【正文】 不但奇偶校驗磁盤的負(fù)擔(dān)較重 、 容易損壞 ， 而且多個獨(dú)立的寫操作不能并行進(jìn)行 。 135 RAID的構(gòu)成 ? 一組可以并行工作的磁盤所構(gòu)成的磁盤陣列 ? 在磁盤子系統(tǒng)中執(zhí)行的或者在主機(jī)系統(tǒng)中執(zhí)行的磁盤陣列管理軟件 。 128 熱修復(fù)重定向和寫后讀校驗 ? 熱修復(fù)重定向 是指 ， 系統(tǒng)將一定的磁盤容量作為熱修復(fù)重定向區(qū) ， 用于存放當(dāng)發(fā)現(xiàn)磁盤塊有缺陷時的待寫數(shù)據(jù) ， 并對寫入該區(qū)的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行登記 ， 以便于以后對此數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問 。此外，磁頭當(dāng)前位于 100號磁道上。 106 優(yōu)化數(shù)據(jù)的物理存儲結(jié)構(gòu) ? 磁盤 I/O常針對整個文件進(jìn)行 ， 如果一個文件被分散存儲到多個柱面上 ， 則讀 /寫這樣的文件時 ， 需要進(jìn)行多次尋道操作和旋轉(zhuǎn)延遲 。 100 N步掃描算法 NScan ? 在實際應(yīng)用中 ， N步掃描算法被簡化為：只為一次特定的掃描開始前已經(jīng)等待的訪問請求服務(wù) ， 以防止發(fā)生掃描算法中存在的不公平現(xiàn)象 ， 盡管這種不公平的現(xiàn)象對磁頭有利 。 ? 磁頭的尋道操作屬于機(jī)械運(yùn)動 ， 花費(fèi)的時間較長 ，而且過度的尋道操作會大大縮短磁盤的壽命 。 86 影響磁盤 I/O性能的技術(shù)指標(biāo) ? 從磁盤讀數(shù)據(jù)的過程： 1. 磁盤接收到讀指令后，磁頭從當(dāng)前位置移到目標(biāo)磁道位置，所需的時間稱為 尋道時間 ； 2. 然后，旋轉(zhuǎn)磁盤，定位數(shù)據(jù)所在的扇區(qū)，所需的時間稱為 旋轉(zhuǎn)延遲 ； 3. 最后，從磁盤上讀取數(shù)據(jù)，所需的時間稱為數(shù)據(jù)傳輸時間 。 軟盤使用前必須等待轉(zhuǎn)速從 0加速 ，并穩(wěn)定到額定轉(zhuǎn)速 ， 故工作效率較低 。 68 虛擬設(shè)備 69 虛擬設(shè)備的引入 ? 獨(dú)占型設(shè)備的速度一般較慢 ， 進(jìn)程常需要長時間等待 I/O傳輸完成 ， 影響進(jìn)程的推進(jìn)速度； ? 進(jìn)程在占有設(shè)備期間不一定一直使用此設(shè)備 ，而其他申請該設(shè)備的進(jìn)程只能阻塞等待 ， 降低了設(shè)備的利用率 ， 影響其他進(jìn)程的推進(jìn)速度 。 因此 ， 增加了一個緩沖區(qū)后 ， 前述的平均工作時間可近似為： max(T,C)。 ? 操作系統(tǒng)將在適當(dāng)?shù)臅r候響應(yīng)該請求以便把用戶進(jìn)程需要的下一個數(shù)據(jù)從用戶進(jìn)程指定的輸入設(shè)備讀入到 I/O 緩沖區(qū)中 。 而此時 ， 其他同類設(shè)備可能空閑 。 40 獨(dú)占型 VS 共享型設(shè)備 ? 獨(dú)占型設(shè)備包括所有的字符型設(shè)備及磁帶機(jī) 。 多組數(shù)據(jù)全部傳送完畢后 (即一個通道程序執(zhí)行完畢 )， 才向處理機(jī)發(fā)出一次中斷 。 否則 ， 轉(zhuǎn) ① ， 繼續(xù) 。 ? 無論一個設(shè)備是否由多個控制器控制 ， 或者一個控制器控制了多少個設(shè)備 ， 每一個設(shè)備都能通過這些寄存器的地址唯一確定 。 ? 設(shè)備硬件無關(guān)層主要實現(xiàn)： I/O緩沖區(qū)管理以及設(shè)備映射功能 。 — 物理設(shè)備則指 ， 物理 I/O系統(tǒng)中實際安裝的設(shè)備 。 ? 設(shè)備管理的這種功能稱為邏輯設(shè)備到物理設(shè)備的映射功能 ， 簡稱 設(shè)備映射功能 。 ? 從設(shè)備硬件相關(guān)層的內(nèi)部看 ， 該層主要實現(xiàn)設(shè)備驅(qū)動功能 。 ? “ 即插即用 ” 技術(shù)取消了跳線和軟件配置程序 ， 當(dāng)用戶插入一個 “ 即插即用 ” 適配卡或設(shè)備時 ， “ 即插即用 ” 功能就可以自動進(jìn)行檢測 ， 配置相應(yīng)的接口參數(shù) ， 并安裝相應(yīng)的驅(qū)動程序 。 ? 對于塊設(shè)備而言，這種方式的效率還是顯得有些低下。 38 輸入 /輸出型 VS 存儲型設(shè)備 ? 輸入 /輸出型設(shè)備：鍵盤 、 鼠標(biāo) 、 顯示器 、讀卡機(jī) 、 掃描儀 、 打印機(jī) 、 繪圖儀 、 數(shù)碼相機(jī)等 。 ? 共享型設(shè)備包括除磁帶機(jī)以外的所有塊型設(shè)備。 49 設(shè)備類別 設(shè)備總數(shù) 可用設(shè)備數(shù) 設(shè)備等待隊列 UCB首址 打印機(jī) 5 4 ?? ?? 讀卡機(jī) 3 3 ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? 50 設(shè)備分配算法 ? 先來先服務(wù) — 根據(jù)進(jìn)程對某設(shè)備提出請求的先后次序 ， 將這些進(jìn)程排成一個設(shè)備請求隊列 。 57 硬件緩沖和軟件緩沖 ? 硬件緩沖區(qū) 配置在設(shè)備中 ， 具有專門的用途 。 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(jìn)程和計算進(jìn)程，屬于專用緩沖。所以，進(jìn)程 I/O所需的時間較短，提高了進(jìn)程的推進(jìn)速度。 數(shù)據(jù)保存在各個扇區(qū)中 ，每個扇區(qū)內(nèi)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) 。 ? 假設(shè) Tr為旋轉(zhuǎn)延遲， r為磁盤轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)數(shù) /單位時間） 那么 Tr ＝ 1/(2r) 例： 1. 對于一個轉(zhuǎn)速為 3600rpm的硬盤而言，其每旋轉(zhuǎn)一周的時間為 ，其平均旋轉(zhuǎn)延遲為 。 ? 因此 ， 這種簡單的算法只適合于負(fù)載很輕的系統(tǒng) 。 ? 對于高檔的服務(wù)器而言 ， 大的硬件緩存更能提高磁盤 I/O的性能 。 ? 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(shù) 。 2. 周期性地進(jìn)行寫。 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(qū)動器 ， 如圖 。 顯然，粗粒度的條帶只利于對多個獨(dú)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) 。 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(dú)占型設(shè)備和共享型設(shè)備兩大類 。 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 。 ? 對兩個磁盤的寫入是 并行 進(jìn)行，速度較快 。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。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)。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。 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 。 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 。 84 磁盤的磁頭工作方式 ? 磁盤：固定頭磁盤和移動頭磁盤 。 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 ” 。 66 緩沖池 ? 緩沖池中的緩沖區(qū)通常組織成 鏈表結(jié)構(gòu) 。 