【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 緩沖技術(shù)的實(shí)現(xiàn) 內(nèi)容簡(jiǎn)單，請(qǐng)讀者自學(xué)。 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(zhǎng)時(shí)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(qǐng)?jiān)撛O(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 。 ? 引入虛擬設(shè)備技術(shù) ， 能解決獨(dú)占設(shè)備利用率不高的問(wèn)題 。 70 虛擬設(shè)備技術(shù)的實(shí)現(xiàn) ? 虛擬設(shè)備技術(shù)類(lèi)似緩沖區(qū)技術(shù)，可以認(rèn)為是為設(shè)備提供了多個(gè)更大的、甚至在實(shí)際工作中是無(wú)限長(zhǎng)度的緩沖區(qū)，進(jìn)一步提高系統(tǒng)效率。 ? 虛擬設(shè)備技術(shù)的實(shí)現(xiàn)：在獨(dú)占型設(shè)備與進(jìn)程之間加入一個(gè)共享型設(shè)備作為過(guò)渡，如圖 內(nèi)存 共享型設(shè)備 進(jìn)程 某一區(qū)域 獨(dú)占型設(shè)備 間斷 傳輸 連續(xù) 傳輸 71 ? 共享型設(shè)備的某一區(qū)域是由若干個(gè)設(shè)備塊構(gòu)成的，對(duì)進(jìn)程而言相當(dāng)于真實(shí)的設(shè)備。 ? 由于共享型設(shè)備較獨(dú)占型設(shè)備的速度較快。所以，進(jìn)程 I/O所需的時(shí)間較短，提高了進(jìn)程的推進(jìn)速度。 ? 又由于共享型設(shè)備的存儲(chǔ)容量很大，可提供多個(gè)這樣的區(qū)域，因而虛擬設(shè)備的數(shù)量多，一般可為每個(gè)需要使用設(shè)備的進(jìn)程提供一個(gè)。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。 ? 這樣，多個(gè)進(jìn)程可以同時(shí)使用同一獨(dú)占型設(shè)備，而每個(gè)進(jìn)程對(duì)應(yīng)一個(gè)虛擬設(shè)備，提高了設(shè)備利用率。 72 輸入型虛擬設(shè)備的實(shí)現(xiàn) ? 對(duì)于輸入型虛擬設(shè)備，數(shù)據(jù)的流向： 獨(dú)占型設(shè)備 共享型設(shè)備 進(jìn)程空間 /內(nèi)存 ? 假定用于輸入的獨(dú)占型設(shè)備是讀卡機(jī)，用于實(shí)現(xiàn)虛擬設(shè)備的共享型設(shè)備是磁盤(pán)，則對(duì)于進(jìn)程所發(fā)出的資源申請(qǐng)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(shè)備的實(shí)現(xiàn) ① 申請(qǐng) 分配一臺(tái)虛擬設(shè)備 (磁盤(pán)區(qū)域 )， 分配一臺(tái)實(shí)設(shè)備 (一臺(tái)讀卡機(jī) )， 將信息由實(shí)設(shè)備(讀卡機(jī) )連續(xù)地傳輸?shù)教摂M設(shè)備 (磁盤(pán)區(qū)域 )，釋放實(shí)設(shè)備 (讀卡機(jī) )； ② 使用 將數(shù)據(jù)從虛擬設(shè)備 (磁盤(pán)區(qū)域 )傳輸?shù)竭M(jìn)程空間； ③ 釋放 回收虛擬設(shè)備 (磁盤(pán)區(qū)域 )。 74 輸出型虛擬設(shè)備的實(shí)現(xiàn) ? 對(duì)于輸出型虛擬設(shè)備來(lái)說(shuō) ， 數(shù)據(jù)的流向： 內(nèi)存 共享型設(shè)備 獨(dú)占型設(shè)備 ? 