1、第十五講 設(shè)備管理、磁盤設(shè)備目的與要求：了解設(shè)備管理子系統(tǒng)的層次，功能及技術(shù)、了解磁盤設(shè)備。重點與難點：層次構(gòu)造；設(shè)備驅(qū)動程序；緩沖技術(shù)；磁盤調(diào)度的方法；盤陣選擇。作業(yè)： 6，8，11，16，18.6.2.2 輸入輸出層次構(gòu)造 通常，操作系統(tǒng)將設(shè)備管理系統(tǒng)劃分并組織成三個層次： 用戶層I/O 設(shè)備無關(guān)的I/O 設(shè)備驅(qū)動及中斷處置用戶層I/O設(shè)備驅(qū)動及中斷處置硬件系統(tǒng)調(diào)用接口，設(shè)備無關(guān)的操作系統(tǒng)軟件.用戶進程用戶層I/O設(shè)備無關(guān)的I/O設(shè)備驅(qū)動及中斷處置硬件設(shè)備管理子系統(tǒng)邏輯構(gòu)造圖中心態(tài)運轉(zhuǎn).用戶程序規(guī)范C庫I/O函數(shù)內(nèi)核總控系統(tǒng)調(diào)用途置總控Write處置(文件系統(tǒng)、TCP/IP)磁盤控制器/網(wǎng)

2、卡盤/網(wǎng)卡中斷處置用戶態(tài)中心態(tài)異步伐用接口磁盤驅(qū)動程序/網(wǎng)卡驅(qū)動系統(tǒng)調(diào)用各模塊關(guān)系圖系統(tǒng)調(diào)用接口用戶程序.一、用戶層I/O 這一層與設(shè)備的控制細(xì)節(jié)無關(guān)，不直接與設(shè)備打交道。 它將設(shè)備(或在設(shè)備上的邏輯對象看作邏輯資源，為用戶進程提供各類I/O函數(shù)。用戶以設(shè)備標(biāo)識符和一些簡單的函數(shù)來運用設(shè)備，如翻開、封鎖、讀、寫等。 如C庫中的函數(shù)fopen(); fread(); fwrite(); fclose()等 。.二、設(shè)備無關(guān)的I/O 這一層的根本功能：執(zhí)行適用于一切設(shè)備的公共I/O功能，并向其上層提供一致的系統(tǒng)調(diào)用接口。主要義務(wù)： 設(shè)備命名及與設(shè)備驅(qū)動程序的映射。在UNIX中，如/dev/tty0

3、0獨一地確定了一個inode數(shù)據(jù)構(gòu)造，其中包含了主設(shè)備號，經(jīng)過主設(shè)備號可以找到相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動程序。 設(shè)備訪問維護。 分配及釋放獨占型設(shè)備。 設(shè)備I/O數(shù)據(jù)緩沖機制。 文件系統(tǒng)功能、TCP/IP協(xié)議等(支持設(shè)備上的邏輯存儲、通訊對象.三、設(shè)備驅(qū)動與中斷處置 設(shè)備驅(qū)動程序 包括了一切與設(shè)備相關(guān)的代碼，其功能是從與設(shè)備無關(guān)的軟件中接納I/O的懇求，排入懇求隊列或執(zhí)行之。 中斷處置 當(dāng)進程進展I/O操作時，將其阻塞至I/O操作終了并發(fā)生中斷。中斷發(fā)生時，由中斷處置程序啟動懇求排隊的下一懇求假設(shè)有并解除等I/O進程的阻塞形狀，使其可以繼續(xù)執(zhí)行。 .6.2.3. 緩沖技術(shù)一、單緩沖 當(dāng)用戶進程發(fā)出I/O懇

