【正文】 常用的 I/O控制方式是中斷驅(qū)動(dòng)和 DMA方式，這兩種方式的驅(qū)動(dòng)程序明顯不同，因?yàn)楹笳邞?yīng)按數(shù)組方式啟動(dòng)設(shè)備及進(jìn)行中斷處理。 目前有很多驅(qū)動(dòng)程序的基本部分 ， 已經(jīng)固化在 ROM中 。 一個(gè)正在運(yùn)行的驅(qū)動(dòng)程序常會(huì)在一次調(diào)用完成前被再次調(diào)用 。 (6) 驅(qū)動(dòng)程序不允許系統(tǒng)調(diào)用。 OS 4． 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的處理過程 不同類型的設(shè)備應(yīng)有不同的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序 ， 但大體上它們都可以分成兩部分 ， 其中 ， 除了要有能夠驅(qū)動(dòng) I/O設(shè)備工作的驅(qū)動(dòng)程序外 ， 還需要有設(shè)備中斷處理程序 ， 以處理 I/O完成后的工作 。但在啟動(dòng)之前，還必須完成必要的準(zhǔn)備工作，如檢測設(shè)備狀態(tài)是否為“ 忙 ” 等。 OS 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的處理過程 (P183) 1) 將抽象要求轉(zhuǎn)換為具體要求 2) 檢查 I/O請(qǐng)求的合法性 3) 讀出和檢查設(shè)備的狀態(tài) 4) 傳送必要的參數(shù) 5) 工作方式的設(shè)置 6) 啟動(dòng) I/O設(shè)備 OS 設(shè)備獨(dú)立性軟件 1． 設(shè)備獨(dú)立性的概念 基本含義 : 應(yīng)用程序獨(dú)立于具體使用的物理設(shè)備。在應(yīng)用程序中，使用邏輯設(shè)備名稱來請(qǐng)求使用某類設(shè)備；而系統(tǒng)在實(shí)際執(zhí)行時(shí)，還必須使用物理設(shè)備名稱。為了實(shí)現(xiàn)設(shè)備獨(dú)立性，必須再在驅(qū)動(dòng)程序之上設(shè)置一層軟件，稱為設(shè)備獨(dú)立性軟件。 (2) 向用戶層 (或文件層 )軟件提供統(tǒng)一接口。例如，對(duì)各種設(shè)備的讀操作，在應(yīng)用程序中都使用 read；而對(duì)各種設(shè)備的寫操作，也都使用 write。在該表的每個(gè)表目中包含了三項(xiàng)：邏輯設(shè)備名、物理設(shè)備名和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的入口地址，如圖519(a)所示。 不能同名，在多用戶環(huán)境下這通常是難以做到的。 每個(gè)用戶利用系統(tǒng)設(shè)備表建立的邏輯設(shè)備表可以采用圖 519(b)中的格式。 用戶層軟件必須通過一組系統(tǒng)調(diào)用來取得操作系統(tǒng)服務(wù)。 OS 設(shè) 備 分 配 設(shè)備分配中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 1． 設(shè)備控制表 (DCT) 系統(tǒng)為每一個(gè)設(shè)備都配置了一張?jiān)O(shè)備控制表，用于記錄本設(shè)備的情況，如圖 520所示。 (2) 設(shè)備狀態(tài) 。 (4) 重復(fù)執(zhí)行次數(shù)。 