【正文】 整理功能 ， 以提高系統(tǒng)工作效率 。如果系統(tǒng)使用 SCAN算法，還假定磁頭當(dāng)前的移動(dòng)方向?yàn)榇诺捞?hào)增長(zhǎng)的方向。因此，要求保證磁盤(pán)數(shù)據(jù)的 可靠性 。 ? 寫(xiě)后讀校驗(yàn) 是指 ， 每次將數(shù)據(jù)寫(xiě)到磁盤(pán)以后 ， 立即從磁盤(pán)上讀出該塊數(shù)據(jù) ， 并進(jìn)行對(duì)比 。 主 機(jī) 通道 磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器 磁盤(pán)控制器 磁盤(pán)控制器 通道 132 磁盤(pán)雙工 vs. 磁盤(pán)鏡像 ? 磁盤(pán)雙工的成本較高 。 — 磁盤(pán)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(chǔ)在磁盤(pán)陣列中的各個(gè)磁盤(pán)上 ，如圖 136 物理磁盤(pán)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(pán)1 物理磁盤(pán)2 物理磁盤(pán)3 邏輯磁盤(pán) 磁盤(pán)陣列 管理軟件 137 ? 這種技術(shù)通常被稱為磁盤(pán)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(jué)是磁盤(pán)快了許多倍 。 141 RAID的常見(jiàn)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(duì)基本 RAID級(jí)別進(jìn)行組合 142 RAID0 ? 僅使用了條帶化技術(shù) ? 不存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的校驗(yàn)信息 ? 能提供大容量 、 快速的磁盤(pán)存儲(chǔ)能力 ， ? 具備最好的讀 /寫(xiě)性能和最低的成本 ? 磁盤(pán)容量的利用率為 100% ? 但其安全性最低 ， 其中任何一個(gè)磁盤(pán)損壞便會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)不可使用 。 2. RAID5使用粗粒度的條帶 ， 將奇偶校驗(yàn)數(shù)據(jù)分布到每一個(gè)磁盤(pán)中 ， 沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的奇偶校驗(yàn)盤(pán) ， 因而克服了 RAID3的缺點(diǎn) 。 ? 操作系統(tǒng)中與磁盤(pán)管理相關(guān)的技術(shù)包括磁盤(pán)三維地址到一維地址的轉(zhuǎn)換 、 磁盤(pán)碎片的整理 、 磁盤(pán)高速緩存 、 磁盤(pán)調(diào)度策略 、 磁盤(pán)系統(tǒng)容錯(cuò) 、 RAID技術(shù)等 。 147 RAID5 ? 與 RAID3類(lèi)似 ， 主要區(qū)別是： 1. RAID3使用一個(gè)磁盤(pán)專(zhuān)門(mén)存儲(chǔ)奇偶校驗(yàn)數(shù)據(jù) ， 對(duì)于每一個(gè)寫(xiě)操作 (可能僅是一個(gè)條帶 )， 均要寫(xiě)奇偶校驗(yàn)磁盤(pán) 。 ? 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) 。 ? 從容錯(cuò)的角度講， RAID技術(shù)應(yīng)屬第二級(jí)容錯(cuò)技術(shù)，但其內(nèi)涵遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止容錯(cuò)。 主 機(jī) 磁盤(pán)控制器 通道 磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器 131 磁盤(pán)雙工 ? 將兩臺(tái)完全相同的磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器連接到兩個(gè)磁盤(pán)控制器上，如圖。 ? 每當(dāng)系統(tǒng)重新啟動(dòng)時(shí)，都要對(duì)這兩份目錄和 FAT進(jìn)行檢查，以保證它們的一致性。 