèi)存工作區(qū)中。