系統(tǒng)為每一個(gè)控制器都設(shè)置了一張用于記錄本控制器情況的控制器控制表 ， 如圖 521(a)所示 。每個(gè)通道都配有一張通道控制表，如圖 521(b)所示。這是系統(tǒng)范圍的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其中記錄了系統(tǒng)中全部設(shè)備的情況。 OS 圖 521 COCT、 CHCT和 SDT ( c ) 系統(tǒng) 設(shè)備表 S D T控制器標(biāo)識(shí)符： c on t r ol l e r i d控制器狀態(tài)：忙/ 閑與控制器連接的通道表指針控制器隊(duì)列的隊(duì)首指針控制器隊(duì)列的隊(duì)尾指針通道標(biāo)識(shí)符： c han ne l i d通道狀態(tài)：忙/ 閑與通道連接的控制器表首址通道隊(duì)列的隊(duì)首指針通道隊(duì)列的隊(duì)尾指針( a ) 控制器表 C O C T ( b ) 通道表 C H C T表目 1?表目 i?設(shè)備類設(shè)備標(biāo)識(shí)符D C T驅(qū)動(dòng)程序入口OS 設(shè)備分配時(shí)應(yīng)考慮的因素 為了使系統(tǒng)有條不紊地工作，系統(tǒng)在分配設(shè)備時(shí)，應(yīng)考慮這樣幾個(gè)因素 : ① 設(shè)備的固有屬性；② 設(shè)備分配算法；③ 設(shè)備分配時(shí)的安全性；④ 設(shè)備獨(dú)立性。設(shè)備的固有屬性可分成三種 : 第一種是 獨(dú)占性 ，是指這種設(shè)備在一段時(shí)間內(nèi)只允許一個(gè)進(jìn)程獨(dú)占，此即第二章所說的 “ 臨界資源 ” ； 第二種是 共享性 ，指這種設(shè)備允許多個(gè)進(jìn)程同時(shí)共享； 第三種是 可虛擬設(shè)備 ，指設(shè)備本身雖是獨(dú)占設(shè)備，但經(jīng)過某種技術(shù)處理，可以把它改造成虛擬設(shè)備。 (2) 優(yōu)先級(jí)高者優(yōu)先 。 1) 安全分配方式 在這種分配方式中， 每當(dāng)進(jìn)程發(fā)出 I/O請(qǐng)求后，便進(jìn)入阻塞狀態(tài)，直到其 I/O操作完成時(shí)才被喚醒 。因此，這種分配方式已經(jīng)摒棄了造成死鎖的四個(gè)必要條件之一的 “ 請(qǐng)求和保持 ” 條件，從而使設(shè)備分配是安全的。 OS 2) 不安全分配方式 在這種分配方式中，進(jìn)程在發(fā)出 I/O請(qǐng)求后仍繼續(xù)運(yùn)行，需要時(shí)又發(fā)出第二個(gè) I/O請(qǐng)求、 第三個(gè) I/O請(qǐng)求等。這種分配方式的優(yōu)點(diǎn)是， 一個(gè)進(jìn)程可同時(shí)操作多個(gè)設(shè)備，使進(jìn)程推進(jìn)迅速。因此，在設(shè)備分配程序中，還應(yīng)再增加一個(gè)功能，以用于對(duì)本次的 設(shè)備分配是否會(huì)發(fā)生死鎖進(jìn)行安全性計(jì)算，僅當(dāng)計(jì)算結(jié)果說明分配是安全的情況下才進(jìn)行設(shè)備分配。 改進(jìn)： 1) 增加設(shè)備的獨(dú)立性 為了獲得設(shè)備的獨(dú)立性，進(jìn)程應(yīng)使用邏輯設(shè)備名請(qǐng)求 I/O。 OS SPOOLing技術(shù) 1． 