第五章 C 磁盘管理

1、15.6 5.6 磁盘存储管理磁盘存储管理 磁盘结构 磁盘设备由一组盘组组成,可包括一张或多张盘片,每张盘片分正、反两面,每面可划分若干磁道,各磁道之间留有必要的间隙,每条磁道又分若个扇区,各扇区之间留有一定的空隙,每个扇区的大小相当于一个盘块大小。 一个盘组中的所有盘片被固定在一根旋转轴上,沿着一个方向高速旋转。每个盘面配有一个读/写磁头,所有的读写磁头被固定在唯一的移动臂上同时移动。将磁头按从上到下的次序进行编号,称为磁头号。每个盘面上有许多磁道,磁头位置下各个盘面上的磁道处于同一个圆柱面上,称这些磁道组成了一个柱面。每个盘面上的磁道从0开始,由外向里顺序编号,通过移动臂的移动,读/写磁头

2、可定位在任何一个磁道上, 移动磁头仅能以串行方式进行读/写。2 当移动臂移到某一个位置时,所有的读/写磁头处在同一个柱面上,盘面上的磁道号即为柱面号。每个盘面被分成若干个扇区,沿与磁盘旋转相反的方向给每个扇区编号,称为扇区号。为了减少移动臂移动花费的时间,系统存放信息时,并不是按盘面上的磁道顺序存满一个盘面后再存放到下一个盘面,而是按柱面顺序存放,当同一柱面上的磁道存满后,再存放到下一个柱面上。 磁盘存储空间的位置可以由三个参数决定:柱面号、磁头号和扇区号; 磁盘空间的盘块按柱面(从0号柱面开始) 、磁头、扇区顺序编号。34柱面柱面扇区扇区移动臂移动臂读读/写磁头写磁头轴轴磁道磁道盘面盘面磁盘

3、结构磁盘结构52、磁盘的类型 对磁盘可从不同的角度进行分类。最常见的有：将磁盘分成硬盘和软盘、单片盘和多片盘、固定头磁盘和活动头磁盘等。下面仅对固定头磁盘和移动头磁盘做一介绍。(1)固定头磁盘固定头磁盘 这种磁盘在每条磁道上都有一个读写磁头，所有的磁头都被装在一刚性磁臂中，通过这些磁头可访问所有的磁道，并进行并行读写，有效地提高了磁盘的IO速度。这种结构的磁盘主要用于大容量磁盘上。(2)移动头磁盘移动头磁盘 每一个盘面仅配有一个磁头，也被装入磁臂中，为能访问该盘面上的所有磁道该磁头必须能移动以进行寻道。可是，移动头磁盘只能进行串行读写，致使IO速度较慢，但由于结构简单，故仍广泛地用于中、小型磁

4、盘设备中。在微机上配置的温盘(温彻斯特)和软盘，都采用移动磁头结构，在此主要针对这类磁盘的IO进行讨论。63.磁盘访问时间（ Ts+ Tr+ Tt）(1)寻道时间Ts 这是把磁臂(磁头)从当前位置移动到指定磁道上所经历的时间。(2)旋转延迟时间Tr Tr是指定扇区移动到磁头下面所经历的时间。(3)传输时间Tt Tt是指把数据从磁盘读出，或向磁盘写入数据所经历的时间。7 磁盘是目前使用最典型而又最广泛的一种块设备。任何一个对磁盘的访问请求,应给出访问磁盘的存储空间地址:柱面号、磁头号和扇区号。1. 1. 驱动调度驱动调度 当多个访盘请求在等待时，当多个访盘请求在等待时，采用一定的策略采用一定的策

5、略，对这些，对这些请求的服务顺序调整安排，旨在请求的服务顺序调整安排，旨在降低平均磁盘服务时间降低平均磁盘服务时间，达到公平、高效达到公平、高效 公平：一个公平：一个I/OI/O请求请求在有限时间内满足在有限时间内满足 高效：高效：减少减少设备设备机械运动机械运动所带来的时间浪费所带来的时间浪费驱动调度驱动调度82. 2. 驱动调度考虑的问题：驱动调度考虑的问题： 启动磁盘完成一次I/O操作所花的时间包括:寻找(道)时间、延迟时间和传送时间。一次访盘时间一次访盘时间 = = 寻道时间寻道时间+ +旋转延迟时间旋转延迟时间+ +存取时间存取时间寻道时间寻道时间：把磁头移动到：把磁头移动到指定磁道

