【正文】 2022/8/21 Device managent 61 第七節(jié) 設備分配 （續(xù) 5） 當進程用邏輯設備名請求分配 I/O設備時，系統(tǒng)為它分配相應物理設備，并在 LUT上建立一個表目，填寫進程分得的設備的邏輯名、物理名，該設備的驅(qū)動程序入口地址。 當進程再用邏輯設備名來請求 I/O操作時，系統(tǒng)查找 LUT表，找到物理設備和驅(qū)動程序。 LUT的設置問題 LUT可用兩種方式設置： 整個系統(tǒng)一張 LUT，這時系統(tǒng)中所有進程的設備分配登記在一張表中，不允許有相同的邏輯設備名，這要求所有的進程不使用相同的邏輯設備名，在多用戶環(huán)境中這很難做到。僅適宜于單用戶系統(tǒng)。 為每個用戶設置一張 LUT，當用戶登錄時，為每個用戶建立一進程，同時也為之建立一 LUT，并將 LUT放入 PCB中。整個系統(tǒng)配置了一張系統(tǒng)設備表。此時，配置情況如上圖。 2022/8/21 Device managent 62 第八節(jié) 磁盤調(diào)度 過去 30年， CPU和內(nèi)存的速度的提高遠遠超過磁盤訪問速度的提高。當前磁盤的訪問速度比主存速度差 4個數(shù)量級。將來還會進一步增大。 一、磁盤硬件特征 磁盤每面上有數(shù)百個磁道，每個磁道又被劃分為若干扇區(qū)，扇區(qū)的 信息容量相等。為了定位方便每個磁道上的扇區(qū)以 0、 3……. 編號（現(xiàn)代 SCSI接口沒有把每個磁道劃成相同扇區(qū)數(shù)，而是將磁盤劃分為幾個區(qū)，各個區(qū)有不同的扇區(qū)數(shù)）。 磁盤系統(tǒng)分成：固定磁頭磁盤和移動磁頭磁盤兩類。固定頭磁盤是磁盤上每個磁道都有一個讀寫頭，成本高；移動頭磁盤是每個盤面只有一個讀寫頭，每次執(zhí)行磁盤訪問操作都必須先移動磁頭，使其對準要找的磁道，這稱為 尋道操作 。 2022/8/21 Device managent 63 第八節(jié) 磁盤調(diào)度 (續(xù) 1) 通常計算機系統(tǒng)中的磁盤是由若干盤片組成的磁盤組，各盤片安裝在一個高速旋轉(zhuǎn)軸（ 7200轉(zhuǎn) /min）上，讀寫頭安裝在移動臂上（每個盤片一個讀寫頭）。系統(tǒng)常常將上下不用的某一盤片作為同步伺服面，供控制定位用。每個磁道是閉合的，用一個檢索符表示起點。檢索符是磁盤的一個特殊點，所有的磁道均與該點同步。檢索點的檢測是由磁盤機中專門的讀出裝置讀出。 為了對磁盤組中一個物理記錄進行定位，需要三個參數(shù)： 軸 盤片 讀寫頭 移動臂 移動頭磁盤 2022/8/21 Device managent 64 第八節(jié) 磁盤調(diào)度 （續(xù) 2） 柱面號 隨著移動臂的移動，各盤片的讀寫頭同時移動，并定位在同樣的垂直位置的磁道上。這些磁道形成柱面，由外向里編號 0、 ….n. 磁頭號 磁盤組的全部有效盤面，從上到下依次編號 0、 3…. 。稱為磁頭號。盤面號和磁頭號是對應的。 扇區(qū)號 磁盤上的一個物理記錄以三個參數(shù)來定位：柱面號、磁頭號、扇區(qū)號。 2022/8/21 Device managent 65 第八節(jié) 磁盤調(diào)度 （續(xù) 3） 二、磁盤的性能參數(shù) 磁盤 I/O的細節(jié)與計算機系統(tǒng)， OS、 I/O通道、磁盤控制硬件特性相關。磁盤 I/O傳送的一般時序如圖： 等待設備 等待通道 尋道 旋轉(zhuǎn)時延 數(shù)據(jù)傳送 設備忙 磁盤 I/O傳送時序 2022/8/21 Device managent 66 第八節(jié) 磁盤調(diào)度 （續(xù) 4） 磁盤驅(qū)動器以穩(wěn)定的速度旋轉(zhuǎn)，為了讀寫數(shù)據(jù)磁頭必須移動到需要的磁道和扇區(qū)處 . 