chapter5-設(shè)備管理 計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng) 教學(xué)課件

計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)

主講教師：周星

1課程主要內(nèi)容

詼操作系統(tǒng)引論（1章）

育進(jìn)程管理（2?3章）

黨存儲(chǔ)管理（4章）

育設(shè)備管理（5章）

詼文件管理（6章）

貨操作系統(tǒng)接口（7章）

的系統(tǒng)安全性（9章）

甘*分布式操作系統(tǒng)

上設(shè)備管理概述

設(shè)備管理是操作系統(tǒng)對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中除CPU和內(nèi)存之

外的外部設(shè)備進(jìn)行管理、以及對(duì)數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行控制的模塊,

是操作系統(tǒng)資源管理中最復(fù)雜、最多樣化的部分。

操作系統(tǒng)設(shè)備管理中，提高設(shè)備利用率的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)

設(shè)備的并行操作。一方面，諸設(shè)備要與CPU并行，另一方

面，諸設(shè)備間也要并行。操作系統(tǒng)的設(shè)備管理模塊要在硬

件提供的通道和中斷機(jī)制、以及設(shè)備提供的物理性能的支

持下，實(shí)現(xiàn)多任務(wù)、多進(jìn)程共享多種外部設(shè)備，高效地完

成數(shù)據(jù)傳輸工作。

上第5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

本章作業(yè)

5.6磁盤(pán)存儲(chǔ)器管理

5.7*UNIX系統(tǒng)中的設(shè)備管理

*5.1I/O系統(tǒng)

■I/O系統(tǒng)：用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入、輸出及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

的系統(tǒng)。

511I/O設(shè)備

5」.2設(shè)備控制器

513I/O通道

5.1,4I/O系統(tǒng)的總線(xiàn)系統(tǒng)

5.1.5I/O系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

*5.1」I/O設(shè)備

1、I/O設(shè)備的類(lèi)型

1）按設(shè)備的從屬關(guān)系分類(lèi)

力系統(tǒng)設(shè)備：指操作系統(tǒng)生成時(shí)即安裝操作系統(tǒng)時(shí),

就納入系統(tǒng)管理范圍的各種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。如鍵盤(pán)、

顯示器、打印機(jī)等。

力用戶(hù)設(shè)備：它是指系統(tǒng)設(shè)備之外的非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，

在安裝操作系統(tǒng)時(shí)沒(méi)有配置，而由用戶(hù)自己安裝

配置的設(shè)備。如繪圖儀、掃描儀等。

上5.1.1I/O設(shè)備

2）按信息交換的單位分類(lèi)

o塊設(shè)備：信息交換的基本單位為字符塊，屬

于有結(jié)構(gòu)設(shè)備，塊大小一般為512B-4KB,

典型的有：磁盤(pán)、磁帶等。

o字符設(shè)備：信息交換的基本單位為字符，典

型的有：鍵盤(pán)、打印機(jī)和顯示器等。

5,1.1I/O設(shè)備----------.

-------------------------f包括所有的字符型

3>）按使用方式/共享屬性分類(lèi)備和磁帶機(jī),

力獨(dú)享/獨(dú)占設(shè)備：這類(lèi)設(shè)備一旦分配給某個(gè)實(shí)體（用

戶(hù)、作業(yè)、任務(wù)或進(jìn)程）使用，在沒(méi)被釋放前，其

它實(shí)體不得使用。多數(shù)低速設(shè)備屬于此類(lèi)，打印機(jī)

就典型的獨(dú)享設(shè)備。］包世浮堂名以外的所有塊型設(shè)備

力共享設(shè)備：在一段吁商關(guān)渾姿了用戶(hù)進(jìn)程同時(shí)訪問(wèn)

的設(shè)備。磁盤(pán)就典型的共享設(shè)備。

口虛擬設(shè)備：通過(guò)一定的輔助存儲(chǔ)器和控制程序，可

將一臺(tái)獨(dú)享設(shè)備模擬為共享設(shè)備，這個(gè)具有了新特

性的設(shè)備就稱(chēng)為虛擬設(shè)備。

上5.1」改設(shè)備

4）按傳輸速率分類(lèi)

力低速設(shè)備：傳輸速率僅為每秒鐘幾個(gè)字節(jié)至數(shù)

百個(gè)字節(jié)的設(shè)備。典型的有：鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、語(yǔ)音

的輸入/輸出等。

力中速設(shè)備：傳輸速率僅為每秒鐘數(shù)千個(gè)字節(jié)至數(shù)

數(shù)萬(wàn)個(gè)字節(jié)的設(shè)備。典型的有：打印機(jī)等。

力高速設(shè)備：傳輸速率僅為每秒鐘數(shù)百千個(gè)字節(jié)至

數(shù)十兆字節(jié)的設(shè)備。典型的有：磁盤(pán)機(jī)、磁帶機(jī)、

光盤(pán)機(jī)等。

*54.2設(shè)備控制器

■傳統(tǒng)的設(shè)備=機(jī)械部分+電子部分

■電子部分在系統(tǒng)的控制下驅(qū)動(dòng)機(jī)械部分運(yùn)轉(zhuǎn)，完成

I/O操作

■由于設(shè)備中電子部分比機(jī)械部分的速度快得多，為

了降低硬件成本，將電子部分從設(shè)備中分離出來(lái)作

為一個(gè)獨(dú)立的部件，這就是控制器。在小型和微型

機(jī)中，它常采用印刷電路卡插入計(jì)算機(jī)中。

■分離之后的設(shè)備僅由機(jī)械部分構(gòu)成，一個(gè)控制器可

與多個(gè)設(shè)備相連（因?yàn)榭刂破鞯乃俣瓤煊跈C(jī)械部

分），交替地或分時(shí)地控制與其相連的設(shè)備。例如,

磁盤(pán)控制器可以控制多個(gè)磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器。

?512設(shè)備控制器

■設(shè)備控制器

＞是處于CPU與I/O設(shè)備之間的接口，接可攵CPU發(fā)

來(lái)的命令，并控制I/O設(shè)備工作，是一個(gè)可編址

設(shè)備。

A功能：接收和識(shí)別命令、實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換、了解

設(shè)備狀態(tài)以及識(shí)別設(shè)備地址。

上5.1.2設(shè)備控制器

A設(shè)備控制器的組成

O設(shè)備控制器與處理機(jī)的接口

力設(shè)備控制器與設(shè)備接口

3/0邏輯

。寄存器：控制寄存器（存放命令及參數(shù)）、數(shù)據(jù)寄

存器（存放數(shù)據(jù)）、狀態(tài)寄存器（記錄設(shè)備狀態(tài)）。

1設(shè)備控制器的組成

CPU與控制器接口控制器與設(shè)備接口

數(shù)據(jù)

狀態(tài)

控制

數(shù)據(jù)

狀態(tài)

控制

返回

5.1.3I/O通道

■引入原因

■根據(jù)信息交換方式的不同，通道可分成以下幾種類(lèi)型:

A字節(jié)多路通道

A數(shù)組選擇通道

A數(shù)組多路通道

■注：“瓶頸”問(wèn)題

豈3字節(jié)多：路通道

>1）有'一個(gè)主通道。

>2）含有多個(gè)子通道A、、C

>3）每子通道通過(guò)一控制器與一臺(tái)中/低速的I/O設(shè)

備相連，可同時(shí)并行向主通道傳數(shù)據(jù)。

>4）各子通道以時(shí)間片輪轉(zhuǎn)方式按字節(jié)交叉使用主

通道。

■優(yōu)點(diǎn)：可連多臺(tái)中/低速設(shè)備；能分時(shí)并行操作。

■缺點(diǎn)：傳輸率較低。

案GOOOO

數(shù)組選擇通道

■數(shù)據(jù)傳送是按成組方式進(jìn)行工作，每次傳輸一批數(shù)

據(jù)。主要用于連接高速I(mǎi)/O設(shè)備。

>1）有一個(gè)主通道

>2）含有多個(gè)子通道A、B、C...

