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)備是一對多的關(guān)系，系統(tǒng)是通設(shè)備控制器：與設(shè)備是一對多的關(guān)系，系統(tǒng)是通過它與設(shè)備通信過它與設(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：磁盤設(shè)備，打印設(shè)備如：磁盤設(shè)備，打印設(shè)備 缺點：總線瓶頸，缺點：總線瓶頸，CPUCPU瓶頸。瓶頸。 操作操作P PRecordRecord計數(shù)計數(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：計算如：計算打印打印bufferbuffer打印打印.2 2.減少對減少對CPUCPU的中斷頻率的中斷頻率如：如：bufferbuffer越大，越大，“bufferbuffer滿滿”信號發(fā)生頻率越低。信號發(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)時間：一塊數(shù)據(jù)時間：Max(C,T)+MMax(C,T)+M 用戶進(jìn)程何時阻塞？用戶進(jìn)程何時阻塞？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)的時間約為：系統(tǒng)處理一塊數(shù)據(jù)的時間約為：MAX(C,T)MAX(C,T) 收發(fā)可雙向同時傳送。（圖收發(fā)可雙向同時傳送。（圖5 51313）v 5.3.3 5.3.3 循環(huán)多緩沖循環(huán)多緩沖類型：類型：R:R:空緩沖；空緩沖；G G：滿緩沖；

4、：滿緩沖；C C：當(dāng)前緩沖：當(dāng)前緩沖v nextnextg g：指示下一個應(yīng)取數(shù)據(jù)的：指示下一個應(yīng)取數(shù)據(jù)的bufbufv nextnexti i：指示下一個空：指示下一個空bufbuf. .v GetbufGetbuf： 取取nextnextg g對應(yīng)緩沖區(qū)提供使用，將對應(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對應(yīng)緩沖區(qū)提供使用，將對應(yīng)緩沖區(qū)提供使用，將NextNexti i置為滿，置為滿，NextNexti i= =（NextNexti i+1+1）Mod NMod

5、 Nv ReleasebufReleasebuf: : 若若C C滿，則改為滿，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，這時輸入進(jìn)程滿，這時輸入進(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# # 生成生成輸入請求表輸入請求表掛輸入請掛輸入請求隊列。求隊列。 b.CPUb.CPU空空取請求表中的任務(wù)取請

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請求請求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求表打印請求表掛打印請掛打印請求隊列。求隊列。 b.b.打印機空打印機空 查打印請求表中的任務(wù)查打印請求表中的任務(wù) 取輸出取輸出中對于數(shù)據(jù)中對于數(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： 對低速設(shè)備操作對低速設(shè)備操作 變?yōu)閷斎胱優(yōu)閷斎? /出出# #操作。操作。v 2.2.將獨占設(shè)備改造為共享設(shè)備

7、將獨占設(shè)備改造為共享設(shè)備 分配設(shè)備的實質(zhì)時分配輸入分配設(shè)備的實質(zhì)時分配輸入/ /出出# #v 3.3.實現(xiàn)了虛擬設(shè)備功能實現(xiàn)了虛擬設(shè)備功能v設(shè)備處理程序即是設(shè)備驅(qū)動程序。設(shè)備處理程序即是設(shè)備驅(qū)動程序。v設(shè)備驅(qū)動程序的功能和特點設(shè)備驅(qū)動程序的功能和特點v設(shè)備驅(qū)動程序的處理過程設(shè)備驅(qū)動程序的處理過程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)動驅(qū)動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：特點： 和硬件緊密相關(guān)、各個設(shè)備有自己的設(shè)備驅(qū)動和硬件緊密相關(guān)、各個設(shè)備有自

8、己的設(shè)備驅(qū)動v 包括包括 啟動過程啟動過程 中斷處理過程中斷處理過程v 啟動過程啟動過程 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請求合法性請求合法性 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 啟動啟動I/O設(shè)備設(shè)備v 流程流程 設(shè)備啟動設(shè)備啟動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)用中斷處理過程過程v 中斷處理過程中斷處理過程 喚醒被阻塞的喚醒被阻塞的驅(qū)動驅(qū)動程序進(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)場恢復(fù)被中斷進(jìn)程的現(xiàn)場v 5.6.1 5.6.1 磁盤性能簡述磁盤性能簡述 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、類型二、類型 1.1.固定頭磁盤：固定頭磁盤：每個磁道上有一個磁頭，快每個磁道上有一個磁頭，快 2.2.移動頭磁盤：移動頭磁盤：每個盤面僅有一個磁頭，慢每個盤面僅有一個磁頭，慢 v 三、磁盤訪問時間：三、磁盤訪問時間：v 1.1.尋道時間：尋道時間：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：磁盤啟動時間。：磁盤啟動時間。v 2.2.旋轉(zhuǎn)延時間旋轉(zhuǎn)延時間TrTr：指定扇區(qū)旋轉(zhuǎn)到

