【正文】 2022/8/21 Device managent 61 第七節(jié) 設(shè)備分配 （續(xù) 5） 當(dāng)進(jìn)程用邏輯設(shè)備名請(qǐng)求分配 I/O設(shè)備時(shí)，系統(tǒng)為它分配相應(yīng)物理設(shè)備，并在 LUT上建立一個(gè)表目，填寫(xiě)進(jìn)程分得的設(shè)備的邏輯名、物理名，該設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序入口地址。 當(dāng)進(jìn)程再用邏輯設(shè)備名來(lái)請(qǐng)求 I/O操作時(shí)，系統(tǒng)查找 LUT表，找到物理設(shè)備和驅(qū)動(dòng)程序。 LUT的設(shè)置問(wèn)題 LUT可用兩種方式設(shè)置： 整個(gè)系統(tǒng)一張 LUT，這時(shí)系統(tǒng)中所有進(jìn)程的設(shè)備分配登記在一張表中，不允許有相同的邏輯設(shè)備名，這要求所有的進(jìn)程不使用相同的邏輯設(shè)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(gè)用戶設(shè)置一張 LUT，當(dāng)用戶登錄時(shí)，為每個(gè)用戶建立一進(jìn)程，同時(shí)也為之建立一 LUT，并將 LUT放入 PCB中。整個(gè)系統(tǒng)配置了一張系統(tǒng)設(shè)備表。此時(shí)，配置情況如上圖。 2022/8/21 Device managent 62 第八節(jié) 磁盤(pán)調(diào)度 過(guò)去 30年， CPU和內(nèi)存的速度的提高遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)磁盤(pán)訪問(wèn)速度的提高。當(dāng)前磁盤(pán)的訪問(wèn)速度比主存速度差 4個(gè)數(shù)量級(jí)。將來(lái)還會(huì)進(jìn)一步增大。 一、磁盤(pán)硬件特征 磁盤(pán)每面上有數(shù)百個(gè)磁道，每個(gè)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(gè)磁道上的扇區(qū)以 0、 3……. 編號(hào)（現(xiàn)代 SCSI接口沒(méi)有把每個(gè)磁道劃成相同扇區(qū)數(shù)，而是將磁盤(pán)劃分為幾個(gè)區(qū)，各個(gè)區(qū)有不同的扇區(qū)數(shù)）。 磁盤(pán)系統(tǒng)分成：固定磁頭磁盤(pán)和移動(dòng)磁頭磁盤(pán)兩類。固定頭磁盤(pán)是磁盤(pán)上每個(gè)磁道都有一個(gè)讀寫(xiě)頭，成本高；移動(dòng)頭磁盤(pán)是每個(gè)盤(pán)面只有一個(gè)讀寫(xiě)頭，每次執(zhí)行磁盤(pán)訪問(wèn)操作都必須先移動(dòng)磁頭，使其對(duì)準(zhǔn)要找的磁道，這稱為 尋道操作 。 2022/8/21 Device managent 63 第八節(jié) 磁盤(pán)調(diào)度 (續(xù) 1) 通常計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的磁盤(pán)是由若干盤(pán)片組成的磁盤(pán)組，各盤(pán)片安裝在一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)軸（ 7200轉(zhuǎn) /min）上，讀寫(xiě)頭安裝在移動(dòng)臂上（每個(gè)盤(pán)片一個(gè)讀寫(xiě)頭）。系統(tǒng)常常將上下不用的某一盤(pán)片作為同步伺服面，供控制定位用。每個(gè)磁道是閉合的，用一個(gè)檢索符表示起點(diǎn)。檢索符是磁盤(pán)的一個(gè)特殊點(diǎn)，所有的磁道均與該點(diǎn)同步。檢索點(diǎn)的檢測(cè)是由磁盤(pán)機(jī)中專門(mén)的讀出裝置讀出。 