第5章設(shè)備管理I/O系統(tǒng)I/O控制方式緩沖管理設(shè)備分配設(shè)備處理磁盤存儲(chǔ)器管理*UNIX系統(tǒng)中的設(shè)備管理本章作業(yè)5.1I/O系統(tǒng)I/O設(shè)備設(shè)備控制器I/O通道I/O系統(tǒng)的總線系統(tǒng)I/O系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)I/O系統(tǒng)的組成:I/O設(shè)備、設(shè)備控制器、I/O通道*、總線及相應(yīng)軟件5.1.1I/O設(shè)備1、I/O設(shè)備的類型

系統(tǒng)設(shè)備

1）按設(shè)備的從屬關(guān)系分類用戶設(shè)備

系統(tǒng)設(shè)備：在OS生成時(shí)就已登記在系統(tǒng)中的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，如鍵盤、顯示器、打印機(jī)等。

用戶設(shè)備：在OS生成時(shí)未登記在系統(tǒng)中的非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，如鼠標(biāo)、繪圖儀、掃描儀等。

獨(dú)享設(shè)備

2）按使用方式/共享屬性分類共享設(shè)備虛擬設(shè)備

獨(dú)享/獨(dú)占設(shè)備：在一段時(shí)間只允許一個(gè)用戶進(jìn)程訪問的設(shè)備。多數(shù)低速設(shè)備屬此類，打印機(jī)就典型的獨(dú)享設(shè)備。共享設(shè)備：在一段時(shí)間只允許多個(gè)用戶進(jìn)程同時(shí)訪問的設(shè)備。磁盤就典型的共享設(shè)備。

虛擬設(shè)備：指通過虛擬技術(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)用戶進(jìn)程同時(shí)使用，通常把這種經(jīng)過虛擬技術(shù)處理后的設(shè)備稱為虛擬設(shè)備。

低速設(shè)備3）按傳輸速率分類中速設(shè)備高速設(shè)備

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、鼠標(biāo)、語音的輸入/輸出等。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)萬個(gè)字節(jié)的設(shè)備。典型的有：打印機(jī)等。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：磁盤機(jī)、磁帶機(jī)、光盤機(jī)等。塊設(shè)備4）按信息交換的單位分類字符設(shè)備

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、磁帶等。字符設(shè)備：信息交換的基本單位為字符，典型的有：鍵盤、打印機(jī)和顯示器等。2、設(shè)備與控制器之間的接口（P145圖5-1）三種信號(hào)線5.1.2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，接收CPU發(fā)來的命令，并控制I/O設(shè)備工作，是一個(gè)可編址設(shè)備。

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。

設(shè)備控制器的組成設(shè)備控制器與處理機(jī)的接口設(shè)備控制器與設(shè)備接口I/O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)).設(shè)備控制器的組成數(shù)據(jù)寄存器控制、狀態(tài)寄存器I/O邏輯控制器與設(shè)備接口1控制器與設(shè)備接口iCPU與控制器接口控制器與設(shè)備接口數(shù)據(jù)線地址線控制線數(shù)據(jù)狀態(tài)控制數(shù)據(jù)狀態(tài)控制......5.1.3I/O通道

根據(jù)信息交換方式的不同，通道可分成以下幾種類型：字節(jié)多路通道數(shù)組選擇通道數(shù)組多路通道注：“瓶頸”問題字節(jié)多路通道其工作原理:數(shù)據(jù)傳送是按字節(jié)交叉方式工作。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。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/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。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+數(shù)組）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。“瓶頸”問題存儲(chǔ)器通道1通道2控制器1控制器2控制器3控制器4設(shè)備1設(shè)備2設(shè)備3設(shè)備4設(shè)備5設(shè)備6設(shè)備7單通路I/O系統(tǒng)解決“瓶頸”問題的方法-多路方式通道2設(shè)備1設(shè)備2設(shè)備3設(shè)備4存儲(chǔ)器通道1控制器1控制器2多通路I/O系統(tǒng)5.1.5I/O系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)CPU存儲(chǔ)器磁盤控制器打印機(jī)控制器其它控制器磁盤驅(qū)動(dòng)器打印機(jī)微型機(jī)I/O系統(tǒng)結(jié)構(gòu)---總線型計(jì)算機(jī)I/O通道1I/O通道2控制器控制器控制器控制器主機(jī)I/O系統(tǒng)—具有通道設(shè)備5.2I/O控制方式常用的輸入/輸出控制方式：1、程序控制方式2、中斷控制方式3、直接存儲(chǔ)器訪問DMA方式4、通道控制方式1、程序直接控制方式

