【正文】 特點： 一是 ， 進程是以 物理設備名 來提出輸入輸出請求的。 二是 ， 系統(tǒng)采用的是 單通路 的輸入輸出系統(tǒng)結構。這樣的系統(tǒng)容易產(chǎn)生 “瓶頸 ”現(xiàn)象。 為此，對設備分配程序做以下改進： （ 1）增加設備的獨立性。 進程應以邏輯設備名請求輸入輸出。系統(tǒng)首先根據(jù)系統(tǒng)設備表找到第一個該類設備的設備分配表，若該設備忙，則查找第二個該類設備的設備分配表，僅當所有該類設備都忙時，才把進程掛在該類設備的等待隊列上。這樣通過增加設備的獨立性，提高了設備分配的安全性。1/28/2023 第七章 設備管理 （ 2）考慮多通路情況。 系統(tǒng)采用多通路的輸入輸出系統(tǒng)結構，如圖示： 即一個設備可以由多個控制器控制，一個控制器可以由多個通道控制（即增加圖中的虛線部分）。這樣，可以防止系統(tǒng)出現(xiàn) “瓶頸 ”現(xiàn)象。也就是對控制器和通道的分配，同樣經(jīng)過幾次反復，只要有一個控制器或通道可用，系統(tǒng)就可以把它分配給進程。這樣，就增加了分配控制器和通道的可能性，提高了設備分配的效率。返回1/28/2023 第七章 設備管理 127 SPOOLing技術n 虛擬設備技術 虛擬設備：指通過某種虛擬技術，將一臺物理設備變換成若干臺邏輯設備，從而實現(xiàn)多個用戶對該物理設備的同時共享。由于多臺邏輯設備實際上并不存在，而只是給用戶的一種感覺，因此被稱作虛擬設備。 過程： 當進程中請求獨享設備時，系統(tǒng)將共享設備的一部分存儲空間分配給它。進程與設備交換信息時，系統(tǒng)把要交換的信息存放在這部分存儲空間，在適當?shù)臅r候?qū)π畔⒆飨鄳奶幚怼? 1/28/2023128n SPOOLing的概念 為了緩和 CPU的高速性與 I/O設備低速性間的矛盾而引了脫機輸入、脫機輸出技術，利用專門的外圍控制機，將數(shù)據(jù)在低速 I/O設備上與高速磁盤之間傳送。通過共享設備來模擬獨享設備所采用的操作是假脫機操作，或 SPOOLing ，即在聯(lián)機情況下外部設備設備同時操作。什么是 SPOOLing系統(tǒng)？ 指在多道程序的環(huán)境下，利用多道程序中的一道或兩道程序來模擬外圍控制機，從而在聯(lián)機的條件下實現(xiàn)脫機 I/O的功能。1/28/2023129n SPOOLing系統(tǒng)的組成1． 輸入井和輸出井。 2． 輸入緩沖區(qū)和輸出緩沖區(qū)。 3． 輸入進程和輸出進程。1/28/2023130n 假脫機技術的組成： （ 1）輸入井和輸出井。這是在磁盤上開辟的兩個大的存儲區(qū)。輸入井是模擬脫機輸入時的磁盤，用于收容輸入設備輸入的數(shù)據(jù)。輸出井是模擬脫機輸出時的磁盤，用于收容用戶程序的輸出數(shù)據(jù)。 （ 2）輸入緩沖區(qū)和輸出緩沖區(qū)。它們是在主存中開辟的兩個緩沖區(qū)。輸入緩沖區(qū)用于暫存由輸入設備送來的數(shù)據(jù)，以后再傳送到輸入井，輸出緩沖區(qū)用于暫存從輸出井送來的數(shù)據(jù)，以后再傳送給輸出設備。 （ 3）輸入進程和輸出進程。輸入進程模擬脫機輸入時的外圍控制機，將用戶要求的數(shù)據(jù)從輸入設備，通過輸入緩沖區(qū)送到輸入井。當 CPU需要數(shù)據(jù)時，直接從輸入井讀入主存。輸出進程模擬脫機輸出時的外圍控制機，把用戶要求輸出的數(shù)據(jù)，先從主存送到輸出井，待輸出設備空閑時，再將輸出井中的數(shù)據(jù)，經(jīng)過輸出緩沖區(qū)送到輸出設備上。1/28/2023131n 思考題SPOOLing是如何實現(xiàn)輸入輸出的？ 輸入進程模擬脫機輸入時的外圍控制機，將用戶要求的數(shù)據(jù)從輸入機通過輸入緩沖區(qū)再送到輸入井，當 CPU需要輸入數(shù)據(jù)時，直接從輸入井讀入內(nèi)存； 輸出進程模擬脫機輸出時的外圍控制機，把用戶要求輸出的數(shù)據(jù)先從內(nèi)存送到輸出井，待輸出設備空閑時，再將輸出井中的數(shù)據(jù)經(jīng)過輸出緩沖區(qū)送到輸出設備上。1/28/2023132用 SPOOLing技術實現(xiàn)打印機共享例 系統(tǒng)在外存開辟了一個打印機輸出井和一個磁帶機輸入井。 