4、求時，操作系統(tǒng)在主存的系統(tǒng)空間為該操作分配一個緩沖區(qū)，可以實現(xiàn)預(yù)讀和滯后寫。在進程數(shù)據(jù)區(qū)與外設(shè)之間設(shè)立緩沖區(qū)可以改善進程運轉(zhuǎn)速度與I/O傳輸速度之間的速差矛盾。.二、雙緩沖 可以實現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)區(qū)緩沖區(qū)之間交換數(shù)據(jù)和緩沖區(qū)外設(shè)之間交換數(shù)據(jù)并行。三、循環(huán)緩沖 引入系統(tǒng)緩沖池，采用有限緩沖區(qū)的消費者/消費者模型對緩沖池中的緩沖區(qū)進展循環(huán)運用。 緩沖區(qū)結(jié)合預(yù)讀和滯后寫技術(shù)對具有反復(fù)性及陣發(fā)性I/O進程提高I/O速度很有協(xié)助。.緩沖A緩沖G緩沖E緩沖C緩沖B緩沖D緩沖F緩沖HHash表方式的設(shè)備緩沖隊列空閑隊列頭 緩沖區(qū)管理例如.6.2.4.設(shè)備驅(qū)動程序 一設(shè)備驅(qū)動程序接口函數(shù)驅(qū)動程序初始化函數(shù)：這個函數(shù)

5、是為了使驅(qū)動程序其它函數(shù)能被上層正常調(diào)用，而做一些針對驅(qū)動程序本身的初始化任務(wù)。如向操作系統(tǒng)登記該驅(qū)動程序的接口函數(shù)，該初始化函數(shù)在系統(tǒng)啟動時或驅(qū)動程序安裝入內(nèi)核時執(zhí)行。驅(qū)動程序卸載函數(shù)：是驅(qū)動程序初始化函數(shù)的逆過程，在支持驅(qū)動程序可動態(tài)加載卸載的系統(tǒng)中才需求。 懇求設(shè)備函數(shù)：該函數(shù)懇求一個驅(qū)動程序所管理的設(shè)備，按照設(shè)備特性進展獨占式占用或者分時共享式占用，假設(shè)是獨占式懇求勝利還應(yīng)該對設(shè)備做初始化任務(wù)。 釋放設(shè)備函數(shù)：是懇求設(shè)備函數(shù)的逆過程。 .IO操作函數(shù)：這個函數(shù)實現(xiàn)對設(shè)備的IO。假設(shè)對獨占型設(shè)備，包含了啟動IO的指令，對分時共享型設(shè)備，該函數(shù)通常將IO懇求構(gòu)成一個懇求包，將其排到設(shè)備懇求

6、隊列，假設(shè)懇求隊列空，那么直接啟動設(shè)備。中斷處置函數(shù)：這個函數(shù)在設(shè)備IO完成時向CPU發(fā)中斷后被調(diào)用。該函數(shù)對IO完成作善后處置，普通是找到等待剛完成IO懇求的阻塞進程，將其就緒，使其能進一步作后續(xù)任務(wù)。假設(shè)存在IO懇求隊列，那么啟動下一個IO懇求。.5.設(shè)備管理有關(guān)的數(shù)據(jù)構(gòu)造描畫設(shè)備、控制器等部件的表格。系統(tǒng)中經(jīng)常為每一個部件、每一臺設(shè)備分別設(shè)置一張表格，常稱為部件控制塊或設(shè)備表。這類表格詳細(xì)描畫設(shè)備的類型、標(biāo)識符、進展形狀，以及當(dāng)前運用者的進程標(biāo)識符等。建立同類資源的隊列。系統(tǒng)為了方便對I/O設(shè)備的分配管理，通常在設(shè)備表的根底上經(jīng)過指針將一樣物理屬性的設(shè)備聯(lián)成隊列稱設(shè)備隊列。面向進程I/O