處理機(jī)對I/O的控制采用程序直接控制方式。工作原理：主程序設(shè)備是否“準(zhǔn)備就緒”傳送數(shù)據(jù)否特點(diǎn)：控制簡單，但CPU的利用率低（串行），出現(xiàn)忙等待（循環(huán)等待設(shè)備的I/O操作）--即輪詢（Polling）問題-----I/O中斷繼續(xù)主程序控制設(shè)備狀態(tài)的控制位1）command-ready（等待命令）2）Busy（忙）3）Error（錯(cuò)誤）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)出中斷請求，CPU收到后，轉(zhuǎn)向中斷服務(wù)程序。中斷服務(wù)程序?qū)?shù)據(jù)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。

優(yōu)點(diǎn)—CPU利用率大大提高（可以與I/O設(shè)備并行工作）。

缺點(diǎn)---若中斷次數(shù)較多將耗去大量CPU處理時(shí)間。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控制器采用挪用CPU周期，將一批數(shù)據(jù)寫入內(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。優(yōu)點(diǎn)—CPU利用率進(jìn)一步提高（并行度有所提高）。缺點(diǎn)—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)。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)啟動(dòng)指令指明I/O操作、設(shè)備號(hào)和對應(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。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。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。2）減少中斷CPU的次數(shù)、3）提高CPU與I/O設(shè)備的并行性3、緩沖實(shí)現(xiàn)方法兩種：1）采用硬件緩沖器實(shí)現(xiàn)2）用軟件緩沖區(qū)來實(shí)現(xiàn)緩沖就是用來對數(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實(shí)現(xiàn)。軟件緩沖區(qū)是指在I/O操作期間，專門用來臨時(shí)存放輸入/輸出數(shù)據(jù)的一塊存儲(chǔ)區(qū)域。4、緩沖技術(shù)的分類

單緩沖

雙緩沖

循環(huán)緩沖

緩沖池5.3緩沖管理單緩沖在設(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)寫入緩沖區(qū)，然后需要數(shù)據(jù)的設(shè)備/處理機(jī)再從緩沖區(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)對緩沖區(qū)的操作是串行的。用戶進(jìn)程操作系統(tǒng)傳送輸入I/O設(shè)備一塊數(shù)據(jù)的處理時(shí)間在某系統(tǒng)中，從磁盤將一塊數(shù)據(jù)輸入到緩沖區(qū)需要花費(fèi)的時(shí)間T，CPU對一塊數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的時(shí)間為C，將緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)傳送到用戶區(qū)所花時(shí)間為M，那么在單緩沖情況下，系統(tǒng)處理大量數(shù)據(jù)時(shí)，一塊數(shù)據(jù)的處理時(shí)間為多少？用戶進(jìn)程操作系統(tǒng)傳送輸入I/O設(shè)備TMCMax(T,C)+MP156圖5-11雙緩沖在設(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)寫入緩沖區(qū)，然后需要數(shù)據(jù)的設(shè)備/處理機(jī)再從緩沖區(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。用戶進(jìn)程操作系統(tǒng)傳送輸入I/O設(shè)備一塊數(shù)據(jù)的處理時(shí)間在某系統(tǒng)中，從磁盤將一塊數(shù)據(jù)輸入到緩沖區(qū)需要花費(fèi)的時(shí)間T，CPU對一塊數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的時(shí)間為C，將緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)傳送到用戶區(qū)所花時(shí)間為M，那么在雙緩沖情況下，系統(tǒng)處理大量數(shù)據(jù)時(shí)，一塊數(shù)據(jù)的處理時(shí)間為多少？TMC當(dāng)C>T：C+M即MAX（C，T）+M當(dāng)C<T：MAX（C，T）圖5-12用戶進(jìn)程操作系統(tǒng)傳送輸入I/O設(shè)備循環(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。RGGGGR123456NextiNextgRGGGGR123456NexticurrentNextg循環(huán)緩沖的組成循環(huán)緩沖緩沖區(qū)的使用Getbuf過程Releasebuf過程進(jìn)程同步Nexti指針追趕上Nextg指針—輸入進(jìn)程阻塞Nextg指針追趕上Nexti指針—計(jì)算進(jìn)程阻塞1、緩沖池：將系統(tǒng)內(nèi)所有的緩沖區(qū)統(tǒng)一管理起來，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、裝滿輸入數(shù)據(jù)隊(duì)列、裝滿輸出數(shù)據(jù)隊(duì)列

