【正文】 織形式 單緩沖 雙緩沖 循環(huán)緩沖 緩沖池 59 單緩沖 ? 簡單，僅在內(nèi)存中為進(jìn)程對某個設(shè)備的 I/O訪問分配一個緩沖區(qū)，如圖 操作系統(tǒng) 外部設(shè)備 用戶進(jìn)程 緩沖區(qū) 60 ? 假定，一塊數(shù)據(jù)從外部設(shè)備輸入到內(nèi)存所花費的時間為 T，在內(nèi)存中移動所花費的時間為 M，被用戶進(jìn)程加工處理所花費的時間為 C，那么 ? 在沒有使用 I/O緩沖區(qū)的情況下，平均每塊數(shù)據(jù)的處理時間近似為： T+C ? 在使用單 I/O緩沖區(qū)的情況下，平均每塊數(shù)據(jù)的處理時間近似為： max(T,C)+M 61 ? 相對于沒有 I/O緩沖區(qū)的情形， 單 I/O緩沖區(qū)能提高用戶進(jìn)程的運行效率。 ?當(dāng)數(shù)據(jù)從緩沖區(qū)復(fù)制到用戶進(jìn)程空間時 ， 輸入設(shè)備不必等待 ， 可立即開始向另一個緩沖區(qū)輸入數(shù)據(jù) 。 ? 多個 I/O緩沖區(qū)常常被組織成一個環(huán)形隊列 ，故 ， 稱為循環(huán)緩沖 。 ? 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)可為多個設(shè)備和進(jìn)程服務(wù)。 66 緩沖池 ? 緩沖池中的緩沖區(qū)通常組織成 鏈表結(jié)構(gòu) 。 67 緩沖技術(shù)的實現(xiàn) 內(nèi)容簡單，請讀者自學(xué)。 ? 虛擬設(shè)備技術(shù)的實現(xiàn)：在獨占型設(shè)備與進(jìn)程之間加入一個共享型設(shè)備作為過渡，如圖 內(nèi)存 共享型設(shè)備 進(jìn)程 某一區(qū)域 獨占型設(shè)備 間斷 傳輸 連續(xù) 傳輸 71 ? 共享型設(shè)備的某一區(qū)域是由若干個設(shè)備塊構(gòu)成的，對進(jìn)程而言相當(dāng)于真實的設(shè)備。這些進(jìn)程不用排隊等待，他們的推進(jìn)速度也就不受任何影響。 76 SPOOLing系統(tǒng) ? SPOOLing： Simultaneous Peripheral Operations OnLine ， 直譯意思是 “ 聯(lián)機(jī)情況下同時進(jìn)行的外圍設(shè)備操作 ” ， 通常稱其為 “ 假脫機(jī)操作 ” 。 ? 硬盤的轉(zhuǎn)速比軟盤快幾十倍 ， 并在開機(jī)后一直高速旋轉(zhuǎn) ， 隨時準(zhǔn)備就緒；而軟盤則需要 I/O時才旋轉(zhuǎn) ，否則停止旋轉(zhuǎn) 。 ? 若磁盤組共有 s個盤片 ， 則共有 2s個盤面 ， 但通常最上面和最下面的兩個盤面作為伺服面 ， 用以進(jìn)行控制磁頭定位等操作 ， 并不存放數(shù)據(jù) ， 因而實際可用盤面數(shù)為 m＝ 2(s1)， 由下至下依次編號為 0,1,2,? ,m1， 稱為盤面號 。 若扇區(qū)的數(shù)量為 n， 則每條磁道上的扇區(qū)被依次編號為0,1, 2,? ,n1， 稱為扇區(qū)號 。 84 磁盤的磁頭工作方式 ? 磁盤：固定頭磁盤和移動頭磁盤 。 ? 因此 ， 移動頭磁盤只能進(jìn)行串行讀 /寫 ， I/O速度相對較慢 ， 但由于其具有結(jié)構(gòu)簡單 、 成本較低 、 容量不受磁頭數(shù)量限制等優(yōu)點 ， 因而被廣泛使用 。 ? 衡量磁盤的尋道性能時 ， 通常使用平均尋道時間 。 89 傳輸時間 ? 傳輸時間是指把數(shù)據(jù)從硬盤讀出或向磁盤寫入數(shù)據(jù)所經(jīng)歷的時間。 91 ? 綜上所述 ， 傳統(tǒng)上影響磁盤 I/O性能的主要技術(shù)指標(biāo)是 平均尋道時間 和 轉(zhuǎn)速 ， 轉(zhuǎn)速則影響平均旋轉(zhuǎn)延遲和數(shù)據(jù)傳輸時間 。 93 磁盤調(diào)度算法 ? 當(dāng)有多個進(jìn)程都請求訪問磁盤時 ， 他們訪問的位置(這里主要關(guān)心磁道 )各不一樣 ， 磁頭需要來回頻繁移動進(jìn)行尋道操作 。 這是最公平 、 最簡單的算法 ， 但是效率非常低 。 ? 例如 ， 對于上述服務(wù)請求 ， 按照 SSTF算法 ， 則系統(tǒng)將按如下次序為進(jìn)程提供服務(wù) ， 磁頭移動的磁道數(shù)為 6+16+8+95+2＝ 127， 效率比 FCFS高了許多 。 