7、懇求的動態(tài)數(shù)據(jù)構(gòu)造。每當(dāng)進程發(fā)出塊I/O懇求時，系統(tǒng)建立一張表格稱I/O懇求包。將此次I/O懇求的參數(shù)填入表中，同時也將該I/O有關(guān)的系統(tǒng)緩沖區(qū)地址等信息填入表中。I/O懇求包隨著I/O的完成而刪除。建立I/O隊列。如懇求包隊列 。.設(shè)備表設(shè)備表設(shè)備表懇求包懇求包設(shè)備管理有關(guān)數(shù)據(jù)構(gòu)造關(guān)系 .63存儲設(shè)備6.3.1.常見存儲外設(shè) 磁盤 數(shù)據(jù)組織 (一個磁盤有多個盤面組成，盤面有同心圓磁道組成，磁道由扇區(qū)組成，扇區(qū)為根本傳輸單位 物理特性 單磁頭，多磁頭.存取安裝主軸動臂盤片柱面磁道讀寫頭多磁頭活動頭盤表示圖 . 光學(xué)存儲設(shè)備 CD-ROM CD-R,CD-RW.6.3.2 .磁盤調(diào)度磁盤地址：設(shè)

8、備號+柱面號+盤面號+扇區(qū)號 讀寫一次磁盤信息所需的時間可分解為：尋覓時間、延遲時間、傳輸時間 為提高磁盤傳輸效率，軟件應(yīng)著重思索減少尋覓時間和延遲時間.一、減少尋覓時間的方法 減少尋覓時間是提高磁盤傳輸效率的關(guān)鍵。由于“尋覓時間在幾十毫秒時間量級。 操作系統(tǒng)磁盤驅(qū)動程序可以經(jīng)過合理調(diào)度多道進程對磁盤的訪問懇求順序，到達減少磁盤平均效力時間的目的。.調(diào)度戰(zhàn)略： FCFSFirst Come First Served SSTFShortest Seek Time First SCAN調(diào)度(電梯調(diào)度法 C-SCAN調(diào)度一個方向呼應(yīng)懇求 LOOK調(diào)度、 C-LOOK調(diào)度是scan和c-scan的改良

9、.二、減少延遲時間的方法普通常將盤面扇區(qū)交替編號；磁盤迭中不同盤面錯開命名。 04157362704136253704625163702514.6.3.3.盤陣經(jīng)過冗余提高可靠性 ：如建立鏡像盤。經(jīng)過并行性提高性能 ：如將原來在一個物理盤延續(xù)的數(shù)據(jù)分條分布到多盤。aAA為a的備份abcdefghijklmnopqrstaeimqbfjnrcgkosdhlpt將數(shù)據(jù)分布到多個盤中.RAID級別RAID級別0：指用到塊級條帶化的磁盤陣列。RAID級別1：指磁盤鏡像。 冗余 (a)RAID 0: 無冗余條帶化 (b)RAID1: 鏡像磁盤 C .RAID級別0+1：是指RAID級別0和1的結(jié)合。RA

10、ID0 提供性能，RAID1提供可靠性。它通常用于性能和可靠性都很重要的環(huán)境中。RAID級別1+0，其中磁盤被鏡像成對，然后最后所得到的鏡像對被條帶化。這種RAID比起RAID0+1有實際上的優(yōu)勢。例如，假設(shè)在RAID0+1中單獨一個磁盤失效，其他盤上的對應(yīng)條帶都不可訪問。對于RAID1+0中的一個磁盤失效，這個單獨的磁盤不可用，但它的鏡像盤依然可用。.RAID級別2：RAID級別2也叫做存儲類型校驗碼ECC構(gòu)造。單個位的錯誤被存儲器系統(tǒng)檢測出來。錯誤校驗方案存儲兩個或更多額外的位，可在單個位被破壞時重建數(shù)據(jù)。RAID級別3：稱為bit-interleaved奇偶校驗構(gòu)造，在級別2上進展了改善，磁盤控制器可以檢測扇區(qū)能否被正確讀，因此一個單獨的奇偶校驗位可用來進展錯誤校驗，也可以用于檢測。RAID級別4：稱為block-interleaved奇偶校驗構(gòu)造，運用塊級條帶化，像在RAID0中一樣，此外，對于N個磁盤上的對應(yīng)塊，在另外單獨的磁盤上保管奇偶校驗塊。.RAID級別5：稱為block-interleaved分布式奇偶校驗，與級別4不同在于，把數(shù)據(jù)和奇偶校驗分布到一切的N+1