>3）每子通道通過(guò)一控制器與一臺(tái)中/低速的I/O設(shè)

備相連，在一段時(shí)間內(nèi)只能選擇一個(gè)子通道程序

執(zhí)行。

■優(yōu)點(diǎn)：可連多臺(tái)高速設(shè)備；傳輸率較高。

■缺點(diǎn)：某子通道不傳數(shù)據(jù)，而使主通道閑置，其它

子通道也不能傳數(shù)據(jù)。所以通道的利用率很低。

n

數(shù)組多路通道

■數(shù)據(jù)傳送仍是按數(shù)組方式工作。工作原理（結(jié)合

兩者：并行十?dāng)?shù)組）

>1）有一>個(gè)主通道

A2）含有多個(gè)子通道A、B、C

a3）每子通道通過(guò)一控制器與一臺(tái)高/中速的I/O設(shè)

備相連，可同時(shí)并行向主通道傳數(shù)據(jù)。

>4）各子通道以時(shí)間片輪轉(zhuǎn)方式按數(shù)組方式使用

主通道。

■優(yōu)點(diǎn)：可連多臺(tái)高/中速設(shè)備；能分時(shí)并行操作,

傳輸率較高。口

lnJ

存儲(chǔ)器

單通路I/O系統(tǒng)

I解天”施頰〃I可題的萬(wàn)法一多路萬(wàn)

___

多通路I/O系統(tǒng)

口

上5.1.5I/O系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器打印機(jī)

CPU存儲(chǔ)器

微型機(jī)I/O系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一總線(xiàn)型

設(shè)

備

主機(jī)I/O系統(tǒng)一具有通道

上5.2I/O控制方式

■常用的輸入/輸出控制方式：

［、程序控制方式

2、中斷控制方式

3、一接存儲(chǔ)器訪問(wèn)DMA方式

4、通道控制方式

返回

上1、程序直接控制方式

■程序控制輸入/輸出方式又稱(chēng)為狀態(tài)驅(qū)動(dòng)輸入/輸出

方式或應(yīng)答輸入/輸出方式

■它采用程序查詢(xún)的方式直接參與數(shù)據(jù)的輸入/輸出

(注意：程序就是CPU)

■問(wèn)題：CPU等待每一個(gè)操作完成的時(shí)候會(huì)花費(fèi)大量

時(shí)間“忙于什么也不做”(busydoing

nothing)----CPU大部分時(shí)間都處于檢查和等待狀

態(tài)，整個(gè)計(jì)算系統(tǒng)的效率十分低下。

■呈序控制輸入/輸出方式一以鍵盤(pán)為例

1、CPU向鍵盤(pán)的控制器發(fā)一條輸入命令，啟動(dòng)鍵盤(pán)進(jìn)

行輸入操作，并將狀態(tài)寄存器的“忙/閑位”置1,

表示忙。

2、然后CPU運(yùn)行程序不斷測(cè)試狀態(tài)寄存器的完成位，

看鍵盤(pán)是否完成了輸入。直到鍵盤(pán)已將數(shù)據(jù)輸入到

了鍵盤(pán)控制器的數(shù)據(jù)寄存器中，狀態(tài)寄存器的完成

位變?yōu)?時(shí)，CPU才停止測(cè)試。

3、CPU取走數(shù)據(jù)寄存器中的輸入數(shù)據(jù)。

■目前IDE接口硬盤(pán)仍在使用這種方式，稱(chēng)為PIO

(ProgrammingInput/Output)模式。

上2、中斷控制方式

1）需數(shù)據(jù)的進(jìn)程向CPU發(fā)出指令啟動(dòng)I/O設(shè)備輸入

數(shù)據(jù)。

2）該進(jìn)程放棄處理機(jī)，等待輸入完成。

3）輸入完成后，I/O控制器向CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求，

CPU收到后，轉(zhuǎn)向中斷服務(wù)程序。中斷服務(wù)程序

將輸入寄存器中的數(shù)據(jù)送指定內(nèi)存單元，并將原

進(jìn)程喚醒，繼續(xù)執(zhí)行。

4）在以后，該進(jìn)程再被調(diào)度，從內(nèi)存單元取出數(shù)

據(jù)進(jìn)行處理。

■斷輸入/輸出方式一以鍵盤(pán)輸入為例

(1)開(kāi)中斷。CPU把啟動(dòng)位和中斷允許位為1的控制字寫(xiě)

入鍵盤(pán)控制狀態(tài)寄存器中，啟動(dòng)鍵盤(pán)。(當(dāng)中斷允許位為1時(shí),

中斷程序可以被調(diào)用。)

(2)進(jìn)程等待鍵盤(pán)輸入完成(進(jìn)入等待隊(duì)列)，由進(jìn)程調(diào)度

程序調(diào)度其他就緒進(jìn)程使用CPUo

(3)鍵盤(pán)啟動(dòng)后，當(dāng)數(shù)據(jù)寄存器裝滿(mǎn)后，鍵盤(pán)控制器通過(guò)

中斷請(qǐng)求線(xiàn)向CPU發(fā)出中斷信號(hào)。

(4)CPU暫停正在進(jìn)行的工作，轉(zhuǎn)向執(zhí)行中斷處理程序。

(取出數(shù)據(jù)寄存器中的輸入數(shù)據(jù)送到內(nèi)存特定單元，并將等待輸入完成的

進(jìn)程喚醒。)

(5)中斷處理程序完畢，CPU返回?cái)帱c(diǎn)繼續(xù)執(zhí)行。

(6)以后某個(gè)時(shí)刻，進(jìn)程調(diào)度程序選中正處于就緒狀態(tài)的

那個(gè)進(jìn)程，該進(jìn)程從特定內(nèi)存單元中取出所需的數(shù)據(jù)繼

續(xù)工作。

優(yōu)點(diǎn)：CPU不需等待數(shù)據(jù)傳輸

完成，I/O設(shè)備與CPU并行工

作，CPU的利用率因此提高。

缺點(diǎn)：CPU在響應(yīng)中斷后，還

需要時(shí)間來(lái)執(zhí)行中斷服務(wù)程序。

如果數(shù)據(jù)量大，需要多次執(zhí)行

中斷程序，CPU的效率仍然不

返回

上3、DMA方式

1）需數(shù)據(jù)的進(jìn)程向CPU發(fā)出指令，向DMA控制器寫(xiě)入數(shù)

據(jù)存放的內(nèi)存始址、傳送的字節(jié)數(shù)，并置中斷位和啟動(dòng)