磁頭定位到磁道所需時間稱 尋道時間 （ seek time)，如今常見的 平均尋道時間是 5 — 10ms. 定位磁道后，等待目標扇區(qū)旋轉(zhuǎn)到磁頭處所需時間稱 旋轉(zhuǎn)遲延 (rotational delay)。10000r/m轉(zhuǎn)速相當 6ms轉(zhuǎn)一周，其平均遲延為 300 — 600r/m之間，平均遲延在 100 — 200ms之間 . 尋道時間 +旋轉(zhuǎn)遲延稱 存取時間 （ access time). 定位后，磁頭開始讀 /寫操作，這是 數(shù)據(jù)傳送 時間。傳送時間取決于磁盤的傳送速度： T = b / r N b 要傳送的字節(jié)數(shù) N 一個磁道中的字節(jié)數(shù) r 旋轉(zhuǎn)速度， 單位是 轉(zhuǎn) / 秒 這三種時間都涉及機戒運動，但尋道時間將占據(jù)整個訪問時間的 70 %.減少尋道時間有特別重要的意義。 2022/8/21 Device managent 67 第八節(jié) 磁盤調(diào)度 （續(xù) 5） 三、磁盤調(diào)度策略 先來先服務 當以后訪問磁盤 請求均勻散布在整個盤面而無某種集中群傾向時， FCFS是隨機訪問模式，無法對訪問進行優(yōu)化。在磁盤訪問較多時， FCFS導致降低設備服務的吞吐量和響應時間。 各進程得到服務的響應時 間變化較小。算法簡單。 最短查找時間優(yōu)先策略（ Shortest Seek Time First ,SSTF） 在請求隊列中柱面號最接近磁頭當前位置（所在柱面）的訪問請求，作為下一個服務對象。 t 先來先服務 磁道 2022/8/21 Device managent 68 第八節(jié) 磁盤調(diào)度 （續(xù) 6） 該策略可以得到較好的吞吐量（比 FCFS），較低的平均響應時間； 對用戶的服務請求的響應時間不均等（中間磁道的服務請求得到最好的服務），導致響應時間的變化幅度很大。 掃描策略 (SCAN) 選擇請求隊列中按磁頭前進方向離磁頭當前位置最近的服務請求為下一個服務目標。 吞吐量較大、平均響應時間較小， 兩側磁道的平均訪問時間仍然低于中間磁道， t 最短查找時間優(yōu)先策略 磁道 2022/8/21 Device managent 69 第八節(jié) 磁盤調(diào)度 （續(xù) 7） 循環(huán)掃描策略（ circular SCAN, CSCAN） 作為掃描策略的改進。它是單向反復掃描。當磁臂向內(nèi)移動時對本次移動開始前的全部請求，由外向內(nèi)地依次予以服務。直到最內(nèi)層柱面訪問要求滿足，磁臂再向外運動，使磁頭停在所有新的訪問要求的最外邊的柱面上。對本次移動前到達的所有訪問要求依次服務。 磁盤調(diào)度算法很多，選擇依據(jù)與磁盤的使用環(huán)境有關。 循環(huán)掃描策略 t 2022/8/21 Device managent 70 第八節(jié) 磁盤調(diào)度 （續(xù) 8） 當磁盤的負荷不大、磁盤等待隊列中的請求數(shù)量很少時，所有的算法幾乎是等效的。這時，采用 FCFS，它維護簡單，對客戶服務較公平。 文件在磁盤上的分配方法影響磁盤的服務請求。當進程訪問一個大的連續(xù)分配文件時，磁頭移動很小。若進程訪問的是鏈接文件或索引文件，其數(shù)據(jù)塊可能散布在整個磁盤上，導至磁頭大規(guī)模移動。 基于以上情況，磁盤調(diào)度算法分別寫在獨立的模塊上，必要時可用不同的算法對磁盤進行調(diào)度。例如系統(tǒng)開始時， I/O 負荷小可用 FCFS算法，當進行目錄和 i節(jié)點查詢時，往往集中在局部磁盤區(qū)，可用最短查詢時間優(yōu)先（ SSTF）。 四、磁盤高速緩存 根據(jù)局部性原理，當一特定扇區(qū)被讀入 cache后有可能將來仍被訪問。內(nèi)存中，劃分有緩沖區(qū)，作為磁盤高速緩存而用。 