假定用于輸出的獨(dú)占型設(shè)備是打印機(jī) ， 用于實(shí)現(xiàn)虛擬設(shè)備的共享型設(shè)備是磁盤(pán) ， 則對(duì)于進(jìn)程所發(fā)出的資源申請(qǐng)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： 75 輸出型虛擬設(shè)備的實(shí)現(xiàn) ① 申請(qǐng) 分配一臺(tái)虛擬設(shè)備 (磁盤(pán)區(qū)域 )； ② 使用 將數(shù)據(jù)由進(jìn)程空間傳送到虛擬設(shè)備(磁盤(pán)區(qū)域 )； ③ 釋放 申請(qǐng)一臺(tái)實(shí)設(shè)備 (一臺(tái)打印機(jī) )， 將數(shù)據(jù)由虛擬設(shè)備 (磁盤(pán)區(qū)域 )輸出到實(shí)設(shè)備 (打印機(jī) )， 回收實(shí)設(shè)備 (打印機(jī) )。 76 SPOOLing系統(tǒng) ? SPOOLing： Simultaneous Peripheral Operations OnLine ， 直譯意思是 “ 聯(lián)機(jī)情況下同時(shí)進(jìn)行的外圍設(shè)備操作 ” ， 通常稱其為 “ 假脫機(jī)操作 ” 。 ? SPOOLing系統(tǒng)是虛擬設(shè)備最典型的代表 ， 包括假脫機(jī)輸入和輸出系統(tǒng)兩個(gè)部分 。 ? 核心思想：在 快速輔助存儲(chǔ)設(shè)備中 建立 I/O緩沖區(qū) ，用于緩存從慢速輸入設(shè)備流入內(nèi)存的數(shù)據(jù) ， 或緩存從內(nèi)存流向慢速輸出設(shè)備的數(shù)據(jù) 。 77 用戶進(jìn)程 注： 數(shù)據(jù)流 控制流 邏輯設(shè)備管理模塊 磁 盤(pán) 輸 輸 入 出 井 井 讀 打 卡 SPOOL ing 印 機(jī) 井管理程序 機(jī) S P O O L i n g S P O O L i n g 輸入程序 輸出程序SPOOL ing 技術(shù)實(shí)現(xiàn)原理示意圖78 磁盤(pán)設(shè)備的管理 79 磁盤(pán)的性能和安全性 ? 磁盤(pán)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)最重要的外部存儲(chǔ)設(shè)備之一 ? 影響磁盤(pán)性能和數(shù)據(jù)安全性的主要因素： — 磁盤(pán)性能參數(shù)：轉(zhuǎn)速、尋道時(shí)間、磁盤(pán)緩存； — 磁盤(pán)控制器： IDE、 SCSI磁盤(pán)控制器； — RAID等磁盤(pán)容錯(cuò)技術(shù)； — 磁盤(pán)管理算法：磁盤(pán)調(diào)度算法、磁盤(pán)高速緩存、高性能的文件系統(tǒng)； 80 磁盤(pán)設(shè)備的物理特性 ? 磁盤(pán)由若干張圓形的盤(pán)片組成 ， 每張盤(pán)片上都涂有磁層 ， 用于記錄數(shù)據(jù)； ? 各盤(pán)片的圓心固定在一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸上 ， 該軸沿固定方向等速地轉(zhuǎn)動(dòng) ， 并帶動(dòng)磁盤(pán)組不停地旋轉(zhuǎn) 。 ? 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) 。 軟盤(pán)使用前必須等待轉(zhuǎn)速?gòu)?0加速 ，并穩(wěn)定到額定轉(zhuǎn)速 ， 故工作效率較低 。 81 ? 每張盤(pán)片分為上 、 下兩個(gè)盤(pán)面 ， 每個(gè)盤(pán)面有若干磁道 ， 同一盤(pán)面上的所有磁道是繞旋轉(zhuǎn)軸的一組同心圓 ， 所有磁道由外向內(nèi)依次由 0開(kāi)始編號(hào) ，稱為磁道號(hào) 。 ? 磁盤(pán)組中各盤(pán)面上序號(hào)相同的磁道構(gòu)成一個(gè)柱面 ，由外向內(nèi)依次編號(hào) ， 若磁盤(pán)組有 l個(gè)柱面 ， 則編號(hào)為 0,1,2,? ,l1， 稱為柱面號(hào) 。 ? 