123 磁盤(pán)管理的另一個(gè)有效方法 ? 高性能的文件系統(tǒng) —— 磁盤(pán)碎片整理，使磁盤(pán)文件盡量連續(xù) 124 磁盤(pán)容錯(cuò)技術(shù) ? 磁盤(pán)中常常存儲(chǔ)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(jī)等。 116 磁盤(pán)調(diào)度算法小結(jié) ? FCFS ? SSTF ? SCAN ? NSCAN 117 例子 ? 假定 ： 當(dāng)前有 9個(gè)磁盤(pán)讀寫(xiě)請(qǐng)求；這 9個(gè)磁盤(pán)讀寫(xiě)請(qǐng)求要訪問(wèn)的磁道號(hào)按照各個(gè)磁盤(pán)讀寫(xiě)請(qǐng)求到達(dá)的次序依次為： 5 53 1 90、 160、 150、 3 184。 ? 如果一個(gè)文件在物理上存儲(chǔ)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 。這種高速緩存通常被稱為“寫(xiě)穿透高速緩存 (writethrough cache)”，相當(dāng)于只有讀緩存而沒(méi)有寫(xiě)緩存，其風(fēng)險(xiǎn)最低，效率也最低。 103 磁盤(pán)高速緩存的實(shí)現(xiàn)形式 ? 在內(nèi)存中單獨(dú)開(kāi)辟一個(gè)大小固定的存儲(chǔ)空間作為磁盤(pán)高速緩存區(qū) 。 ? 當(dāng) N值取得很大時(shí) ， 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(shí) ， N步掃描算法退化為 FCFS算法 。 ? 例如 ， 對(duì)于上述服務(wù)請(qǐng)求 ， 按照 SSTF算法 ， 則系統(tǒng)將按如下次序?yàn)檫M(jìn)程提供服務(wù) ， 磁頭移動(dòng)的磁道數(shù)為 6+16+8+95+2＝ 127， 效率比 FCFS高了許多 。 93 磁盤(pán)調(diào)度算法 ? 當(dāng)有多個(gè)進(jìn)程都請(qǐng)求訪問(wèn)磁盤(pán)時(shí) ， 他們?cè)L問(wèn)的位置(這里主要關(guān)心磁道 )各不一樣 ， 磁頭需要來(lái)回頻繁移動(dòng)進(jìn)行尋道操作 。 89 傳輸時(shí)間 ? 傳輸時(shí)間是指把數(shù)據(jù)從硬盤(pán)讀出或向磁盤(pán)寫(xiě)入數(shù)據(jù)所經(jīng)歷的時(shí)間。 ? 因此 ， 移動(dòng)頭磁盤(pán)只能進(jìn)行串行讀 /寫(xiě) ， I/O速度相對(duì)較慢 ， 但由于其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 、 成本較低 、 容量不受磁頭數(shù)量限制等優(yōu)點(diǎn) ， 因而被廣泛使用 。 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(hào)為0,1, 2,? ,n1， 稱為扇區(qū)號(hào) 。 ? 硬盤(pán)的轉(zhuǎn)速比軟盤(pán)快幾十倍 ， 并在開(kāi)機(jī)后一直高速旋轉(zhuǎn) ， 隨時(shí)準(zhǔn)備就緒；而軟盤(pán)則需要 I/O時(shí)才旋轉(zhuǎn) ，否則停止旋轉(zhuǎn) 。這些進(jìn)程不用排隊(duì)等待，他們的推進(jìn)速度也就不受任何影響。 67 緩沖技術(shù)的實(shí)現(xiàn) 內(nèi)容簡(jiǎn)單，請(qǐng)讀者自學(xué)。 ? 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(gè)設(shè)備和進(jìn)程服務(wù)。 ?當(dāng)數(shù)據(jù)從緩沖區(qū)復(fù)制到用戶進(jìn)程空間時(shí) ， 輸入設(shè)備不必等待 ， 可立即開(kāi)始向另一個(gè)緩沖區(qū)輸入數(shù)據(jù) 。 ? 軟件實(shí)現(xiàn)的緩沖區(qū) 是內(nèi)存空間的一部分 。 53 I/O緩沖技術(shù) 54 緩沖技術(shù)的引入 ? 緩解處理機(jī)與設(shè)備間速度不匹配的矛盾 ? 