位，啟動(dòng)I/O設(shè)備輸入數(shù)據(jù)并允許中斷。

2）該進(jìn)程放棄處理機(jī)等待輸入完成，處理機(jī)被其它進(jìn)程

占據(jù)。

3）DMA控制器挪用CPU周期，將一批數(shù)據(jù)寫(xiě)入內(nèi)存中。

4）DMA控制器傳送完數(shù)據(jù)后向CPU發(fā)中斷請(qǐng)求，CPU響

應(yīng)后轉(zhuǎn)向中斷服務(wù)程序喚醒進(jìn)程，并返回被中斷程序。

5）在以后該進(jìn)程再被調(diào)度，從內(nèi)存單元取出數(shù)據(jù)進(jìn)行處

理。

3、DMA方式

■優(yōu)點(diǎn).一CPU利用率進(jìn)一步提高（并行度有所提

局）O

■缺點(diǎn).一數(shù)據(jù)傳送方向、字節(jié)數(shù)、內(nèi)存地址等需由

CPU控制，且每一設(shè)備需一臺(tái)DMA控制器，設(shè)備

增多時(shí)，不經(jīng)濟(jì)。

返回

4、通道控制方式

■通道是一個(gè)獨(dú)立于CPU的專(zhuān)管輸入/輸出控制的處理

機(jī)，它控制設(shè)備與內(nèi)存直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

■通道有自己的一套簡(jiǎn)單的指令系統(tǒng)，稱(chēng)為通道指令。

每條通道指令規(guī)定了設(shè)備的一種操作，通道指令序列

便是通道程序，通道執(zhí)行通道程序來(lái)完成規(guī)定動(dòng)作。

■通道靠執(zhí)行通道程序軟件完成數(shù)據(jù)傳輸，通道控制器

的功能比DMA控制器更強(qiáng)大，它能夠承擔(dān)外設(shè)的大

部分工作。

4、通道控制方式

1）需數(shù)據(jù)的進(jìn)程向CPU發(fā)出指令，CPU發(fā)出啟動(dòng)指令指

明I/O操作、設(shè)備號(hào)和對(duì)應(yīng)的通道。

2）該進(jìn)程放棄CPU等待輸入完成，CPU被其它進(jìn)程占據(jù)。

3）通道接收到CPU發(fā)來(lái)的啟動(dòng)指令后，取出內(nèi)存中的通

道程序執(zhí)行，控制設(shè)備將數(shù)據(jù)傳送到內(nèi)存指定區(qū)域。

4）傳送完數(shù)據(jù)后，通道向CPU發(fā)中斷請(qǐng)求，CPU響應(yīng)后

轉(zhuǎn)向中斷服務(wù)程序，喚醒進(jìn)程，并返回被中斷程序。

5）在以后該進(jìn)程再被調(diào)度，從內(nèi)存取出數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

、通道控制方式

■優(yōu)點(diǎn)：一個(gè)通道可控制多設(shè)備，所需CPU干預(yù)更少;

CPU利用率較高（并行度較高）。

■缺點(diǎn)：通道價(jià)格較高。

口

?5.3緩沖管理

1、提高處理機(jī)與I/O設(shè)備的并行工作的技術(shù)：

1）數(shù)據(jù)傳送控制方式2）緩沖技術(shù)

2、操作系統(tǒng)中，引入緩沖的主要原因

1）緩沖CPU與I/O設(shè)備間速度不匹配的矛盾

＞如：計(jì)算----打印buffer------打印

2）減少中斷CPU的次數(shù)

?如：buffer越大，“buffer滿(mǎn)”信號(hào)發(fā)生頻率越低。

3）提高CPU與I/O設(shè)備的并行性

35.3緩沖管理

3、緩沖的兩種實(shí)現(xiàn)方法：

1）采用硬件緩沖器實(shí)現(xiàn)

2）用軟件緩沖區(qū)來(lái)實(shí)現(xiàn)

＞緩沖是用來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)傳送速度不同的設(shè)備的傳送速

度進(jìn)行匹配/緩沖的一種常用手段。其實(shí)現(xiàn)方法除

在關(guān)鍵地方可采用硬件緩沖器外，大都采用軟件

緩沖來(lái)實(shí)現(xiàn)。軟件緩沖區(qū)是指在I/O操作期間，專(zhuān)

門(mén)用來(lái)臨時(shí)存放輸入/輸出數(shù)據(jù)的一塊存儲(chǔ)區(qū)域。

沖管理

4、緩沖技術(shù)的分類(lèi)

單緩沖雙緩沖

循環(huán)緩沖緩沖池

返回

上單緩沖

■在設(shè)備和處理機(jī)之間設(shè)置一個(gè)緩沖。設(shè)備與處理機(jī)

交換數(shù)據(jù)時(shí)，先把交換的數(shù)據(jù)寫(xiě)入緩沖區(qū)，然后需

要數(shù)據(jù)的設(shè)備/處理機(jī)再?gòu)木彌_區(qū)中取走數(shù)據(jù)。

■特點(diǎn)：緩沖區(qū)數(shù)只有一個(gè)；設(shè)備與處理機(jī)對(duì)緩沖區(qū)

的操作是串行的。

■圖示

上一塊數(shù)據(jù)的處理時(shí)間

工作區(qū)卜%-緩沖區(qū)卜辛

II/O設(shè)備

用戶(hù)進(jìn)程C操作系統(tǒng)

■無(wú)緩沖區(qū)時(shí)，該時(shí)間為T(mén)+C

■由于C和T可并行，M和C或M和T不能并行,因此處

理一塊數(shù)據(jù)時(shí)間：Max(C,T)+M

返回

J.雙緩沖

■增加一個(gè)緩沖區(qū)，兩個(gè)緩沖區(qū)可以交替使用

■若用戶(hù)進(jìn)程陣發(fā)性I/O的數(shù)據(jù)超過(guò)一個(gè)緩沖區(qū)而不足兩個(gè)

緩沖區(qū)，雙緩沖使進(jìn)程不會(huì)在I/O數(shù)據(jù)期間被阻塞。

■在設(shè)備和處理機(jī)之間設(shè)置2個(gè)緩沖。設(shè)備與處理機(jī)交換

數(shù)據(jù)時(shí)，先把交換的數(shù)據(jù)寫(xiě)入緩沖區(qū)，然后需要數(shù)據(jù)的

設(shè)備/處理機(jī)再?gòu)木彌_區(qū)中取走數(shù)據(jù)。因緩沖區(qū)有2個(gè)，

提高了設(shè)備與處理機(jī)并行操作的程度，只有當(dāng)兩個(gè)均為

空時(shí)，需數(shù)據(jù)的進(jìn)程才等待。

■特點(diǎn)：緩沖區(qū)數(shù)有2個(gè)；設(shè)備與處理機(jī)對(duì)緩沖區(qū)的操作

可并行，提高了設(shè)備與處理機(jī)并行操作的程度。

上雙緩沖

雙緩沖示例

雙緩沖圖示

一塊數(shù)據(jù)的處理時(shí)間

"簟魚(yú)I/O設(shè)備

MrT

用戶(hù)進(jìn)程C操作系統(tǒng)

■當(dāng)C>T:C+M即MAX(C,T)+M

■當(dāng)C〈T:MAX(C,T)

口

】■循環(huán)緩沖

—I用戶(hù)進(jìn)程至理數(shù)據(jù)的速度較快、外部設(shè)備處理

數(shù)據(jù)的速度較慢，或者用戶(hù)進(jìn)程陣發(fā)性輸入/輸出

的數(shù)據(jù)較多時(shí)，必須考慮增加緩沖區(qū)的數(shù)量以改

善系統(tǒng)性能，這就是多緩沖區(qū)方式（被組織成循

環(huán)隊(duì)列，故稱(chēng)為循環(huán)緩沖）。

■在設(shè)備和處理機(jī)之間設(shè)置多個(gè)大小相等的緩沖區(qū),

這些緩沖區(qū)構(gòu)成環(huán)形，每一個(gè)緩沖區(qū)中含一指針

指向下一個(gè)緩沖區(qū)，最后一個(gè)指向第一個(gè)緩沖區(qū),

同時(shí)還含有2個(gè)用于輸入/輸出的指針I(yè)N和OUT。

■特點(diǎn)：緩沖區(qū)數(shù)有多個(gè)；設(shè)備與處理機(jī)對(duì)緩沖區(qū)