對用戶進程來說，這就是一臺虛擬打印機和一臺虛擬磁帶機。 當進程需要從磁帶機輸入數(shù)據(jù)時， SPOOLing系統(tǒng)啟動磁帶機，將數(shù)據(jù)讀入磁帶機輸入井中，隨后進程直接從輸入井提取數(shù)據(jù)，不需再等待。 當進程需要打印輸出時，它們將數(shù)據(jù)高速地送入打印機輸出井，然后繼續(xù)運行。在輸出井等待打印的數(shù)據(jù)形成打印隊列，由 SPOOLing系統(tǒng)控制在適當?shù)臅r候完成實際的打印工作。1/28/2023133 虛擬設備除了可以減少進程對設備的等待時間外，還可以解決多個進程對獨占設備的競爭問題。例如，在設置了虛擬打印機的系統(tǒng)中，每個進程都可以隨時執(zhí)行打印輸出操作，好像系統(tǒng)的打印機是自己獨占的。也就是說，使用虛擬設備永遠不會引起進程死鎖。1/28/2023134 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。1/28/2023135n 思考題請說明 SPOOLing 系統(tǒng)是如何實現(xiàn)虛擬設備的？ 答： SPOOLing系統(tǒng)主要由輸入井和輸出井、輸入緩沖區(qū)和輸出緩沖區(qū)、輸入進程和輸出三部分組成。 當要運行用戶程序時，由輸入進程將用戶要求的程序和數(shù)據(jù)預先從輸入設備經(jīng)由輸入緩沖區(qū)送到輸入井，當程序運行需要輸入數(shù)據(jù)時，直接從輸入井將數(shù)據(jù)讀入內(nèi)存。 當用戶程序要求輸出數(shù)據(jù)時，由輸出進程先將數(shù)據(jù)從內(nèi)存送到輸出井，待輸出設備空閑時，再將輸出井中的數(shù)據(jù)經(jīng)由輸出緩沖區(qū)送到輸出設備上。 由于磁盤是共享設備，輸入井及輸出井是磁盤上的兩個存儲區(qū)域，因此多個用戶進程可以共享使用輸入井及輸出井，這樣，就將獨占型設備改造成了可共享使用的虛擬設備。1/28/2023136n SPOOLing系統(tǒng)特點 1． 提高了 I/O速度。 2． 將獨享設備改造為共享設備。 3． 實現(xiàn)了虛擬設備功能。 (1) 提高了輸入輸出速度。 SPOOLing技術引入了輸入井和輸出井，可以使輸入進程、用戶進程和輸出進程同時工作，從而提高了輸入輸出速度。 (2) 將獨占設備改造為共享設備。由于 SPOOLing技術把所有用戶進程的輸出都送入輸出井，然后再由輸出進程完成打印工作，而輸出井在磁盤上，為共享設備。這樣SPOOLing技術就把打印機等獨占設備改造成了共享設備。 (3) 實現(xiàn)了虛擬設備功能。由于 SPOOLing技術實現(xiàn)了多個用戶進程共同使用打印機這種獨占設備的情況，從而實現(xiàn)了把一個設備當成多個設備來使用，即虛擬設備的功能。1/28/2023137 磁盤存儲器的管理n 磁盤性能簡述磁盤的結構 每個盤面上有許多磁道，從 0開始按由外向里的次序順序編號，不同盤面上具有相同編號的磁道在同一個柱面上，把盤面上的磁道號稱為 “柱面號 ”。 每個盤面有一個讀寫磁頭，所有的讀寫磁頭被固定在唯一的移動臂上同時移動，把所有的讀寫磁頭按從上到下的次序從 0開始進行編號，稱為磁頭號。 在磁盤初始化時把每個盤面劃分成相等數(shù)量的扇區(qū)，按磁盤旋轉(zhuǎn)的反向從 0開始給各扇區(qū)編號，稱為扇區(qū)號。 要確定一個塊所在的位置，必須給出三個參數(shù)：柱面號、磁頭號、扇區(qū)號。1/28/2023138n 磁盤的類型 1) 固定頭磁盤 ? 這種磁盤在每條磁道上都有一讀 /寫磁頭，所有的磁頭都被裝在一剛性磁臂中。通過這些磁頭可訪問所有各磁道，并進行并行讀 /寫，有效地提高了磁盤的 I/O速度。 這種結構的磁盤主要用于大容量磁盤上。 ? 2) 移動頭磁盤 ? 每一個盤面僅配有一個磁頭，也被裝入磁臂中。為能訪問該盤面上的所有磁道，該磁頭必須能移動以進行尋道?？梢?，移動磁頭僅能以串行方式讀 /寫，致使其 I/O速度較慢；但由于其結構簡單， 故仍廣泛應用于中小型磁盤設備中。1/28/2023139n 磁盤訪問時間 啟動磁盤執(zhí)行輸入輸出操作時，要把移動臂移動到指定的柱面，再等待指定的扇區(qū)旋轉(zhuǎn)到磁頭位置下，然后讓指定的磁頭進行讀寫，完成信息傳送。