计算机操作系统第四版第五章磁盘管理ppt课件.pptVIP

1 磁盘存储管理 磁盘结构磁盘设备由一组盘组组成 可包括一张或多张盘片 每张盘片分两面 每面可划分若干磁道 各磁道之间留有必要的间隙 每条磁道又分若个扇区 各扇区之间留有一定的空隙 每个扇区的大小相当于一个盘块大小 一个盘组中的所有盘片被固定在一根旋转轴上 沿着一个方向高速旋转 每个盘面配有一个读 写磁头 所有的读写磁头被固定在唯一的移动臂上同时移动 将磁头按从上到下的次序进行编号 称为磁头号 每个盘面上有许多磁道 磁头位置下各个盘面上的磁道处于同一个圆柱面上 称这些磁道组成了一个柱面 每个盘面上的磁道从0开始 由外向里顺序编号 通过移动臂的移动 读 写磁头可定位在任何一个磁道上 移动磁头仅能以串行方式进行读 写 2 当移动臂移到某一个位置时 所有的读 写磁头处在同一个柱面上 盘面上的磁道号即为柱面号 每个盘面被分成若干个扇区 沿与磁盘旋转相反的方向给每个扇区编号 称为扇区号 为了减少移动臂移动花费的时间 系统存放信息时 并不是按盘面上的磁道顺序存满一个盘面后再存放到下一个盘面 而是按柱面顺序存放 当同一柱面上的磁道存满后 再存放到下一个柱面上 磁盘存储空间的位置可以由三个参数决定 柱面号 磁头号和扇区号 磁盘空间的盘块按柱面 从0号柱面开始 磁头 扇区顺序编号 3 4 柱面 扇区 移动臂 读 写磁头 轴 磁道 盘面 磁盘结构 5 2 磁盘的类型对磁盘可从不同的角度进行分类 最常见的有 将磁盘分成硬盘和软盘 单片盘和多片盘 固定头磁盘和活动头磁盘等 下面仅对固定头磁盘和移动头磁盘做一介绍 1 固定头磁盘这种磁盘在每条磁道上都有一个读 写磁头 所有的磁头都被装在一刚性磁臂中 通过这些磁头可访问所有的磁道 并进行并行读 写 有效地提高了磁盘的I O速度 这种结构的磁盘主要用于大容量磁盘上 2 移动头磁盘每一个盘面仅配有一个磁头 也被装入磁臂中 为能访问该盘面上的所有磁道 该磁头必须能移动以进行寻道 可是 移动头磁盘只能进行串行读 写 致使I O速度较慢 但由于结构简单 故仍广泛地用于中 小型磁盘设备中 在微机上配置的温盘 温彻斯特 和软盘 都采用移动磁头结构 在此主要针对这类磁盘的I O进行讨论 6 3 磁盘访问时间 Ts Tr Tt 1 寻道时间Ts这是把磁臂 磁头 从当前位置移动到指定磁道上所经历的时间 2 旋转延迟时间TrTr是指定扇区移动到磁头下面所经历的时间 3 传输时间TtTt是指把数据从磁盘读出 或向磁盘写入数据所经历的时间 7 磁盘是目前使用最典型而又最广泛的一种块设备 任何一个对磁盘的访问请求 应给出访问磁盘的存储空间地址 柱面号 磁头号和扇区号 1 驱动调度当多个访盘请求在等待时 采用一定的策略 对这些请求的服务顺序调整安排 旨在降低平均磁盘服务时间 达到公平 高效公平 一个I O请求在有限时间内满足高效 减少设备机械运动所带来的时间浪费 驱动调度 8 2 驱动调度考虑的问题 启动磁盘完成一次I O操作所花的时间包括 寻找 道 时间 延迟时间和传送时间 一次访盘时间 寻道时间 旋转延迟时间 存取时间寻道时间 把磁头移动到指定磁道上所经历的时间 旋转延迟时间 指定扇区移动到磁头下面所经历的时间 存取时间 把数据从磁盘读出或向磁盘写入数据所经历的时间 1 减少寻道时间 活动头磁盘 2 减少延迟时间 固定头磁盘 驱动调度 9 磁盘调度 在访问磁盘时间中 寻道时间是机械运动时间 通常在几十毫秒时间量级上 