的操作可并行，進(jìn)一步提高了設(shè)備與處理機(jī)并行

操作的程度。

上循環(huán)緩沖的組成

類(lèi)型：

R:空緩沖；G:滿(mǎn)緩沖；C:當(dāng)前緩沖

1循環(huán)緩沖

■緩沖區(qū)的使用

?Getbuf過(guò)程

力計(jì)算進(jìn)程取Nextg對(duì)應(yīng)緩沖區(qū)使用，將Nextg置為

空，Nextg=(Nextg+1)ModN

◎輸入進(jìn)程取Nexti對(duì)應(yīng)緩沖區(qū)使用，將Nexti置為

滿(mǎn)，Nexti=(Nexti+1)ModN

?Releasebuf過(guò)程

◎若C滿(mǎn)，則改為G;

0若C空，則改為R;

土循環(huán)緩沖

■進(jìn)程同步

aNexti追上Nextg：表示輸入速度）輸出速度，

全部buf滿(mǎn)，這時(shí)輸入進(jìn)程阻塞。

aNextg追上Nexti:輸入速度〈輸出速度，全部

buf空，這時(shí)輸出進(jìn)程阻塞。

口

上緩沖池

■上述三種緩沖區(qū)的組織形式僅適用于某種特定的I/O

進(jìn)程和計(jì)算進(jìn)程，屬于專(zhuān)用緩沖。

■當(dāng)系統(tǒng)中的設(shè)備很多時(shí)，將會(huì)有許多這樣的循環(huán)緩

沖區(qū)，消耗大量的內(nèi)存空間，而且其利用率也不高。

■為了提高緩沖區(qū)的利用率，可以采用公共緩沖池技

術(shù)，其中的緩沖區(qū)可為多個(gè)設(shè)備和進(jìn)程服務(wù)。

上緩沖池

1、緩沖池：將系統(tǒng)內(nèi)所有的緩沖區(qū)統(tǒng)一管理起來(lái)，就形

成了能用于輸入/輸出的緩沖池。緩沖池通常由若干大

小相同的緩沖區(qū)組成，是系統(tǒng)的公用資源，任何進(jìn)程

都可以申請(qǐng)使用緩沖池中的各個(gè)緩沖區(qū)。

2、緩沖池的組成（數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)）

?三個(gè)隊(duì)列：空緩沖隊(duì)列emq、裝滿(mǎn)輸入數(shù)據(jù)隊(duì)列

inq、裝滿(mǎn)輸出數(shù)據(jù)隊(duì)列outq

?四個(gè)工作緩沖區(qū)：收容輸入緩沖區(qū)hin、提取輸入

sin、收容輸出hout、提取輸出緩沖區(qū)sout

3、getbuf過(guò)程和putbuf過(guò)程

ProcedureGetbuf(type)ProcedurePutbuf(type)

beginbegin

wait(rs(type));wait(ms(type));

wait(ms(type));Addbuf(type,number);

B(number):=Takebuf(type);signal(ms(type));

signal(ms(type);signal(rs(type));

endend

、操作系統(tǒng)對(duì)緩沖池的管理一工作方式

緩沖池

收容輸提取輸入用

sin

戶(hù)

程

提取輸出收容輸出

southout<序

緩沖區(qū)的工作方式

、操作系統(tǒng)對(duì)緩沖池的管理一工作方式

1)輸入進(jìn)程需要輸入數(shù)據(jù)時(shí)：hin=getbuf(emq);輸

入數(shù)據(jù)；putbuf(inq,hin)

從空緩沖隊(duì)列的隊(duì)首取一空緩沖區(qū)用作收容輸

入緩沖區(qū)；

>2)輸入設(shè)備將數(shù)據(jù)輸入收容輸入緩沖區(qū)并裝滿(mǎn)；

>3)將此緩沖區(qū)掛到裝滿(mǎn)輸入數(shù)據(jù)隊(duì)列隊(duì)尾。

、操作系統(tǒng)對(duì)緩沖池的管理一工作方式

2)計(jì)算進(jìn)程需要輸入數(shù)據(jù)時(shí)：sin=getbuf(inq);計(jì)

算；putbuf(emq,sin)

>1)從裝滿(mǎn)輸入數(shù)據(jù)隊(duì)列隊(duì)首取一滿(mǎn)緩沖區(qū)用作提

取輸入緩沖區(qū)；

>2)CPU從提取輸入緩沖區(qū)中取出數(shù)據(jù)至用完；

>3)將空緩沖區(qū)掛至1空緩沖隊(duì)列隊(duì)尾。

、操作系統(tǒng)對(duì)緩沖池的管理一工作方式

3)計(jì)算進(jìn)程需要輸出數(shù)據(jù)時(shí)：hout=getbuf(emq);

輸出數(shù)據(jù)；putbuf(outq,hout)

A1)從空緩沖隊(duì)列隊(duì)首取一空緩沖區(qū)用作收容輸出

緩沖區(qū)；

>2)CPU將數(shù)據(jù)輸入其中并裝滿(mǎn)；

>3)1尋收容輸出緩沖區(qū)掛到裝滿(mǎn)輸出數(shù)據(jù)隊(duì)列隊(duì)尾。

上4、操作系統(tǒng)對(duì)緩沖池的管理一工作方式

4）輸出進(jìn)程需要輸出數(shù)據(jù)時(shí)：hout=getbuf（outq）;

輸出；putbuf（emq，hout）

A1）從裝滿(mǎn)輸出數(shù)據(jù)隊(duì)列隊(duì)首取一滿(mǎn)緩沖區(qū)用作

提取輸出緩沖區(qū)；

A2）輸出設(shè)備從中取出數(shù)據(jù)至用完；

>3）將空緩沖區(qū)掛到空緩沖隊(duì)列隊(duì)尾。

5.4設(shè)備分配

■包括：對(duì)設(shè)備、設(shè)備控制器、通道的分配

A設(shè)備分配中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

A設(shè)備分配的策略/應(yīng)考慮的因素

A設(shè)備獨(dú)立性

＞設(shè)備分配程序

aSPOOLING技術(shù)

5.4.1設(shè)備分配中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

■系統(tǒng)設(shè)備表SDT(systemdevicetable)

■設(shè)備控制表DCT(devicecontroltable)

■控制器控制表COCT(controllercontroltable)

■通道控制表CHCT(channelcontroltable)

DCT

設(shè)備類(lèi)型

設(shè)備標(biāo)識(shí)符

設(shè)備狀態(tài)：忙/閑

COCT指針

設(shè)備等待隊(duì)列指針

COCTCHCT

控制器標(biāo)識(shí)符通道標(biāo)識(shí)符

控制器狀態(tài)：忙/閑通道狀態(tài)：忙/閑

CHCT指針

通道等待隊(duì)列指針

控制器等待隊(duì)列指針

5.4.2設(shè)備分配策略/應(yīng)考慮的因素

1、設(shè)備的使用性質(zhì)/固有屬性

A獨(dú)享分配、共享分配、虛擬分配

2、設(shè)備分配算法

A先請(qǐng)求先服務(wù)、優(yōu)先級(jí)高者優(yōu)先

3、設(shè)備分配的安全性（防止進(jìn)程死鎖）

4、設(shè)備獨(dú)立性：是指用戶(hù)在編制程序時(shí)所用的設(shè)備

（邏輯）與實(shí)際使用的設(shè)備無(wú)關(guān)

設(shè)備分配算法

■先請(qǐng)求先服務(wù)

A當(dāng)有多進(jìn)程對(duì)同一設(shè)備提出I/O請(qǐng)求時(shí)，系統(tǒng)根

據(jù)這些進(jìn)程發(fā)出請(qǐng)求的先后次序?qū)⑺鼈兣懦梢粋€(gè)

