操作系统OS-设备管理

第五章设备管理设备管理的对象：I/O设备、设备控制器、I/O通道。设备管理的基本任务：完成用户提出的I/O请求；提高I/O速率；提高I/O设备的利用率。设备管理的主要功能：缓冲区管理、设备分配、设备处理、虚拟设备、实现设备独立性。1第五章设备管理5.1I/O系统5.2I/O控制方式5.3缓冲管理5.4设备分配5.5设备处理5.6磁盘存储器管理2I/O缓冲区的管理34565.1I/O系统I/O系统是用于实现数据输入、输出和数据存储的系统。5.1.1I/O设备5.1.2设备控制器5.1.3I/O通道5.1.4总线系统75.1.1I/O设备1.I/O设备的类型从OS观点看，I/O设备的重要的性能指标有：设备使用特性、数据传输速率、数据的传输单位、设备共享属性等。2.设备与控制器之间的接口81.I/O设备的类型按使用特性分类：存储设备，也称外存或后备存储器、辅助存储器。输入/输出设备输入设备，如键盘、鼠标、扫描仪、视频摄像、各类传感器等。输出设备，如打印机、绘图仪、显示器、音箱等。交互式设备，集成上述两类设备，利用输入设备接收用户命令信息，并通过输出设备同步显示用户命令以及命令执行的结果。91.I/O设备的类型型按传输速率分分类：低速设备，每秒钟几个个字节至数百百个字节。键盘、鼠标器器、语音的输输入和输出设设备中速设备，每秒钟数千千个字节至数数万个字节。。行式打印机、、激光打印机机高速设备，数百千个字字节至数十兆兆字节。磁带机、光盘盘机、磁盘机机101.I/O设备的类型型按信息交换的的单位分类：：块设备(BlockDevice)用于存储信息息，信息存取取以数据块为为单位，有结结构设备。磁盘：传输速速率较高；可可寻址；常采采用DMA方式。字符设备(CharacterDevice)用于数据的输输入和输出，，无结构设备备。交互式终端、、打印机等。。传输速率低，，不可寻址，，常采用中断断驱动方式。。111.I/O设备的类型型按设备的共享享属性分类：：独占设备，指在一段时时间内只允许许一个用户（（进程）访问问的设备，即即：临界资源源。共享设备，指在一段时时间内允许多多个进程同时时访问的设备备，对每一个个时刻只允许许一个进程访访问该设备。。可寻址，可随随机访问（磁磁盘）虚拟设备，指通过虚拟拟技术将一台台独占设备变变为若干台逻逻辑设备，供供若干个用户户（进程）同同时使用。122.设备与与控制器之间间的接口设备与CPU之间通过设设备控制器通通信。在设备中应含含有与设备控控制器之间的的接口，在该该接口中有三三种类型的信信号，各对应应一条信号线线。缓冲转换器控制逻逻辑数据信信号线线状态信信号线线控制信信号线线I/O设备设备控制器器CPU信号数据135.1.2设设备控控制器器职责：控制制一个个或多多个I/O设备，，实现现I/O设备与与计算算机之之间的的数据据交换换，是是CPU和I/O设备之之间的的接口口，它它接收收从CPU发来的的命令令，并并去控控制I/O设备工工作，，以使使处理理机从从繁杂杂的设设备控控制事事务中中解脱脱出来来。可编址址：一个个地址址对应应一个个设备备。分类：字符符设备备控制制器；；块设设备控控制器器。141.设设备备控制制器的的基本本功能能接收和和识别别命令令在控制制器中中应具具有控制寄寄存器器，用来来存放放接收收的命命令和和参数数，并并进行行译码码。数据交交换（（数据据寄存存器））实现CPU与控制制器，，控制制器与与设备备间的的数据据交换换。标识和和报告告设备备的状状态控制器器中的的状态寄寄存器器记录设设备的的状态态供CPU了解。。151.设设备备控制制器的的基本本功能能（续续）地址识识别每个设设备都都有一一个地地址，，控制制器必必须能能识别别，需需配置置地址址译码码器。。数据缓缓冲解决I/O设备与与CPU、内存存速度度不匹匹配的的矛盾盾。差错控控制控制器器兼管管对由由I/O设备传传送来来的数数据进进行差差错检检测，，保证证数据据输入入的正正确性性。162.设设备备控控制制器器的的组组成成175.1.3I/O通通道道1.I/O通道道设设备备的的引引入入目的的：：原来来CPU的I/O任务务由由通通道道来来承承担担，，从从而而把把CPU从繁繁杂杂的的I/O任务务中中解解脱脱出出来来。。