四個(gè)工作緩沖區(qū)：收容輸入緩沖區(qū)、提取輸入收容輸出、提取輸出緩沖區(qū)緩沖池3、getbuf過程和putbuf過程

ProcedureGetbuf(type)beginwait(rs(type));wait(ms(type));B(number):=Takebuf(type);signal(ms(type);end緩沖池

Procedureputbuf(type)beginwait(ms(type));Addbuf(type,number);signal(ms(type);signal(rs(type);end4、操作系統(tǒng)對緩沖池的管理--工作方式hinsinsouthout用戶程序緩沖池提取輸入收容輸出提取輸出收容輸入緩沖區(qū)的工作方式輸入進(jìn)程需要輸入數(shù)據(jù)時(shí)：輸入設(shè)備收容輸入緩沖區(qū)-Getbuf(emq)1)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3)將此緩沖區(qū)掛到裝滿輸入數(shù)據(jù)隊(duì)列隊(duì)尾。計(jì)算進(jìn)程需要輸入數(shù)據(jù)時(shí)：提取輸入緩沖區(qū)CPU-Getbuf(inq)1)從裝滿輸入數(shù)據(jù)隊(duì)列隊(duì)首取一滿緩沖區(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)掛到空緩沖隊(duì)列隊(duì)尾。4、操作系統(tǒng)對緩沖池的管理--工作方式計(jì)算進(jìn)程需要輸出數(shù)據(jù)時(shí)：CPU收容輸出緩沖區(qū)-getbuf(emq)

1)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3)將收容輸出緩沖區(qū)掛到裝滿輸出數(shù)據(jù)隊(duì)列隊(duì)尾。輸出進(jìn)程需要輸出數(shù)據(jù)時(shí)：提取輸出緩沖區(qū)-輸出設(shè)備-getbuf(outq)

1)從裝滿輸出數(shù)據(jù)隊(duì)列隊(duì)首取一滿緩沖區(qū)用作提取輸出緩沖區(qū)2)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4、操作系統(tǒng)對緩沖池的管理--工作方式5.4設(shè)備分配●設(shè)備分配中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)●設(shè)備分配的策略/應(yīng)考慮的因素●設(shè)備獨(dú)立性●設(shè)備分配程序●SPOOLING技術(shù)7.4.1設(shè)備分配中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)備控制表DCT(devicecontroltable)控制器控制表COCT(controllercontroltable)通道控制表CHCT（channelcontroltable）系統(tǒng)設(shè)備表SDT(systemdevicetable)DCT表目1……表目i……設(shè)備類型設(shè)備標(biāo)識(shí)符DCT指針獲得設(shè)備的進(jìn)程……控制器標(biāo)識(shí)符控制器狀態(tài)：忙/閑CHCT指針控制器等待隊(duì)列指針……通道標(biāo)識(shí)符通道狀態(tài)：忙/閑通道等待隊(duì)列指針……SDTCOCTCHDT設(shè)備類型設(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……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（獨(dú)享分配、共享分配、虛擬分配）2、設(shè)備分配算法