58 緩沖區(qū)的組織形式 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(fèi)的時間為 T，在內(nèi)存中移動所花費(fèi)的時間為 M，被用戶進(jìn)程加工處理所花費(fèi)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(yùn)行效率。 52 共享型設(shè)備的分配 ? 進(jìn)程使用共享型設(shè)備不需要申請 ， 當(dāng)然也就不存在占用或釋放設(shè)備的問題 。 ? 這些控制塊中包含的信息在不同的系統(tǒng)中會有所不同 43 設(shè)備控制塊 UCB (Unit Control Block) 設(shè)備標(biāo)識 設(shè)備狀態(tài) 相連的控制器 重試次數(shù) (I/O出錯時的重試次數(shù) ) 占有設(shè)備的進(jìn)程 設(shè)備等待隊列 (指向等待本設(shè)備的等待隊列 ) 通路待隊列 (使用設(shè)備時需要申請相應(yīng)的通路 ) 44 控制器控制塊 CUCB 控制器標(biāo)識 控制器狀態(tài) 相連的通道 相連的設(shè)備 占有控制器的進(jìn)程 45 通道控制塊 CCB 通道標(biāo)識 通道狀態(tài) 相連的控制器 占有通道的進(jìn)程 46 設(shè)備無關(guān)性 ? 為了實現(xiàn)設(shè)備的無關(guān)性，操作系統(tǒng)要求進(jìn)程申請設(shè)備時，應(yīng)當(dāng)指明所需設(shè)備的類別 (或者邏輯設(shè)備名 )，不能指定某一設(shè)備的具體編號。 這類設(shè)備由若干長度相同的塊構(gòu)成 。 通道有自己的運(yùn)控部件和指令系統(tǒng) ， 但沒有專門的內(nèi)存 ， 而是通過 “ 周期竊用 ” 方式與主機(jī)共享內(nèi)存 。 29 I/O控制方式 — 程序 I/O方式 ? 在早期的計算機(jī)系統(tǒng)中 ， 由于沒有中斷裝置 ，處理機(jī)對于 I/O設(shè)備的控制采取程序 I/O方式 ? 也稱忙等待方式或循環(huán)測試方式 。 例如 ， 磁盤控制器可以控制多個磁盤驅(qū)動器 。 12 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 I/O緩沖區(qū)的管理 13 I/O緩沖區(qū)的管理 ? 為了緩和處理機(jī)與外部設(shè)備間速度不匹配的矛盾 ，提高處理機(jī)和外部設(shè)備間的并行性 ， 現(xiàn)代操作系統(tǒng)大都在設(shè)備管理部分引入了 緩沖技術(shù) 。第四章 設(shè)備管理 1 本章要點 ? 設(shè)備管理的主要功能、模型 ? I/O子系統(tǒng)的組成、結(jié)構(gòu) ? 設(shè)備的控制、 I/O控制 ? 設(shè)備的類型 ? 設(shè)備分配 ? I/O緩沖技術(shù) ? 虛擬設(shè)備與 SPOOLing系統(tǒng) ? 磁盤設(shè)備的管理 2 設(shè)備管理概述 3 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 I/O緩沖區(qū)的管理 4 設(shè)備分配 ? 多道程序系統(tǒng)中的設(shè)備不允許用戶直接使用 ，而是由操作系統(tǒng)統(tǒng)一調(diào)度和控制 。 ? 有時候，某些硬件無法在某種操作系統(tǒng)中使用，原因很可能就是沒有專門的或通用的設(shè)備驅(qū)動程序，或者設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)計有問題，使得設(shè)備無法正常工作。 ? 分離之后的設(shè)備僅由機(jī)械部分構(gòu)成 ， 一個控制器可與多個設(shè)備相連 ， 交替地或分時地控制與其相連的設(shè)備 。 ? 從系統(tǒng)分層的觀點來講 ， 設(shè)備驅(qū)動程序可以是操作系統(tǒng)的一部分 ， 也可以被認(rèn)為是硬件設(shè)備的一部分 。 34 I/O控制方式 — I/O通道方式 ? 通道相當(dāng)于一個功能單純的 處理機(jī) ， 專門用于處理I/O操作 。 39 塊型設(shè)備 VS 字符型設(shè)