6、指定磁道上所经历的时间。上所经历的时间。旋转延迟时间旋转延迟时间：指定扇区移动到磁头下面所经历的时间。：指定扇区移动到磁头下面所经历的时间。存取时间存取时间：把数据从磁盘读出或向磁盘写入数据所经历的：把数据从磁盘读出或向磁盘写入数据所经历的时间。时间。(1) (1) 减少寻道时间（活动头磁盘）减少寻道时间（活动头磁盘）(2) (2) 减少延迟时间（固定头磁盘）减少延迟时间（固定头磁盘）驱动调度驱动调度9磁盘调度磁盘调度 在访问磁盘时间中,寻道时间是机械运动时间,通常在几十毫秒时间量级上,因此,设法减小寻道时间是提高磁盘传输效率的关键。系统采用一定的调度策略来决定各个请求访问磁盘者的执行次序,称

7、为磁盘的驱动调度,采用的调度策略称为驱动调度算法。对磁盘来说,驱动调度先进行移臂调度,以尽可能地减少寻道时间,现进行旋转调度,以减少延迟时间。10移臂调度算法移臂调度算法 根据访问者指定的柱面位置来决定执行次序的调度称为移臂调度。移臂调度的目标是尽可能地减少I/O操作中的寻道时间。常用的移臂调度算法有先来先服务调度算法、最短寻道时间优先调度算法、单向/双向扫描算法等。(1) (1) 先来先服务先来先服务(FCFS)(FCFS)：按访问请求到达的先后次序服务：按访问请求到达的先后次序服务 优点：简单，公平；优点：简单，公平； 缺点：效率不高，相临两次请求可能会造成缺点：效率不高，相临两次请求可能

8、会造成最内到最最内到最外的柱面寻道外的柱面寻道，使磁头反复移动，使磁头反复移动，增加了服务时间增加了服务时间，对机，对机械也不利械也不利11假设磁盘访问序列：假设磁盘访问序列：9898，183183，3737，122122，1414，124124，6565，6767 读写头起始位置：读写头起始位置：5353 安排磁头服务序列安排磁头服务序列 计算磁头移动总距离（道数）计算磁头移动总距离（道数）移臂调度移臂调度129898，183183，3737，122122，1414，124124，6565，6767读读/写磁头总共移动了写磁头总共移动了640个柱面的距离个柱面的距离13(2) (2) 最短寻

9、道时间优先最短寻道时间优先(SSTF)(SSTF)：优先选择距当前磁头最近：优先选择距当前磁头最近的访问请求进行服务，主要考虑寻道优先的访问请求进行服务，主要考虑寻道优先 优点：改善了磁盘平均服务时间；优点：改善了磁盘平均服务时间； 缺点：造成某些访问请求长期等待得不到服务缺点：造成某些访问请求长期等待得不到服务移臂调度移臂调度149898，183183，3737，122122，1414，124124，6565，6767读读/写磁头总共移动了写磁头总共移动了236个柱面的距离个柱面的距离15(3) (3) 扫描算法扫描算法 克服了最短寻道优先的缺点，既考虑了距克服了最短寻道优先的缺点，既考虑了

10、距离，同时又考虑了方向离，同时又考虑了方向 具体做法：具体做法：当设备无访问请求时，磁头不动；当有访问当设备无访问请求时，磁头不动；当有访问请求时，请求时，磁头按一个方向移动磁头按一个方向移动，在移动过程中对遇到的访，在移动过程中对遇到的访问请求进行服务，磁头运行总是由磁盘的最低磁道号（通问请求进行服务，磁头运行总是由磁盘的最低磁道号（通常为常为0 0）到最高磁道号，然后再由最高磁道号到最低磁道）到最高磁道号，然后再由最高磁道号到最低磁道号重复运行。号重复运行。 160143753656798122124183199单向扫描调度示意图单向扫描调度示意图读读/写磁头总共移动了写磁头总共移动了38