什么是 SPOOLing 為了緩和 CPU的高速性與 I/O設(shè)備低速性間的矛盾而引入了脫機(jī)輸入、脫機(jī)輸出技術(shù)。事實(shí)上，當(dāng)系統(tǒng)中引入了 多道程序技術(shù) 后，完全可以利用其中的一道程序，來 模擬脫機(jī)輸入時(shí)的外圍控制機(jī) 功能，把低速 I/O設(shè)備上的數(shù)據(jù)傳送到高速磁盤上；再用另一道程序來模擬脫機(jī)輸出時(shí)外圍控制機(jī)的功能，把數(shù)據(jù)從磁盤傳送到低速輸出設(shè)備上。此時(shí)的外圍操作與 CPU對(duì)數(shù)據(jù)的處理同時(shí)進(jìn)行 ，我們把這種在聯(lián)機(jī)情況下實(shí)現(xiàn)的同時(shí)外圍操作稱為 SPOOLing( Simultaneous Peripheral Operating On Line)，或稱為假脫機(jī)操作。如果還有進(jìn)程要求打印輸出，系統(tǒng)仍可接受該請(qǐng)求，也同樣為該進(jìn)程做上述兩件事。 打印完后，輸出進(jìn)程再查看請(qǐng)求打印隊(duì)列中是否還有等待打印的請(qǐng)求表。僅當(dāng)下次再有打印請(qǐng)求時(shí)，輸出進(jìn)程才被喚醒。 (2) 將獨(dú)占設(shè)備改造為共享設(shè)備 。 OS 磁盤存儲(chǔ)器的管理 磁盤性能簡述 1． 數(shù)據(jù)的組織和格式 磁面 磁道 (track) 扇區(qū) (sectors) OS 圖 523 磁盤的結(jié)構(gòu)和布局 盤面 9盤面 8盤面 7盤面 6盤面 5盤面 4盤面 3盤面 2盤面 1盤面 0軸心讀寫磁頭主桿扇區(qū)磁道磁道間隔扇區(qū)間隔OS 2． 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。這種結(jié)構(gòu)的磁盤主要用于大容量磁盤上。為能訪問該盤面上的所有磁道，該磁頭必須能移動(dòng)以進(jìn)行尋道。 OS 磁盤的訪問 rNbTt ?snmT s ???trsa TTTT ????尋道時(shí)間 Ts： 磁頭從當(dāng)前位置移動(dòng)到指定磁道上所經(jīng)歷的時(shí)間。 硬盤 Tr=3ms 軟盤 100ms ?傳輸時(shí)間 Tt： 數(shù)據(jù)從磁盤讀出，或向磁盤寫入數(shù)據(jù)所經(jīng)歷的時(shí)間。 要傳輸 10K字節(jié)， 則 Ta=13+10=23ms 結(jié)論 ： 適當(dāng)集中數(shù)據(jù)傳送，有利于提高傳輸速率。它根據(jù)進(jìn)程請(qǐng)求訪問磁盤的先后次序進(jìn)行調(diào)度。但此算法由于未對(duì)尋道進(jìn)行優(yōu)化，致使平均尋道時(shí)間可能較長。但這種算法不能保證平均尋道時(shí)間最短。因?yàn)橹灰粩嘤行逻M(jìn)程的請(qǐng)求到達(dá)，且其所要訪問的磁道與磁頭當(dāng)前所在磁道的距離較近，這種新進(jìn)程的 I/O請(qǐng)求必然優(yōu)先滿足。 OS 2) SCAN算法 該算法不僅考慮到欲訪問的磁道與當(dāng)前磁道間的距離，更優(yōu)先考慮的是磁頭當(dāng)前的移動(dòng)方向。圖 527示出了按 SCAN算法對(duì) 9個(gè)進(jìn)程進(jìn)行調(diào)度及磁頭移動(dòng)的情況。 