操作系統(tǒng)課件：第5章 設(shè)備管理

1、 .4 4. 設(shè)備控制器：與設(shè)備是一對(duì)多的關(guān)系，系統(tǒng)是通設(shè)備控制器：與設(shè)備是一對(duì)多的關(guān)系，系統(tǒng)是通過(guò)它與設(shè)備通信過(guò)它與設(shè)備通信 系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)備控制器設(shè)備控制器 設(shè)備設(shè)備 如：磁盤(pán)設(shè)備，打印設(shè)備如：磁盤(pán)設(shè)備，打印設(shè)備 缺點(diǎn)：總線(xiàn)瓶頸，缺點(diǎn)：總線(xiàn)瓶頸，CPUCPU瓶頸。瓶頸。 操作操作P PRecordRecord計(jì)數(shù)計(jì)數(shù)內(nèi)存地址內(nèi)存地址WriteWrite0 00 08080813813WriteWrite0 00 014014010341034WriteWrite0 01 1606058305830WriteWrite0 01 130030020002000WriteWrite0 00 0250

2、25018501850WriteWrite1 11 1250250720720v 目的：組織管理、分配、釋放目的：組織管理、分配、釋放bufferbufferv 5.3.1 5.3.1 引入引入.1 1.緩和緩和CPUCPU和和I/OI/O設(shè)備間速度不匹配的矛盾。設(shè)備間速度不匹配的矛盾。如：計(jì)算如：計(jì)算打印打印bufferbuffer打印打印.2 2.減少對(duì)減少對(duì)CPUCPU的中斷頻率的中斷頻率如：如：bufferbuffer越大，越大，“bufferbuffer滿(mǎn)滿(mǎn)”信號(hào)發(fā)生頻率越低。信號(hào)發(fā)生頻率越低。.3 3.提高提高CPUCPU和和I/OI/O并行性并行性 v 5.3.2 5.3.2 單

3、緩沖單緩沖 由于由于C C和和T T可并行，可并行，M M和和C C或或M M和和T T不能并行，因此處理不能并行，因此處理一塊數(shù)據(jù)時(shí)間：一塊數(shù)據(jù)時(shí)間：Max(C,T)+MMax(C,T)+M 用戶(hù)進(jìn)程何時(shí)阻塞？用戶(hù)進(jìn)程何時(shí)阻塞？v 5.3.25.3.2雙緩沖雙緩沖 效率有所提高，且進(jìn)一步平滑了傳輸峰值。效率有所提高，且進(jìn)一步平滑了傳輸峰值。 系統(tǒng)處理一塊數(shù)據(jù)的時(shí)間約為：系統(tǒng)處理一塊數(shù)據(jù)的時(shí)間約為：MAX(C,T)MAX(C,T) 收發(fā)可雙向同時(shí)傳送。（圖收發(fā)可雙向同時(shí)傳送。（圖5 51313）v 5.3.3 5.3.3 循環(huán)多緩沖循環(huán)多緩沖類(lèi)型：類(lèi)型：R:R:空緩沖；空緩沖；G G：滿(mǎn)緩沖；

4、：滿(mǎn)緩沖；C C：當(dāng)前緩沖：當(dāng)前緩沖v nextnextg g：指示下一個(gè)應(yīng)取數(shù)據(jù)的：指示下一個(gè)應(yīng)取數(shù)據(jù)的bufbufv nextnexti i：指示下一個(gè)空：指示下一個(gè)空bufbuf. .v GetbufGetbuf： 取取nextnextg g對(duì)應(yīng)緩沖區(qū)提供使用，將對(duì)應(yīng)緩沖區(qū)提供使用，將NextNextg g置為空，置為空，NextNextg g= =（NextNextg g+1+1）Mod NMod N 將將NextNexti i對(duì)應(yīng)緩沖區(qū)提供使用，將對(duì)應(yīng)緩沖區(qū)提供使用，將NextNexti i置為滿(mǎn)，置為滿(mǎn)，NextNexti i= =（NextNexti i+1+1）Mod NMod

5、 Nv ReleasebufReleasebuf: : 若若C C滿(mǎn)，則改為滿(mǎn)，則改為G G； 若若C C空，則改為空，則改為R R；v NextNexti i 追上追上NextNextg g：表示輸入速度表示輸入速度 輸出速度，全部輸出速度，全部bufbuf滿(mǎn)，這時(shí)輸入進(jìn)程滿(mǎn)，這時(shí)輸入進(jìn)程阻塞阻塞v NextNextg g追上追上NextNexti i：輸入速度輸入速度 SPi SPi為為n n在輸入中分配空間在輸入中分配空間 設(shè)設(shè)備數(shù)據(jù)由輸入備數(shù)據(jù)由輸入bufbuf送輸入送輸入# # 生成生成輸入請(qǐng)求表輸入請(qǐng)求表掛輸入請(qǐng)掛輸入請(qǐng)求隊(duì)列。求隊(duì)列。 b.CPUb.CPU空空取請(qǐng)求表中的任務(wù)取請(qǐng)