2022/8/21 Device managent 71 第九節(jié) 虛擬設備管理 一、什么是 SPOOLING 通過共享設備來模擬獨占設備的動作，使獨占設備成為共享設備，從而提高設備利用率和系統(tǒng)效率，這種技術稱虛擬設備技術，實現(xiàn)這一技術的硬件和軟件系統(tǒng)稱 SPOOL(simultaneous peripheral operation on line)系統(tǒng)，或稱假脫機系統(tǒng)。 二、 SPOOL技術 SPOOL系統(tǒng)是對脫機輸入輸出工作方式的模擬，它必須有高速隨機外存(磁盤 )的支持。 SPOOL系統(tǒng)由三部分組成： 輸入井、輸出井 輸入緩沖區(qū)、輸出緩沖區(qū) 輸入進程 SPi、輸出進程 SPo SPi模擬脫機輸入的外圍控制機，將用戶要求的數(shù)據(jù)從輸入機通過輸入緩沖區(qū)送到輸入井； SPo：模擬脫機輸出的外圍控制機，將用戶要求輸出的數(shù)據(jù)從內(nèi)存送到輸出井； 2022/8/21 Device managent 72 第九節(jié) 虛擬設備管理 輸入進程 SPi 輸出進程 SPo 輸入緩沖區(qū) 輸出緩沖區(qū) 輸入井 輸出井 輸入設備 輸出 設備 SPOOLing系統(tǒng)組成 2022/8/21 Device managent 73 第九節(jié) 虛擬設備管理 三、共享打印機 利用 SPOOLing技術可將打印機改造為共享設備。 當用戶進程請求打印輸出時， SPOOLing系統(tǒng)接受用戶請求，完成下面工作： 由輸出進程在輸出井中為之申請一空閑盤塊區(qū)，放入打印數(shù)據(jù)； 輸出進程再為用戶進程申請一張用戶請求打印表，添入用戶的打印要求， 將請求打印表掛到請求打印隊列； 如果打印機空閑，輸出進程從打印隊列對首取一長打印表，根據(jù)表中要求，將欲打印數(shù)據(jù)從輸出井送到內(nèi)存緩沖區(qū)，再由打印機打印。 按此方法輸出進程逐個調(diào)用打印表，直到打印隊列為空，輸出進程將自己阻塞。直到下次打印請求被喚醒。 2022/8/21 Device managent 74 第九節(jié) 虛擬設備管理 四、 SPOOLing系統(tǒng)特點 提高 I/O速度 對設備的操作轉(zhuǎn)變?yōu)閷斎刖?/輸出井的數(shù)據(jù)存?。▽Υ疟P的訪問） 將獨占設備改造為共享設備 通過輸入井 /輸出井同時接納多個用戶請求 實現(xiàn)虛擬設備功能 通過 SPOOLing技術實現(xiàn)設備的擴展。 2022/8/21 Device managent 75 復習 一、設備管理的要求 為用戶提供統(tǒng)一的、方便的設備使用界面，將復雜的具體設備操作過程隱藏起來； 提高外部設備的利用率 保證用戶程序與設備獨立 二、設備管理的功能 外部設備的分配和回收 啟動外部設備 磁盤的驅(qū)動調(diào)度 處理外部設備的中斷事件 實現(xiàn)虛擬設備并實施管理和分配 2022/8/21 Device managent 76 復習 三、 I/O系統(tǒng)的類型 按傳輸速率分類 ： 低、中 、高速設備。 按信息交換的單位分 塊設備（ Block Device）： 傳輸速率高，幾 MB/秒， 可尋址，即可隨機讀寫任一塊， 磁盤設備的 I / O 采用 DMA 方式。 字符設備 傳輸速率低， 不可尋址， 采用中斷 I / O 方式。 按設備的共享屬性分類 獨占設備 共享設備 虛擬設備 四、時鐘管理和時鐘隊列應用 2022/8/21 Device managent 77 復習 五、緩沖管理 六、設備管理的四種方式 程序 I/O方式 中斷方式 DMA方式 通道方式 七、設備管理的數(shù)據(jù)結構和設備分配過程 八、磁盤調(diào)度策略 九、 SPOOLing 2022/8/21 Device managent 78 完