（先請求先服務(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)備無關(guān)先請求先服務(wù)

當(dāng)有多進(jìn)程對同一設(shè)備提出I/O請求時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)這些進(jìn)程發(fā)出請求的先后次序?qū)⑺鼈兣懦梢粋€(gè)設(shè)備請求隊(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

按照進(jìn)程優(yōu)先級(jí)的高低進(jìn)行分配。即當(dāng)多進(jìn)程對同一設(shè)備提出I/O請求時(shí)，誰優(yōu)先級(jí)高，就將設(shè)備分配給誰。若優(yōu)先級(jí)相同，則按先請求先服務(wù)進(jìn)行分配。5.4.3設(shè)備獨(dú)立性設(shè)備獨(dú)立性概念（設(shè)備無關(guān)性）設(shè)備獨(dú)立性的實(shí)現(xiàn)邏輯設(shè)備（應(yīng)用程序）和物理設(shè)備（執(zhí)行）設(shè)備分配時(shí)的靈活性易于實(shí)現(xiàn)I/O重定向設(shè)備獨(dú)立性軟件執(zhí)行所有設(shè)備的公有操作向用戶層（文件層）軟件提供統(tǒng)一的接口邏輯設(shè)備名到物理設(shè)備名映射的實(shí)現(xiàn)邏輯設(shè)備表LUT(LogicalUnitTable)LUT設(shè)置問題(圖5-8)整個(gè)系統(tǒng)設(shè)置一張LUT；每個(gè)用戶設(shè)一張LUT設(shè)備獨(dú)立性相關(guān)概念設(shè)備獨(dú)立性概念（設(shè)備無關(guān)性）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。I/O重定向指用于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。所有設(shè)備的公有操作獨(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；對設(shè)備進(jìn)行保護(hù)（禁直訪）；緩沖管理；差錯(cuò)控制。邏輯設(shè)備表LUT(LogicalUnitTable)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………邏輯設(shè)備名系統(tǒng)設(shè)備表指針/dev/tty3/dev/print5……(a)(b)5.4.4獨(dú)占設(shè)備的分配程序基本的設(shè)備分配程序分配設(shè)備分配控制器分配通道問題（“瓶頸”）進(jìn)程以物理設(shè)備名來提出I/O請求采用的是單通路的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)備名來提出I/O請求)考慮多通路情況分配設(shè)備物理設(shè)備名在SDT找DCT設(shè)備狀態(tài)忙進(jìn)程插入設(shè)備等待隊(duì)列按算法計(jì)算本次分配的安全性安全分配設(shè)備進(jìn)程插入設(shè)備等待隊(duì)列返回yNNY分配控制器物理設(shè)備分配DCT找COCT控制器狀態(tài)忙進(jìn)程插入控制器等待隊(duì)列分配控制器返回YN分配通道控制器分配COCT找CHT通道狀態(tài)忙進(jìn)程插入通道等待隊(duì)列分配通道返回YNSPOOLING技術(shù)(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)提高了I/O速度將獨(dú)占設(shè)備改造為共享設(shè)備實(shí)現(xiàn)了虛擬設(shè)備功能SPOOLING技術(shù)

(SimultaneausPeriphernalOperationsOn-Line)SPOOLING技術(shù)