6、求表中的任務(wù), ,送進(jìn)程緩沖區(qū)。送進(jìn)程緩沖區(qū)。v （2 2）輸出：（打?。┹敵觯海ù蛴。?a.a.進(jìn)程進(jìn)程n n請(qǐng)求請(qǐng)求SPoSPo為為n n在輸出在輸出# #中分配空間中分配空間 將數(shù)將數(shù)據(jù)由進(jìn)程據(jù)由進(jìn)程bufbuf轉(zhuǎn)到輸出轉(zhuǎn)到輸出# # 生成一生成一打印請(qǐng)求表打印請(qǐng)求表掛打印請(qǐng)掛打印請(qǐng)求隊(duì)列。求隊(duì)列。 b.b.打印機(jī)空打印機(jī)空 查打印請(qǐng)求表中的任務(wù)查打印請(qǐng)求表中的任務(wù) 取輸出取輸出中對(duì)于數(shù)據(jù)中對(duì)于數(shù)據(jù) 輸出輸出bufbuf 打印打印v 1.1.提高提高I/OI/O速度：速度： 對(duì)低速設(shè)備操作對(duì)低速設(shè)備操作 變?yōu)閷?duì)輸入變?yōu)閷?duì)輸入/ /出出# #操作。操作。v 2.2.將獨(dú)占設(shè)備改造為共享設(shè)備

7、將獨(dú)占設(shè)備改造為共享設(shè)備 分配設(shè)備的實(shí)質(zhì)時(shí)分配輸入分配設(shè)備的實(shí)質(zhì)時(shí)分配輸入/ /出出# #v 3.3.實(shí)現(xiàn)了虛擬設(shè)備功能實(shí)現(xiàn)了虛擬設(shè)備功能v設(shè)備處理程序即是設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。設(shè)備處理程序即是設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。v設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的功能和特點(diǎn)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的功能和特點(diǎn)v設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的處理過(guò)程設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的處理過(guò)程v 功能：功能： 接收進(jìn)程的接收進(jìn)程的I/O命令命令 檢查命令合法性檢查命令合法性 檢查設(shè)備狀態(tài)檢查設(shè)備狀態(tài) 設(shè)置設(shè)備工作方式設(shè)置設(shè)備工作方式 驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)I/O操作操作 響應(yīng)設(shè)備中斷響應(yīng)設(shè)備中斷 構(gòu)成通道程序構(gòu)成通道程序v 特點(diǎn)：特點(diǎn)： 和硬件緊密相關(guān)、各個(gè)設(shè)備有自己的設(shè)備驅(qū)動(dòng)和硬件緊密相關(guān)、各個(gè)設(shè)備有自

8、己的設(shè)備驅(qū)動(dòng)v 包括包括 啟動(dòng)過(guò)程啟動(dòng)過(guò)程 中斷處理過(guò)程中斷處理過(guò)程v 啟動(dòng)過(guò)程啟動(dòng)過(guò)程 將抽象要求轉(zhuǎn)化為具體要求將抽象要求轉(zhuǎn)化為具體要求 檢查檢查I/O請(qǐng)求合法性請(qǐng)求合法性 讀出和檢查設(shè)備狀態(tài)讀出和檢查設(shè)備狀態(tài) 傳送必要的參數(shù)傳送必要的參數(shù) 設(shè)置工作方式設(shè)置工作方式 啟動(dòng)啟動(dòng)I/O設(shè)備設(shè)備v 流程流程 設(shè)備啟動(dòng)設(shè)備啟動(dòng)I/O完成完成發(fā)送中斷發(fā)送中斷CPU調(diào)用中斷處理調(diào)用中斷處理過(guò)程過(guò)程v 中斷處理過(guò)程中斷處理過(guò)程 喚醒被阻塞的喚醒被阻塞的驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)程程序進(jìn)程 保護(hù)被中斷進(jìn)程環(huán)境保護(hù)被中斷進(jìn)程環(huán)境 轉(zhuǎn)入相應(yīng)的設(shè)備處理程序轉(zhuǎn)入相應(yīng)的設(shè)備處理程序 中斷處理中斷處理(特性特性) 恢復(fù)被中斷進(jìn)程的