實(shí)現(xiàn)設(shè)備與處理機(jī)一定程度的并行操作 ? 減少設(shè)備的中斷頻率，放寬對(duì)中斷響應(yīng)時(shí)間的限制 55 提前讀 ? 指用戶進(jìn)程從 I/O緩沖區(qū)中取走前一個(gè)數(shù)據(jù)以后 ，立即發(fā)出對(duì)下一個(gè)數(shù)據(jù)的輸入請(qǐng)求 。 ? 優(yōu)先級(jí)高者優(yōu)先服務(wù) — 根據(jù)進(jìn)程優(yōu)先級(jí)的高低，將優(yōu)先級(jí)高的進(jìn)程排在設(shè)備等待隊(duì)列的前面。 假設(shè)申請(qǐng)者指定具體設(shè)備 ， 被指定的設(shè)備可能正在被使用 ， 因而申請(qǐng)無(wú)法滿足 。 — 進(jìn)程使用這類(lèi)設(shè)備時(shí)，無(wú)須申請(qǐng)或釋放設(shè)備，也不存在某個(gè)進(jìn)程占用設(shè)備的問(wèn)題。 這類(lèi)設(shè)備 I/O傳輸?shù)幕締挝皇亲止?jié) ?？捎米鬏斎?，也可以用作輸出。 35 I/O控制方式 — I/O通道方式 ? 一條通道指令可以傳送一組數(shù)據(jù) ， 一個(gè)通道程序可以傳送多組數(shù)據(jù) 。 ? 為了進(jìn)一步減少處理機(jī)對(duì) I/O事務(wù)的干預(yù)，出現(xiàn)了 DMA（ Direct Memory Access)直接存儲(chǔ)器訪問(wèn) 方式。 31 I/O控制方式 — 中斷 I/O方式 ? 對(duì)于讀操作 ， 中斷方式的基本工作過(guò)程為： ① 處理機(jī)向設(shè)備 (或設(shè)備控制器 )發(fā)出一條 I/O指令 ，啟動(dòng)設(shè)備 ， 輸入數(shù)據(jù)； ② 處理機(jī)完成其它工作 ， 設(shè)備準(zhǔn)備數(shù)據(jù)； ③ 當(dāng)設(shè)備準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)寄存器 ， 向處理機(jī)發(fā)中斷信號(hào) ， 告之?dāng)?shù)據(jù)已準(zhǔn)備好； ④ 處理機(jī)響應(yīng)中斷請(qǐng)求 ， 從數(shù)據(jù)寄存器中將數(shù)據(jù)取出 ， 送入內(nèi)存的指定單元； ⑤ 若數(shù)據(jù)已讀完 ， 結(jié)束 。 — 當(dāng)系統(tǒng)中加入新設(shè)備時(shí) ， 如果操作系統(tǒng)中沒(méi)有集成相應(yīng)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序 ， 則會(huì)要求用戶指定驅(qū)動(dòng)程序的位置并完成驅(qū)動(dòng)程序的安裝 。 24 設(shè)備的控制 — 設(shè)備的尋址與操作 ? I/O端口地址的編址方式有兩種： （ 1） 將設(shè)備寄存器與內(nèi)存物理單元統(tǒng)一編址； （ 2） 獨(dú)立于內(nèi)存物理地址為設(shè)備寄存器編址 。 16 通用設(shè)備管理分層模型 用戶進(jìn)程 設(shè)備硬件無(wú)關(guān)層 設(shè)備硬件相關(guān)層 設(shè)備硬件 17 支持中斷的設(shè)備管理模型 用戶進(jìn)程 設(shè)備硬件 內(nèi)核中斷管理模塊 I/O請(qǐng)求 IOCS 資源等待隊(duì)列I/O等待隊(duì)列 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序 啟動(dòng)過(guò)程 |繼續(xù)過(guò)程 設(shè)備中斷 18 計(jì)算機(jī) I/O子系統(tǒng)的組成 19 總線型 I/O系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 處理機(jī) I/O設(shè)備 I/O設(shè)備 I/O設(shè)備 I/O設(shè)備 I/O設(shè)備 系統(tǒng)總線 內(nèi)存 20 通道型 I/O系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 處理機(jī) I/O設(shè)備 I/O設(shè)備 I/O通道 I/O通道 系統(tǒng)總線 內(nèi)存 I/O通道 I/O設(shè)備 I/O設(shè)備 I/O設(shè)備 I/O設(shè)備 21 具有控制器的 I/O系統(tǒng)結(jié)構(gòu) ? 