在多道程序下，用一程序來模擬外圍控制機(jī)，實(shí)現(xiàn)將數(shù)據(jù)從磁盤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)外圍操作稱為SPOOLING技術(shù)，是對脫機(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)。SPOOLING系統(tǒng)的組成輸入進(jìn)程輸出進(jìn)程輸入緩沖區(qū)輸出緩沖區(qū)輸入設(shè)備輸出設(shè)備輸入井輸出井外存內(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、請求打印隊(duì)列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)用戶進(jìn)程使用，通常把這種經(jīng)過虛擬技術(shù)處理后的設(shè)備稱為虛擬設(shè)備。5.5設(shè)備處理設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的功能和特點(diǎn)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的功能設(shè)備處理方式設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的特點(diǎn)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的的處理過程中斷處理程序的處理過程設(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I/O請求的合法性，I/O設(shè)備狀態(tài)，傳參數(shù)，設(shè)設(shè)備的工作方式。按處理機(jī)的I/O請求去啟動(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)來的中斷請求，并進(jìn)行相應(yīng)處理按I/O請求構(gòu)成相應(yīng)通道程序。設(shè)備處理方式為每一類設(shè)備設(shè)置一進(jìn)程，專門執(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)置專門的設(shè)備處理進(jìn)程，而為各類設(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言編寫。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的的處理過程將接收到的抽象要求轉(zhuǎn)換為具體要求。檢查用戶I/O請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請求去啟動(dòng)指定的設(shè)備進(jìn)行I/O操作中斷處理程序的處理過程喚醒被阻塞的驅(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5.6磁盤存儲(chǔ)器提高磁盤I/O速度的主要途徑：（1）選擇性能好的磁盤（2）采用好的磁盤調(diào)度算法（3）設(shè)置磁盤高速緩存（DiskCache）（4）其它方法（5）采用高度可靠、快速的容量磁盤系統(tǒng)_____謙價(jià)磁盤冗余陣列1、磁盤性能磁盤性能簡述數(shù)據(jù)的組織磁盤結(jié)構(gòu)、磁道、柱面、扇區(qū)、磁盤格式化磁盤物理塊的地址：柱面號(hào)磁頭號(hào)扇區(qū)號(hào)磁盤類型（固定頭磁盤、移動(dòng)頭磁盤）訪問時(shí)間尋道時(shí)間：將磁頭從當(dāng)前位置移到指定磁道所經(jīng)歷時(shí)間旋轉(zhuǎn)延遲時(shí)間：指定扇區(qū)移動(dòng)到磁頭下面所經(jīng)歷時(shí)間傳輸時(shí)間：將扇區(qū)上的數(shù)據(jù)從磁盤讀出/向磁盤寫入數(shù)據(jù)所經(jīng)歷的時(shí)間。磁盤結(jié)構(gòu)磁臂磁頭2、磁盤調(diào)度算法磁盤調(diào)度算法早期的磁盤調(diào)度算法先來先服務(wù)FCFS最短尋道時(shí)間優(yōu)先SSTF掃描算法掃描(SCAN)算法循環(huán)掃描(CSCAN)算法**N-STEP-SCAN調(diào)度算法**FSCAN調(diào)度算法例：假設(shè)一個(gè)請求序列：

98,183,37,122,14,124,65,67磁頭當(dāng)前的位置在53。FCFS先來先服務(wù)按進(jìn)程請求訪問磁盤的先后次序進(jìn)行調(diào)度。下磁道移道數(shù)9845183853714612285141081241106559672總道數(shù)640平均80特點(diǎn)：簡單、較合理，但未對尋道進(jìn)行優(yōu)化。最短尋道時(shí)間優(yōu)先（SSTF）l

選擇從當(dāng)前磁頭位置所需尋道時(shí)間最短的請求。下磁道移道數(shù)651267237301423988412224124218359總道數(shù)236平均29.5特點(diǎn)：尋道性能比FCFS好，但不能保證尋道時(shí)間最短，且有可能引起某些請求的饑餓。掃描算法（SCAN）磁頭從磁盤的一端開始向另一端移動(dòng)，沿途響應(yīng)訪問請求，直到到達(dá)了磁盤的另一端，此時(shí)磁頭反向移動(dòng)并繼續(xù)響應(yīng)服務(wù)請求。有時(shí)也稱為電梯算法。磁頭向磁道號(hào)增加的方向移動(dòng)。下磁道移道數(shù)6512672983112224124218359371461423總道數(shù)299平均37.4下磁道移道數(shù)371614236551672983112224124218359總道數(shù)208平均26

