【文章內(nèi)容簡介】 緩沖、虛擬設(shè)備與 SPOOLing技術(shù) ? I/O緩沖 1. 緩沖技術(shù)的意義 在 I/O系統(tǒng)中，所謂“緩沖”，是指臨時(shí)保存數(shù)據(jù)信息的存儲(chǔ)區(qū)。在需要信息之前，輸入緩沖區(qū)里就存放著從設(shè)備讀入的輸入信息；在輸出設(shè)備可用時(shí)，輸出緩沖區(qū)里就存放著等候輸出的信息。 . . 101 102 103 104 105 106 107 108 鍵盤 鼠標(biāo) 針式 打印機(jī) 軟盤 激光 打印機(jī) 光盤 磁盤 如圖所示，是若干設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸率，單位是 bit/s?，F(xiàn)代操作系統(tǒng)中， 幾乎所有的 I/O設(shè)備在與內(nèi)存交換數(shù)據(jù)時(shí)，都使用緩沖區(qū)來緩解 CPU與低速 I/O設(shè)備傳輸速度不匹配的矛盾，提高 I/O速度以及I/O設(shè)備的利用率。 . 緩沖區(qū)不僅適用于 CPU與 I/O設(shè)備之間，凡數(shù)據(jù)到達(dá)率與數(shù)據(jù)離去率不一致的地方，都可通過緩沖區(qū)來解決它們間的不匹配矛盾。比如，在網(wǎng)絡(luò)通信中，可利用緩沖技術(shù)解決發(fā)送方與接收方之間速度不匹配的問題。 2. 單緩沖 . 所謂“單緩沖”，即是以傳輸數(shù)據(jù)的單位為準(zhǔn)，在內(nèi)存分配一個(gè)相同大小的區(qū)域作為緩沖區(qū)。這是最簡單類型的緩沖區(qū)。 操作系統(tǒng) 用戶進(jìn)程 用戶數(shù)據(jù)區(qū) 操作系統(tǒng) 進(jìn)入 進(jìn)入 單緩沖 用戶進(jìn)程 用戶數(shù)據(jù)區(qū) 移到 (a) 沒有緩沖的 I/O (b) 設(shè)置單緩沖的 I/O 圖 (a)是沒有緩沖區(qū)時(shí)，數(shù)據(jù)從 I/O設(shè)備讀到內(nèi)存用戶區(qū)的情形；圖 (b)是設(shè)置單緩沖區(qū)時(shí)，數(shù)據(jù)從 I/O設(shè)備讀到內(nèi)存用戶區(qū)的情形。 . 3. 雙緩沖、循環(huán)緩沖、緩沖池 (1) 雙緩沖 操作系統(tǒng) 用戶進(jìn)程 用戶數(shù)據(jù)區(qū) 進(jìn)入 雙緩沖 移到 1 2 在雙緩沖的情形下，磁盤控制器先讀進(jìn)一塊數(shù)據(jù)到緩沖 0。在 CPU從緩沖 0取出數(shù)據(jù)移到用戶數(shù)據(jù)區(qū)里時(shí)，設(shè)備就可以往緩沖 1里傳輸數(shù)據(jù)；只要緩沖0被騰空，設(shè)備又可以往緩沖 0里存放數(shù)據(jù)。 若系統(tǒng)設(shè)置兩個(gè)緩沖區(qū)，對于平滑設(shè)備和 CPU之間的處理速度會(huì)更加有效。這種使用兩個(gè)緩沖區(qū)來完成緩沖的技術(shù)，稱之為“雙緩沖”。 .. . 循環(huán)緩沖 (2) 操作系統(tǒng) 進(jìn)入 用戶進(jìn)程 用戶數(shù)據(jù)區(qū) 移到 1 2 n 循環(huán)緩沖是一種緩沖數(shù)目多于兩個(gè)的緩沖技術(shù)，緩沖按照索引值（ 0～ n1）排序，形成一個(gè)循環(huán)列表得到循環(huán)使用。如圖所示。 (3) 緩沖池 . 專用緩沖區(qū)的優(yōu)點(diǎn)是管理簡單。但它不僅耗費(fèi)很多的內(nèi)存空間，有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)問題：如果設(shè)備緩沖區(qū)的數(shù)目不夠多，那么就可能會(huì)使進(jìn)程因等待緩沖區(qū)而阻塞，影響系統(tǒng)并行處理能力的發(fā)揮；如果對設(shè)備的 I/O請求很少，那么分配用于作為緩沖區(qū)的內(nèi)存空間就不能得到充分的利用。 . 系統(tǒng)開辟一個(gè)內(nèi)存空間作為 I/O的共享緩沖區(qū)，當(dāng)進(jìn)程請求 I/O時(shí)，根據(jù)需要從緩沖池里申請緩沖區(qū)； I/O處理完畢，系統(tǒng)就收回緩沖區(qū)歸還給緩沖池。