為了對(duì)磁盤(pán)組中一個(gè)物理記錄進(jìn)行定位，需要三個(gè)參數(shù)： 軸 盤(pán)片 讀寫(xiě)頭 移動(dòng)臂 移動(dòng)頭磁盤(pán) 2022/8/21 Device managent 64 第八節(jié) 磁盤(pán)調(diào)度 （續(xù) 2） 柱面號(hào) 隨著移動(dòng)臂的移動(dòng)，各盤(pán)片的讀寫(xiě)頭同時(shí)移動(dòng)，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(hào) 0、 ….n. 磁頭號(hào) 磁盤(pán)組的全部有效盤(pán)面，從上到下依次編號(hào) 0、 3…. 。稱為磁頭號(hào)。盤(pán)面號(hào)和磁頭號(hào)是對(duì)應(yīng)的。 扇區(qū)號(hào) 磁盤(pán)上的一個(gè)物理記錄以三個(gè)參數(shù)來(lái)定位：柱面號(hào)、磁頭號(hào)、扇區(qū)號(hào)。 2022/8/21 Device managent 65 第八節(jié) 磁盤(pán)調(diào)度 （續(xù) 3） 二、磁盤(pán)的性能參數(shù) 磁盤(pán) I/O的細(xì)節(jié)與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)， OS、 I/O通道、磁盤(pán)控制硬件特性相關(guān)。磁盤(pán) I/O傳送的一般時(shí)序如圖： 等待設(shè)備 等待通道 尋道 旋轉(zhuǎn)時(shí)延 數(shù)據(jù)傳送 設(shè)備忙 磁盤(pán) I/O傳送時(shí)序 2022/8/21 Device managent 66 第八節(jié) 磁盤(pán)調(diào)度 （續(xù) 4） 磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器以穩(wěn)定的速度旋轉(zhuǎn)，為了讀寫(xiě)數(shù)據(jù)磁頭必須移動(dòng)到需要的磁道和扇區(qū)處 . 磁頭定位到磁道所需時(shí)間稱 尋道時(shí)間 （ seek time)，如今常見(jiàn)的 平均尋道時(shí)間是 5 — 10ms. 定位磁道后，等待目標(biāo)扇區(qū)旋轉(zhuǎn)到磁頭處所需時(shí)間稱 旋轉(zhuǎn)遲延 (rotational delay)。10000r/m轉(zhuǎn)速相當(dāng) 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(shí)間 +旋轉(zhuǎn)遲延稱 存取時(shí)間 （ access time). 定位后，磁頭開(kāi)始讀 /寫(xiě)操作，這是 數(shù)據(jù)傳送 時(shí)間。傳送時(shí)間取決于磁盤(pán)的傳送速度： T = b / r N b 要傳送的字節(jié)數(shù) N 一個(gè)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(shí)間都涉及機(jī)戒運(yùn)動(dòng)，但尋道時(shí)間將占據(jù)整個(gè)訪問(wèn)時(shí)間的 70 %.減少尋道時(shí)間有特別重要的意義。 2022/8/21 Device managent 67 第八節(jié) 磁盤(pán)調(diào)度 （續(xù) 5） 三、磁盤(pán)調(diào)度策略 先來(lái)先服務(wù) 當(dāng)以后訪問(wèn)磁盤(pán) 請(qǐng)求均勻散布在整個(gè)盤(pán)面而無(wú)某種集中群傾向時(shí)， FCFS是隨機(jī)訪問(wèn)模式，無(wú)法對(duì)訪問(wèn)進(jìn)行優(yōu)化。在磁盤(pán)訪問(wèn)較多時(shí)， FCFS導(dǎo)致降低設(shè)備服務(wù)的吞吐量和響應(yīng)時(shí)間。 各進(jìn)程得到服務(wù)的響應(yīng)時(shí) 間變化較小。算法簡(jiǎn)單。 最短查找時(shí)間優(yōu)先策略（ Shortest Seek Time First ,SSTF） 在請(qǐng)求隊(duì)列中柱面號(hào)最接近磁頭當(dāng)前位置（所在柱面）的訪問(wèn)請(qǐng)求，作為下一個(gè)服務(wù)對(duì)象。 