【正文】 的磁盤。 主 機 通道 磁盤驅動器 磁盤控制器 磁盤控制器 通道 132 磁盤雙工 vs. 磁盤鏡像 ? 磁盤雙工的成本較高 。 包括： 1. 磁盤鏡像 2. 磁盤雙工 130 磁盤鏡像 ? 在同一磁盤控制器上 ， 連接兩個完全相同的磁盤驅動器 ， 如圖 。 ? 寫后讀校驗 是指 ， 每次將數(shù)據(jù)寫到磁盤以后 ， 立即從磁盤上讀出該塊數(shù)據(jù) ， 并進行對比 。 126 第一級容錯技術 ? 最早出現(xiàn)、最基本的容錯技術，包括： 1. 雙份目錄和雙份文件分配表 2. 熱修復重定向和寫后讀校驗 127 雙份目錄和雙份文件分配表 ? 文件目錄和文件分配表 FAT是文件管理所需的關鍵數(shù)據(jù)結構，可在不同的磁盤上或同一磁盤的不同區(qū)域中，分別建立維護兩份目錄和 FAT。因此，要求保證磁盤數(shù)據(jù)的 可靠性 。 2. 周期性地進行寫。如果系統(tǒng)使用 SCAN算法，還假定磁頭當前的移動方向為磁道號增長的方向。 ? 文件的存儲方式對系統(tǒng)訪問文件的效率的影響主要在于：訪問文件總的尋道時間和總的旋轉延遲。 ? 因此 ， 人們經(jīng)常使用 MSDOS、 Windows等操作系統(tǒng)提供的磁盤碎片整理功能 ， 以提高系統(tǒng)工作效率 。 ? 使用緩存需要基于兩個要素：一是訪問頻率 ， 二是基于局部性原理的提前讀技術 。 ? 為什么把文件分散存儲呢 ？ ? 在系統(tǒng)建立的初期 ， 文件都是連續(xù)存儲的 。這種策略風險最大，效率高； 2. 周期性地進行寫。 104 磁盤高速緩存的數(shù)據(jù)安全性 ? 讀操作不存在安全問題； ? 寫操作對進程而言數(shù)據(jù)已寫出。 ? 對于高檔的服務器而言 ， 大的硬件緩存更能提高磁盤 I/O的性能 。 ? 在一次掃描期間內新到達的訪問請求將只能放在下一次掃描期間完成處理 ， 無論這些新的請求是否處于一次掃描的服務途中 。 98 掃描算法 Scan ? 這種算法比較公平 ， 效率很高； ? 但是 ， 若在某一段時間內某一磁道的訪問請求不斷 ， 則磁頭引臂將停留在該磁道上不動（ 稱為磁臂粘著 ） ， 磁盤被相應的進程壟斷 ，所有其他磁道上的請求將在較長時間內得不到服務 。其具體過程為： ? 假定開始時磁頭處于最外磁道 ， 并向內磁道方向移動 。 ? 因此 ， 這種簡單的算法只適合于負載很輕的系統(tǒng) 。 因此 ，必須采用適當?shù)拇疟P調度算法 ， 使得在盡可能公平的情況下 ， 縮短平均尋道時間 ， 并使磁頭移動距離最小 。 92 調整磁盤 I/O性能 ? 磁盤的平均尋道時間和轉速是固定不變的 。 90 緩存 ? 當緩存足夠大時 ， 對于寫操作 ， 盡管數(shù)據(jù)并未真正寫到磁盤上 ， 但它給主機的印象就是寫操作已 “ 非?？?” 地完成 (延后寫 )；對于讀操作 ， 盡管是讀一扇區(qū) ， 但磁盤卻將整條磁道的數(shù)據(jù)都讀入緩存中(提前讀 )， 當下一次需要再讀數(shù)據(jù)時 ， 就顯得非?？炝?—— 前提是下一次讀的數(shù)據(jù)還位于同一條磁道 。 ? 假設 Tr為旋轉延遲， r為磁盤轉速（轉數(shù) /單位時間） 那么 Tr ＝ 1/(2r) 例： 1. 對于一個轉速為 3600rpm的硬盤而言，其每旋轉一周的時間為 ，其平均旋轉延遲為 。 ? 訪問時間＝尋道時間＋旋轉延遲＋傳輸時間 87 尋道時間 ? 尋道時間：把磁頭從當前位置移動到指定磁道所需要的時間 。 ? 固定頭磁盤的優(yōu)點是訪問速度快 ， 其缺點是成本較高 、 容量受磁頭數(shù)量限制 。 ? 為了方便管理及屏蔽存儲設備的物理細節(jié)，操作系統(tǒng)向上層軟件提供統(tǒng)一的接口，常使用一維地址，即只有邏輯磁盤塊號 (邏輯扇區(qū)號 )，將磁盤組中所有的扇區(qū)從 0開始編號。 