不將緩沖區(qū)與具體設(shè)備固定在一起，而是集中管理，供 I/O設(shè)備共享使用的技術(shù)，稱為“緩沖池”。 緩沖池中的每個(gè)緩沖區(qū)，既可以用于輸入，也可以用于輸出。因此，緩沖池中有三種類型的緩沖區(qū)：空閑的，當(dāng)前用于輸入的，以及當(dāng)前用于輸出的。系統(tǒng)可以根據(jù)它們的狀態(tài)，組成三個(gè)緩沖隊(duì)列。 . . 緩沖池的出現(xiàn)，提高了這部分內(nèi)存空間的使用效率。但系統(tǒng)卻要為此付出復(fù)雜管理的代價(jià)：要管理三種類型的緩沖區(qū)隊(duì)列，要提供實(shí)施申請和釋放緩沖區(qū)的系統(tǒng)調(diào)用命令等。 返回目錄 當(dāng)系統(tǒng)中只有一臺(tái)輸入或輸出設(shè)備，卻有好幾個(gè)用戶都要使用時(shí)，那么一個(gè)用戶必須等待其他用戶使用完才能去用，這不利于多道程序并行工作，也影響到系統(tǒng)效率的發(fā)揮。 . ? 虛擬設(shè)備與 SPOOLing技術(shù) 1. 虛擬設(shè)備的概念 . 可利用大容量的共享設(shè)備 —— 磁盤作為后援，用軟件技術(shù)模擬獨(dú)享設(shè)備的工作，使每個(gè)用戶都認(rèn)為自己獨(dú)占使用了輸入或輸出設(shè)備，它們的傳輸速度與磁盤一樣快。 . 這種用一類物理設(shè)備模擬出的另一類物理設(shè)備，被稱為“虛擬設(shè)備”。在提供虛擬設(shè)備的系統(tǒng)中，用戶進(jìn)行 I/O時(shí)，不直接面對物理的獨(dú)享設(shè)備，而是面對虛擬的獨(dú)享設(shè)備。 2. SPOOLing技術(shù) . 為實(shí)現(xiàn)虛擬設(shè)備，在磁盤上劃出兩塊專用的存儲(chǔ)空間，一塊預(yù)先存放 I/O設(shè)備的輸入數(shù)據(jù)信息，被稱為“輸入井”；另一塊暫時(shí)存放每個(gè)運(yùn)行作業(yè)進(jìn)程的輸出數(shù)據(jù)信息，被稱為“輸出井”，如圖所示。 作業(yè) 1信息 作業(yè) n信息 作業(yè) 1結(jié)果 作業(yè) n結(jié)果 預(yù)輸入程序 緩輸出程序 井管理 讀程序 井管理 寫程序 作 業(yè) 執(zhí) 行 作業(yè) 1數(shù)據(jù) 作業(yè) n數(shù)據(jù) 輸 入 井 作業(yè) 1結(jié)果 作業(yè) n結(jié)果 輸 出 井 輸入機(jī) 打印機(jī) 作業(yè)運(yùn)行時(shí)，不啟動(dòng)輸入機(jī) 讀信息，而是從磁盤的輸入井得到。作業(yè)產(chǎn)生輸出時(shí)，把輸出信息先存在輸出井中，不直接啟動(dòng)輸出設(shè)備輸出。輸入井和輸出井，是把獨(dú)享設(shè)備變?yōu)楣蚕淼奈镔|(zhì)基礎(chǔ)。 . 共享打印機(jī) 共享打印機(jī)技術(shù)已被廣泛地用于多用戶系統(tǒng)和局域網(wǎng)絡(luò)中 。 當(dāng)用戶進(jìn)程請求打印輸出時(shí) ， SPOOLing系統(tǒng)同意為它打印輸出 ， 但并不真正立即把打印機(jī)分配給該用戶進(jìn)程 ， 而只為它做兩件事： ① 由輸出進(jìn)程在輸出井中為之申請一個(gè)空閑磁盤塊區(qū) ， 并將要打印的數(shù)據(jù)送入其中； ② 輸出進(jìn)程再為用戶進(jìn)程申請一張空白的用戶請求打印表 ， 并將用戶的打印要求填入其中 ， 再將該表掛到請求打印隊(duì)列上 。 SPOOLing系統(tǒng)的特點(diǎn) (1) 提高了 I/O的速度。 (2) 由對低速 I/O設(shè)備的 I/O操作，演變?yōu)閷Υ疟P輸入井，輸出井的操作。 (3) (2) 將獨(dú)占設(shè)備改造為共享設(shè)備。 (4) 例：共享打印機(jī) (5) (3) 實(shí)現(xiàn)了虛擬設(shè)備功能。 (6) 將獨(dú)占設(shè)備變換為若干臺(tái)對應(yīng)邏輯設(shè)備的功能。 