11、2个柱面的距离个柱面的距离170143753656798122124183199双向扫描调度示意图双向扫描调度示意图读读/写磁头总共移动了写磁头总共移动了321个柱面的距离个柱面的距离18(4)(4)电梯算法电梯算法 电梯调度算法不仅考虑到电梯调度算法不仅考虑到请求访问者的磁头与当前磁头请求访问者的磁头与当前磁头之间的距离之间的距离, ,而且而且优先考虑磁头当前的移动方向优先考虑磁头当前的移动方向。判断该方向。判断该方向上是否还有访问请求，如果有则继续扫描；上是否还有访问请求，如果有则继续扫描；否则改变移动方否则改变移动方向向，并为经过的访问请求服务，如此反复，并为经过的访问请求服务，如此反复

12、190143753656798122124183199当前移动臂由里向外移动当前移动臂由里向外移动读读/写磁头总共移动了写磁头总共移动了208个柱面的距离个柱面的距离200143753656798122124183199读读/写磁头总共移动了写磁头总共移动了299个柱面的距离个柱面的距离当前移动臂由外向里移动当前移动臂由外向里移动21电梯调度与最短寻找时间区别电梯调度与最短寻找时间区别: : 相同相同: :尽量减少移动臂移动所花的时间为目标尽量减少移动臂移动所花的时间为目标; ; 不同不同: :最短寻找时间优先不考虑移动臂的当前移动方最短寻找时间优先不考虑移动臂的当前移动方向向, ,总是选择距

13、离当前读总是选择距离当前读/ /写磁头最近的柱面访问写磁头最近的柱面访问, ,移动臂移动臂来回改变移动方向来回改变移动方向, ,可能会导致某个进程发生可能会导致某个进程发生“饥饿饥饿”现现象象; ;电梯调度算法总是沿着移动臂的移动方向选择距离当电梯调度算法总是沿着移动臂的移动方向选择距离当前读前读/ /写磁头最近的柱面访问写磁头最近的柱面访问, ,仅当沿着移动臂的移动方向仅当沿着移动臂的移动方向无等待访问时无等待访问时, ,才改变移动臂的方向才改变移动臂的方向; ;22旋转调度旋转调度 一次移臂调度将移动臂定位到某一柱面后一次移臂调度将移动臂定位到某一柱面后, ,允许进行允许进行多次多次旋转调

14、度旋转调度。 旋转调度旋转调度: :选择延迟时间最短的请求访问者执行的调选择延迟时间最短的请求访问者执行的调度策略。度策略。进行旋转调度时应分析下列情况进行旋转调度时应分析下列情况: :(1)(1)若干等待访问者请求访问同一磁道上的不同扇区若干等待访问者请求访问同一磁道上的不同扇区; ;(2)(2)若干等待访问者请求访问不同磁道上的不同编号的扇若干等待访问者请求访问不同磁道上的不同编号的扇区区; ;(3)(3)若干等待访问者请求访问不同磁道上具有相同编号的若干等待访问者请求访问不同磁道上具有相同编号的扇区扇区; ;23例例: :有有4 4个访问请求者个访问请求者, ,访问要求如下访问要求如下:

15、 :请求次序柱面号磁头号扇区号1541251535454528 记录在磁道上的排列方式会影响记录在磁道上的排列方式会影响I/OI/O操作时间操作时间。系统采。系统采用记录的优化分布有利于减少延迟时间用记录的优化分布有利于减少延迟时间, ,缩短缩短I/OI/O操作时间。操作时间。对于一些能预知处理要求的信息采用优化分布可以提高系对于一些能预知处理要求的信息采用优化分布可以提高系统的效率。统的效率。241.若现在磁盘的移动臂处于第若现在磁盘的移动臂处于第15号柱面，并且有号柱面，并且有6个请求者等待个请求者等待访问磁盘如表所示，则如何响应这些访问才最省时间？访问磁盘如表所示，则如何响应这些访问才最

16、省时间？请求者序号柱面号磁头号扇区号11226253231687464151673612563，5，1，6，4，2 3，5，6，1，4，25，3，1，6，4，2 5，3，6，1，4，225 1 1 设备处理程序的功能和处理方式设备处理程序的功能和处理方式 2 2 设备处理程序的处理过程设备处理程序的处理过程 1)1)设备驱动程序设备驱动程序 2)2)设备中断处理程序设备中断处理程序设备处理设备处理 设备处理的一致性设备处理的一致性: :具有通道结构的计算机系统具有通道结构的计算机系统, ,从启从启动外围设备到完成动外围设备到完成I/OI/O操作操作, ,没有考虑不同类型的物理设备没有考虑不同类