9、現(xiàn)場(chǎng)恢復(fù)被中斷進(jìn)程的現(xiàn)場(chǎng)v 5.6.1 5.6.1 磁盤(pán)性能簡(jiǎn)述磁盤(pán)性能簡(jiǎn)述 一、數(shù)據(jù)組織和格式（圖一、數(shù)據(jù)組織和格式（圖5 52222） 磁道磁道扇區(qū)扇區(qū)字節(jié)字節(jié) 二、類(lèi)型二、類(lèi)型 1.1.固定頭磁盤(pán)：固定頭磁盤(pán)：每個(gè)磁道上有一個(gè)磁頭，快每個(gè)磁道上有一個(gè)磁頭，快 2.2.移動(dòng)頭磁盤(pán)：移動(dòng)頭磁盤(pán)：每個(gè)盤(pán)面僅有一個(gè)磁頭，慢每個(gè)盤(pán)面僅有一個(gè)磁頭，慢 v 三、磁盤(pán)訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間：三、磁盤(pán)訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間：v 1.1.尋道時(shí)間：尋道時(shí)間：T TS S=m=m* *n+Sn+Sm m：常量，：常量，n n：磁道數(shù)，：磁道數(shù)，s s：磁盤(pán)啟動(dòng)時(shí)間。：磁盤(pán)啟動(dòng)時(shí)間。v 2.2.旋轉(zhuǎn)延時(shí)間旋轉(zhuǎn)延時(shí)間TrTr：指定扇區(qū)旋轉(zhuǎn)到

10、磁頭下所需時(shí)間。指定扇區(qū)旋轉(zhuǎn)到磁頭下所需時(shí)間。設(shè)每秒設(shè)每秒r r轉(zhuǎn)，則轉(zhuǎn)，則TrTr1/2r1/2r（均值）（均值）v 3.3.數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間TtTtb/rNb/rNb b：讀寫(xiě)字節(jié)數(shù)：讀寫(xiě)字節(jié)數(shù)N N：每道上的字節(jié)數(shù)：每道上的字節(jié)數(shù)訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間：訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間：Ta=Ts+1/2r+b/rNTa=Ts+1/2r+b/rNv 可見(jiàn)，由于特定磁盤(pán)，只有集中放數(shù)據(jù)，集中讀寫(xiě)（可見(jiàn)，由于特定磁盤(pán)，只有集中放數(shù)據(jù)，集中讀寫(xiě)（b b大）大）才能更好提高傳輸效率。才能更好提高傳輸效率。 v 目標(biāo)：減少尋道時(shí)間目標(biāo)：減少尋道時(shí)間v 一、一、FCFSFCFS（FisrtFisrt Come First Sec

11、ond Come First Second） 特點(diǎn)：簡(jiǎn)單，尋道時(shí)間長(zhǎng)，相當(dāng)于隨機(jī)訪(fǎng)問(wèn)模式。特點(diǎn)：簡(jiǎn)單，尋道時(shí)間長(zhǎng)，相當(dāng)于隨機(jī)訪(fǎng)問(wèn)模式。v 二、二、SSTFSSTF（最短尋道優(yōu)先）（最短尋道優(yōu)先）v 三、掃描算法。三、掃描算法。.1 1.進(jìn)程進(jìn)程“饑餓現(xiàn)象饑餓現(xiàn)象”SSTFSSTF存在。存在。.2 SCAN2.SCAN算法：算法： 在移動(dòng)方向固定的情況下采用了在移動(dòng)方向固定的情況下采用了SSTFSSTF，以避免饑餓現(xiàn)，以避免饑餓現(xiàn)象象 100道開(kāi)始道開(kāi)始被訪(fǎng)問(wèn)的下一被訪(fǎng)問(wèn)的下一個(gè)磁道個(gè)磁道移動(dòng)距離移動(dòng)距離5545583391918219072160701501038112184146平均尋道長(zhǎng)度

12、：平均尋道長(zhǎng)度：55.3100道開(kāi)始道開(kāi)始被訪(fǎng)問(wèn)的下一被訪(fǎng)問(wèn)的下一個(gè)磁道個(gè)磁道移動(dòng)距離移動(dòng)距離90105832553391638118201501321601018424平均尋道長(zhǎng)度：平均尋道長(zhǎng)度：27.5v 四、循環(huán)掃描四、循環(huán)掃描CSCANCSCAN（圖（圖9-59-5） 一個(gè)方向讀完，不是象一個(gè)方向讀完，不是象SCANSCAN那樣回頭，而是循環(huán)。那樣回頭，而是循環(huán)。 訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間：訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間：2T2TT+SmaxT+Smaxv 五、五、N NStepStepSCANSCAN和和FSCANFSCAN算法。算法。 .1 N1. NStepStepSCANSCAN 粘臂：由于連續(xù)對(duì)某磁道訪(fǎng)問(wèn)引起的壟