傳統(tǒng)的設(shè)備 = 機(jī)械部分 + 電子部分 ? 電子部分在系統(tǒng)的控制下驅(qū)動(dòng)機(jī)械部分運(yùn)轉(zhuǎn) ， 完成I/O操作 。 14 通用設(shè)備管理分層模型 ? 將設(shè)備管理功能模塊分為設(shè)備 硬件無(wú)關(guān) 以及設(shè)備 硬件相關(guān) 兩個(gè)層次 。 ? 設(shè)備驅(qū)動(dòng)的主要任務(wù)是：接收上層軟件發(fā)來(lái)的抽象服務(wù)請(qǐng)求 ， 例如讀 /寫(xiě)命令 ， 再把它轉(zhuǎn)換為具體要求 ， 通過(guò)一系列的 I/O指令 ， 控制設(shè)備完成請(qǐng)求的操作；同時(shí) ， 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序還將設(shè)備發(fā)來(lái)的有關(guān)信號(hào)傳送給上層軟件 ， 例如設(shè)備是否已損壞等 。 7 設(shè)備映射 ? 邏輯設(shè)備和物理設(shè)備 — 邏輯設(shè)備是指 ， 應(yīng)用軟件所引用的用于實(shí)現(xiàn) I/O操作的設(shè)備 。 — 設(shè)備無(wú)關(guān)性：應(yīng)用軟件所引用的 、 用于實(shí)現(xiàn) I/O操作的設(shè)備與物理 I/O系統(tǒng)中實(shí)際安裝的設(shè)備沒(méi)有固定的聯(lián)系 。 9 設(shè)備管理的主要功能 設(shè)備分配 設(shè)備映射 設(shè)備驅(qū)動(dòng) I/O緩沖區(qū)的管理 10 設(shè)備驅(qū)動(dòng) ? 又稱設(shè)備處理 ， 指對(duì)物理設(shè)備進(jìn)行控制 ， 以實(shí)現(xiàn)真正的 I/O操作 。 ? I/O緩沖區(qū)管理的任務(wù)是：組織 I/O緩沖區(qū)，并為使用者提供獲得和釋放 I/O緩沖區(qū)的手段。 毫無(wú)疑問(wèn) ， 該層與設(shè)備硬件密切相關(guān) 。 ? 為了使 CPU能夠?qū)ぶ愤@些設(shè)備寄存器，硬件平臺(tái)引入了 I/O端口地址的概念。 27 設(shè)備的控制 — 即插即用 ? 對(duì)已安裝硬件的自動(dòng)和動(dòng)態(tài)識(shí)別 — 包括系統(tǒng)初始安裝時(shí) 、 兩次系統(tǒng)啟動(dòng)之間以及運(yùn)行時(shí)發(fā)生的硬件事件 （ 如筆記本的對(duì)接 /分離以及設(shè)備的插入 /拔出 ） 的響應(yīng)； ? 配合操作系統(tǒng)分配 /再分配硬件資源 ? 加載相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序 。 ? 在程序 I/O方式中 ， 由于處理機(jī)的速度非常快 ，而設(shè)備的速度相對(duì)較慢 ， 使得處理機(jī)的絕大部分時(shí)間都處于等待設(shè)備完成數(shù)據(jù) I/O的循環(huán)測(cè)試中 ，造成對(duì) CPU的極大浪費(fèi) 。因?yàn)?，頻繁的、大量的中斷所累積的開(kāi)銷(xiāo)很大。 通道程序以及需要與設(shè)備交換的數(shù)據(jù)均放置在內(nèi)存中 。 ? 存儲(chǔ)型設(shè)備：磁帶機(jī)、磁鼓機(jī)、磁盤(pán)機(jī)等。 ? 字符型設(shè)備通常就是輸入 /輸出型設(shè)備 。 — I/O傳輸單位：塊 — 宏觀上，一個(gè)共享型設(shè)備可以被多個(gè)進(jìn)程同時(shí)占用；微觀上，多個(gè)進(jìn)程交替使用同一設(shè)備。 從根本上講 ， 申請(qǐng)者只關(guān)心使用設(shè)備的結(jié)果 ， 不在乎到底使用哪一個(gè)設(shè)備 。 設(shè)備分配程序總是把設(shè)備分配給隊(duì)首的進(jìn)程 。 ? 使用共享型設(shè)備的過(guò)程中 ， 進(jìn)程完全有可能進(jìn)入阻塞等待狀態(tài) 。對(duì)處理機(jī)透明 ， 不需要處理機(jī)的直接管理 ，不