因此 设法减小寻道时间是提高磁盘传输效率的关键 系统采用一定的调度策略来决定各个请求访问磁盘者的执行次序 称为磁盘的驱动调度 采用的调度策略称为驱动调度算法 对磁盘来说 驱动调度先进行移臂调度 以尽可能地减少寻道时间 现进行旋转调度 以减少延迟时间 10 移臂调度算法根据访问者指定的柱面位置来决定执行次序的调度称为移臂调度 移臂调度的目标是尽可能地减少I O操作中的寻道时间 常用的移臂调度算法有先来先服务调度算法 最短寻道时间优先调度算法 单向 双向扫描算法等 1 先来先服务 FCFS 按访问请求到达的先后次序服务优点 简单 公平 缺点 效率不高 相临两次请求可能会造成最内到最外的柱面寻道 使磁头反复移动 增加了服务时间 对机械也不利 11 假设磁盘访问序列 98 183 37 122 14 124 65 67读写头起始位置 53安排磁头服务序列计算磁头移动总距离 道数 移臂调度 12 98 183 37 122 14 124 65 67 读 写磁头总共移动了640个柱面的距离 13 2 最短寻道时间优先 SSTF 优先选择距当前磁头最近的访问请求进行服务 主要考虑寻道优先优点 改善了磁盘平均服务时间 缺点 造成某些访问请求长期等待得不到服务 移臂调度 14 98 183 37 122 14 124 65 67 读 写磁头总共移动了236个柱面的距离 15 3 扫描算法克服了最短寻道优先的缺点 既考虑了距离 同时又考虑了方向具体做法 当设备无访问请求时 磁头不动 当有访问请求时 磁头按一个方向移动 在移动过程中对遇到的访问请求进行服务 磁头运行总是由磁盘的最低磁道号 通常为0 到最高磁道号 然后再由最高磁道号到最低磁道号重复运行 16 单向扫描调度示意图 读 写磁头总共移动了382个柱面的距离 17 双向扫描调度示意图 读 写磁头总共移动了321个柱面的距离 18 4 电梯算法电梯调度算法不仅考虑到请求访问者的磁头与当前磁头之间的距离 而且优先考虑磁头当前的移动方向 判断该方向上是否还有访问请求 如果有则继续扫描 否则改变移动方向 并为经过的访问请求服务 如此反复 19 0 14 37 53 65 67 98 122 124 183 199 当前移动臂由里向外移动 读 写磁头总共移动了208个柱面的距离 20 0 14 37 53 65 67 98 122 124 183 199 读 写磁头总共移动了299个柱面的距离 当前移动臂由外向里移动 21 电梯调度与最短寻找时间区别 相同 尽量减少移动臂移动所花的时间为目标 不同 最短寻找时间优先不考虑移动臂的当前移动方向 总是选择距离当前读 写磁头最近的柱面访问 移动臂来回改变移动方向 可能会导致某个进程发生 饥饿 现象 电梯调度算法总是沿着移动臂的移动方向选择距离当前读 写磁头最近的柱面访问 仅当沿着移动臂的移动方向无等待访问时 才改变移动臂的方向 22 旋转调度 一次移臂调度将移动臂定位到某一柱面后 允许进行多次旋转调度 旋转调度 选择延迟时间最短的请求访问者执行的调度策略 进行旋转调度时应分析下列情况 1 若干等待访问者请求访问同一磁道上的不同扇区 2 若干等待访问者请求访问不同磁道上的不同编号的扇区 3 若干等待访问者请求访问不同磁道上具有相同编号的扇区 23 例 有4个访问请求者 访问要求如下 记录在磁道上的排列方式会影响I O操作时间 系统采用记录的优化分布有利于减少延迟时间 缩短I O操作时间 