特征征：：一种种特特殊殊的的处处理理机机，，它它具具有有执执行行I/O指令令的的能能力力，，并并通通过过执执行行通道道（（I/O）程程序序来控控制制I/O操作作。。与一一般般处处理理机机的的区区别别：：指令令类类型型单单一一（（仅仅能能执执行行与与I/O操作作有有关关的的指指令令））。。没有有自自己己的的内内存存（（通通道道与与CPU共享享内内存存））。。182.通通道道类类型型通道道是是用用来来控控制制外外围围设设备备的的，，由由于于外外围围设设备备的的类类型型较较多多，，且且其其传传输输速速率率相相差差较较大大，，因因而而使使通通道道具具有有多多种种类类型型。。根根据据信信息息交交换换方方式式的的不不同同，，可可把把通通道道分分为为三三种种类类型型：：1）字节多多路通道道2）数组选选择通道道3）数组多多路通道道192.通通道类型型（续））1）字节多多路通道道（ByteMultiplexorChannel）是一种按按字节交交叉方式式工作的的通道。。一次交换换一个字字节。含有许多多非分配配型子通通道。子通道采采用多路路分时复复用－－－按时间间片轮转转方式共共享主通通道。控制器A控制器B控制器C控制器D控制器N…A1A2A3…子通道AB1B2B3…子通道BC1C2C3…子通道CN1N2N3…子通道NA1B1C1…A2B2C2…设备…202.通通道类型型（续））2）数组选选择通道道（BlockSelectorChannel）按数组方方式进行行数据传传送。含有一个个分配型型子通道道。一段时间间内只执执行一道道通道程程序，控控制一台台设备。。设备独占占通道，，通道利利用率低低。3）数组多多路通道道（BlockMultiplexorChannel）含有许多多非分配配型子通通道，分分时并行行操作。。按数组方方式进行行数据传传送。21字节多路通道数组选择通道数组多路通道223.““瓶颈颈”问题题通道资源源有限，，系统需需要同时时启动的的设备可可能较多多，使它它成为I/O的瓶颈，，进而造造成整个个系统吞吞吐量的的下降。。设备1设备2设备3设备4设备5设备6设备7控制器1控制器2控制器3控制器4通道1通道2存储器单通路I/O系统23解决“瓶瓶颈”问问题的方方法增加通路路，不增增加通道道。不仅解决决瓶颈问问题，而而且提高高了系统统的可靠靠性。245.1.4总总线系统统总线是系系统模块块之间传传送信息息的公用用通路。。CPU、、存储器、、I/O设备之间间通过总线链接。总线的性性能用时钟频率率，带宽宽，传输输速率来衡量。。25总线型I/O系统的结结构26通道型的的I/O系统结构构27具有控制制器的I/O系统结构构281.ISA和和EISA总线线ISA：1984年为80286型微机设设计，带带宽：8位16位，最高高传输速速率：2Mbps8Mbps16Mbps，能连接接12台设备。。EISA：1989年，带宽宽：32位，最高高传输速速率：32Mbps，能连接接12台设备。。292.局局部总线线（LocalBus）定义：将多媒体体卡、高高速LAN网卡、高高性能图图形板等等从ISA总线上卸卸下来，，再通过过局部总总线控制制器直接接接到CPU总线上，，使之与与高速CPU总线相匹匹配。VESA总线：总线带宽宽为32位，最高高传输速速率：132Mbps，能连接接2~4台设备，，控制器器中无缓缓冲；难难于适应应处理器器速度的的不断提提高，不不能支持持Pentium微机。PCI总线：支持64位系统，，最高传传输速率率：132Mbps，能支持持10种外设，，有一个个复杂的的管理层层，管理理层中配配有数据据缓冲。。3031325.2I/O控制方方式宗旨：尽尽量减少少主机对对IO控制的干干预，把把主机从从繁杂的的IO控制事务务中解脱脱出来。。1.程程序I/O方式2.中中断驱动动I/O控制方式式3.直直接存储储器访问问DMAI/O控制方式式4.I/O通道控制制方式333435程

序I/O方