10、磁頭下所需時間。指定扇區(qū)旋轉(zhuǎn)到磁頭下所需時間。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)傳輸時間數(shù)據(jù)傳輸時間TtTtb/rNb/rNb b：讀寫字節(jié)數(shù)：讀寫字節(jié)數(shù)N N：每道上的字節(jié)數(shù)：每道上的字節(jié)數(shù)訪問時間：訪問時間：Ta=Ts+1/2r+b/rNTa=Ts+1/2r+b/rNv 可見，由于特定磁盤，只有集中放數(shù)據(jù)，集中讀寫（可見，由于特定磁盤，只有集中放數(shù)據(jù)，集中讀寫（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)：減少尋道時間目標(biāo)：減少尋道時間v 一、一、FCFSFCFS（FisrtFisrt Come First Sec

11、ond Come First Second） 特點：簡單，尋道時間長，相當(dāng)于隨機訪問模式。特點：簡單，尋道時間長，相當(dāng)于隨機訪問模式。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： 在移動方向固定的情況下采用了在移動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道開始道開始被訪問的下一被訪問的下一個磁道個磁道移動距離移動距離5545583391918219072160701501038112184146平均尋道長度

12、：平均尋道長度：55.3100道開始道開始被訪問的下一被訪問的下一個磁道個磁道移動距離移動距離90105832553391638118201501321601018424平均尋道長度：平均尋道長度：27.5v 四、循環(huán)掃描四、循環(huán)掃描CSCANCSCAN（圖（圖9-59-5） 一個方向讀完，不是象一個方向讀完，不是象SCANSCAN那樣回頭，而是循環(huán)。那樣回頭，而是循環(huán)。 訪問時間：訪問時間：2T2TT+SmaxT+Smaxv 五、五、N NStepStepSCANSCAN和和FSCANFSCAN算法。算法。 .1 N1. NStepStepSCANSCAN 粘臂：由于連續(xù)對某磁道訪問引起的壟

13、斷訪問，將磁粘臂：由于連續(xù)對某磁道訪問引起的壟斷訪問，將磁盤請求隊列分為長為盤請求隊列分為長為N N的子隊列的子隊列m m個，如下圖處理。當(dāng)個，如下圖處理。當(dāng)N=1N=1時，為時，為FCFSFCFS。當(dāng)。當(dāng)N N時，為時，為SCAN.SCAN.v 2.FSCAN 2.FSCAN 100道開始，增加方向道開始，增加方向被訪問的下一被訪問的下一個磁道個磁道移動距離移動距離1505016010184249094583255339163811820平均尋道長度：平均尋道長度：27.8100道開始，增加方向道開始，增加方向被訪問的下一被訪問的下一個磁道個磁道移動距離移動距離150501601018424

14、18166382039155165839032平均尋道長度：平均尋道長度：27.5v 形式形式 邏輯上是磁盤、物理上是駐留在內(nèi)存中的盤塊邏輯上是磁盤、物理上是駐留在內(nèi)存中的盤塊 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)交付指將磁盤高速緩存中的數(shù)據(jù)傳送給請求者進(jìn)程數(shù)據(jù)交付指將磁盤高速緩存中的數(shù)據(jù)傳送給請求者進(jìn)程 步驟：先查緩存、后查磁盤并更新緩存步驟：先查緩存、后查磁盤并更新緩存 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 訪問頻率訪問頻率 可預(yù)見性可預(yù)見性 數(shù)據(jù)一致性：將需要一致性的塊放在替換隊列的頭部，數(shù)據(jù)一致性：將需

15、要一致性的塊放在替換隊列的頭部，優(yōu)先回寫。優(yōu)先回寫。v 周期性回寫磁盤周期性回寫磁盤 例：例：msdos采用寫穿透方式采用寫穿透方式v 提前讀提前讀v 延遲寫延遲寫 訪問頻率高的磁盤塊放在替換隊列的尾部，減少回寫訪問頻率高的磁盤塊放在替換隊列的尾部，減少回寫次數(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距離目的是減小磁頭移動距離 簇分配方式：一個簇為多個連續(xù)的塊簇分配方式：一個簇為多個連續(xù)的塊v 虛擬盤（虛擬盤（RAM盤）盤） 和磁盤高速緩存區(qū)別：虛擬盤由用戶控制；磁盤高速和磁盤高速緩存區(qū)別：虛擬盤由用戶控制；磁盤高速緩存由系統(tǒng)控制。緩存由系統(tǒng)控制。v實現(xiàn)實現(xiàn)SSTFSSTF算法和算法和SCANSCAN算法算法v要求