設(shè)備請(qǐng)求隊(duì)列，設(shè)備分配程序總是把設(shè)備分配給

隊(duì)首的進(jìn)程。

■優(yōu)先級(jí)高者優(yōu)先

A按照進(jìn)程優(yōu)先級(jí)的高低進(jìn)行分配。即當(dāng)多進(jìn)程對(duì)

同一設(shè)備提出I/O請(qǐng)求時(shí)，誰(shuí)優(yōu)先級(jí)高，就將設(shè)

備分配給誰(shuí)。若優(yōu)先級(jí)相同，則按先請(qǐng)求先服務(wù)

進(jìn)行分配。

?543設(shè)備獨(dú)立性

■設(shè)備獨(dú)立性概念（設(shè)備無(wú)關(guān)性）

A為提高OS的可適應(yīng)性和可擴(kuò)展性，而將應(yīng)用程

序獨(dú)立于具體使用的物理設(shè)備。

＞邏輯設(shè)備

＞物理設(shè)備

＞邏輯設(shè)備表（LUT）

土543設(shè)備獨(dú)立性

■設(shè)備獨(dú)立性的實(shí)現(xiàn)

A邏輯設(shè)備（應(yīng)用程序）和物理設(shè)備（執(zhí)行）

O設(shè)備分配時(shí)的靈活性

/邏輯設(shè)備和物理設(shè)備間可以是多——多的映

射關(guān)系。提高了物理設(shè)備的共享性，以及使

用的靈活性。如：某邏輯名可對(duì)應(yīng)這一類(lèi)設(shè)

備，提高均衡性與容錯(cuò)性；幾個(gè)邏輯名可對(duì)

應(yīng)某一個(gè)設(shè)備，提高共享性。

力易于實(shí)現(xiàn)I/O重定向

t543設(shè)備獨(dú)立性

■設(shè)備獨(dú)立性的實(shí)現(xiàn)

＞設(shè)備獨(dú)立性軟件

力執(zhí)行所有設(shè)備的公有操作

力向用戶(hù)層（文件層）軟件提供統(tǒng)一的接口

/read、write

土543設(shè)備獨(dú)立性

■設(shè)備獨(dú)立性的實(shí)現(xiàn)

＞邏輯設(shè)備名到物理設(shè)備名映射的實(shí)現(xiàn)

一邏輯設(shè)備表LUT(LoqicalUnitTable)

a分配流程：進(jìn)程給出邏輯名——通過(guò)LUT得到物

理設(shè)備及其driver入口。

?LUT設(shè)置問(wèn)題(圖5?18)

由整個(gè)系統(tǒng)設(shè)置一張LUT;每個(gè)用戶(hù)設(shè)一張LUT

上設(shè)備獨(dú)立性相關(guān)概念

■I/O重定向

A指用于I/O操作的設(shè)備可以更換，即重定向，而不

必改變應(yīng)用程序，只需改變LUT表的映射關(guān)系。

■所有設(shè)備的公有操作

A獨(dú)立設(shè)備的分配與回收；將邏輯設(shè)備名映射為物

理設(shè)備名；對(duì)設(shè)備進(jìn)行保護(hù)（禁直訪）；緩沖管

理；差錯(cuò)控制。f

邏輯設(shè)備表LUT(LoqicalUnitTable)

邏輯設(shè)備名物理設(shè)備名驅(qū)動(dòng)程序入口地址

/dev/tty31024

/dev/print52046

■■■■■■■■■

(a)

邏輯設(shè)備名系統(tǒng)設(shè)備表指針

/dev/tty3

/dev/print5

■■■■■■

(b)

J.544獨(dú)占設(shè)備的分配程序

■的設(shè)備分配程序

＞分配設(shè)備

A分配控制器

A分配通道

＞問(wèn)題（“瓶頸”）

。進(jìn)程以物理設(shè)備名來(lái)提出I/O請(qǐng)求

口采用的是單通路的I/O系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

■設(shè)備分配程序的改進(jìn)

＞增加設(shè)備的獨(dú)立性（進(jìn)程以邏輯設(shè)備名提出I/O請(qǐng)求）

A考慮多通路情況wt

口

分配設(shè)備

ASDTADCT

I設(shè):狀態(tài)I

進(jìn)程插入~~[y

設(shè)彳等待隊(duì)列1

本次分配的安全性

上分配控制器

物理設(shè)備分配

DCT^COCT

控制器狀態(tài)

進(jìn)程插入

控制器等待隊(duì)列

分配控制器

返回

分配通道

控制手分配

COCipCHCT

進(jìn)程插入

通道等待隊(duì)列

分配通道

*返回

ISPOOUNG技術(shù)

^jg[SimultaneausPeriphernalOperationsOn-Line)

■脫機(jī)輸入、輸出技術(shù)

＞為了緩和CPU的高速性與I/O設(shè)備的低速性間矛盾

而引入，該技術(shù)在外圍控制機(jī)的控制下實(shí)現(xiàn)低速

的I/O設(shè)備與高速的磁盤(pán)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。

■SPOOLING技術(shù)

■SPOOLING系統(tǒng)的組成

■SPOOLING系統(tǒng)的特點(diǎn)

SPOOUNG技術(shù)

(SimultaneausPeriphernaIOperationsOn-Line)

■SPOOLING技術(shù)

在多道程序下，用一程序來(lái)模擬外圍控制機(jī)，

實(shí)現(xiàn)將數(shù)據(jù)從磁盤(pán)傳送到低速的輸出設(shè)備上，從而

可在主機(jī)的直接控制下，實(shí)現(xiàn)脫機(jī)輸入、輸出功能,

進(jìn)而實(shí)現(xiàn)外圍操作與CPU對(duì)數(shù)據(jù)處理的并行操作，

這種在聯(lián)機(jī)情況下實(shí)現(xiàn)的同時(shí)外圍操作稱(chēng)為

SPOOLING技術(shù)，是對(duì)脫機(jī)輸入、輸出工作的模

擬，是操作系統(tǒng)中采用的一項(xiàng)將獨(dú)占設(shè)備改造成為

共享設(shè)備的技術(shù)。

上SPOOLING系統(tǒng)的組成

內(nèi)存

組成：

1、輸入井、輸出井2、輸入緩沖區(qū)、輸出緩沖區(qū)

3、輸入進(jìn)程、輸出進(jìn)程4、請(qǐng)求打印隊(duì)列

上SPOOLING系統(tǒng)的組成

1.輸入井和輸出井：

>在磁盤(pán)上開(kāi)辟的2個(gè)大存儲(chǔ)空間，模擬輸入和輸出

設(shè)備。

2.輸入buf和輸出buf（內(nèi)存中）

>輸入設(shè)咯----輸入buf輸入井----用戶(hù)區(qū)（1）

?用戶(hù)區(qū)——輸出井——輸出buf——設(shè)備（2）

3.輸入SPi和輸出SPo進(jìn)程。

?分別控制（1）,（2）的動(dòng)作。

>SPi相當(dāng)于脫機(jī)輸入控制器。

>SPo相當(dāng)于脫機(jī)輸出控制器。

SPOOLING舉例

⑴輸入

＞a.進(jìn)程n請(qǐng)求一＞SPi為n在輸入井中分配空間一＞設(shè)

備數(shù)據(jù)由輸入buf送輸入井一＞生成輸入請(qǐng)求表掛輸

入請(qǐng)求隊(duì)列。

ab.CPU空一＞取請(qǐng)求表中的任務(wù)，送進(jìn)程緩沖區(qū)。

⑵輸出：（打?。?/p>

＞a.進(jìn)程n請(qǐng)求一＞SPo為n在輸出井中分配空間一＞將

數(shù)據(jù)由進(jìn)程buf轉(zhuǎn)到輸出井一＞生成一打印請(qǐng)求表掛

打印請(qǐng)求隊(duì)列。

＞b.打印機(jī)空一＞查打印請(qǐng)求表中的任務(wù)一＞取輸出井

中對(duì)于數(shù)據(jù)一＞輸出buf—＞打印

工SPOOLING系統(tǒng)的特點(diǎn)