若磁盤(pán)組共有 s個(gè)盤(pán)片 ， 則共有 2s個(gè)盤(pán)面 ， 但通常最上面和最下面的兩個(gè)盤(pán)面作為伺服面 ， 用以進(jìn)行控制磁頭定位等操作 ， 并不存放數(shù)據(jù) ， 因而實(shí)際可用盤(pán)面數(shù)為 m＝ 2(s1)， 由下至下依次編號(hào)為 0,1,2,? ,m1， 稱為盤(pán)面號(hào) 。 82 ? 整個(gè)盤(pán)面被劃分為若干大小相同的扇面 ，它把一個(gè)磁道等分為若干個(gè)區(qū)域 ， 一個(gè)區(qū)域稱為一個(gè) 扇區(qū) 。 數(shù)據(jù)保存在各個(gè)扇區(qū)中 ，每個(gè)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) 。 ? 扇區(qū)是磁盤(pán)進(jìn)行 I/O傳輸?shù)幕締挝?， 也是磁盤(pán)空間分配的基本單位 。 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) 。 83 ? 磁盤(pán)的基本存儲(chǔ)單元 (扇區(qū) )的尋址方式為三維地址：柱面號(hào)、盤(pán)面號(hào)、扇區(qū)號(hào)。 ? 為了方便管理及屏蔽存儲(chǔ)設(shè)備的物理細(xì)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(pán)塊號(hào) (邏輯扇區(qū)號(hào) )，將磁盤(pán)組中所有的扇區(qū)從 0開(kāi)始編號(hào)。 ? 顯然，這里就存在著一維地址與三維地址間相互轉(zhuǎn)換的問(wèn)題 ? 為了提高效率，對(duì)于移動(dòng)磁頭式磁盤(pán)機(jī)來(lái)說(shuō)，磁頭引臂的機(jī)械運(yùn)動(dòng) (尋道 )速度最慢，其次才是盤(pán)片轉(zhuǎn)動(dòng)的速度，因此，編排邏輯塊號(hào)時(shí)，扇區(qū)號(hào)先變化，其次是盤(pán)面號(hào)，最后才是柱面號(hào)。 84 磁盤(pán)的磁頭工作方式 ? 磁盤(pán)：固定頭磁盤(pán)和移動(dòng)頭磁盤(pán) 。 ? 固定頭磁盤(pán)的每一條磁道上都有一個(gè)讀 /寫(xiě)磁頭 ， 所有的磁頭都被安裝在一剛性磁臂中 ，通過(guò)磁頭訪問(wèn)磁道 ， 可以并行讀 /寫(xiě) ， 磁盤(pán)的 I/O速度很快 。 ? 固定頭磁盤(pán)的優(yōu)點(diǎn)是訪問(wèn)速度快 ， 其缺點(diǎn)是成本較高 、 容量受磁頭數(shù)量限制 。 85 磁盤(pán)的磁頭工作方式 ? 移動(dòng)頭磁盤(pán)為每一個(gè)盤(pán)面配置一個(gè)磁頭 ， 所有盤(pán)面的磁頭被裝入磁臂中 ， 磁盤(pán) I/O時(shí) ，必須移動(dòng)磁頭 (尋道 )。 ? 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 。 86 影響磁盤(pán) I/O性能的技術(shù)指標(biāo) ? 從磁盤(pán)讀數(shù)據(jù)的過(guò)程： 1. 磁盤(pán)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(shí)間稱為 尋道時(shí)間 ； 2. 然后，旋轉(zhuǎn)磁盤(pán)，定位數(shù)據(jù)所在的扇區(qū)，所需的時(shí)間稱為 旋轉(zhuǎn)延遲 ； 3. 最后，從磁盤(pán)上讀取數(shù)據(jù)，所需的時(shí)間稱為數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間 。 ? 訪問(wèn)時(shí)間＝尋道時(shí)間＋旋轉(zhuǎn)延遲＋傳輸時(shí)間 87 尋道時(shí)間 ? 尋道時(shí)間：把磁頭從當(dāng)前位置移動(dòng)到指定磁道所需要的時(shí)間 。 是影響磁盤(pán)數(shù)據(jù)傳輸率的重要參數(shù) ， 與磁頭移過(guò)的磁道數(shù)量成正比 。 ? 衡量磁盤(pán)的尋道性能時(shí) ， 通常使用平均尋道時(shí)間 。 88 旋轉(zhuǎn)延遲 ? 