13、斷訪(fǎng)問(wèn)，將磁粘臂：由于連續(xù)對(duì)某磁道訪(fǎng)問(wèn)引起的壟斷訪(fǎng)問(wèn)，將磁盤(pán)請(qǐng)求隊(duì)列分為長(zhǎng)為盤(pán)請(qǐng)求隊(duì)列分為長(zhǎng)為N N的子隊(duì)列的子隊(duì)列m m個(gè)，如下圖處理。當(dāng)個(gè)，如下圖處理。當(dāng)N=1N=1時(shí)，為時(shí)，為FCFSFCFS。當(dāng)。當(dāng)N N時(shí)，為時(shí)，為SCAN.SCAN.v 2.FSCAN 2.FSCAN 100道開(kāi)始，增加方向道開(kāi)始，增加方向被訪(fǎng)問(wèn)的下一被訪(fǎng)問(wèn)的下一個(gè)磁道個(gè)磁道移動(dòng)距離移動(dòng)距離1505016010184249094583255339163811820平均尋道長(zhǎng)度：平均尋道長(zhǎng)度：27.8100道開(kāi)始，增加方向道開(kāi)始，增加方向被訪(fǎng)問(wèn)的下一被訪(fǎng)問(wèn)的下一個(gè)磁道個(gè)磁道移動(dòng)距離移動(dòng)距離150501601018424

14、18166382039155165839032平均尋道長(zhǎng)度：平均尋道長(zhǎng)度：27.5v 形式形式 邏輯上是磁盤(pán)、物理上是駐留在內(nèi)存中的盤(pán)塊邏輯上是磁盤(pán)、物理上是駐留在內(nèi)存中的盤(pán)塊 固定大小和可變大小固定大小和可變大小v 數(shù)據(jù)交付方式數(shù)據(jù)交付方式 數(shù)據(jù)交付指將磁盤(pán)高速緩存中的數(shù)據(jù)傳送給請(qǐng)求者進(jìn)程數(shù)據(jù)交付指將磁盤(pán)高速緩存中的數(shù)據(jù)傳送給請(qǐng)求者進(jìn)程 步驟：先查緩存、后查磁盤(pán)并更新緩存步驟：先查緩存、后查磁盤(pán)并更新緩存 方式：方式： 數(shù)據(jù)交付數(shù)據(jù)交付 指針交付指針交付v 置換算法置換算法 最近最久最近最久 訪(fǎng)問(wèn)頻率訪(fǎng)問(wèn)頻率 可預(yù)見(jiàn)性可預(yù)見(jiàn)性 數(shù)據(jù)一致性：將需要一致性的塊放在替換隊(duì)列的頭部，數(shù)據(jù)一致性：將需

15、要一致性的塊放在替換隊(duì)列的頭部，優(yōu)先回寫(xiě)。優(yōu)先回寫(xiě)。v 周期性回寫(xiě)磁盤(pán)周期性回寫(xiě)磁盤(pán) 例：例：msdos采用寫(xiě)穿透方式采用寫(xiě)穿透方式v 提前讀提前讀v 延遲寫(xiě)延遲寫(xiě) 訪(fǎng)問(wèn)頻率高的磁盤(pán)塊放在替換隊(duì)列的尾部，減少回寫(xiě)訪(fǎng)問(wèn)頻率高的磁盤(pán)塊放在替換隊(duì)列的尾部，減少回寫(xiě)次數(shù)次數(shù)v 優(yōu)化物理塊的分布優(yōu)化物理塊的分布 目的是減小磁頭移動(dòng)距離目的是減小磁頭移動(dòng)距離 簇分配方式：一個(gè)簇為多個(gè)連續(xù)的塊簇分配方式：一個(gè)簇為多個(gè)連續(xù)的塊v 虛擬盤(pán)（虛擬盤(pán)（RAM盤(pán)）盤(pán)） 和磁盤(pán)高速緩存區(qū)別：虛擬盤(pán)由用戶(hù)控制；磁盤(pán)高速和磁盤(pán)高速緩存區(qū)別：虛擬盤(pán)由用戶(hù)控制；磁盤(pán)高速緩存由系統(tǒng)控制。緩存由系統(tǒng)控制。v實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)SSTFSSTF算法和算法和SCANSCAN算法算法v要求