对于一些能预知处理要求的信息采用优化分布可以提高系统的效率 24 1 若现在磁盘的移动臂处于第15号柱面 并且有6个请求者等待访问磁盘如表所示 则如何响应这些访问才最省时间 3 5 1 6 4 23 5 6 1 4 25 3 1 6 4 25 3 6 1 4 2 25 1设备处理程序的功能和处理方式2设备处理程序的处理过程1 设备驱动程序2 设备中断处理程序 设备处理 设备处理的一致性 具有通道结构的计算机系统 从启动外围设备到完成I O操作 没有考虑不同类型的物理设备的特性 采用统一的方法进行处理 26 设备处理 设备处理程序又称设备驱动程序 是I O进程与设备控制器之间的通信和转换程序 1 设备处理程序的功能和处理方式1 设备驱动程序的功能1 接收上层软件发来的抽象要求 如read命令等 再把它转换成具体要求 2 检查用户I O请求的合法性 了解I O设备的状态 设置工作方式 3 对于设置有通道的计算机系统 驱动程序还应能够根据用户的I O请求 自动地构成通道程序 4 由驱动程序向设备控制器发出I O命令 启动分配到的I O设备 完成指定的I O操作 5 及时响应由控制器或通道发来的中断请求 并根据其中断调用相应的中断处理程序进行处理 27 设备驱动程序的主要任务是启动指定的设备 在启动设备之前 必须完成必要的准备工作 首先检查I O请求的合法性 了解设备状态是否是空闲 了解有关的传递参数及设置设备的工作方式 然后 向设备控制器发出I O命令 启动I O设备完成指定的I O操作 设备驱动程序还应及时响应由控制器发来的中断请求 根据该中断请求的类型 调用相应的中断处理程序进行处理 设备驱动程序的处理过程 28 设备驱动程序的处理过程 1 预置设备系统在初始或启动设备传输时 预置设备的初始状态1 将用户和上层软件对设备控制的抽象要求转换成对设备的具体要求 如对抽象要求的盘块号转换为磁盘的盘面 磁道及扇区 2 检查I O请求的合理性 3 读出和检查设备的状态 确保设备处于就绪态 4 传送必要的参数 如传送的字节数 数据在主存的首址等 设备处理 29 5 工作方式的设置 6 启动I O设备 并检查启动是否成功 如成功则将控制返回给I O控制系统 在I O设备忙于传送数据时 该用户进程把自己阻塞 直至中断到来才将它唤醒 而CPU可干别的事 2 启动I O设备完成预置工作后 设备驱动程序可以向控制器中的命令寄存器传送相应的控制命令 负责启动设备的传送 3 设备中断处理负责处理设备发出的各种中断 设备处理 30 设备中断是外围设备 通道 和CPU协调工作的一种手段 设备 通道 借助I O中断请求CPU进行干预 CPU根据产生的I O事件了解I O操作的执行情况 I O中断事件或由设备 通道 工作引起 或由外界的原因产生 对于不同的中断事件 操作系统采用不同的处理方法 1 操作正常结束当通道状态字 CSW 中有通道结束 控制器结束和设备结束时 表示已完成一次I O操作 形成I O操作正常结束中断事件 2 操作异常结束当在I O传输过程中出现设备故障或设备特殊情况时 形成操作异常结束的I O中断事件 设备的中断处理 31 唤醒被阻塞的驱动程序进程 对被中断进程的CPU现场保护 分析中断原因 转入相应的中断处理程序 打印机中断处理程序 终端中断处理程序 磁盘中断处理程序 恢复被中断进程的CPU现场 返回被中断的进程继续执行 中断处理流程 32 虚拟设备 1 脱机外围设备操作使用两台外围计算机和一台主计算机 