前導(dǎo)碼：位于每個(gè)扇區(qū)頭部，記錄著該扇區(qū)的有關(guān)信息，比如扇區(qū)號。磁盤控制器可根據(jù)這些信息識(shí)別一個(gè)扇區(qū)的開始，以及是哪一個(gè)扇區(qū)。 磁盤及磁盤的移臂調(diào)度策略 ? 磁盤的格式化 1. 磁盤的低級格式化 . 磁盤盤面上有著薄薄的一層用于記憶的可磁化金屬氧化物。剛生產(chǎn)出的磁盤上，沒有任何信息存在。在它可被使用前，每個(gè)盤片必須通過軟件對其進(jìn)行低級格式化，也稱“物理格式化”。 . 所謂“低級格式化”，指將磁盤的每個(gè)盤面劃分成可供磁盤控制器進(jìn)行讀 /寫的扇區(qū)的過程。格式化后，盤面上就有了一系列同心的磁道，每個(gè)磁道包含若干數(shù)目的扇區(qū)。劃分出的扇區(qū)格式如圖所示。 前導(dǎo)碼 數(shù)據(jù)區(qū) ECC . 扇區(qū)各部分的含義 (1) (2) ECC是糾錯(cuò)碼的意思。在磁盤控制器往扇區(qū)寫數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)根據(jù)所寫數(shù)據(jù)計(jì)算出一個(gè)值對 ECC進(jìn)行更新。在對磁盤扇區(qū)讀時(shí)，會(huì)根據(jù)所讀數(shù)據(jù)重新計(jì)算 ECC值，并與原存儲(chǔ)的值進(jìn)行比較。如果這兩值不同，就表示該扇區(qū)的數(shù)據(jù)區(qū)已損壞，或該扇區(qū)變壞。 數(shù)據(jù)區(qū)：是扇區(qū)中存放數(shù)據(jù)的地方，其尺寸由進(jìn)行低級格式化的程序決定，通常有幾種選擇： 256字節(jié)、 512字節(jié)或 1024字節(jié)，大多數(shù)磁盤都選用 512字節(jié)的扇區(qū)。 (3) 這種對磁盤的分區(qū)和創(chuàng)建文件系統(tǒng)的工作，被稱為“高級格式化”。它需要用操作系統(tǒng)提供的系統(tǒng)調(diào)用命令（比如 format）來完成。 所謂“分區(qū)”，即是以柱面為單位對磁盤進(jìn)行劃分，每個(gè)部分所含的柱面數(shù)目可以不等。對于這些分區(qū)，操作系統(tǒng)將以獨(dú)立的磁盤來對它們進(jìn)行管理和使用。 為使磁盤能存儲(chǔ)文件，操作系統(tǒng)還需在磁盤上記錄自己的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它由兩部分組成：分區(qū)和創(chuàng)建文件系統(tǒng)。 2. 磁盤的高級格式化 .. . 扇區(qū)是磁盤空間分配和進(jìn)行 I/O傳輸?shù)臄?shù)據(jù)單位。確定一個(gè)扇區(qū)需三個(gè)參數(shù)：柱面（磁道）號、盤面（磁頭）號、扇區(qū)號。也就是說，扇區(qū)的物理地址是三維的。 .. 所謂“創(chuàng)建文件系統(tǒng)”，即是在分區(qū)里完成文件系統(tǒng)的初始化，比如建立分區(qū)目錄結(jié)構(gòu)、記錄該分區(qū)扇區(qū)使用情況的數(shù)據(jù)（總扇區(qū)數(shù)、已分配扇區(qū)數(shù)、空閑扇區(qū)數(shù)）等。 3. 磁盤的編址方式 一般應(yīng)用時(shí)，是把磁盤上的所有扇區(qū)統(tǒng)一進(jìn)行編號： 0、 …… 稱為扇區(qū)的“邏輯塊號”。扇區(qū)的物理地址是三維的，邏輯塊號是一維的，因此有一個(gè)在這兩種地址之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換的問題。 . . 數(shù)據(jù)信息是按柱面來存放的，同一柱面上的各磁道放滿信息后，再存到下一個(gè)柱面上。所以，磁盤上磁盤塊（即扇區(qū)）的編號是按柱面的順序進(jìn)行（從 0開始），每個(gè)柱面按柱面的磁 頭順序進(jìn)行（從 0開始），每個(gè)磁道按扇區(qū)順序進(jìn)行（從 0開始）。 第 3680記錄就放在第 3680塊中。由題知，每個(gè)柱面有 D = 8*8 = 64個(gè)扇區(qū)，N = 3680%D = 32。