式向I/O控制器发发读命令令读I/O控制器的的状态从I/O控制器中中读入字字向存储器器中写字字检查状态态?传送完成成？出错完成CPU→I/OI/O→CPUI/O→CPUCPU→内存未完未就绪(=1)下条指令令就绪(=0)362.中中断驱动动I/O控制方方式中断驱动动I/O过程启动：由由CPU根据进程程的I/O请求，向向设备控控制器发发出一条条I/O命令；此此后CPU继续执行行其它进进程，即即CPU与外设并并行工作作。I/O设备完成成操作后后，由控控制器通通过控制制线向CPU发送一中中断信号号，由CPU检查I/O操作是否否正确。。若无错错，便向向设备控控制器发发送取走走数据的的信号，，将数据据写入内内存。37中断驱动动I/O控制方式式向I/O控制器发读命令读I/O控制器的状态从I/O控制器中读入字向存储器中写字检查状态传送完成？出错完成CPU→I/OI/O→CPUI/O→CPUCPU→内存未完下一条指令就绪CPU做其它事中断382.中中断驱动动I/O控制方方式（续续）优点CPU与I/O并行工作作，提高高了资源源利用率率和吞吐吐量。缺点CPU每次处理理的数据据量少（（通常不不超过几几个字节节），只只适于传传输率较较低的设设备。393.直接存储储器访问问(DMA)I/O控制方式式DMA（DirectMemoryAccess）控制方方式的引引入适应一次次传送大大量数据据的应用用要求；；尽量减少少CPU对高速外外设的干干预；基本思想想：在外外设和主主存之间间开辟直直接的数数据交换换通路。。特点数据传输输的基本本单位是是数据块块。数据从设设备直接接送入内内存，或或者相反反。仅在传送送一个或或多个数数据块的的开始和和结束时时，才需需CPU干预，整整块数据据的传送送是在控控制器的的控制下下完成的的。40DMA方方式向I/O控制器发布读块命令读DMA控制器的状态下条指令CPU做其它事中断CPU→DMADMA→CPU41DMA控控制器的的组成CPU内存主机－控制器接口DRMARDCCRI/O控制逻辑控制器与块设备接口…DMA控制器系统总线命令count为实现主主机与控控制器之之间成块块数据的的交换，，需设置置：命令/状态寄存存器CR内存地址址寄存器器MAR数据寄存存器DR:暂存从设设备到内内存的数数据，或或反之数据计计数器器DC:存放本本次CPU要读或或写的的字(节)数42DMA工工作过过程设置MAR和DC初值启动DMA传送命令挪用存储器周期传送数据字存储器地址增1字计数寄存器减1DC＝0?请求中断在继续执行用户程序的同时,准备又一次传送否是43DMA方方式与与中断断的主主要区区别中断方方式是是在数数据缓缓冲寄寄存区区满后后，发发中断断请求求，CPU进行行中断断处理理。DMA方式式则是是在所所要求求传送送的数数据块块全部部传送送结束束时要要求CPU进行行中断断处理理，大大大减减少了了CPU进进行中中断处处理的的次数数。中断方方式的的数据据传送送是由由CPU控控制完完成的的，而而DMA方方式则则是在在DMA控控制器器的控控制下下不经经过CPU控制制完成成的。。444.I/O通道道控制制方式式I/O通道控控制方方式是是DMA方式的的发展展：CPU一次读读(或或写)多个个数据据块。。多个数数据块块送入入不同同内存存区域域。CPU、通道和和I/O设备三三者可可并行行操作作。工作过过程：：CPU向通道道发送送一条条I/O指令。。给出通道程程序首址和和要访访问的的I/O设备。。通过执执行通道程程序完成I/O任务。。45通道程程序通道是是通过过执行行通道道程序序，并并与设设备控控制器器共同同实现现对I/O设备的的控制制的。。通道程程序由由一系系列通道指指令(通道道命令令)构构成。。通道指指令与与一般般的机机器指指令不不同，，每条条通道道指令令包含含的信信息：：操作码码：指令执执行的的操作作：读读、写写、、控制制等。。内存地地址：：字符送送入/取出内内存的的首址址。计数：：表示本本条指指令所所要读读/写数据据的字字节数数。通道程程序结结束位位P（P=1表示程程序结结束））记录结结束标标志R（R=0表示与与下一一条指指令处处理的的数据据属于于同一一记录录；R=1表示某某记录录的最最后一一条指指令））46通道程程序操作PR计数内存地址WRITE0080813WRITE001401034WRITE01605830WRITE013002000WRITE002501850WRITE11250720共同写写一条记记录独写一条记记录共同写写一条记记录475.3缓缓冲管管理什么是是缓冲冲？缓冲是是在两两种不不同速速度的的设备备之间间传输输信息息时平平滑传传输过过程的的常用用手段段。