【正文】 2023年 1月 上午 5時 2分 :02January 22, 2023 ? 1業(yè)余生活要有意義，不要越軌。 05:02:3205:02:3205:02Sunday, January 22, 2023 ? 1知人者智，自知者明。 上午 5時 2分 32秒 上午 5時 2分 05:02: ? 楊柳散和風，青山澹吾慮。 2023年 1月 22日星期日 上午 5時 2分 32秒 05:02: ? 1楚塞三湘接，荊門九派通。 05:02:3205:02:3205:021/22/2023 5:02:32 AM ? 1成功就是日復一日那一點點小小努力的積累。 2023年 1月 上午 5時 2分 :02January 22, 2023 ? 1行動出成果，工作出財富。 05:02:3205:02:3205:02Sunday, January 22, 2023 ? 1乍見翻疑夢，相悲各問年。 返回目錄 ? 靜夜四無鄰，荒居舊業(yè)貧。不過，當 FIFO隊列里排頭的 I/O請求超過時限時，調(diào)度程序就對它進行調(diào)度服務，處理完成后將其從排序電梯隊列和相應的 FIFO隊列里移走，一切又恢復依舊。此外，若是“讀”請求，就按到達的時間順序，排在“讀” FIFO隊列末尾；若是“寫”請求，就按到達的時間順序，排在“寫” FIFO隊列的末尾。但是，對于大多數(shù)讀請求卻不然，因為進程的進一步運行有可能需要這些數(shù)據(jù)，進程必須等待得到所需的數(shù)據(jù)時止。Linux的電梯 I/O調(diào)度策略會將它們重新排序成為 2 105。 .返回目錄 ? Linux的磁盤調(diào)度 1. 電梯 I/O調(diào)度策略 . Linux電梯 I/O調(diào)度是 SCAN調(diào)度策略的變體，它為磁盤的讀 /寫請求維護一個隊列，在這個隊列上實行排序和合并功能。兩結(jié)構(gòu)間關(guān)系，如圖所示。組成請求隊列時，只需要 buffer_head結(jié)構(gòu)去排隊。數(shù)組元素下標為這個塊設(shè)備的主設(shè)備號，填入到設(shè)備文件對應的 inode節(jié)點里。該結(jié)構(gòu)由兩項內(nèi)容： name：登記該設(shè)備的設(shè)備驅(qū)動程序名； *fops：指向該特殊文件的文件操作表（ block_device_operations ）結(jié)構(gòu)。 在系統(tǒng)初始化時， Linux對 各種字符設(shè)備進行 初始化。 返回目錄 ? Linux對字符設(shè)備的管理 1. device_struct結(jié)構(gòu) . 每個初始化的設(shè)備有一個 device_struct結(jié)構(gòu)。因此，同一個機器上的兩個軟盤有相同的主設(shè)備號，但次設(shè)備號不同。 . 一般文件先從普通文件的邏輯空間映射到相應設(shè)備邏輯空間，然后進入設(shè)備驅(qū)動層，完成從設(shè)備邏輯空間到設(shè)備物理空間的映射，驅(qū)動底層物理設(shè)備執(zhí)行 I/O工作；特殊文件直接進入設(shè)備驅(qū)動層，完成從設(shè)備邏輯空間到設(shè)備物理空間的映射，驅(qū)動底層物理設(shè)備去執(zhí)行 I/O工作。 . 如圖給出 Linux設(shè)備驅(qū)動的分層結(jié)構(gòu)。創(chuàng)建套接字，返回文件描述符，以建立連接、讀取數(shù)據(jù)、寫入數(shù)據(jù)和釋放連接。即 Linux的文件系統(tǒng)里，沒有與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備相對應的索引節(jié)點。 . Linux把系統(tǒng)中的設(shè)備分成三大類：塊設(shè)備、字符設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。 . RAID 5級中的奇偶校驗條帶的信息以螺 旋方式散布在磁盤陣列的所有磁盤上。如果發(fā)生磁盤故障，則訪問奇偶校驗磁盤，通過其余的磁盤可以重新構(gòu)造數(shù)據(jù)。 . 這種數(shù)據(jù)的組織方式，對多個讀操作可以并行處理，因此有很高的傳輸速度。 RAID 2 級 (3) RAID 2 級實行位級分散：每個字節(jié)的第 1位放在磁盤 1上，第 2位放在磁盤 2上，如此進行。 . . RAID 1級通過將所有數(shù)據(jù)復制到鏡像磁盤的方法來實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的冗余。 RAID 1 級 (2) . RAID 1 級原磁盤陣列為主磁盤，外增完全相同的磁盤陣列為備份盤。 RAID 0 級對大數(shù)據(jù)量的請求，工作性能最好。 如圖所示，是有 4個磁盤陣列的情形。 RAID 0 級 (1) . RAID 0 級不是 RAID的正式成員，因它沒有用冗余數(shù)據(jù)來提高系統(tǒng)的可靠性。將這兩者結(jié)合起來，給出不同的組合方案，才能在低代價下提供冗余，保證系統(tǒng)的高傳輸率。 這是因為在多磁盤組成的磁盤陣列里，可存儲有關(guān)數(shù)據(jù)的額外信息，額外的冗余信息，正常情況下沒有什么用，但在系統(tǒng)出錯或磁盤損壞時，卻可用來進行對數(shù)據(jù)的糾錯，或修復。 利用多磁盤的并行訪問能力，可改善磁盤的傳輸率 。但磁盤性能的改善，遠遠跟不上處理器和內(nèi)存儲器性能的飛速發(fā)展。 所謂“ FSCAN”策略，是只使用兩個隊列的調(diào)度策略。 . ① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦ ⑧ . 為使服務更趨合理，還有如 NstepSCAN和 FSCAN等磁盤調(diào)度策略。然后磁頭不做任何服務地返回到 0號磁道，開始下一次掃描。 0 14 37 53 65 67 98 122 124 183 磁道號 初始移動方向 0 14 37 53 65 67 98 122 124 183 磁道號 初始移動方向 .. 如圖表示移動臂由外往里移動，從 53磁道出發(fā)，調(diào)度順序為 6 69 12 124，最后到 隨后移動臂反轉(zhuǎn)服務方向，同樣按順序做掃描完成所有 I/O請求。由于 14磁 道往外已無 I/O請求，故改變掃描方向。 . 2. 最短尋道優(yōu)先調(diào)度策略 0 14 37 53 65 67 98 122 124 183 磁道號 ① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦ ⑧ . “最短尋道優(yōu)先（ SSTF）”調(diào)度策略，是把距離磁頭當前位置最近的那個 I/O請求作為下一次調(diào)度的對象。下面將以此為基礎(chǔ)，討論在 I/O隊列里挑選 I/O請求的各種調(diào)度策略。磁頭需要來回頻繁移動進行尋道操作。試問：（ 1）順序 讀出 5個記錄并進行處理，共需多少時間？（ 2）給 出一種在磁盤上安排記錄的策略，使整個時間盡可能少。只有當磁頭位于指定的磁道和該磁道中指定的扇區(qū)開始處時，才能夠進行讀或?qū)懖僮?。該文件?0柱面、 0磁道、 0扇區(qū)順序存放。于是，求第 p塊在磁盤上位置的公式為： 柱面號 = M。所以，磁盤上磁盤塊（即扇區(qū)）的編號是按柱面的順序進行（從 0開始），每個柱面按柱面的磁 頭順序進行（從 0開始），每個磁道按扇區(qū)順序進行（從 0開始）。 .. 