根據(jù)公式該塊的位置為： 柱面號 = 3680/D = 57（柱面）； 磁頭號 = 32/8 = 4（磁道） 扇區(qū)號 = 32%8 = 0（扇區(qū)） 根據(jù)給出的磁盤塊號為求第 p個(gè)磁盤塊在磁盤上的位置，令 D=s*c（每個(gè)柱面上擁有的磁盤塊數(shù)），設(shè) M = p/D， N = p % D（“ /”和“ %”表示整除和求余）。于是，求第 p塊在磁盤上位置的公式為： 柱面號 = M。 磁頭號 = N /s。 扇區(qū)號 = N %s . 假定用 c表示每個(gè)柱面上的磁道數(shù)，用 s表示每個(gè)磁道上的扇區(qū)數(shù)，則第 i個(gè)柱面、 j磁頭、 k扇區(qū)所對應(yīng)的磁盤塊號 b可以用如下的公式計(jì)算： b = k + s (j + i c) . 例 74 ： 一個(gè)磁盤組有 100個(gè)柱面，每個(gè)柱面有 8個(gè)磁道，每個(gè)盤面劃分成 8個(gè)扇區(qū)?，F(xiàn)有含 6400個(gè)記錄的文件，記錄大小與扇區(qū)尺寸同，編號從 0開始。該文件從 0柱面、 0磁道、 0扇區(qū)順序存放。試問：（ 1）該文件第 3680個(gè)記錄存放在磁盤哪個(gè)位置？（ 2）第 78柱面第 6磁道第 6扇區(qū)中應(yīng)存放該文件的第幾個(gè)記錄？ 解 ： 第 78柱面第 6磁道第 6扇區(qū)位置處存放的是： 磁盤塊號 = 6 + 8 (6 + 78 8) = 5046（塊） 即存放的是文件中編號為第 5046個(gè)的記錄（實(shí)際上應(yīng)該是第 5047個(gè)記錄，因?yàn)橛涗浱柺菑?0開始算起的）。 (1) (2)返回目錄 對于磁盤，有三種時(shí)間需關(guān)注： 把磁頭定位到磁道所需時(shí)間，稱“尋道時(shí)間” ； 磁頭到達(dá)扇區(qū)開始位 置的時(shí)間，稱“旋轉(zhuǎn)延遲” ；一旦磁頭被定位， 磁 頭就對旋轉(zhuǎn)通過它下面的扇區(qū)執(zhí)行讀操作或?qū)? 操作，完成數(shù)據(jù)信息的傳輸，傳輸所花費(fèi)的時(shí) 間稱“傳送時(shí)間” 。 磁盤驅(qū)動(dòng)器工作時(shí)，以恒定的速度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。只有當(dāng)磁頭位于指定的磁道和該磁道中指定的扇區(qū)開始處時(shí)，才能夠進(jìn)行讀或?qū)懖僮鳌? ? 磁盤的性能參數(shù) .. 尋道 時(shí)間 磁 旋 轉(zhuǎn) 延 遲 盤 旋 轉(zhuǎn) 方 向 傳 送 時(shí) 間 磁臂 例 75 ： 某磁盤磁道分成 5個(gè)扇區(qū)（ 0～ 4）， 每個(gè)扇區(qū)存放一個(gè)邏輯記錄。一個(gè)用戶文件有 5個(gè)記錄： A、 B、 C、 D、 E，被順序存放在一個(gè) 磁道上。假定磁盤旋轉(zhuǎn)一周的時(shí)間是 20ms，每個(gè) 記錄讀出后需 6ms的時(shí)間處理。試問：（ 1）順序 讀出 5個(gè)記錄并進(jìn)行處理，共需多少時(shí)間？（ 2）給 出一種在磁盤上安排記錄的策略，使整個(gè)時(shí)間盡可能少。 解 ： (1) 順序讀取和處理 5個(gè)記錄，共需時(shí)間：（ 4+6+14） 4+（ 4+6） =106ms。 (2) 為使時(shí)間減少，應(yīng)減少旋轉(zhuǎn)延遲，即把下一個(gè)要讀取的記錄放在處理完前一個(gè)記錄后距磁頭最近之處。時(shí)讀取和處理 5個(gè)記錄共需時(shí)間：（ 4+6+2） 4+（ 4+6） =58ms 返回目錄 ?當(dāng)有多個(gè)進(jìn)程都請求訪問磁盤時(shí)，他們所訪問的位置（這里主要關(guān)心磁道）是不同的。磁頭需要來回頻繁移動(dòng)進(jìn)行尋道操作。 ?磁頭的移動(dòng)屬于機(jī)械運(yùn)動(dòng)，需要的時(shí)間較長，而且頻繁的磁頭移動(dòng)會(huì)縮短磁頭的壽命，因此，必須采取合適的磁盤調(diào)度算法，在盡可能公平的前提下，縮短