其中一台外围计算机专门负责把一批作业信息从读卡机上读取并记录到输入磁盘上 然后 把含有输入信息的输入磁盘人工地移动到主计算机上 在多道程序环境下 每个作业执行时不再启动输入机读取信息 而是让作业从磁盘上取各自的信息 把作业运行的结果写入到输出磁盘上 最后把存有输出结果的输出磁盘移动到另一台外围计算机上打印输出 33 外围计算机 一批作业信息 作业信息 主计算机 作业信息 执行结果 外围计算机 执行结果 打印结果 脱机外围设备操作 两台外围计算机并不进行计算 只是将低速I O设备上的数据从一台外围计算机传送到高速磁盘上 或者相反 这种操作是独立于主计算机的 不在主计算机的直接控制下进行 称为脱机外围设备操作 34 2 联机同时外围设备操作 现在计算机系统有足够的功能和大容量的磁盘 具有CPU与通道的并行工作能力 可以在执行计算的同时进行联机外围操作 可在主计算机的直接控制下 实现脱机I O功能 此时外围操作与CPU对数据的处理同时进行 把这种在联机情况下实现的同时外围设备操作称为SPOOLing或称为假脱机操作 输入机上的作业流 从打印机输出结果 预输入程序 作业执行 缓输出程序 输入井 输出井 CPU 磁盘 联机同时外围设备操作 35 SPOOLing技术是对脱机I O系统的模拟 它必须建立在具有多道程序功能的操作系统上 需要有高速的 大容量的随机存储器支持 在磁盘上划出专用存储空间 称为 井 用以存放作业的初始信息和执行结果 为了便于管理 把 井 分为 输入井 和 输出井 输入井 中存入作业的初始信息 输出井 中存放作业的执行结果 操作系统中实现联机同时外围设备操作功能的部分也称为SPOOLing系统 SPOOLing系统主要由三部分程序组成 即 预输入 程序 实现输入井读和输出井写的 井管理 程序和 缓输出 程序 1 预输入程序把一批作业组织在一起形成作业流 由预输入程序把作业流中的每个作业的初始信息传送到磁盘的 输入井 保存以备作业调度 36 2 井管理程序井管理程序包括井管理读程序和井管理写程序两部分 当作业请求从输入机上读文件信息时 就把任务转交给井管理读程序 从输入井中读出信息供用户使用 当作业请求从打印机上输出结果时 就把任务转交给井管理写程序 把产生的结果保存到 输出井 中 3 缓输出程序缓输出程序负责查看输出井中是否有等待输出的结果信息 若有 则启动打印机把作业的结果文件打印输出 37 一 选择题 1 缓冲技术中的缓冲池在 中 内存B 外存C ROMD 寄存器2 如果I O所花费时间比CPU处理时间短的多 则缓冲区 A 最有效B 几乎无效C 均衡D 以上都不是3 CPU输出数据的速度远远高于打印机的打印速度 为了解决这一矛盾可采用 并行技术B 覆盖技术缓冲技术D 虚存技术4 通过硬件和软件的功能扩充 把原来独占的设备改造成能为若干用户共享的设备 这种设备称为 存储设备B 系统设备用户设备D 虚拟设备5 为了使多个进程能有效地同时处理输入和输出 最好使用 结构的缓冲技术 A 缓冲池B 循环缓冲C 单缓冲D 双缓冲 A B C D A 38 6 如果I O设备与存储设备进行数据交换不经过CPU来完成 这种数据交换方式是 程序查询B 中断方式C DMA方式D 无备件存取方式7 在采用SPOOLing技术的系统中 用户的打印结果首先被送到 A 磁盘固定区域B 内存固定区域C 终端D 打印机8 大多数低速设备属于 设备 独享B 共享虚拟D SPOOLing9 用作连