缓冲的的工作作原理理在进程程请求求I/O传输时时，利利用缓缓冲区区临时时存放放I/O传输信信息，，以缓缓解传传输信信息的的源设设备和和目标标设备备之间间速度度不匹匹配的的问题题。485.3缓缓冲管管理缓冲的引引入缓和CPU与I/O设备间速速度不匹匹配的矛矛盾。减少对CPU的中断频频率，放放宽对中中断响应应时间的的限制。。提高CPU和I/O设备之间间的并行行性。缓冲分类类：1.单单缓冲2.双缓缓冲3.循循环缓冲冲4.缓冲冲池(BufferPool)缓冲管理理的主要要职责：：组织好这这些缓冲冲区，并并提供获获得和释释放缓冲冲区的手手段。491.单单缓冲(SingleBuffer)进程发出出一个I/O请求时，，操作系系统便在在主存中中为之分分配一缓缓冲区。。T：数据输入入缓冲区区的时间间。M：数据从缓缓冲区传传到用户户区的时时间。C：CPU处理数据据时间。。工作区处理(C)缓冲区传送(M)输入(T)I/O设备(a)用户进程501.单单缓冲(SingleBuffer)(续)T1M1C1T2M2C2T3M3C3T4t(b)缓冲区是是临界资资源，CPU和外设轮轮流使用用。I/O设备与CPU并行工作作。对数据的的处理时时间：Max(C,T)+M。512.双双缓冲(缓冲对对换)在设备输输入时，，先将数数据送入入第一缓缓冲区，，装满后后便转向向第二缓缓冲区。。此时OS可以从第第一缓冲冲区中移移出数据据，并送送入用户户进程。。接着由由CPU对数据进进行计算算。双缓冲工工作示意意图522.双双缓冲如果在实实现两台台机器通通信时，，只配置置单缓冲冲，那么么在任一一时刻只只能实现现单方向向的数据据传输。。为了实现现双向数数据传输输，必须须在两台台机器中中都设置置两个缓缓冲区。。分别用用在发送送和接收收。533.循循环缓冲冲循环缓冲冲的引入入:当输入和和输出的的速度相相差很大大时，双双缓冲效效果不理理想，但但可增加加缓冲区区的数量量，改善善情况。。引入多缓缓冲机制制：将多个缓缓冲组织织成循环环缓冲形形式，对对于用于于输入的的循环缓缓冲，通通常提供供给输入入进程或或计算进进程使用用，输入入进程不不断向空空缓冲区区输入数数据，计计算进程程从中提提取数据据进行计计算。54循环缓冲冲的组成成在主存中中分配一一组大小小相等的的缓冲区区，并用用指针将将这些缓缓冲区组组织成一一个循环环链表，，构成循循环缓冲冲。(1)多个缓冲区：：用做输入的缓缓冲区的类型型有：空缓冲区R、已装满数据据的缓冲区G、工作缓冲区区C(2)多个指针：指示计算进程程的下一个可可用缓冲区G的指针nextg指示输入进程程下次可用的的空缓冲区R的指针nexti指示计算进程程正在使用的的缓冲区C的指针current55循环缓冲区的的使用GetBuf()计算进程和输输入进程可利利用下述两个个过程使用循循环缓冲区：：GetBuf()ReleaseBuf()RGGGRGnextinextg123456RGGGRCnextinextgcurrent123456RGGGRR123456

nextgnextiReleaseBuf()56进程同步Nexti指针追上Nextg指针。意味着输入进进程输入数据据的速度大于计计算进程处理理数据的速度，，再无空缓冲冲区可用。输入入进程应阻塞塞。该情况被称为为系统受计算算控制。Nextg指针追上Nexti指针。意味着输入数数据的速度低低于计算进程程处理数据的的速度，再无无装有数据的的缓冲区可用用。计算进程程应阻塞。该情况被称为为系统受I/O控制。574.缓冲池池(BufferPool)缓冲池的引入入把专用循环缓缓冲变为公用用缓冲池提高高内存利用率率。缓冲池的组成成同时用于输入入/输出的公用缓缓冲池至少包包括三种类型型：空闲缓冲区装满输入数据据的缓冲区装满输出数据据的缓冲区58缓冲池的组成成为了方便管理理，将相同类类型的缓冲区区链成一个队队列：空缓冲（区））队列emq：队首指针F(emq)、队尾指针L(emq)。输入缓冲（区区）队列inq：队首指针F(inq)、队尾指针L(inq)输出缓冲（区区）队列outq：队首指针F(outq)、队尾指针L(outq)59缓冲池的组成成BufferPoolinqueueemptyqueueoutqueueDeviceCPU四种工作缓冲冲区：收容输入数据据的缓冲区；；提取输入数数据的缓冲区区；收容输出数据据的缓冲区；；提取输出数数据的缓冲区区。