數(shù)據(jù)保存在各個扇區(qū)中 ，每個扇區(qū)內保存的數(shù)據(jù)量相同 ， 為 2的冪次 ，例如 512字節(jié) 、 1024字節(jié)甚至 2048字節(jié) 。 81 ? 每張盤片分為上 、 下兩個盤面 ， 每個盤面有若干磁道 ， 同一盤面上的所有磁道是繞旋轉軸的一組同心圓 ， 所有磁道由外向內依次由 0開始編號 ，稱為磁道號 。 ? 核心思想：在 快速輔助存儲設備中 建立 I/O緩沖區(qū) ，用于緩存從慢速輸入設備流入內存的數(shù)據(jù) ， 或緩存從內存流向慢速輸出設備的數(shù)據(jù) 。 72 輸入型虛擬設備的實現(xiàn) ? 對于輸入型虛擬設備，數(shù)據(jù)的流向： 獨占型設備 共享型設備 進程空間 /內存 ? 假定用于輸入的獨占型設備是讀卡機，用于實現(xiàn)虛擬設備的共享型設備是磁盤，則對于進程所發(fā)出的資源申請命令、使用命令及釋放命令，操作系統(tǒng)需要完成的工作如下： 73 輸入型虛擬設備的實現(xiàn) ① 申請 分配一臺虛擬設備 (磁盤區(qū)域 )， 分配一臺實設備 (一臺讀卡機 )， 將信息由實設備(讀卡機 )連續(xù)地傳輸?shù)教摂M設備 (磁盤區(qū)域 )，釋放實設備 (讀卡機 )； ② 使用 將數(shù)據(jù)從虛擬設備 (磁盤區(qū)域 )傳輸?shù)竭M程空間； ③ 釋放 回收虛擬設備 (磁盤區(qū)域 )。所以，進程 I/O所需的時間較短，提高了進程的推進速度。 ? 引入虛擬設備技術 ， 能解決獨占設備利用率不高的問題 。使用完畢時 ， 釋放的緩沖區(qū)將被鏈接到鏈表中 。 ? 用于塊型設備的緩沖池：緩沖區(qū)較大，其長度通常與外部設備物理塊的長度相同； ? 用于字符型設備的緩沖池：緩沖區(qū)較小，其長度通常為 8個字節(jié)、 16個字節(jié)等。 64 緩沖池 ? 上述三種緩沖區(qū)的組織形式僅適用于某種特定的I/O進程和計算進程，屬于專用緩沖。 另外 ， 若用戶進程陣發(fā)性 I/O的數(shù)據(jù)超過一個緩沖區(qū)而不滿兩個緩沖區(qū) ， 雙緩沖使進程不會在 I/O數(shù)據(jù)期間被阻塞 。 ? 如果 T遠遠大于 C，即外部設備的 I/O速度比用戶進程的計算速度慢得多，那么，單 I/O緩沖區(qū) 不會顯著改善 用戶進程的性能。 因為并非所有外設都擁有 ， 或者足夠擁有硬件緩沖區(qū) 。 57 硬件緩沖和軟件緩沖 ? 硬件緩沖區(qū) 配置在設備中 ， 具有專門的用途 。 ? 顯然 ， 用戶進程加工前一個數(shù)據(jù)的工作與操作系統(tǒng)輸入下一個數(shù)據(jù)的工作可以同時進行 。 因此 ，進程使用共享型設備之前 ， 有一個隱含的申請命令；使用完畢以后 ， 有一個隱含的釋放命令 ， 以實現(xiàn)一次基本 I/O傳輸期間的排它性 ， 保證操作的正常進行 。 51 獨占型設備的分配 ? 進程使用獨占設備的過程：申請 、 使用 、 釋放 。 49 設備類別 設備總數(shù) 可用設備數(shù) 設備等待隊列 UCB首址 打印機 5 4 ?? ?? 讀卡機 3 3 ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? 50 設備分配算法 ? 先來先服務 — 根據(jù)進程對某設備提出請求的先后次序 ， 將這些進程排成一個設備請求隊列 。 這將造成資源的浪費和進程的不必要等待； ? 程序與設備無關 。 47 優(yōu)點 ? 提高設備的利用率 。包括：資源標識、物理連接情況、占有進程、等待進程等。 ? 共享型設備包括除磁帶機以外的所有塊型設備。 — 任意時間段內最多只能被一個進程占用 。 對這類設備來說 ， 塊是存儲分配的基本單位 ， 也是 I/O傳輸?shù)幕締挝?。 ? 可以在存儲設備上可以建立文件系統(tǒng)，有組織、有結構地長期存儲信息。 38 輸入 /輸出型 VS 存儲型設備 ? 