■提高了I/O速度（對(duì)低速設(shè)備操作變?yōu)閷?duì)輸入/輸出井

操作）

■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/輸出井）

■實(shí)現(xiàn)了虛擬設(shè)備功能

虛擬設(shè)備實(shí)現(xiàn)了對(duì)獨(dú)占設(shè)備的改造，而虛擬分配使進(jìn)程對(duì)獨(dú)占

設(shè)備的使用與物理設(shè)備分離，使進(jìn)程與I/O設(shè)備之間的同步I/O

方式轉(zhuǎn)變?yōu)楫惒絀/O方式，提高了進(jìn)程的并發(fā)度和執(zhí)行效率。顯

然，虛擬分配方式在邏輯上改造了設(shè)備特性，提高了設(shè)備的利

用率，同時(shí)也提高了進(jìn)程的執(zhí)行效率。其所付出的代價(jià)是外存

空間的開(kāi)銷(xiāo)，是操作系統(tǒng)利用空間換取時(shí)間的一個(gè)典型范例。

上SPOOLING技術(shù)

■在操作系統(tǒng)中，引入虛擬設(shè)備的原因

＞引入虛擬設(shè)備是為了克服獨(dú)占設(shè)備速度較慢、降

低設(shè)備資源利用率的缺點(diǎn)，從而提高設(shè)備的利用

率。

■虛擬設(shè)備

＞是指通過(guò)虛擬技術(shù)將一臺(tái)獨(dú)占設(shè)備變換為若干臺(tái)

邏輯設(shè)備，供若干個(gè)用戶(hù)進(jìn)程使用，通常把這種

經(jīng)過(guò)虛擬技術(shù)處理后的設(shè)備稱(chēng)為虛擬設(shè)備。

口

?5.5設(shè)備處理

■設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的功能和特點(diǎn)

A設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的功能

A設(shè)備處理方式

A設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的特點(diǎn)

■設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的處理過(guò)程

■中斷處理程序的處理過(guò)程

i設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的功能

■將接收到的抽象要求轉(zhuǎn)換為具體要求。

■檢查用戶(hù)I/O請(qǐng)求的合法性、I/O設(shè)備狀態(tài)、傳參數(shù)、

設(shè)置設(shè)備的工作方式。

■按處理機(jī)的I/O請(qǐng)求去啟動(dòng)指定的設(shè)備進(jìn)行I/O操作。

■及時(shí)響應(yīng)由控制器或通道發(fā)來(lái)的中斷請(qǐng)求，并進(jìn)行

相應(yīng)處理。

■按I/O請(qǐng)求構(gòu)成相應(yīng)通道程序。

上設(shè)備處理方式

■為每一類(lèi)設(shè)備設(shè)置一進(jìn)程，專(zhuān)門(mén)執(zhí)行其I/O操作。

■在整個(gè)系統(tǒng)中設(shè)置一個(gè)進(jìn)程，執(zhí)行所有的I/O操作。

■不設(shè)置專(zhuān)門(mén)的設(shè)備處理進(jìn)程，而為各類(lèi)設(shè)備設(shè)置

相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。

設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的特點(diǎn)

■是請(qǐng)求I/O的進(jìn)程與設(shè)備控制器之間的一個(gè)通信程序

■與I/O設(shè)備的特性緊密相關(guān)

■與I/O控制方式緊密相關(guān)

■與硬件緊密相關(guān)，因而其中一部分程序必須用匯編語(yǔ)

言編寫(xiě)

設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的的處理過(guò)程

■將接收到的抽象要求轉(zhuǎn)換為具體要求

■檢查用戶(hù)I/O請(qǐng)求的合法性

■讀出和檢查I/O設(shè)備狀態(tài)

■傳送必要參數(shù)

■設(shè)置設(shè)備的工作方式

■按處理機(jī)的I/O請(qǐng)求去啟動(dòng)指定的設(shè)備進(jìn)行I/O操作

上中斷處理程序的處理過(guò)程

■喚醒被阻塞的驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)程

■保護(hù)被中斷進(jìn)程的CPU環(huán)境

■分析中斷原因、轉(zhuǎn)入相應(yīng)的設(shè)備中斷處理程序

■進(jìn)行中斷處理

■恢復(fù)被中斷進(jìn)程的現(xiàn)場(chǎng)

返回

5^6磁盤(pán)存儲(chǔ)器

■提高磁盤(pán)I/O速度的主要途徑:

>(1)選擇性能好的磁盤(pán)

>(2)采用好的磁盤(pán)調(diào)度算法

>(3)設(shè)置磁盤(pán)高速緩存(DiskCache)

>(4)其它方法

>(5)采用高度可靠、快速的容量磁盤(pán)系統(tǒng)一■糜

價(jià)磁盤(pán)冗余陣列

上1、磁盤(pán)性能

■磁盤(pán)性能簡(jiǎn)述

＞數(shù)據(jù)的組織

◎磁盤(pán)結(jié)構(gòu)、磁道、柱面、扇區(qū)、磁盤(pán)格式化

力磁盤(pán)物理塊的地址：柱面號(hào)磁頭號(hào)扇區(qū)號(hào)

A磁盤(pán)類(lèi)型（固定頭磁盤(pán)、移動(dòng)頭磁盤(pán)）

1、磁盤(pán)性能

■訪問(wèn)時(shí)間

A尋道時(shí)間：將磁頭從當(dāng)前位置移到指定磁道所經(jīng)歷的

時(shí)間Ts=m*n+s

A旋轉(zhuǎn)延遲時(shí)間：指定扇區(qū)移動(dòng)到磁頭下面所經(jīng)歷的時(shí)

間。設(shè)每秒r轉(zhuǎn)，貝仃r=1/2r（均值）

?傳輸時(shí)間：將扇區(qū)上的數(shù)據(jù)從磁盤(pán)讀出/向磁盤(pán)寫(xiě)入

數(shù)據(jù)所經(jīng)歷的時(shí)間Tt=b/rN。其中b:讀寫(xiě)字節(jié)數(shù)，

N:每道上的字節(jié)數(shù)。

■在訪問(wèn)時(shí)間中，Ts和Tr基本上與所讀/寫(xiě)數(shù)據(jù)的多少無(wú)關(guān),

且通常占據(jù)了訪問(wèn)時(shí)間中的大頭。故，適當(dāng)?shù)丶袛?shù)據(jù)

傳輸，將有利于提高傳輸效率。

上信息分布優(yōu)化

■例：信息在存儲(chǔ)空間的排列方式也會(huì)影物理邏輯

塊記錄

響存取等待時(shí)間?？紤]10個(gè)邏輯記錄A,

1A

B……，J被存于旋轉(zhuǎn)型設(shè)備上，每道存2B

放10個(gè)記錄，安排如右圖示。假定要經(jīng)3C

常順序處理這些記錄，而旋轉(zhuǎn)速度為204D

5E

毫秒，處理程序讀出每個(gè)記錄后花4毫

6F

秒進(jìn)行處理。請(qǐng)計(jì)算依次讀出這10個(gè)

7G

記錄總共需花多長(zhǎng)時(shí)間？如何優(yōu)化最合8H

適？9I

10J

■Ji------------------------------

■解：由于旋轉(zhuǎn)速度為20毫秒，且每道10條記錄，

故讀取每條記錄的時(shí)間為2毫秒。

＞又因?yàn)樽x出并處理記錄A之后（4ms）將轉(zhuǎn)到記錄

D的開(kāi)始。所以，為了讀出B,必須再轉(zhuǎn)一周。

A于是，處理10個(gè)記錄的總時(shí)間為：10毫秒（移動(dòng)