60Getbuf过程和Putbuf过过程Addbuf(type,number)过程:用于将由参数数number所指示的缓冲冲区B挂在type队列上。Takebuf(type)过程：用于从从type所指示的队列列的对首摘下下一个缓冲区区。由于缓冲池中中的队列本身身是临界资源源，多个进程程在访问一个个队列时，既既应互斥，又又须同步。为此需对这两两个过程进行行改造，形成成可用于对缓缓冲池中的队队列进行操作作的Getbuf和Putbuf过程。61Getbuf过程和Putbuf过过程为每一队列列设置一个个互斥信号号量MS(type)。为每个缓冲冲队列设置置一个资源源信号量RS(type)。。ProcedureGetbuf(type)beginWait(RS(type));Wait(MS(type));B(number):=Takebuf(type);Signal(MS(type));endProcedurePutbuf(type)beginWait(MS(type));Addbuf(type,number);Signal(MS(type));Signal(RS(type));end62缓冲区的四四种工作方方式:收容输入：：收容输入入设备的输输入数据提取输入：：计算进程提提取缓冲区区中的数据据使用收容输出：：计算进程程输出结果果数据到缓缓冲区提取输出：：输出设备备提取缓冲冲区中的数数据缓冲池收容输入提取输入提取输出收容输出hinsinsouthout用户程序Getbuf(inq)Putbuf(emq,sin)Getbuf(outq)Putbuf(emq,sout)Getbuf(emq)Putbuf(outq,hout)Getbuf(emq)Putbuf(inq,hin)635.4I/O软件件I/O软件的总体体设计目标标是：高效性和通用性。为此将软软件组织成成一种层次次结构，底底层软件用用于实现与与硬件相关关的操作，，并可屏蔽蔽硬件的具具体细节，，高层软件件则主要是是为用户提提供一个简简洁、规范范的界面。。5.4.1I/O软件的设计计目标和原原则5.4.2中断处处理程序5.4.3设备驱驱动程序5.4.4设备独独立性软件件5.4.5用户层层的I/O软件645.4.1I/O软件的设设计目标和和原则I/O软件的设计计目标与具体设备备无关统一命名对错误的处处理缓冲技术设备的分配配和释放I/O控制方式65I/O系统的层次次及功能用户层软件设备独立性软件设备驱动程序中断处理程序硬件I/O应答产生I/O请求、格式化I/O、Spooling映射、保护、分块、缓冲、分配设置设备寄存器，检查寄存器状态执行I/O操作665.4.2中断处处理程序中断处理层层的主要工工作：进行行进程上下下文的切换换，对处理理中断信号号源进行测测试，读取取设备状态态和修改进进程状态等等。中断处理程程序的处理理过程：唤醒被阻塞塞的驱动（（程序）进进程保护被中断断进程的CPU环境转入相应的的设备处理理程序中断处理恢复被中断断进程的现现场67中

断处处

理程程

序685.4.3设备驱驱动程序设备驱动程程序又称为为设备处理理程序，是I/O进程与设备备控制器之之间的通信信程序。驱动程序与与硬件密切切相关，为为每一类或或非常类似似的两类设设备配置一一种驱动程程序。691.设备备驱动程程序功能能为了实现现I/O进程与设设备控制制器之间间的通信信，设备备驱动程程序应具具有以下下功能：：接收由设设备独立立性软件件发来的的命令和和参数，，将命令令中的抽抽象请求求转换为为具体请请求。检查用户户I/O请求的合合法性，，了解I/O设备的状状态，传传递有关关参数，，设置设设备的工工作方式式。发出I/O命令：设备空闲闲，启动动I/O设备，否否则将请请求块挂挂在设备备队列上上等待。。及时响应应控制器器或通道道发来的的中断请请求，根根据类型型进行处处理。自动地构构成通道道程序。。702.设设备处理理方式根据在设设备处理理时是否否设置进进程，以以及设置置什么样样的进程程而把设设备处理理方式分分为以下下三类：：为每一类类设备设设置一个个进程，，专门用用于执行行这类设设备的I/O操作。在整个系系统中设设置一个个I/O进程，专专门用于于执行系系统中所所有各类类设备的的输入或或输出操操作。