t 先來(lái)先服務(wù) 磁道 2022/8/21 Device managent 68 第八節(jié) 磁盤(pán)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(yīng)時(shí)間； 對(duì)用戶的服務(wù)請(qǐng)求的響應(yīng)時(shí)間不均等（中間磁道的服務(wù)請(qǐng)求得到最好的服務(wù)），導(dǎo)致響應(yīng)時(shí)間的變化幅度很大。 掃描策略 (SCAN) 選擇請(qǐng)求隊(duì)列中按磁頭前進(jìn)方向離磁頭當(dāng)前位置最近的服務(wù)請(qǐng)求為下一個(gè)服務(wù)目標(biāo)。 吞吐量較大、平均響應(yīng)時(shí)間較小， 兩側(cè)磁道的平均訪問(wèn)時(shí)間仍然低于中間磁道， t 最短查找時(shí)間優(yōu)先策略 磁道 2022/8/21 Device managent 69 第八節(jié) 磁盤(pán)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(jìn)。它是單向反復(fù)掃描。當(dāng)磁臂向內(nèi)移動(dòng)時(shí)對(duì)本次移動(dòng)開(kāi)始前的全部請(qǐng)求，由外向內(nèi)地依次予以服務(wù)。直到最內(nèi)層柱面訪問(wèn)要求滿足，磁臂再向外運(yùn)動(dòng)，使磁頭停在所有新的訪問(wèn)要求的最外邊的柱面上。對(duì)本次移動(dòng)前到達(dá)的所有訪問(wèn)要求依次服務(wù)。 磁盤(pán)調(diào)度算法很多，選擇依據(jù)與磁盤(pán)的使用環(huán)境有關(guān)。 循環(huán)掃描策略 t 2022/8/21 Device managent 70 第八節(jié) 磁盤(pán)調(diào)度 （續(xù) 8） 當(dāng)磁盤(pán)的負(fù)荷不大、磁盤(pán)等待隊(duì)列中的請(qǐng)求數(shù)量很少時(shí)，所有的算法幾乎是等效的。這時(shí)，采用 FCFS，它維護(hù)簡(jiǎn)單，對(duì)客戶服務(wù)較公平。 文件在磁盤(pán)上的分配方法影響磁盤(pán)的服務(wù)請(qǐng)求。當(dāng)進(jìn)程訪問(wèn)一個(gè)大的連續(xù)分配文件時(shí)，磁頭移動(dòng)很小。若進(jìn)程訪問(wèn)的是鏈接文件或索引文件，其數(shù)據(jù)塊可能散布在整個(gè)磁盤(pán)上，導(dǎo)至磁頭大規(guī)模移動(dòng)。 基于以上情況，磁盤(pán)調(diào)度算法分別寫(xiě)在獨(dú)立的模塊上，必要時(shí)可用不同的算法對(duì)磁盤(pán)進(jìn)行調(diào)度。例如系統(tǒng)開(kāi)始時(shí)， I/O 負(fù)荷小可用 FCFS算法，當(dāng)進(jìn)行目錄和 i節(jié)點(diǎn)查詢時(shí)，往往集中在局部磁盤(pán)區(qū)，可用最短查詢時(shí)間優(yōu)先（ SSTF）。 四、磁盤(pán)高速緩存 根據(jù)局部性原理，當(dāng)一特定扇區(qū)被讀入 cache后有可能將來(lái)仍被訪問(wèn)。內(nèi)存中，劃分有緩沖區(qū)，作為磁盤(pán)高速緩存而用。 2022/8/21 Device managent 71 第九節(jié) 虛擬設(shè)備管理 一、什么是 SPOOLING 通過(guò)共享設(shè)備來(lái)模擬獨(dú)占設(shè)備的動(dòng)作，使獨(dú)占設(shè)備成為共享設(shè)備，從而提高設(shè)備利用率和系統(tǒng)效率，這種技術(shù)稱虛擬設(shè)備技術(shù)，實(shí)現(xiàn)這一技術(shù)的硬件和軟件系統(tǒng)稱 SPOOL(simultaneous peripheral operation on line)系統(tǒng)，或稱假脫機(jī)系統(tǒng)。 