所謂“創(chuàng)建文件系統(tǒng)”，即是在分區(qū)里完成文件系統(tǒng)的初始化，比如建立分區(qū)目錄結(jié)構(gòu)、記錄該分區(qū)扇區(qū)使用情況的數(shù)據(jù)（總扇區(qū)數(shù)、已分配扇區(qū)數(shù)、空閑扇區(qū)數(shù)）等。 為使磁盤能存儲文件，操作系統(tǒng)還需在磁盤上記錄自己的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它由兩部分組成：分區(qū)和創(chuàng)建文件系統(tǒng)。 (3) 這種對磁盤的分區(qū)和創(chuàng)建文件系統(tǒng)的工作，被稱為“高級格式化”。在磁盤控制器往扇區(qū)寫數(shù)據(jù)時，會根據(jù)所寫數(shù)據(jù)計算出一個值對 ECC進行更新。 . 所謂“低級格式化”，指將磁盤的每個盤面劃分成可供磁盤控制器進行讀 /寫的扇區(qū)的過程。磁盤控制器可根據(jù)這些信息識別一個扇區(qū)的開始，以及是哪一個扇區(qū)。 (3) (2) 將獨占設(shè)備改造為共享設(shè)備。 . 共享打印機 共享打印機技術(shù)已被廣泛地用于多用戶系統(tǒng)和局域網(wǎng)絡(luò)中 。 2. SPOOLing技術(shù) . 為實現(xiàn)虛擬設(shè)備，在磁盤上劃出兩塊專用的存儲空間，一塊預先存放 I/O設(shè)備的輸入數(shù)據(jù)信息，被稱為“輸入井”；另一塊暫時存放每個運行作業(yè)進程的輸出數(shù)據(jù)信息，被稱為“輸出井”，如圖所示。 返回目錄 當系統(tǒng)中只有一臺輸入或輸出設(shè)備，卻有好幾個用戶都要使用時，那么一個用戶必須等待其他用戶使用完才能去用，這不利于多道程序并行工作，也影響到系統(tǒng)效率的發(fā)揮。因此，緩沖池中有三種類型的緩沖區(qū)：空閑的，當前用于輸入的，以及當前用于輸出的。但它不僅耗費很多的內(nèi)存空間，有時還會出現(xiàn)問題：如果設(shè)備緩沖區(qū)的數(shù)目不夠多，那么就可能會使進程因等待緩沖區(qū)而阻塞，影響系統(tǒng)并行處理能力的發(fā)揮；如果對設(shè)備的 I/O請求很少，那么分配用于作為緩沖區(qū)的內(nèi)存空間就不能得到充分的利用。這種使用兩個緩沖區(qū)來完成緩沖的技術(shù)，稱之為“雙緩沖”。 操作系統(tǒng) 用戶進程 用戶數(shù)據(jù)區(qū) 操作系統(tǒng) 進入 進入 單緩沖 用戶進程 用戶數(shù)據(jù)區(qū) 移到 (a) 沒有緩沖的 I/O (b) 設(shè)置單緩沖的 I/O 圖 (a)是沒有緩沖區(qū)時，數(shù)據(jù)從 I/O設(shè)備讀到內(nèi)存用戶區(qū)的情形；圖 (b)是設(shè)置單緩沖區(qū)時，數(shù)據(jù)從 I/O設(shè)備讀到內(nèi)存用戶區(qū)的情形。 . 緩沖區(qū)不僅適用于 CPU與 I/O設(shè)備之間，凡數(shù)據(jù)到達率與數(shù)據(jù)離去率不一致的地方，都可通過緩沖區(qū)來解決它們間的不匹配矛盾。 返回目錄 緩沖、虛擬設(shè)備與 SPOOLing技術(shù) ? I/O緩沖 1. 緩沖技術(shù)的意義 在 I/O系統(tǒng)中，所謂“緩沖”，是指臨時保存數(shù)據(jù)信息的存儲區(qū)。通道分時地執(zhí)行各個通道程序，以字節(jié)為單位，完成和內(nèi)存間的數(shù)據(jù)交換。 數(shù)據(jù)傳輸完畢，通道向 CPU發(fā)出中斷請求。 . . 使用通道方式進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟襟E如下： (1) CPU響應通道提出的中斷請求，對這次 I/O進行善后處理，把阻塞進程的狀態(tài)變?yōu)榫途w，重新參與對 CPU的競爭。