然后判斷當(dāng)前磁道以內(nèi)的磁道是否還有訪問請求 ， 如果有 ， 則磁頭繼續(xù)向內(nèi)磁道方向移動；否則 ， 判斷當(dāng)前磁道以外的磁道是否有訪問請求 ， 若有 ， 則磁頭掉轉(zhuǎn)方向朝外移動 。 ? 當(dāng) N值取得很大時 ， N步掃描算法的性能與SCAN算法的性能相當(dāng)；當(dāng) N取值為 1時 ， N步掃描算法退化為 FCFS算法 。 ? 與磁盤機(jī)本身所帶的緩存以及磁盤控制器所帶的緩存相比，磁盤機(jī)和磁盤控制器上的緩存的特點： 1. 容量較小； 2. 利用此類緩存進(jìn)行數(shù)據(jù)提前讀和延后寫操作能與主機(jī)并行工作。 103 磁盤高速緩存的實現(xiàn)形式 ? 在內(nèi)存中單獨開辟一個大小固定的存儲空間作為磁盤高速緩存區(qū) 。操作系統(tǒng)必須在適當(dāng)?shù)臅r候?qū)?shù)據(jù)真正寫到磁盤。這種高速緩存通常被稱為“寫穿透高速緩存 (writethrough cache)”，相當(dāng)于只有讀緩存而沒有寫緩存，其風(fēng)險最低，效率也最低。 為了充分利用存儲空間 ， 新建文件常分散存儲 。 ? 如果一個文件在物理上存儲得較分散 ， 盡管不影響系統(tǒng)的正確性 ， 但卻使提前讀操作失效 ， 反而降低系統(tǒng)效率 。顯然， 如果一個長度為128K個字節(jié)的文件存放在該硬盤上，那么該文件將在該硬盤上占用 256個扇區(qū)。 116 磁盤調(diào)度算法小結(jié) ? FCFS ? SSTF ? SCAN ? NSCAN 117 例子 ? 假定 ： 當(dāng)前有 9個磁盤讀寫請求；這 9個磁盤讀寫請求要訪問的磁道號按照各個磁盤讀寫請求到達(dá)的次序依次為： 5 53 1 90、 160、 150、 3 184。 ? 當(dāng)用戶進(jìn)程請求向磁盤上 寫出 一個扇區(qū)時，系統(tǒng)同樣首先在 disk cache中尋找該扇區(qū)的副本 如果能夠找到，那么系統(tǒng)將根據(jù)用戶進(jìn)程的請求修改該扇區(qū)的副本； 否則，系統(tǒng)同樣首先從磁盤上讀入該扇區(qū)并在 disk cache中為其建立一 個副本，然后根據(jù)用戶進(jìn)程的請求修改該副本。 123 磁盤管理的另一個有效方法 ? 高性能的文件系統(tǒng) —— 磁盤碎片整理，使磁盤文件盡量連續(xù) 124 磁盤容錯技術(shù) ? 磁盤中常常存儲著非常重要的數(shù)據(jù)，例如交易數(shù)據(jù)、帳目數(shù)據(jù)、學(xué)生成績等。冗余部件包括增加冗余的磁盤驅(qū)動器、磁盤控制器等，使得當(dāng)磁盤系統(tǒng)某部分出現(xiàn)缺陷或故障時，磁盤仍能正常工作，且不至于造成數(shù)據(jù)的錯誤和丟失。 ? 每當(dāng)系統(tǒng)重新啟動時，都要對這兩份目錄和 FAT進(jìn)行檢查，以保證它們的一致性。 若重寫后兩者仍不一致 ， 則認(rèn)為該磁盤塊有缺陷 ， 便將該塊標(biāo)識為壞塊 ， 相應(yīng)數(shù)據(jù)寫入熱修復(fù)重定向區(qū)中 。 主 機(jī) 磁盤控制器 通道 磁盤驅(qū)動器 131 磁盤雙工 ? 將兩臺完全相同的磁盤驅(qū)動器連接到兩個磁盤控制器上，如圖。 ? 對兩個磁盤的寫入是 并行 進(jìn)行，速度較快 。 ? 從容錯的角度講， RAID技術(shù)應(yīng)屬第二級容錯技術(shù)，但其內(nèi)涵遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止容錯。 ? 若采用細(xì)粒度條帶，幾乎每個存取請求都會導(dǎo)致同時存取 RAID中的所有磁盤，使得無法同時響應(yīng)多個存取請求。 ? 采用 RAID控制器方案的成本較高 ， 但其效率高 ， 不增加主機(jī)負(fù)擔(dān) 。 144 RAID3 ? 同時使用了磁盤條帶化技術(shù) (細(xì)粒度 ， 條帶大小為一個字節(jié)或一個字 )和奇偶校驗容錯技術(shù) ， 如圖所示 。 147 RAID5 ? 與 RAID3類似 ， 主要區(qū)別是： 1. RAID3使用一個磁盤專門存儲奇偶校驗數(shù)據(jù) ， 對于每一個寫操作 (可能僅是一個條帶 )， 均要寫奇偶校驗磁盤 。