OS 圖 528 CSCAN調(diào)度算法示例 ( 從 100 磁道開始，向磁道號(hào)增加方向訪問 ) 被訪問的下 一個(gè)磁道號(hào) 移動(dòng)距離 ( 磁道數(shù) ) 150 50 160 10 184 24 18 166 38 20 39 1 55 16 58 3 90 32 平均尋道長度 : OS 5． NStepSCAN和 FSCAN調(diào)度算法 1) NStepSCAN算法 在 SSTF、 SCAN及 CSCAN幾種調(diào)度算法中有 “ 磁臂粘著 ”現(xiàn)象 (Armstickiness)。而每處理一個(gè)隊(duì)列時(shí)又是按 SCAN算法，對(duì)一個(gè)隊(duì)列處理完后，再處理其他隊(duì)列。當(dāng) N值取得很大時(shí)，會(huì)使 N步掃描法的性能接近于 SCAN算法的性能；當(dāng) N=1時(shí)， N步 SCAN算法便蛻化為FCFS算法。一個(gè)是由當(dāng)前所有請(qǐng)求磁盤 I/O的進(jìn)程形成的隊(duì)列，由磁盤調(diào)度按 SCAN算法進(jìn)行處理。這樣，所有的新請(qǐng)求都將被推遲到下一次掃描時(shí)處理。因此，這里的高速緩存是一組在邏輯上屬于磁盤，而物理上是駐留在內(nèi)存中的盤塊。 第一種是在內(nèi)存中開辟一個(gè)單獨(dú)的存儲(chǔ)空間來作為磁盤高速緩存，其大小是固定的，不會(huì)受應(yīng)用程序多少的影響； 第二種是把所有未利用的內(nèi)存空間變?yōu)橐粋€(gè)緩沖池，供請(qǐng)求分頁系統(tǒng)和磁盤 I/O時(shí) (作為磁盤高速緩存 )共享。 系統(tǒng)可以采取兩種方式將數(shù)據(jù)交付給請(qǐng)求進(jìn)程： (1) 數(shù)據(jù)交付 。 (2) 指針交付 。 OS 3． 置換算法 如同請(qǐng)求調(diào)頁 (段 )一樣 ， 在將磁盤中的盤塊數(shù)據(jù)讀入高速緩存時(shí) ， 同樣會(huì)出現(xiàn)因高速緩存中已裝滿盤塊數(shù)據(jù)而需要將該數(shù)據(jù)先換出的問題 。 較常用的置換算法仍然是最近最久未使用算法 LRU、 最近未使用算法 NRU及最少使用算法 LFU等 。因此，現(xiàn)在不少系統(tǒng)在設(shè)計(jì)其高速緩存的置換算法時(shí)，除了考慮到最近最久未使用這一原則外，還考慮了以下幾點(diǎn)： OS 1) 訪問頻率 通常，每執(zhí)行一條指令時(shí)，便可能訪問一次聯(lián)想存儲(chǔ)器，亦即聯(lián)想存儲(chǔ)器的訪問頻率，基本上與指令執(zhí)行的頻率相當(dāng)。因此，對(duì)聯(lián)想存儲(chǔ)器的訪問頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于對(duì)高速緩存的訪問頻率。例如，對(duì)二次地址及目錄塊等，在它被訪問后，可能會(huì)很久都不再被訪問。 OS 3) 數(shù)據(jù)的一致性 由于高速緩存是做在內(nèi)存中的 ， 而內(nèi)存一般又是一種易失性的存儲(chǔ)器 ， 一旦系統(tǒng)發(fā)生故障 ， 存放在高速緩存中的數(shù)據(jù)將會(huì)丟失；而其中有些盤塊 (如索引結(jié)點(diǎn)盤塊 )中的數(shù)據(jù)已被修改 ， 但尚未拷回磁盤 ， 因此 ， 當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障后 ， 可能會(huì)造成數(shù)據(jù)的不一致性 。例如，一位學(xué)者一上班便開始撰寫論文，并邊寫邊修改，他正在寫作的論文就一直保存在高速緩存的LRU鏈中。 