輸入 /輸出型設備：鍵盤 、 鼠標 、 顯示器 、讀卡機 、 掃描儀 、 打印機 、 繪圖儀 、 數(shù)碼相機等 。 ? 通道不僅可以傳送數(shù)據(jù) ， 更重要的是它還完成對設備的控制 。 — 通道程序是通道指令的有序序列 ， 它由系統(tǒng)中的輸入 /輸出進程根據(jù)用戶進程的 I/O要求來確定 ， 可以是事先編制好的程序段 ，也可以動態(tài)產(chǎn)生 。 ? 與中斷方式相比 ， DMA方式大大減少了數(shù)據(jù)I/O對處理機的占用 ， 進一步提高了處理機的利用率 ， 提高了處理機和 I/O設備的并行操作能力 。 ? 對于塊設備而言，這種方式的效率還是顯得有些低下。 ? 中斷方式控制 I/O的優(yōu)點在于 ， 設備與處理機并行 ， 提高了處理機的利用率 。 ② 處理機不斷地循環(huán)測試忙標志 ， 直到忙標志變?yōu)?0； ③ 處理機通過 I/O讀指令將數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)寄存器中取出 ， 送入內存中指定單元； ④ 若數(shù)據(jù)已讀完 ， 則結束本過程 ， 否則轉 ① ， 繼續(xù)讀下一個數(shù)據(jù) 。 ? 但是 ， 為了方便用戶 ， 操作系統(tǒng)軟件包中通常會集成提供標準的 、 通用的或者流行的 、 常用設備廠商的設備驅動程序供用戶選擇 。 ? “ 即插即用 ” 技術取消了跳線和軟件配置程序 ， 當用戶插入一個 “ 即插即用 ” 適配卡或設備時 ， “ 即插即用 ” 功能就可以自動進行檢測 ， 配置相應的接口參數(shù) ， 并安裝相應的驅動程序 。 25 設備的控制 — 即插即用 ? 隨著外部設備種類增加，設備間極可能發(fā)生沖突。 ? 常見的設備寄存器有：操作方式寄存器 、 命令寄存器 、 數(shù)據(jù)寄存器 、 狀態(tài)寄存器等 。 為了降低硬件成本 ， 將 電子部分 從設備中分離出來作為一個獨立的部件 ， 這就是 控制器 。 ? 從設備硬件相關層的內部看 ， 該層主要實現(xiàn)設備驅動功能 。 該層與設備用法有關 ，與設備硬件無關 。又稱為 I/O緩沖區(qū)。 ? 設備驅動程序一般由設備開發(fā)廠商根據(jù)操作系統(tǒng)的要求組織編寫，操作系統(tǒng)僅對與設備驅動的接口提出要求，一般不負責具體設備驅動程序的編寫。 ? 設備管理的這種功能稱為邏輯設備到物理設備的映射功能 ， 簡稱 設備映射功能 。 ? 從應用軟件的角度看 ， 邏輯設備是一類物理設備的抽象 。 ? 設備分配程序 按照一定的策略 ， 為申請設備的用戶進程分配設備 ， 記錄設備的使用情況 5 設備管理的主要功能 設備分配 設備映射 設備驅動 I/O緩沖區(qū)的管理 6 設備映射 ? 為了提高應用軟件對運行平臺的適應能力 ，方便實現(xiàn)應用軟件 I/O重定向 ， 大多數(shù)現(xiàn)代操作系統(tǒng)均支持應用軟件對設備的無關性 ，即通常所說的 設備無關性 ， 或者 設備獨立性 。 ? 設備分配功能是設備管理的基本任務 。 — 物理設備則指 ， 物理 I/O系統(tǒng)中實際安裝的設備 。 ? 事實上 ， 在應用軟件運行期間 ， 操作系統(tǒng)的設備管理程序必須將該應用軟件 對邏輯設備的引用轉換成對相關物理設備的引用 。 11 設備驅動 ? 設備驅動程序與硬件密切相關，應為每一類設備配置一種驅動程序。 ? 通常，緩沖區(qū)是指 內存 中的若干區(qū)域，用于緩存進程與外部設備間的數(shù)據(jù)傳輸。 ? 設備硬件無關層主要實現(xiàn)： I/O緩沖區(qū)管理以及設備映射功能 。 ? 從設備硬件無關層的角度看 ， 設備硬件相關層為其提供了一個相對簡潔的 I/O功能接口；該接口屏蔽了設備硬件復雜的操作細節(jié) 。 ? 由于設備中電子部分比機械部分的速度快得多 。 22 具有控制器的 I/O系統(tǒng)結構