不设置专专门的设设备处理理进程，，而只为为各类设设备设置置相应的的设备处处理程序序，供用用户进程程或系统统进程调调用。713.设备备驱动程程序的特特点设备驱动动程序属属于低级级的系统统例程，，它与一一般的应应用程序序及系统统程序之之间有明明显差异异：驱动程序序主要是是指在请请求I/O的进程与与设备控控制器之之间的一一个通信信和转换换程序。。与硬件特特性紧密密相关，，不同类类型的设设备配置置不同的的驱动程程序。驱动程序序与I/O设备所采采用的I/O控制方式式紧密相相关。一般使用用汇编语语言书写写。驱动程序序应允许许可重入入。723.设备备驱动程程序的处处理过程程设备驱动动程序的的主要任任务是启启动指定定设备。。具体的的处理过过程如下下：将抽象要要求转换换为具体体要求。。检查I/O请求的合合法性。。读出和检检查设备备的状态态。传送必要要的参数数。工作方式式的设置置。启动I/O设备。735.4.4设设备独立立性软件件1.设备独立立性的概概念：设备独立立性(设设备无关关性)：应用程程序独立立于具体体使用的的物理设设备。为了实现现设备独独立性，，引入了了逻辑设设备和物物理设备备：应用程序序中使用用逻辑设备备名称来请请求使用用某类设设备；系系统将其其转换为为物理设备备名称。好处：设备分配配时的灵灵活性。。易于实现现I/O重定向。。742.设设备独立立性软件件是驱动程程序之上上的一层层软件，，功能如如下：执行所有有设备的的公有操操作：对独立设设备的分分配与回回收。将逻辑设设备名映映射为物物理设备备名，找找到相应应物理设设备的驱驱动程序序。对设备进进行保护护，禁止止用户直直接访问问设备。。缓冲管理理。差错控制制。向用户层层(或文文件层)软件提提供统一一接口。。753.逻辑设备备名到物物理设备备名映射射的实现现逻辑设备备表LUT：为了实现现逻辑设设备名到到物理设设备名的的映射，，系统必必须设置置一张逻辑设备备表LUT（LogicalUnitTable），能够够将应用用程序中中所使用用的逻辑辑设备名名映射为为物理设设备名，，并提供供该设备备驱动程程序的入入口地址址。逻辑设备名物理设备名驱动程序入口地址/dev/tty31024/dev/printer52046………763.逻逻辑设备备名到物物理设备备名映射射的实现现LUT的设置问问题整个系统统一张LUT（单用户户系统））每个用户户一张LUT（多用户户系统））逻辑设备名/dev/tty/dev/printer…系统设备表指针35775.4.5用用户层的的I/O软件用户层软软件必须须通过一一组系统统调用来来取得操操作系统统服务。。785.5设设备分分配在多道程程序环境境下，设设备必须须由系统统分配。。每当进进程向系系统提出出I/O请求时，，设备分分配程序序按照一一定的分分配策略略，把其其所需的的设备及及其有关关资源（（如缓冲冲区、控控制器和和通道））分配给给该进程程。在分分配设备备时还必必须考虑虑系统的的安全性性，避免免发生死死锁现象象。5.5.1设设备分配配中的数数据结构构5.5.2设设备分配配时应考考虑的因因素5.5.3独独占设备备的分配配程序5.5.4SPOOLing技术795.5.1设设备分配配中的数数据结构构设备控制制表DCT（每个设设备配置置一张设设备控制制表）设备类型type设备标识符：deviceid设备状态：等待/不等待忙/闲指向控制器表的指针重复执行次数或时间设备队列的队首指针DCT1DCT2DCTn设备控制表集合805.5.1设设备分配配中的数数据结构构控制器控控制表控制器标识符：controllerid控制器状态：忙/闲与控制器连接的通道表指针控制器队列的队首指针控制器队列的队尾指针(a)控制器表COCT815.5.1设设备分配配中的数数据结构构通道控制制表通道标识符：channelid通道状态：忙/闲与通道连接的控制器表首址通道队列的队首指针通道队列的队尾指针(b)通道表CHCT825.5.1设设备分配配中的数数据结构构系统设备备表83845.5.2设设备分配配时应考考虑的因因素设备的固固有属性性独享设备备；共享享设备；；虚拟设设备设备分配配算法先来先服服务；优优先级高高者优先先设备分配配中的安安全性安全分配配方式：：进程发发出I/O请求后就就进入阻阻塞态不安全分分配方式式：进程程发出I/O请求仍继继续运行行设备独立立性855.5.3独独占设备备的分配配程序基本的设设备分配配程序：：分配设备备分配控控制器分配通通道设备分配配程序的的改进：：增加设备备的独立立性使用逻辑辑设备名名考虑多通通路情况况865.5.4SPOOLing技术术1.