如圖： 148 P(1619) 塊 12 塊 8 塊 4 塊 0 塊 16 P(1215) 塊 9 塊 5 塊 1 塊 17 塊 13 P(811) 塊 6 塊 2 塊 18 塊 14 塊 10 P(47) 塊 3 塊 19 塊 15 塊 11 塊 7 P(03) 149 小結(jié) ? 設(shè)備管理功能 ? 常用設(shè)備分配技術(shù) ? I/O緩沖技術(shù) ? 磁盤工作原理 ? 磁盤調(diào)度算法 ? 磁盤陣列 RAID技術(shù) 150 小結(jié) （續(xù)） ? 設(shè)備 、 通道 、 控制器與主機(jī)間的連接方式通常是多對多的關(guān)系； ? 在主機(jī)的角度看 ， 所有設(shè)備都連接在 I/O總線上 ，它們通過 I/O指令和某個 I/O端口地址 、 中斷 、 通道 、控制器等與主機(jī)交流 ， 主機(jī)看不到這些設(shè)備具體細(xì)節(jié) 。 ? 操作系統(tǒng)中與磁盤管理相關(guān)的技術(shù)包括磁盤三維地址到一維地址的轉(zhuǎn)換 、 磁盤碎片的整理 、 磁盤高速緩存 、 磁盤調(diào)度策略 、 磁盤系統(tǒng)容錯 、 RAID技術(shù)等 。 151 小結(jié) （續(xù)） ? 為了便于使用 ， 設(shè)備管理程序為用戶提供的是邏輯設(shè)備 ， 而邏輯設(shè)備到物理設(shè)備的映射和轉(zhuǎn)換由設(shè)備管理程序完成； ? 為了實現(xiàn)對設(shè)備的管理 ， 操作系統(tǒng)需要設(shè)立多種表格 ， 詳細(xì)記錄設(shè)備的分配和使用情況； ? 從資源管理的角度講 ， 設(shè)備可以分為獨占型設(shè)備和共享型設(shè)備兩大類 。 2. RAID5使用粗粒度的條帶 ， 將奇偶校驗數(shù)據(jù)分布到每一個磁盤中 ， 沒有專門的奇偶校驗盤 ， 因而克服了 RAID3的缺點 。 ? 因此 ， N個磁盤中任意損壞一個 ， 都不會導(dǎo)致數(shù)據(jù)的丟失 。 141 RAID的常見組織形式（ 6種） ? RAID Level 0 ? RAID Level 1 ? RAID Level 2 ? RAID Level 3 ? RAID Level 4 ? RAID Level 5 ? 還可對基本 RAID級別進(jìn)行組合 142 RAID0 ? 僅使用了條帶化技術(shù) ? 不存儲數(shù)據(jù)的校驗信息 ? 能提供大容量 、 快速的磁盤存儲能力 ， ? 具備最好的讀 /寫性能和最低的成本 ? 磁盤容量的利用率為 100% ? 但其安全性最低 ， 其中任何一個磁盤損壞便會導(dǎo)致整個系統(tǒng)不可使用 。 顯然，粗粒度的條帶只利于對多個獨立的存取請求進(jìn)行并行處理 139 ? 磁盤陣列管理軟件在存儲數(shù)據(jù)的同時還將存儲相關(guān)的校驗信息； ? 使得當(dāng)磁盤陣列中的某個磁盤發(fā)生故障時 ，磁盤陣列管理軟件可以恢復(fù)存儲在該磁盤上的數(shù)據(jù) 。 — 磁盤陣列管理軟件把邏輯上連續(xù)的一組數(shù)據(jù)交叉分布存儲在磁盤陣列中的各個磁盤上 ，如圖 136 物理磁盤0 條帶 15 條帶 14 條帶 13 條帶 12 條帶 11 條帶 10 條帶 9 條帶 8 條帶 7 條帶 6 條帶 5 條帶 4 條帶 3 條帶 2 條帶 1 條帶 0 條帶 12 條帶 8 條帶 4 條帶 0 條帶 13 條帶 9 條帶 5 條帶 1 條帶 14 條帶 10 條帶 6 條帶 2 條帶 15 條帶 11 條帶 7 條帶 3 物理磁盤1 物理磁盤2 物理磁盤3 邏輯磁盤 磁盤陣列 管理軟件 137 ? 這種技術(shù)通常被稱為磁盤條帶化 (Disk Striping) ? 其好處是數(shù)據(jù)可以被并行讀出 ， 給主機(jī)的感覺是磁盤快了許多倍 。 133 RAID技術(shù) ? RAID(Redundant Array of Independent/ Inexpensive Disks)：獨立或廉價磁盤冗余陣列，其中， ? “獨立”是目前通用的一個行業(yè)術(shù)語，強(qiáng)調(diào)RAID陣列的重要性和可靠性； ? “廉價”是較早使用的一個術(shù)語，重在強(qiáng)調(diào)RAID磁盤陣列中采用的相對較小的、價格較便宜