【文章內(nèi)容簡介】 緩沖技術(shù)的實現(xiàn) 內(nèi)容簡單，請讀者自學(xué)。 68 虛擬設(shè)備 69 虛擬設(shè)備的引入 ? 獨占型設(shè)備的速度一般較慢 ， 進程常需要長時間等待 I/O傳輸完成 ， 影響進程的推進速度； ? 進程在占有設(shè)備期間不一定一直使用此設(shè)備 ，而其他申請該設(shè)備的進程只能阻塞等待 ， 降低了設(shè)備的利用率 ， 影響其他進程的推進速度 。 ? 引入虛擬設(shè)備技術(shù) ， 能解決獨占設(shè)備利用率不高的問題 。 70 虛擬設(shè)備技術(shù)的實現(xiàn) ? 虛擬設(shè)備技術(shù)類似緩沖區(qū)技術(shù)，可以認為是為設(shè)備提供了多個更大的、甚至在實際工作中是無限長度的緩沖區(qū)，進一步提高系統(tǒng)效率。 ? 虛擬設(shè)備技術(shù)的實現(xiàn)：在獨占型設(shè)備與進程之間加入一個共享型設(shè)備作為過渡，如圖 內(nèi)存 共享型設(shè)備 進程 某一區(qū)域 獨占型設(shè)備 間斷 傳輸 連續(xù) 傳輸 71 ? 共享型設(shè)備的某一區(qū)域是由若干個設(shè)備塊構(gòu)成的，對進程而言相當于真實的設(shè)備。 ? 由于共享型設(shè)備較獨占型設(shè)備的速度較快。所以，進程 I/O所需的時間較短，提高了進程的推進速度。 ? 又由于共享型設(shè)備的存儲容量很大，可提供多個這樣的區(qū)域，因而虛擬設(shè)備的數(shù)量多，一般可為每個需要使用設(shè)備的進程提供一個。這些進程不用排隊等待，他們的推進速度也就不受任何影響。 ? 這樣，多個進程可以同時使用同一獨占型設(shè)備，而每個進程對應(yīng)一個虛擬設(shè)備，提高了設(shè)備利用率。 72 輸入型虛擬設(shè)備的實現(xiàn) ? 對于輸入型虛擬設(shè)備，數(shù)據(jù)的流向： 獨占型設(shè)備 共享型設(shè)備 進程空間 /內(nèi)存 ? 假定用于輸入的獨占型設(shè)備是讀卡機，用于實現(xiàn)虛擬設(shè)備的共享型設(shè)備是磁盤，則對于進程所發(fā)出的資源申請命令、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)備的實現(xiàn) ① 申請 分配一臺虛擬設(shè)備 (磁盤區(qū)域 )， 分配一臺實設(shè)備 (一臺讀卡機 )， 將信息由實設(shè)備(讀卡機 )連續(xù)地傳輸?shù)教摂M設(shè)備 (磁盤區(qū)域 )，釋放實設(shè)備 (讀卡機 )； ② 使用 將數(shù)據(jù)從虛擬設(shè)備 (磁盤區(qū)域 )傳輸?shù)竭M程空間； ③ 釋放 回收虛擬設(shè)備 (磁盤區(qū)域 )。 74 輸出型虛擬設(shè)備的實現(xiàn) ? 對于輸出型虛擬設(shè)備來說 ， 數(shù)據(jù)的流向： 內(nèi)存 共享型設(shè)備 獨占型設(shè)備 ? 假定用于輸出的獨占型設(shè)備是打印機 ， 用于實現(xiàn)虛擬設(shè)備的共享型設(shè)備是磁盤 ， 則對于進程所發(fā)出的資源申請命令 、 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)備的實現(xiàn) ① 申請 分配一臺虛擬設(shè)備 (磁盤區(qū)域 )； ② 使用 將數(shù)據(jù)由進程空間傳送到虛擬設(shè)備(磁盤區(qū)域 )； ③ 釋放 申請一臺實設(shè)備 (一臺打印機 )， 將數(shù)據(jù)由虛擬設(shè)備 (磁盤區(qū)域 )輸出到實設(shè)備 (打印機 )， 回收實設(shè)備 (打印機 )。 76 SPOOLing系統(tǒng) ? SPOOLing： Simultaneous Peripheral Operations OnLine ， 直譯意思是 “ 聯(lián)機情況下同時進行的外圍設(shè)備操作 ” ， 通常稱其為 “ 假脫機操作 ” 。 ? SPOOLing系統(tǒng)是虛擬設(shè)備最典型的代表 ， 包括假脫機輸入和輸出系統(tǒng)兩個部分 。 ? 核心思想：在 快速輔助存儲設(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 用戶進程 注： 數(shù)據(jù)流 控制流 邏輯設(shè)備管理模塊 磁 盤 輸 輸 入 出 井 井 讀 打 卡 SPOOL ing 印 機 井管理程序 機 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)實現(xiàn)原理示意圖78 磁盤設(shè)備的管理 79 磁盤的性能和安全性 ? 磁盤是計算機系統(tǒng)最重要的外部存儲設(shè)備之一 ? 影響磁盤性能和數(shù)據(jù)安全性的主要因素： — 磁盤性能參數(shù)：轉(zhuǎn)速、尋道時間、磁盤緩存； — 磁盤控制器： IDE、 SCSI磁盤控制器； — RAID等磁盤容錯技術(shù)； — 磁盤管理算法：磁盤調(diào)度算法、磁盤高速緩存、高性能的文件系統(tǒng)； 80 磁盤設(shè)備的物理特性 ? 磁盤由若干張圓形的盤片組成 ， 每張盤片上都涂有磁層 ， 用于記錄數(shù)據(jù)； ? 各盤片的圓心固定在一個旋轉(zhuǎn)軸上 ， 該軸沿固定方向等速地轉(zhuǎn)動 ， 并帶動磁盤組不停地旋轉(zhuǎn) 。 ? 硬盤的轉(zhuǎn)速比軟盤快幾十倍 ， 并在開機后一直高速旋轉(zhuǎn) ， 隨時準備就緒；而軟盤則需要 I/O時才旋轉(zhuǎn) ，否則停止旋轉(zhuǎn) 。 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 。 81 ? 每張盤片分為上 、 下兩個盤面 ， 每個盤面有若干磁道 ， 同一盤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開始編號 ，稱為磁道號 。 ? 磁盤組中各盤面上序號相同的磁道構(gòu)成一個柱面 ，由外向內(nèi)依次編號 ， 若磁盤組有 l個柱面 ， 則編號為 0,1,2,? ,l1， 稱為柱面號 。 ? 若磁盤組共有 s個盤片 ， 則共有 2s個盤面 ， 但通常最上面和最下面的兩個盤面作為伺服面 ， 用以進行控制磁頭定位等操作 ， 并不存放數(shù)據(jù) ， 因而實際可用盤面數(shù)為 m＝ 2(s1)， 由下至下依次編號為 0,1,2,? ,m1， 稱為盤面號 。 82 ? 整個盤面被劃分為若干大小相同的扇面 ，它把一個磁道等分為若干個區(qū)域 ， 一個區(qū)域稱為一個 扇區(qū) 。 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) 。 ? 扇區(qū)是磁盤進行 I/O傳輸?shù)幕締挝?， 也是磁盤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)被依次編號為0,1, 2,? ,n1， 稱為扇區(qū)號 。 83 ? 磁盤的基本存儲單元 (扇區(qū) )的尋址方式為三維地址：柱面號、盤面號、扇區(qū)號。 ? 為了方便管理及屏蔽存儲設(shè)備的物理細節(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，即只有邏輯磁盤塊號 (邏輯扇區(qū)號 )，將磁盤組中所有的扇區(qū)從 0開始編號。 ? 顯然，這里就存在著一維地址與三維地址間相互轉(zhuǎn)換的問題 ? 為了提高效率，對于移動磁頭式磁盤機來說，磁頭引臂的機械運動 (尋道 )速度最慢，其次才是盤片轉(zhuǎn)動的速度，因此，編排邏輯塊號時，扇區(qū)號先變化，其次是盤面號，最后才是柱面號。 84 磁盤的磁頭工作方式 ? 磁盤：固定頭磁盤和移動頭磁盤 。 ? 固定頭磁盤的每一條磁道上都有一個讀 /寫磁頭 ， 所有的磁頭都被安裝在一剛性磁臂中 ，通過磁頭訪問磁道 ， 可以并行讀 /寫 ， 磁盤的 I/O速度很快 。 ? 固定頭磁盤的優(yōu)點是訪問速度快 ， 其缺點是成本較高 、 容量受磁頭數(shù)量限制 。 