什么是SPOOLing技术（假假脱机技技术）定义：在联机的的情况下下实现的的同时外外围操作作。特点：是对脱机机输入输输出系统统的模拟拟。因此此，必必须建立立在具有有多道程程序功能能的操作作系统上上，而且且需要高高速外存存的支持持。方式：将数据从从输入设设备传送送到磁盘盘或反之之。通过它可可以将一一台独占占的物理理设备虚虚拟为多多台逻辑辑设备，，从而允允许多个个用户（（进程））共享。。872.SPOOLing系统统的组成成883.共共享打印印机用户进程程请求打打印时，，SPOOLing系统并不不真正立立即把打打印机分分配给该该进程，，而只做做两件事事：①输出进进程在在输出出井中中申请请一个个空闲闲磁盘盘块区区，并并将要要打印印的数数据送送入其其中。。②输出进进程再再为用用户进进程申申请一一张空空白的的用户户请求求打印印表，，并将将用户户的打打印要要求填填入其其中，，再将将该表表挂到到请求求打印印队列列上。。当打印印机空空闲时时，输输出进进程将将从请请求打打印队队列的的队首首取出出一张张请求求打印印表，，再从从输出出井把把数据据送到到内存存缓冲冲区，，启动动打印印机打打印输输出。。打印印完后后，输输出进进程检检查请请求打打印队队列……894.SPOOLing系统统的特特点提高了了I/O的速度度，缓缓和了了CPU与低速速I/O设备速速度不不匹配配的矛矛盾。。利用高高速共共享设设备，，将独独占设设备改改造为为共享享设备备。实现了了虚拟拟设备备功能能，用用户都都感到到独占占了一一台设设备。。905.6磁磁盘存存储器器管理理磁盘存存储器器特点点：容容量大大、存存取速速度快快、随随机存存取，，主要要存放放文件件。磁盘存存储器器管理理内容容：5.6.1磁盘性性能简简述5.6.2磁磁盘调调度5.6.3磁磁盘高高速缓缓存(DiskCache)5.6.4提高磁磁盘I/O速度的的其它它方法法5.6.5廉廉价磁磁盘冗冗余阵阵列915.6.1磁磁盘性性能简简述硬盘的的结构构925.6.1磁磁盘性性能简简述1.数据的的组织织和格格式磁盘的的结构构柱面盘面磁臂磁头935.6.1磁磁盘性性能简简述磁盘盘盘面结结构磁道间间隔扇区磁道扇区间间隔945.6.1磁磁盘性性能简简述(0柱面,0磁头,1扇区)(0，0，63)(1，0，3)(0，0，2)(0，1，1)(0，3，1)(1，0，1)(0柱面,0磁头,1扇区)老式磁磁盘的的物理理地址址（CHS寻址））3D参数：：柱面面数(Cylinders)，磁头头数(Heads)，扇区区数(Sectors)柱面，，磁头头，扇扇区的的取值值范围围分别别为0到Cylinders––1，0到Heads––1，1到Sectors(注意S是从1开始)955.6.1磁磁盘性性能简简述为了提提高磁磁盘的的存储储容量量，现现代磁磁盘不不再把把磁道道划分分为相相同数数目的的扇区区，而而是将将盘面面划分分成若若干条条环带，同一一环带带内的的磁道道具有有相同同的扇扇区数数。显显然，，外层层环带带的磁磁道的的扇区区比内内层的的多。。采用这这种结结构后后，硬硬盘不不再具具有实实际的的3D参数，，寻址址方式式也改改为线线性寻寻址，，即以以扇区区为单单位进进行寻寻址。。大多数数现代代磁盘盘都隐隐藏了了这些些细节节，向向操作作系统统提供供虚拟拟几何何的磁磁盘规规格，，而不不是实实际的的物理理几何何规格格。965.6.1磁磁盘性性能简简述磁盘的的低级级格式式化温盘（（温切切斯特特盘））磁盘分分区每个分分区是是一个个独立立的逻逻辑磁磁盘。。每个分分区的的起始始扇区区和大大小记记录在在磁盘盘0扇扇区的的主引引导记记录分分区表表中。。磁盘高高级格格式化化（使使用））设置一一个引引导块块、空空闲存存储管管理、、根目目录和和一个个空文文件系系统。。在分区区表中中标记记该分分区所所使用用的文文件系系统。。