到記錄A的平均時(shí)間）+2毫秒（讀記錄A）+4毫秒

（處理記錄A）+9x[16毫秒（訪問(wèn)下一記錄）+2毫

秒（讀記錄）+4毫秒（處理記錄）]=214毫秒

物理邏輯

■按右圖方案優(yōu)化各記錄的位置。當(dāng)塊記錄

讀出記錄A并處理結(jié)束后，恰巧轉(zhuǎn)1A

至記錄B的位置，立即就可讀出并2H

處理。按照這一方案，處理10個(gè)記3E

錄的總時(shí)間為：10毫秒（移動(dòng)到記4B

錄A的平均時(shí)間）+10*[2毫秒（讀5I

記錄）+4毫秒（處理記錄）]=70毫6F

秒7C

■比原方案速度幾乎快3倍，如果有8J

眾多記錄需要處理，節(jié)省時(shí)間更可9G

D

觀了。10

磁盤(pán)結(jié)構(gòu)

?區(qū)iu?區(qū)n5IW

42、磁盤(pán)調(diào)度算法

■對(duì)于用來(lái)保存文件的磁盤(pán)等設(shè)備而言,同一l時(shí)刻可

能會(huì)有許多來(lái)自系統(tǒng)和應(yīng)用程序的訪問(wèn)請(qǐng)求，每個(gè)

請(qǐng)求讀或?qū)懸粔K。按什么次序?yàn)檫@些訪問(wèn)請(qǐng)求服務(wù)

是輸入/輸出調(diào)度所應(yīng)解決的問(wèn)題，而用來(lái)確定服務(wù)

次序的算法稱(chēng)為輸入/輸出調(diào)度算法。

■設(shè)計(jì)輸入/輸出調(diào)度算法應(yīng)考慮兩個(gè)基本因素

A公平性：一個(gè)I/O請(qǐng)求應(yīng)當(dāng)在有限時(shí)間內(nèi)得到滿(mǎn)足

A高效性：減少設(shè)備機(jī)械運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)

老盤(pán)2調(diào)、度磁算盤(pán)法調(diào)度算法

A早期的磁盤(pán)調(diào)度算法

■先來(lái)先月艮務(wù)FCFS

由最短尋道時(shí)間優(yōu)先SSTF

＞掃描算法

力掃描(SCAN)/電梯(LOOK)算法

力循環(huán)掃描(CSCAN)算法

力**N?STEP?SCAN調(diào)度算法

a**FSCAN調(diào)度算法

例：假設(shè)一個(gè)請(qǐng)求序列：98、183、37、122、

14、124、65、67,磁頭當(dāng)前的位置在53。

FCFS先來(lái)先服務(wù)

按進(jìn)程請(qǐng)求訪問(wèn)磁盤(pán)的先后次序進(jìn)行調(diào)度下磁道移道數(shù)

9845

queue=98,183,37,122,14,124,65,67

headstartsat5318385

O14

II375365679812212418319937146

iiIIiII

12285

14108

124110

6559

672

總道數(shù)640

平均80

tFCFS先來(lái)先服務(wù)性能評(píng)價(jià)

■磁頭引臂橫向移動(dòng)的速度很慢，若按照請(qǐng)求發(fā)出

的次序依次讀/寫(xiě)各個(gè)磁盤(pán)塊，則磁頭引臂在內(nèi)磁

道和外磁道之間頻繁地移動(dòng)，造成較大的時(shí)間開(kāi)

銷(xiāo)，影響效率。

■這種算法通?？捎糜谳斎?輸出負(fù)載較輕的系統(tǒng)。

最短尋道時(shí)間優(yōu)先(SSTF)

選擇從當(dāng)前磁頭位置所需尋道時(shí)間最短的請(qǐng)求。下磁道移道數(shù)

queue=98,183,37,122,14,124,65,676512

headstartsat53672

O4

3753656798122124183199

iII3730

1423

9884

12224

1242

18359

總道數(shù)236

平均29.5

■從此例可看出，按照上述服務(wù)次序，磁頭引臂的

機(jī)械運(yùn)動(dòng)明顯減少，所需時(shí)間大幅度降低。

■存在的缺點(diǎn)：假設(shè)某一時(shí)刻外磁道請(qǐng)求不斷，則

內(nèi)磁道請(qǐng)求可能長(zhǎng)時(shí)間得不到滿(mǎn)足，這種現(xiàn)象稱(chēng)

為“磁道歧視”。因此，本算法缺乏公平性，存

在饑餓和餓死的問(wèn)題。

上掃描算法（SCAN）

■Scan算法往復(fù)掃描各個(gè)柱面（磁道）并為途經(jīng)柱

面（磁道）的請(qǐng)求服務(wù)。

■起始時(shí)磁頭處于最外柱面，并向內(nèi)柱面移動(dòng)。在移

動(dòng)的過(guò)程中，如果途經(jīng)的柱面有訪問(wèn)請(qǐng)求，則為其

服務(wù)，如此一直移動(dòng)到最內(nèi)柱面，然后改變方向由

內(nèi)柱面向外柱面移動(dòng)，并以相同的方式為途經(jīng)的請(qǐng)

求服務(wù)。

■Scan算法每次都掃描到柱面的盡頭，無(wú)論最內(nèi)

（最外）柱面處是否有訪問(wèn)請(qǐng)求。

3描算法（SCAN）

下磁道移道數(shù)

6512

queue=98,183,37,122,14,124,65,67

672

headstartsat53

9831

12224

1242

18359

19916

37162

1423

假定：磁頭向磁道號(hào)增加的方向移動(dòng)。

總道數(shù)331

平均41.4

Look算法（電梯算法）

■Look算法也稱(chēng)電梯算法，因其基本思想與電梯的

工作原理相似而得名。

■無(wú)訪問(wèn)請(qǐng)求時(shí)，磁頭引臂停止不動(dòng)；當(dāng)有訪問(wèn)請(qǐng)求

時(shí)，起始時(shí)磁頭由最外柱面向內(nèi)柱面移動(dòng)，并為途

經(jīng)的請(qǐng)求服務(wù)。一旦內(nèi)柱面沒(méi)有訪問(wèn)請(qǐng)求，則改變

移動(dòng)方向（如外柱面有請(qǐng)求）或停止移動(dòng)（外柱面

也無(wú)請(qǐng)求）。

算法（電梯算法）

Look下磁道移道數(shù)

6512

queue=98,183,37,122,14,124,65,67

headstartsat53672

9831

12224

1242

18359

37146

1423

假定：磁頭向磁道號(hào)增加的方向移動(dòng)?？偟罃?shù)299

平均37.4

上SCAN/LOOK算法評(píng)價(jià)

■對(duì)于SCAN（LOOK）算法來(lái)說(shuō)，位于不同磁道（柱

面）的I/O請(qǐng)求與獲取服務(wù)所需的等待時(shí)間是不同

的。

■對(duì)于靠近邊緣的柱面，最壞情況的移動(dòng)量為2N?1

（N為柱面數(shù)）;對(duì)于靠近中部的柱面，最壞情況

為平均情況分別約為N和N/2。

上循環(huán)掃描算法(CircularSCAN/LOOK)

■是為了消除邊緣柱面與中部柱面等待時(shí)間差異而

進(jìn)行的改進(jìn)。

■磁頭只在單方向移動(dòng)過(guò)程中才為途經(jīng)的請(qǐng)求服務(wù),

一旦達(dá)到邊緣，則立即快速移動(dòng)至另一邊緣，在此

移動(dòng)過(guò)程中并不處理訪問(wèn)請(qǐng)求，然后重新開(kāi)始新一

輪掃描。

循環(huán)掃描算法(CSCAN)