磁頭開始向磁道號(hào)減少的方向移動(dòng)特點(diǎn)：尋道性能較好，避免了饑餓，但不利于遠(yuǎn)離磁頭一端的訪問請求。循環(huán)掃描算法（CSCAN）l

規(guī)定磁頭單向移動(dòng)。特點(diǎn)：消除了對兩端磁道請求的不公平。下磁道移道數(shù)6512672983112224124218359141693723總道數(shù)322平均40.3N-STEP-SCAN調(diào)度算法SSTF、SCAN及CSCAN存在的問題---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)請求某一磁道，從而壟斷了整個(gè)磁盤設(shè)備，這種現(xiàn)象稱為磁臂粘著。N-STEP-SCAN調(diào)度算法

將磁盤請求隊(duì)列分成若干個(gè)長度為N的子隊(duì)列，磁盤調(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很大SCAN算法N取半長度FSCAN算法3、設(shè)置磁盤高速緩存（DiskCache）目前，由于磁盤的I/O速度遠(yuǎn)低內(nèi)存的訪問速度，而致使磁盤的I/O成為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的瓶頸。為提高磁盤的I/O速度，便采用磁盤高速緩存。磁盤高速緩存的形式數(shù)據(jù)交付方式置換算法周期性地寫回磁盤(1)磁盤高速緩存的形式磁盤高速緩存是指內(nèi)存中的一部分存儲(chǔ)空間，用來暫存從磁盤讀出的一系列盤塊中的信息。所以它是一組在邏輯上屬于磁盤，而物理上是駐留在內(nèi)存中的盤塊。磁盤高速緩存的形式內(nèi)存中單獨(dú)的存儲(chǔ)空間（大小固定）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)交付方式是指磁盤高速緩存中的數(shù)據(jù)傳送給請求者進(jìn)程。系統(tǒng)采取兩種方式，將數(shù)據(jù)交付給請求進(jìn)程：數(shù)據(jù)交付系統(tǒng)直接將磁盤高速緩存中的數(shù)據(jù)傳送到請求者進(jìn)程的內(nèi)存工作區(qū)。指針交付只將指向磁盤高速緩存中該數(shù)據(jù)的指針，交付給請求者進(jìn)程。

(3)置換算法在將磁盤中的盤塊讀入到磁盤高速緩存中時(shí)，若因磁盤高速緩存已滿，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)考慮的問題訪問頻率可預(yù)見性數(shù)據(jù)的一致性___解決方法將系統(tǒng)中所有盤塊數(shù)據(jù)，拉成一條LRU鏈，對將會(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塊數(shù)據(jù)，放在LRU頭部，到時(shí)優(yōu)先寫回磁盤。(4)周期性地寫回磁盤系統(tǒng)中所有盤塊數(shù)據(jù)，拉成一條LRU鏈，對將會(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塊數(shù)據(jù)，放在LRU頭部，到時(shí)才優(yōu)先寫回磁盤。若經(jīng)常訪問的數(shù)據(jù)將一直保留磁盤高速緩存中，長期不會(huì)被寫回磁盤，若系統(tǒng)出故障，則存在磁盤高速緩存中的數(shù)據(jù)將丟失。問題解決周期性地將磁盤高速緩存中的數(shù)據(jù)寫回磁盤。磁盤高速緩存中的數(shù)據(jù)若修改，則立即寫回磁盤。4、提高磁盤I/O速度的其它方法提前讀（Read_Ahead）

由于用戶對文件的訪問常用順序方式，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)訪問下一塊數(shù)據(jù)時(shí)，其已在緩沖中，而不需去啟動(dòng)磁盤I/O。延遲寫

在緩存中的數(shù)據(jù),本應(yīng)立即寫回磁盤,考慮不久之后可能會(huì)再用,故不立即寫回磁盤。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