85 磁盤的磁頭工作方式 ? 移動頭磁盤為每一個盤面配置一個磁頭 ， 所有盤面的磁頭被裝入磁臂中 ， 磁盤 I/O時 ，必須移動磁頭 (尋道 )。 ? 因此 ， 移動頭磁盤只能進行串行讀 /寫 ， I/O速度相對較慢 ， 但由于其具有結(jié)構(gòu)簡單 、 成本較低 、 容量不受磁頭數(shù)量限制等優(yōu)點 ， 因而被廣泛使用 。 86 影響磁盤 I/O性能的技術(shù)指標 ? 從磁盤讀數(shù)據(jù)的過程： 1. 磁盤接收到讀指令后，磁頭從當前位置移到目標磁道位置，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 。 ? 訪問時間＝尋道時間＋旋轉(zhuǎn)延遲＋傳輸時間 87 尋道時間 ? 尋道時間：把磁頭從當前位置移動到指定磁道所需要的時間 。 是影響磁盤數(shù)據(jù)傳輸率的重要參數(shù) ， 與磁頭移過的磁道數(shù)量成正比 。 ? 衡量磁盤的尋道性能時 ， 通常使用平均尋道時間 。 88 旋轉(zhuǎn)延遲 ? 旋轉(zhuǎn)延遲與磁盤轉(zhuǎn)速直接相關(guān)，是指旋轉(zhuǎn)磁盤，將指定扇區(qū)移動到磁頭下面所需要的時間。 ? 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 。 2. 對于一個轉(zhuǎn)速為 300rpm的軟盤而言，其每旋轉(zhuǎn)一周的時間為 200ms，其平均旋轉(zhuǎn)延遲為 100ms。 89 傳輸時間 ? 傳輸時間是指把數(shù)據(jù)從硬盤讀出或向磁盤寫入數(shù)據(jù)所經(jīng)歷的時間。 ? 傳輸時間與硬盤的轉(zhuǎn)速和所讀 /寫的數(shù)據(jù)長度有關(guān)，當一次讀 /寫的數(shù)據(jù)長度相當于半條磁道上的字節(jié)數(shù)時，傳輸時間與平均旋轉(zhuǎn)延遲相同。 90 緩存 ? 當緩存足夠大時 ， 對于寫操作 ， 盡管數(shù)據(jù)并未真正寫到磁盤上 ， 但它給主機的印象就是寫操作已 “ 非常快 ” 地完成 (延后寫 )；對于讀操作 ， 盡管是讀一扇區(qū) ， 但磁盤卻將整條磁道的數(shù)據(jù)都讀入緩存中(提前讀 )， 當下一次需要再讀數(shù)據(jù)時 ， 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 ， 因此對于密集訪問磁盤的系統(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)是間歇地訪問磁盤 ， 因而緩存在很多時候還是能發(fā)揮較大的作用 。 91 ? 綜上所述 ， 傳統(tǒng)上影響磁盤 I/O性能的主要技術(shù)指標是 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 。 ? 對于實際的系統(tǒng)而言 ， 較大緩存也對硬盤的I/O性能有較大的影響 ， 但不是決定性的 。 92 調(diào)整磁盤 I/O性能 ? 磁盤的平均尋道時間和轉(zhuǎn)速是固定不變的 。 ? 為了提高磁盤的 I/O性能 ， 只能從磁盤調(diào)度的方式和訪問數(shù)據(jù)的組織形式上入手 ， 即縮短尋道時間和旋轉(zhuǎn)延遲 。 93 磁盤調(diào)度算法 ? 當有多個進程都請求訪問磁盤時 ， 他們訪問的位置(這里主要關(guān)心磁道 )各不一樣 ， 磁頭需要來回頻繁移動進行尋道操作 。 ? 磁頭的尋道操作屬于機械運動 ， 花費的時間較長 ，而且過度的尋道操作會大大縮短磁盤的壽命 。 因此 ，必須采用適當?shù)拇疟P調(diào)度算法 ， 使得在盡可能公平的情況下 ， 縮短平均尋道時間 ， 并使磁頭移動距離最小 。 94 先到先服務(wù)算法 FCFS (First Come First Serve) ? FCFS算法按照輸入 /輸出請求的先后次序為各個進程服務(wù) 。 這是最公平 、 最簡單的算法 ， 但是效率非常低 。 ? 例如 ， 一個有 100條磁道的磁盤 ， 磁道依次編號為 0～ 99， 磁頭當前位于第 20磁道 ，對于如