辦法：強(qiáng)制性地將所有在高速緩存中已修改的盤塊數(shù)據(jù)寫回磁盤。這樣，因系統(tǒng)故障所造成的工作損失不會(huì)超過 30 s的勞動(dòng)量。在這種情況下，在讀當(dāng)前塊時(shí)可以預(yù)知下一次要讀的盤塊。這樣，當(dāng)下一次要讀該盤塊中的數(shù)據(jù)時(shí)，由于該數(shù)據(jù)已被提前讀入緩沖區(qū)，因而此時(shí)便可直接從緩沖區(qū)中取得下一盤塊的數(shù)據(jù)，而不需再去啟動(dòng)磁盤 I/O，從而大大減少了讀數(shù)據(jù)的時(shí)間。隨著空閑緩沖區(qū)的使用，緩沖區(qū)也緩緩?fù)耙苿?dòng)，直至移到空閑緩沖隊(duì)列之首。當(dāng)該緩沖區(qū) A仍在隊(duì)列中時(shí)，任何訪問該數(shù)據(jù)的進(jìn)程，都可直接讀出其中的數(shù)據(jù)而不必去訪問磁盤。 位示圖方式：將同屬于一個(gè)文件的盤塊安排在同一條磁道上或相鄰的磁道上是十分容易的事。 OS 4． 虛擬盤 所謂虛擬盤，是指利用內(nèi)存空間去仿真磁盤，又稱為RAM盤。這些對(duì)用戶都是透明的。 虛擬盤與磁盤高速緩存的主要區(qū)別在于 : 虛擬盤中的內(nèi)容完全由用戶控制，而高速磁盤緩存中的內(nèi)容則是由 OS控制的。在該系統(tǒng)中，有多臺(tái)磁盤驅(qū)動(dòng)器，系統(tǒng)將每一盤塊中的數(shù)據(jù)分為若干個(gè)子盤塊數(shù)據(jù)，再把每一個(gè)子盤塊的數(shù)據(jù)分別存儲(chǔ)到各個(gè)不同磁盤中的相同位置上。 OS 圖 529 磁盤并行交叉存取方式 1 2 3…NOS 2． RAID的分級(jí) RAID在剛被推出時(shí) ， 是分成 6級(jí)的 ， 即 RAID 0級(jí)至 RAID 5級(jí) ， 后來又增加了 RAID 6級(jí)和 RAID 7級(jí) 。本級(jí)僅提供了并行交叉存取。只要陣列中有一個(gè)磁盤損壞，便會(huì)造成不可彌補(bǔ)的數(shù)據(jù)丟失，故較少使用。 它具有磁盤鏡像功能 ， 例如 ， 當(dāng)磁盤陣列中具有 8個(gè)盤時(shí) ， 可利用其中 4個(gè)作為數(shù)據(jù)盤 ， 另外 4 個(gè)作為鏡像盤 ， 在每次訪問磁盤時(shí) ， 可利用并行讀 、 寫特性 ， 將數(shù)據(jù)分塊同時(shí)寫入主盤和鏡像盤 。 (3) RAID 3級(jí)。它利用一臺(tái)奇偶校驗(yàn)盤來完成數(shù)據(jù)的校驗(yàn)功能，比起磁盤鏡像，它減少了所需要的冗余磁盤數(shù)。磁盤的利用率為 6/7。 OS (4) RAID 5級(jí) 。 每個(gè)驅(qū)動(dòng)器都各有自己獨(dú)立的數(shù)據(jù)通路 ， 獨(dú)立地進(jìn)行讀/寫 ， 且無專門的校驗(yàn)盤 。 RAID 5級(jí)常用于I/O較頻繁的事務(wù)處理中 。這是強(qiáng)化了的 RAID。該盤具有獨(dú)立的數(shù)據(jù)訪問通路，具有比 RAID 3級(jí)及RAID 5級(jí)更好的性能，但其性能改進(jìn)得很有限，且價(jià)格昂貴。 OS 3． RAID的優(yōu)點(diǎn) (1) 可靠性高 。 除了 RAID 0級(jí)外 ， 其余各級(jí)都采用了容錯(cuò)技術(shù) 。 由于磁盤陣列可采取并行交叉存取方式 ， 故可將磁盤 I/O速度提高 N1倍 (N為磁盤數(shù)目 )。 (3) 性能 /價(jià)格比高。