因此，執(zhí)行一次輸入輸出所花的時間有： 1）尋道時間 —— 磁頭在移動臂帶動下移動到指定柱面所花的時間。（ Seek） 2）延遲時間 (Delay)—— 指定扇區(qū)旋轉(zhuǎn)到磁頭下所需的時間。 3）傳輸時間 —— 由磁頭進行讀寫完成信息傳送的時間。1/28/2023140 磁盤調(diào)度n FCFS 這是最簡單的一種磁盤調(diào)度算法。它根據(jù)進程請求訪問磁盤的先后次序進行調(diào)度。 它將各進程對磁盤請求的等待隊列按提出請求的時間進行排序，并按此次序給予服務。 它對各進程是公平的，它不管進程優(yōu)先級多高，只要是新來到的訪問請求，都被排在隊尾。1/28/2023141 例如，如果現(xiàn)在讀寫磁頭正在 53號柱面上執(zhí)行輸入輸出操作，而等待訪問者依次要訪問的柱面為 98， 183， 37，122， 14， 124， 65， 67。那么，當 53號柱面上的操作結束后，移動臂將按請求的先后次序先移到 98號往面，最后到達67號柱面，如下圖所示。 其相應的臂的總移動量為：（ 9853） +（ 18398） +（ 18337） +（ 12237） +（ 12214） +（12414） +（ 12465） +（ 6765） =45 + 85+146+85+108+110+59+2 = 640 1/28/2023142n 當用戶提出的訪問請求比較均勻地遍布整個盤面，而不是集中某部分時，先來先服務策略導致了隨機訪問模式，在這種策略下無法對訪問進行優(yōu)化。在對磁盤的訪問請求比較多的情況下，此策略將降低設備服務的吞吐量和提高響應時間，但各進程得到服務的響應時間的變化幅度較小。n 先來先服務策略在訪問請求不是很多的情況下，是一個可以接受地策略，而且算法的實現(xiàn)比較簡單1/28/2023143n SSTF 選擇請求隊列中柱面號最接近于磁頭當前所在的柱面的訪問要求，作為下一個服務對象。 此策略可以得到比較好的吞吐量和較低的平均響應時間。1/28/2023144 現(xiàn)對需要存取得磁筒進行排序： 14， 37， 65， 67 98，122， 124， 相對于 53最近的磁筒為 65。余下的問題是在到達 67后，下一個目標是？ 37， 67， 98其差為 30與 31，所以下一個目標為 37。1/28/2023145 其缺點是對用戶的服務請求的響應機會不是均等的，對中間磁道的訪問請求得到最好的服務，對內(nèi)、外兩側(cè)磁道的服務隨偏離中心磁道的距離愈遠而愈差，因而導致響應時間的變化幅度很大，在服務請求很多的情況下，對內(nèi)、外邊緣磁道的請求將會無限期地被延遲。因而有些請求的響應時間將不可預期。1/28/2023146電梯調(diào)度算法 “電梯調(diào)度 ”算法總是從移動臂當前位置開始沿著臂的移動方向去選擇離當前移動臂最近的那個住面的訪問者，如果沿臂的移動方向無請求訪問時，就改變臂的移動方向再選擇。 這好比乘電梯，如果電梯已向上運動到 4層時，依次有 3位乘客 A， B， C，他們的要求是： A在 2層等待去 10層； B在 5層等待去底層； C在 8層等待上15層。電梯管理員不是按照乘客來到的先后次序服務，而是考慮電梯的效率。在這種情況下，沿電梯運動方向總是先把乘客 C帶到 15層，然后把乘客 B帶到底層，最后再把乘客 A送到 10層。1/28/2023147n 掃描算法是在選擇請求隊列中，按磁臂前進方向最接近于磁頭當前所在柱面的訪問要求作為下一個服務對象。 此策略基本上克服了最短查找時間優(yōu)先策略的服務集中于中間磁道和響應時間變化比較大的缺點。 并且具有最短查找時間優(yōu)先策略地優(yōu)點，即吞吐量比較大，平均響應時間較小，但是由于是擺動式的掃描方法，兩側(cè)磁道被訪問的頻率仍然低于中間磁道，比最短查找時間優(yōu)先策略要好多了。1/28/2023148 對相同的例子采用單向掃描調(diào)度算法的執(zhí)行次序為：65， 67 98， 122， 124， 183 ， 此時移動臂繼續(xù)向里移動，直到最內(nèi)的柱面（圖中為 199號柱面）后，再返回到 0號柱面， 重新掃描時依次為 37 ， 14柱面的訪問者服務。 1/28/2023149n 循環(huán)掃描