旋轉(zhuǎn)延遲與磁盤(pán)轉(zhuǎn)速直接相關(guān)，是指旋轉(zhuǎn)磁盤(pán)，將指定扇區(qū)移動(dòng)到磁頭下面所需要的時(shí)間。 ? 假設(shè) Tr為旋轉(zhuǎn)延遲， r為磁盤(pán)轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)數(shù) /單位時(shí)間） 那么 Tr ＝ 1/(2r) 例： 1. 對(duì)于一個(gè)轉(zhuǎn)速為 3600rpm的硬盤(pán)而言，其每旋轉(zhuǎn)一周的時(shí)間為 ，其平均旋轉(zhuǎn)延遲為 。 2. 對(duì)于一個(gè)轉(zhuǎn)速為 300rpm的軟盤(pán)而言，其每旋轉(zhuǎn)一周的時(shí)間為 200ms，其平均旋轉(zhuǎn)延遲為 100ms。 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。 ? 傳輸時(shí)間與硬盤(pán)的轉(zhuǎn)速和所讀 /寫(xiě)的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度有關(guān)，當(dāng)一次讀 /寫(xiě)的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度相當(dāng)于半條磁道上的字節(jié)數(shù)時(shí)，傳輸時(shí)間與平均旋轉(zhuǎn)延遲相同。 90 緩存 ? 當(dāng)緩存足夠大時(shí) ， 對(duì)于寫(xiě)操作 ， 盡管數(shù)據(jù)并未真正寫(xiě)到磁盤(pán)上 ， 但它給主機(jī)的印象就是寫(xiě)操作已 “ 非?？?” 地完成 (延后寫(xiě) )；對(duì)于讀操作 ， 盡管是讀一扇區(qū) ， 但磁盤(pán)卻將整條磁道的數(shù)據(jù)都讀入緩存中(提前讀 )， 當(dāng)下一次需要再讀數(shù)據(jù)時(shí) ， 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 。 ? 由于緩存不可能很大 ， 因此對(duì)于密集訪問(wèn)磁盤(pán)的系統(tǒng)而言 ， 緩存并不能發(fā)揮多大的作用 ， 但由于多數(shù)系統(tǒng)是間歇地訪問(wèn)磁盤(pán) ， 因而緩存在很多時(shí)候還是能發(fā)揮較大的作用 。 91 ? 綜上所述 ， 傳統(tǒng)上影響磁盤(pán) I/O性能的主要技術(shù)指標(biāo)是 平均尋道時(shí)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(shí)間 。 ? 對(duì)于實(shí)際的系統(tǒng)而言 ， 較大緩存也對(duì)硬盤(pán)的I/O性能有較大的影響 ， 但不是決定性的 。 92 調(diào)整磁盤(pán) I/O性能 ? 磁盤(pán)的平均尋道時(shí)間和轉(zhuǎn)速是固定不變的 。 ? 為了提高磁盤(pán)的 I/O性能 ， 只能從磁盤(pán)調(diào)度的方式和訪問(wèn)數(shù)據(jù)的組織形式上入手 ， 即縮短尋道時(shí)間和旋轉(zhuǎn)延遲 。 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 。 ? 磁頭的尋道操作屬于機(jī)械運(yùn)動(dòng) ， 花費(fèi)的時(shí)間較長(zhǎng) ，而且過(guò)度的尋道操作會(huì)大大縮短磁盤(pán)的壽命 。 因此 ，必須采用適當(dāng)?shù)拇疟P(pán)調(diào)度算法 ， 使得在盡可能公平的情況下 ， 縮短平均尋道時(shí)間 ， 并使磁頭移動(dòng)距離最小 。 94 先到先服務(wù)算法 FCFS (First Come First Serve) ? FCFS算法按照輸入 /輸出請(qǐng)求的先后次序?yàn)楦鱾€(gè)進(jìn)程服務(wù) 。 這是最公平 、 最簡(jiǎn)單的算法 ， 但是效率非常低 。 ? 例如 ， 一個(gè)有 100條磁道的磁盤(pán) ， 磁道依次編號(hào)為 0～ 99， 磁頭當(dāng)前位于第 20磁道 ，對(duì)于如