【文章內(nèi)容簡介】 60。所謂 “單緩沖 ”，即是以傳輸數(shù)據(jù)的單位為準，在內(nèi)存分配一個相同大小的區(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) 用戶進程用戶數(shù)據(jù)區(qū)操作系統(tǒng)進入 進入單緩沖用戶進程用戶數(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，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，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)用戶進程用戶數(shù)據(jù)區(qū)進入雙緩沖移到12在雙緩沖的情形下，磁盤控制器先讀進一塊數(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，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)置兩個緩沖區(qū)，對于平滑設(shè)備和 CPU之間的處理速度會更加有效。這種使用兩個緩沖區(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)進入用戶進程用戶數(shù)據(jù)區(qū)移到12n循環(huán)緩沖是一種緩沖數(shù)目多于兩個的緩沖技術(shù)，緩沖按照索引值（ 0～ n1）排序，形成一個循環(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)點是管理簡單。但它不僅耗費很多的內(nèi)存空間，有時還會出現(xiàn)問題：如果設(shè)備緩沖區(qū)的數(shù)目不夠多，那么就可能會使進程因等待緩沖區(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)開辟一個內(nèi)存空間作為 I/O的共享緩沖區(qū)，當進程請求 I/O時，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，當前用于輸入的，以及當前用于輸出的。系統(tǒng)可以根據(jù)它們的狀態(tài)，組成三個緩沖隊列。 ..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：要管理三種類型的緩沖區(qū)隊列，要提供實施申請和釋放緩沖區(qū)的系統(tǒng)調(diào)用命令等。返回目錄當系統(tǒng)中只有一臺輸入或輸出設(shè)備，卻有好幾個用戶都要使用時，那么一個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)模擬獨享設(shè)備的工作，使每個用戶都認為自己獨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，用戶進行 I/O時，不直接面對物理的獨享設(shè)備，而是面對虛擬的獨享設(shè)備。 2. SPOOLing技術(shù) .為實現(xiàn)虛擬設(shè)備，在磁盤上劃出兩塊專用的存儲空間，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 ”；另一塊暫時存放每個運行作業(yè)進程的輸出數(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)果輸出井輸入機打印機作業(yè)運行時，不啟動輸入機讀信息，而是從磁盤的輸入井得到。作業(yè)產(chǎn)生輸出時，把輸出信息先存在輸出井中，不直接啟動輸出設(shè)備輸出。輸入井和輸出井，是把獨享設(shè)備變?yōu)楣蚕淼奈镔|(zhì)基礎(chǔ)。 .共享打印機 共享打印機技術(shù)已被廣泛地用于多用戶系統(tǒng)和局域網(wǎng)絡(luò)中。 當用戶進程請求打印輸出時， SPOOLing系統(tǒng)同意為它打印輸出， 但并不真正立即把打印機分配給該用戶進程， 而只為它做兩件事： ① 由輸出進程在輸出井中為之申請一個空閑磁盤塊區(qū)， 并將要打印的數(shù)據(jù)送入其中； ② 輸出進程再為用戶進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列上。 SPOOLing系統(tǒng)的特點 (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) 將獨占設(shè)備改造為共享設(shè)備。(4) 例：共享打印機 (5) (3) 實現(xiàn)了虛擬設(shè)備功能。(6) 將獨占設(shè)備變換為若干臺對應(yīng)邏輯設(shè)備的功能。 前導(dǎo)碼：位于每個扇區(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)這些信息識別一個扇區(qū)的開始，以及是哪一個扇區(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，每個盤片必須通過軟件對其進行低級格式化，也稱 “物理格式化 ”。 .所謂 “低級格式化 ”，指將磁盤的每個盤面劃分成可供磁盤控制器進行讀 /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是糾錯碼的意思。在磁盤控制器往扇區(qū)寫數(shù)據(jù)時，會根據(jù)所寫數(shù)據(jù)計算出一個值對 ECC進行更新。在對磁盤扇區(qū)讀時，會根據(jù)所讀數(shù)據(jù)重新計算 ECC值，并與原存儲的值進行比較。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行劃分，每個部分所含的柱面數(shù)目可以不等。對于這些分區(qū)，操作系統(tǒng)將以獨立的磁盤來對它們進行管理和使用。 為使磁盤能存儲文件，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行 I/O傳輸?shù)臄?shù)據(jù)單位。確定一個扇區(qū)需三個參數(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，是把磁盤上的所有扇區(qū)統(tǒng)一進行編號： 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，因此有一個在這兩種地址之間進行轉(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行（從 0開始），每個柱面按柱面的磁 頭順序進行（從 0開始），每個磁道按扇區(qū)順序進行（從 0開始）。 第 3680記錄就放在第 3680塊中。由題知，每個柱面有 D=8*8=64個扇區(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個磁盤塊在磁盤上的位置，令 D=s*c（每個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表示每個柱面上的磁道數(shù)，用 s表示每個磁道上的扇區(qū)數(shù)，則第 i個柱面、 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算：b=k+s(j+ic).例 74：一個磁盤組有 100個柱面，每個柱面有 8個磁道，每個盤面劃分成 8個扇區(qū)?，F(xiàn)有含 6400個記錄的文件，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個記錄存放在磁盤哪個位置？（ 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+788)=5046（塊）即存放的是文件中編號為第 5046個的記錄（實際上應(yīng)該是第 5047個記錄，因為記錄號是從 0開始算起的）。(1)(2)返回目錄對于磁盤，有三種時間需關(guān)注： 把磁頭定位到磁道所需時間，稱 “尋道時間 ”； 磁頭到達扇區(qū)開始位置的時間，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)懖僮?，完成?shù)據(jù)信息的傳輸，傳輸所花費的時間稱 “傳送時間 ”。磁盤驅(qū)動器工作時，以恒定的速度進行旋轉(zhuǎn)。只有當磁頭位于指定的磁道和該磁道中指定的扇區(qū)開始處時，才能夠進行讀或?qū)懖僮鳌? 磁盤的性能參數(shù)..尋道時間磁旋 轉(zhuǎn) 延 遲盤旋轉(zhuǎn)方向傳送時間磁臂例 75：某磁盤磁道分成 5個扇區(qū)（ 0～ 4），每個扇區(qū)存放一個邏輯記錄。一個用戶文件有5個記錄： A、 B、 C、 D、 E，被順序存放在一個磁道上。假定磁盤旋轉(zhuǎn)一周的時間是 20ms，每個記錄讀出后需 6ms的時間處理。試問：（ 1）順序讀出 5個記錄并進行處理，共需多少時間？（ 2）給出一種在磁盤上安排記錄的策略，使整個時間盡可能少。 解 ： (1) 順序讀取和處理 5個記錄，共需時間：（ 4+6+14） 4+（ 4+6） =106ms。(2)為使時間減少，應(yīng)減少旋轉(zhuǎn)延遲，即把下一個要讀取的記錄放在處理完前一個記錄后距磁頭最近之處。時讀取和處理 5個記錄共需時間：（ 4+6+2） 4+（ 4+6） =58ms返回目錄o當有多個進程都請求訪問磁盤時，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進行尋道操作。o磁頭的移動屬于機械運動，需要的時間較長，而且頻繁的磁頭移動會縮短磁頭的壽命，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，縮短平均尋道時間，并使磁頭移動距離最小。 磁盤的移臂調(diào)度策略 假設(shè)磁盤有 200個磁道，磁盤請求隊列中排列著一些隨機請求。目前移動臂位于磁道 53，接著被請求的磁道按順序是： 9 18 3 12 1 12 6 67。下面將以此為基礎(chǔ)，討論在 I/O隊列里挑選 I/O請求的各種調(diào)度策略。.1. 先來先服務(wù)調(diào)度策略 0 14 37 53 65 67 98 122124 183磁道號① ②③④⑤⑥⑦⑧