975.6.1磁磁盘性性能简简述磁盘容容量算算法硬盘容容量＝＝盘面面数（（磁头头数））×柱柱面数数（磁磁道数数）××扇区区数××每扇扇区字字节16××16383××63××600＝9,908,438,400≈10G16×16383×63××512＝8,455,200,76898磁盘的类型型硬盘、软盘盘单片盘、多多片盘固定磁头盘盘（用于大大磁盘）每条磁道都都有一读/写磁头，装装在一钢性性磁臂上，，可对所有有磁道实现现并行读写写，提高磁磁盘I/O速度。移动磁头盘盘（用于中中小型磁盘盘）每盘面配一一磁头，装装入磁臂中中，通过磁磁头移动进进行寻道，，从而访问问磁盘上所所有磁道，，可对所有有磁道实现现串行读写写，I/O速度较慢。。99寻道时间（（磁头移动动到磁道上上所经历的的时间）：Ts=m×n+ss启动磁臂的的时间，m磁头移动一一条磁道花花费的时间间。旋转延迟时时间（扇区区移动到磁磁头下面所所经历的时时间）：平均Tτ=1/2r（r为磁盘每秒秒钟的转数数）传输时间（（读/写数据所经经历的时间间）：Tt=b为每次所读读/写的字字节数。N为一条磁道道上的字节节数。访问时间：：磁盘访问时时间rNbrTTsa++=21rNb100磁盘访问时时间寻道时间和旋转延迟时时间在访问时间间中占主要要部分假设寻道时时间和旋转转延迟时间间平局为20ms，磁盘传输输速率10Mbps，则传输10KB数据总访问问时间为:21ms，而传输100KB数据总访问问时间为30ms合理组织磁磁盘数据的的存储位置置（集中存存储）可提提高磁盘I/O性能。随机分布时时的访问时时间为连续续分布时的的33.5倍。1015.6.2磁盘盘调度磁盘调度目目标：采用用一种最佳佳调度算法法，使各进进程对磁盘盘的平均访访问时间（（寻道时间间）最小。。磁盘调度算算法：1.先来来先服务FCFS2.最短短寻道时间间优先SSTF3.扫描描(SCAN)算法4.循环环扫描(CSCAN)算法5.N-Step-SCAN算法6.FSCAN算法1021.先来来先服务FCFS磁道号183839555890100150160184请求次序483125开始769平均寻道长长度:(45+3+19+21+72+70+10+112+146)/9=55.31031.先先来先服服务FCFS公平，简简单。I/O负负载较轻轻且每次次读写多多个连续续扇区时时，性能能较好。。适用于I/O进进程较少少的场合合。(从100号磁道开始)被访问的下一个磁道号移动距离（磁道数）5558391890160150381844531921727010112146平均寻道长度：55.31042.最最短寻道道时间优优先SSTF磁道号183839555890100150160184请求次序序483125开始769平均寻道道长度:(10+32+3+16+1+20+132+10+24)/9=27.51052.最最短寻道道时间优优先SSTF磁头移动动距离最最近，时时间最少少。不能保证证平均寻寻道时间间最短。。可能会有有进程处处于“饥饿”状态。。(从100号磁道开始)被访问的下一个磁道号移动距离（磁道数）90585539381815016018410323161201321024平均寻道长度：27.51063.扫扫描(SCAN)算法法磁道号183839555890100150160184请求次序序483125开始7691073.扫扫描(SCAN)算法法电梯调度度算法。。防止“饥饥饿”现现象。被广泛应应用。磁头刚刚刚越过了了某一磁磁道，恰恰好又有有一进程程请求访访问此磁磁道，该该进程长长时间等等待。(从100号磁道开始，向磁道号增加的方向访问)被访问的下一个磁道号移动距离（磁道数）1501601849058553938185010249432316120平均寻道长度：27.81084.循循环扫描描(CSCAN)算法法磁道号183839555890100150160184请求次序序483125开开始7691094.循循环扫描描(CSCAN)算法法磁头单向向移动。。该算法在在中负载载或重负负载时，，性能比比扫描算算法好。。(从100号磁道开始，向磁道号增加的方向访问)被访问的下一个磁道号移动距离（磁道数）15016018418383955589050102416620116332平均寻道长度：35.81105.N-Step-SCAN算法法在高密度度磁盘