這時，為了使通道能取到通道程序去執(zhí)行，必須把存放通道程序的內(nèi)存起址告訴通道。 命令碼 數(shù)據(jù)內(nèi)存地址 標志碼 傳輸字節(jié)個數(shù) 0 7 8 31 32 39 40 63 . 若干通道命令字構(gòu)成一個“通道程序”，它規(guī)定了設(shè)備應該執(zhí)行的各種操作和順序。 通道管理 I/O 1. 通道的含義 通道是一個獨立于 CPU的、專門用來管理輸入 /輸出操作的處理機，由它控制設(shè)備與內(nèi)存進行數(shù)據(jù)交換。因此，訪問一個扇區(qū)需要的時間是： 1/（ 6 80） =1/480s。若磁盤的旋轉(zhuǎn)速度為360轉(zhuǎn) /分。相比周期竊取，突發(fā)模式竊取了更多的總線時間，傳輸了更多的字節(jié)。這表示數(shù)據(jù)從設(shè)備緩沖區(qū)傳輸?shù)絻?nèi)存期間，設(shè)備控制器偷偷地挪用了一個 CPU的總線周期，讓 CPU遭受到輕微地延遲。 (4) 數(shù)據(jù)傳輸完畢，磁盤控制器通過總線向 DMA控制器發(fā)出應答信號，表示這一次傳輸已經(jīng)結(jié)束。 DMA控制器自動調(diào)整地址寄存器，減少字節(jié)計數(shù)寄存器的值。 . DMA用于磁盤訪問時，其傳輸過程如圖所示 .。 可見 ， 中斷驅(qū)動方式可以成百倍地提高 CPU的利用率 。 可見 ， 這樣可使CPU和 I/O設(shè)備都處于忙碌狀態(tài) ， 從而提高了整個系統(tǒng)的資源利用率及吞吐量 。系統(tǒng)維護一張“設(shè)備狀態(tài)表”，表項里記錄一個設(shè)備發(fā)生中斷 時的有關(guān)信息。 ? 中斷驅(qū)動 I/O 中斷機制下，硬件有條中斷請求線（ IRL）。 (5) 驅(qū)動程序?qū)?shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)內(nèi)容讀到用戶指定的位置，完成讀操作。 (2) CPU執(zhí)行設(shè)備驅(qū)動程序，測試設(shè)備狀態(tài)寄存器中的忙位。 6) 優(yōu)點：推進迅速。缺點：進程緩慢， cpu和 I/O設(shè)備串行。 ? ? (3) 虛擬設(shè)備：一臺可虛擬設(shè)備是可共享的設(shè)備。 返回目錄 2. 控制器控制表、 通道控制表和系統(tǒng)設(shè)備表 ( c ) 系統(tǒng) SDT 控制器標識符： controllerid 控制器狀態(tài)：忙 /閑 與控制器連接的通道表指針 控制器隊列的隊首指針 控制器隊列的隊尾指針 通道標識符： channelid 通道狀態(tài)：忙 /閑 與通道連接的控制器表首址 通道隊列的隊首指針 通道隊列的隊尾指針 ( a ) 控制器表 COCT ( b ) 通道表 CHCT 表目 1 ? 表目 i ? 設(shè)備類 設(shè)備標識符 DCT 驅(qū)動程序入口 3. 設(shè)備的固有屬性 (1) 獨享設(shè)備： (2) 進程使用獨占設(shè)備的過程：申請 》使用 》釋放。由于這些進程都是因為暫時得不到這個設(shè)備的服務而被阻塞的，所以應該排在與該設(shè)備有關(guān)的阻塞隊列上，這個阻塞隊列在操作系統(tǒng)的設(shè)備管理中被稱為“設(shè)備請求隊列”。 返回目錄 ? 設(shè)備管理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) DCBi DCB1 DCBn DCB表 DCBi 設(shè)備請求隊列指針 PCB1 PCB2 PCBn 設(shè)備標識 設(shè)備類型 設(shè)備狀態(tài) 設(shè)備驅(qū)動程序起址 其他 設(shè)備請求隊列