下磁道移道數(shù)

queue=98,183,37,122,14,124,65,676512

headstartsat53

o.4672

13753656798122124183199

iilliIIII9831

12224

1242

18359

14169

3723

總道數(shù)322

平均40.3

特點(diǎn)：消除了對(duì)兩端磁道請(qǐng)求的不公平。

N?STEP?SCAN調(diào)度算法

■SSTF、SCAN及CSCAN存在的問(wèn)題“■磁臂粘著

在SSTF、SCAN及CSCAN幾種調(diào)度算法中，可能

出現(xiàn)磁臂停留在某處的情況，即反復(fù)請(qǐng)求某一磁道，從

而壟斷了整個(gè)磁盤(pán)設(shè)備，這種現(xiàn)象稱(chēng)為磁臂粘著。

■N?STEP-SCAN調(diào)度算法

將磁盤(pán)請(qǐng)求隊(duì)列分成若干個(gè)長(zhǎng)度為N的子隊(duì)列，磁

盤(pán)調(diào)度將按FCFS算法依次處理這些子隊(duì)列，而每一子

隊(duì)列按SCAN算法處理。

N=1FCFS算法

N彳艮大SCAN算法

N取半長(zhǎng)度FSCAN算法

心理置磁盤(pán)高速緩存(DiskCache)

目前，由于磁盤(pán)的I/O速度遠(yuǎn)低內(nèi)存的訪問(wèn)速度,

而致使磁盤(pán)的I/O成為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的瓶頸。為提高

磁盤(pán)的I/O速度，便采用磁盤(pán)高速緩存。

力磁盤(pán)高速緩存的形式

0數(shù)據(jù)交付方式

◎置換算法

由周期性地寫(xiě)回磁盤(pán)

（1）磁盤(pán)高速緩存的形式

■磁盤(pán)高速緩存

A是指內(nèi)存中的一部分存儲(chǔ)空間，用來(lái)暫存從磁盤(pán)

讀出的一系列盤(pán)塊中的信息，所以它是一組在邏

輯上屬于磁盤(pán)，而物理上是駐留在內(nèi)存中的盤(pán)塊

■磁盤(pán)高速緩存的形式

力內(nèi)存中單獨(dú)的存儲(chǔ)空間（大小固定）

力未利用的存儲(chǔ)空間_緩沖池（大小不固定）

(2)數(shù)據(jù)交付方式

■數(shù)據(jù)交付方式

＞是指磁盤(pán)高速緩存中的數(shù)據(jù)傳送給請(qǐng)求者進(jìn)程。

系統(tǒng)采取兩種方式，將數(shù)據(jù)交付給請(qǐng)求進(jìn)程：

力數(shù)據(jù)交付：系統(tǒng)直接將磁盤(pán)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)。

力指針交付：只將指向磁盤(pán)高速緩存中該數(shù)據(jù)的

指針，交付給請(qǐng)求者進(jìn)程。

(3)置換算法

將磁盤(pán)中的盤(pán)塊讀入到磁盤(pán)高速緩存中時(shí),若因磁盤(pán)

高速緩存已滿(mǎn)，則采用常用的算法進(jìn)行置換：

＞最近最久未使用算法LRU

＞最近未使用算法NRU

＞最少使用算法LFU

■置換時(shí)除算法外還應(yīng)考慮的問(wèn)題

＞訪問(wèn)頻率

＞可預(yù)見(jiàn)性

＞數(shù)據(jù)的一致性■一解決方法將系統(tǒng)中所有盤(pán)塊數(shù)據(jù)拉

成一條LRU鏈，對(duì)將會(huì)嚴(yán)重影響到數(shù)據(jù)一致性的數(shù)

據(jù)和很久都可能不再使用的盤(pán)塊數(shù)據(jù)放在LRU頭部，

到時(shí)優(yōu)先寫(xiě)回磁盤(pán)。

上(4)周期性地寫(xiě)回磁盤(pán)

■系統(tǒng)中所有盤(pán)塊數(shù)據(jù)拉成一條LRU鏈，對(duì)會(huì)嚴(yán)重影

響到數(shù)據(jù)一致性的數(shù)據(jù)和很久都可能不再使用的盤(pán)

塊數(shù)據(jù)，放在LRU頭部，到時(shí)才優(yōu)先寫(xiě)回磁盤(pán)。若

經(jīng)常訪問(wèn)的數(shù)據(jù)一直保留磁盤(pán)高速緩存中，長(zhǎng)期不

會(huì)被寫(xiě)回磁盤(pán)，若系統(tǒng)出故障，則存在磁盤(pán)高速緩

存中的數(shù)據(jù)將丟失。

■問(wèn)題解決

?周期性地將磁盤(pán)高速緩存中的數(shù)據(jù)寫(xiě)回磁盤(pán)

A磁盤(pán)高速緩存中的數(shù)據(jù)若修改，則立即寫(xiě)回磁盤(pán)

?H

、提高磁盤(pán)I/O速度的其它方法

■提前讀（Read_Ahead）：由于用戶(hù)對(duì)文件的訪問(wèn)常用

順序方式，在讀當(dāng)前塊時(shí)，可預(yù)知下一次要讀的盤(pán)塊,

所以，可采用預(yù)先讀方式，即在讀當(dāng)前塊的同時(shí)，連同

將下一塊提前讀入緩沖。當(dāng)訪問(wèn)下一塊數(shù)據(jù)時(shí)，其已在

緩沖中，而不需去啟動(dòng)磁盤(pán)I/O。

■延遲寫(xiě)：在緩存中的數(shù)據(jù)，本應(yīng)立即寫(xiě)回磁盤(pán)，考慮不

久之后可能會(huì)再用，故不立即寫(xiě)回磁盤(pán)。

■優(yōu)化物理塊的分布：使磁頭移動(dòng)的距離最?。▋?yōu)化物理

塊的分布、優(yōu)化索引結(jié)點(diǎn)的分布）。

■虛擬盤(pán)：利用內(nèi)存去仿真磁盤(pán)，又稱(chēng)為RAM盤(pán)。（與

磁盤(pán)高速緩存的區(qū)別：RAM盤(pán)中的內(nèi)容由用戶(hù)控制，

而緩存中的內(nèi)容則由OS控制）

返回

15、廉價(jià)磁盤(pán)冗余陣列(RAID)

■RAID(RedundantArrayofIndependent/

InexpensiveDisks)：獨(dú)立或廉價(jià)磁盤(pán)冗余陣列

■“獨(dú)立”是目前通用的一個(gè)行業(yè)術(shù)語(yǔ)，強(qiáng)調(diào)

RAID陣列的重要性和可靠性

■“廉價(jià)”是較早使用的一個(gè)術(shù)語(yǔ)，重在強(qiáng)調(diào)RAID

磁盤(pán)陣列中采用的相對(duì)較小的、價(jià)格較便宜的磁

盤(pán)。

上5、廉價(jià)磁盤(pán)冗余陣列(RAID)

■1987年由美國(guó)加利福尼來(lái)大學(xué)伯萊分校提出，

1988年問(wèn)世，即利用一臺(tái)磁盤(pán)陣列控制器，來(lái)

統(tǒng)一管理和控制一組磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器，組成一個(gè)高

度可靠的、快速的大容量磁盤(pán)系統(tǒng)。

口并行交叉存取

口RAID的分級(jí)

◎RAID的優(yōu)點(diǎn)

*(1)并行交叉存取

■為提高磁盤(pán)的訪問(wèn)速度而在大、中型機(jī)中采用的交

叉存取