利用內(nèi)存去訪真磁盤，又稱為RAM盤。（與磁盤高速緩存的區(qū)別：RAM盤中的內(nèi)容由用戶控制，而緩存中的內(nèi)容則由OS控制）5、謙價(jià)磁盤冗余陣列（RAID）是1987年由美國加利福尼來大學(xué)伯萊分校提出的，1988年問世，即利用一臺(tái)磁盤陳列控制器，來統(tǒng)一管理和控制一組磁盤驅(qū)動(dòng)器，組成一個(gè)高度可靠的、快速的大容量磁盤系統(tǒng)。并行交叉存取RAID的分級(jí)RAID的優(yōu)點(diǎn)（1）并行交叉存取為提高磁盤的訪問速度而在大、中型機(jī)中采用的交叉存取技術(shù)，即在一個(gè)配置多臺(tái)磁盤驅(qū)動(dòng)器的系統(tǒng)中，如P179頁圖5-27所示。系統(tǒng)將每一盤塊的數(shù)據(jù)分成若干個(gè)子盤塊數(shù)據(jù)，再把每一個(gè)子盤塊的數(shù)據(jù)分別存儲(chǔ)到各個(gè)不同磁盤中的相同位置上，在以后，當(dāng)要將一個(gè)盤塊的數(shù)據(jù)傳送到內(nèi)存時(shí)，采取并行傳輸方式，將該盤塊中的各個(gè)子盤塊數(shù)據(jù)同時(shí)向內(nèi)存?zhèn)鬏?，從而使傳輸時(shí)間大大減少。（2）謙價(jià)磁盤冗余陣列（RAID）的分級(jí)

RAID0級(jí)本級(jí)僅提供了并行存取技術(shù)，無冗余校驗(yàn)功能，至使磁盤系統(tǒng)的可靠性不好，故較少使用。RAID1級(jí)本級(jí)具有磁盤鎖像功能，即每次訪問磁盤時(shí)，采用并行技術(shù)將數(shù)據(jù)同時(shí)主盤（數(shù)據(jù)盤）和磁盤鏡像盤中。磁盤系統(tǒng)的可靠性好，但磁盤利用率不高。RAID3級(jí)本級(jí)采用并行存取技術(shù)，增加了冗余校驗(yàn)功能，即用一個(gè)盤作校驗(yàn)盤，常用科學(xué)計(jì)算和圖像處理。RAID5級(jí)本級(jí)具有獨(dú)立傳送功能，各磁盤驅(qū)動(dòng)器可獨(dú)立讀、寫，校驗(yàn)信息在所有盤上，常用于I/O較頻繁的事務(wù)處理中。RAID6級(jí)本級(jí)設(shè)置了一個(gè)專用的、可快速訪問的異步校驗(yàn)盤，該盤具有獨(dú)立的數(shù)據(jù)訪問通路。RAID7級(jí)本級(jí)是對RAID6級(jí)的改進(jìn)，所有磁盤均具有較高的傳輸速率和優(yōu)異的性能，是目前最高檔次的磁盤陣列。（3）謙價(jià)磁盤冗余陣列（RAID）的優(yōu)點(diǎn)

可靠性高

是RAID的最大優(yōu)點(diǎn)（除RAID0級(jí)外）磁盤I/O速度高

由于RAID可采用并行交叉存取方式，故提高了磁盤I/O速度。性能/價(jià)格比高用RAID技術(shù)實(shí)現(xiàn)大容量存儲(chǔ)器時(shí)，與大型磁盤系統(tǒng)相比，其體積和價(jià)格只是它的1/3，且可靠性高。5.7UNIX系統(tǒng)中的設(shè)備管理Unix系統(tǒng)中，設(shè)備管理被作為一種特殊的文件，由文件系統(tǒng)統(tǒng)一進(jìn)行。設(shè)備緩沖管理字符設(shè)備緩沖管理塊設(shè)備緩沖管理設(shè)備處理程序核心與驅(qū)動(dòng)程序的接口磁盤驅(qū)動(dòng)程序、磁