二、 SPOOL技術(shù) SPOOL系統(tǒng)是對(duì)脫機(jī)輸入輸出工作方式的模擬，它必須有高速隨機(jī)外存(磁盤(pán) )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(jìn)程 SPi、輸出進(jìn)程 SPo SPi模擬脫機(jī)輸入的外圍控制機(jī)，將用戶要求的數(shù)據(jù)從輸入機(jī)通過(guò)輸入緩沖區(qū)送到輸入井； SPo：模擬脫機(jī)輸出的外圍控制機(jī)，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(shè)備管理 輸入進(jìn)程 SPi 輸出進(jìn)程 SPo 輸入緩沖區(qū) 輸出緩沖區(qū) 輸入井 輸出井 輸入設(shè)備 輸出 設(shè)備 SPOOLing系統(tǒng)組成 2022/8/21 Device managent 73 第九節(jié) 虛擬設(shè)備管理 三、共享打印機(jī) 利用 SPOOLing技術(shù)可將打印機(jī)改造為共享設(shè)備。 當(dāng)用戶進(jìn)程請(qǐng)求打印輸出時(shí)， SPOOLing系統(tǒng)接受用戶請(qǐng)求，完成下面工作： 由輸出進(jìn)程在輸出井中為之申請(qǐng)一空閑盤(pán)塊區(qū)，放入打印數(shù)據(jù)； 輸出進(jìn)程再為用戶進(jìn)程申請(qǐng)一張用戶請(qǐng)求打印表，添入用戶的打印要求， 將請(qǐng)求打印表掛到請(qǐng)求打印隊(duì)列； 如果打印機(jī)空閑，輸出進(jìn)程從打印隊(duì)列對(duì)首取一長(zhǎng)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(jī)打印。 按此方法輸出進(jìn)程逐個(gè)調(diào)用打印表，直到打印隊(duì)列為空，輸出進(jìn)程將自己阻塞。直到下次打印請(qǐng)求被喚醒。 2022/8/21 Device managent 74 第九節(jié) 虛擬設(shè)備管理 四、 SPOOLing系統(tǒng)特點(diǎn) 提高 I/O速度 對(duì)設(shè)備的操作轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)輸入井 /輸出井的數(shù)據(jù)存取（對(duì)磁盤(pán)的訪問(wèn)） 將獨(dú)占設(shè)備改造為共享設(shè)備 通過(guò)輸入井 /輸出井同時(shí)接納多個(gè)用戶請(qǐng)求 實(shí)現(xiàn)虛擬設(shè)備功能 通過(guò) SPOOLing技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的擴(kuò)展。 2022/8/21 Device managent 75 復(fù)習(xí) 一、設(shè)備管理的要求 為用戶提供統(tǒng)一的、方便的設(shè)備使用界面，將復(fù)雜的具體設(shè)備操作過(guò)程隱藏起來(lái)； 提高外部設(shè)備的利用率 保證用戶程序與設(shè)備獨(dú)立 二、設(shè)備管理的功能 外部設(shè)備的分配和回收 啟動(dòng)外部設(shè)備 磁盤(pán)的驅(qū)動(dòng)調(diào)度 處理外部設(shè)備的中斷事件 實(shí)現(xiàn)虛擬設(shè)備并實(shí)施管理和分配 2022/8/21 Device managent 76 復(fù)習(xí) 三、 I/O系統(tǒng)的類型 按傳輸速率分類 ： 低、中 、高速設(shè)備。 按信息交換的單位分 塊設(shè)備（ Block Device）： 傳輸速率高，幾 MB/秒， 可尋址，即可隨機(jī)讀寫(xiě)任一塊， 磁盤(pán)設(shè)備的 I / O 采用 DMA 方式。 字符設(shè)備 傳輸速率低， 不可尋址， 采用中斷 I / O 方式。 按設(shè)備的共享屬性分類 獨(dú)占設(shè)備 共享設(shè)備 虛擬設(shè)備 四、時(shí)鐘管理和時(shí)鐘隊(duì)列應(yīng)用 2022/8/21 Device managent 77 復(fù)習(xí) 五、緩沖管理 六、設(shè)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(shè)備管理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和設(shè)備分配過(guò)程 八、磁盤(pán)調(diào)度策略 九、 SPOOLing 2022/8/21 Device managent 78 完