17、型的物理设备的特性的特性, ,采用统一的方法进行处理。采用统一的方法进行处理。26设备处理设备处理 设备处理程序设备处理程序又称又称设备驱动程序设备驱动程序，是，是I/OI/O进程进程与与设备控制设备控制器器之间的通信和转换程序之间的通信和转换程序. .（1 1）设备处理程序的功能和处理方式）设备处理程序的功能和处理方式1 1设备驱动程序的功能设备驱动程序的功能 1)1)接收接收上层软件发来的抽象要求（如上层软件发来的抽象要求（如readread命令等），再把它命令等），再把它转转换换成具体要求。成具体要求。 2)2)检查检查用户用户I/OI/O请求的合法性，请求的合法性，了解了解I/OI/O

18、设备的设备的状态状态，设置工作，设置工作方式。方式。 3)3)对于设置有通道的计算机系统，驱动程序还应能够根据用户对于设置有通道的计算机系统，驱动程序还应能够根据用户的的I/OI/O请求，自动地请求，自动地构成通道程序构成通道程序。4)由驱动程序向设备控制器由驱动程序向设备控制器发出发出I/O命令，命令，启动启动分配到的分配到的I/O设备，设备，完成完成指定的指定的I/O操作。操作。 5)及时及时响应响应由控制器或通道发来的中断请求，并根据其中断调用由控制器或通道发来的中断请求，并根据其中断调用相应的中断处理程序进行相应的中断处理程序进行处理处理。27 设备驱动程序的设备驱动程序的主要任务是启

19、动指定的设备主要任务是启动指定的设备。在启动。在启动设备之前设备之前, ,必须必须完成必要的准备工作完成必要的准备工作。首先检查。首先检查I/OI/O请求的请求的合法性合法性, ,了解设备状态是否是空闲了解设备状态是否是空闲, ,了解有关的传递参数及了解有关的传递参数及设置设备的工作方式。然后设置设备的工作方式。然后, ,向设备控制器发出向设备控制器发出I/OI/O命令命令, ,启动启动I/OI/O设备完成指定的设备完成指定的I/OI/O操作。设备驱动程序还应及时操作。设备驱动程序还应及时响应由控制器发来的中断请求响应由控制器发来的中断请求, ,根据该中断请求的类型根据该中断请求的类型, ,调

20、调用相应的中断处理程序进行处理。用相应的中断处理程序进行处理。设备驱动程序的处理过程设备驱动程序的处理过程28设备驱动程序的处理过程设备驱动程序的处理过程(1)(1)预置设备预置设备 系统在初始或启动设备传输时系统在初始或启动设备传输时, ,预置设备的初始状态预置设备的初始状态 1)1)将用户和上层软件对设备控制的将用户和上层软件对设备控制的抽象要求抽象要求转换成对设转换成对设备的备的具体要求具体要求，如对抽象要求的盘块号转换为磁盘的盘面、，如对抽象要求的盘块号转换为磁盘的盘面、磁道及扇区。磁道及扇区。 2)2)检查检查I/OI/O请求的合理性。请求的合理性。 3)3)读出和读出和检查检查设备

21、的状态，确保设备处于就绪态。设备的状态，确保设备处于就绪态。 4)4)传送必要的参数，如传送的传送必要的参数，如传送的字节数字节数，数据，数据在主存的首在主存的首址址等。等。设备处理设备处理29 5) 5)工作方式的设置。工作方式的设置。 6)6)启动启动I/OI/O设备，并设备，并检查启动是否成功检查启动是否成功，如成功则将控制，如成功则将控制返回给返回给I/OI/O控制系统控制系统，在，在I/OI/O设备忙于传送数据时，该用户设备忙于传送数据时，该用户进程把自己阻塞进程把自己阻塞，直至，直至中断到来才将它唤醒中断到来才将它唤醒，而，而CPUCPU可干别可干别的事。的事。(2)(2)启动启动

22、I/OI/O设备设备 完成预置工作后完成预置工作后, ,设备驱动程序可以向控制器中的命令设备驱动程序可以向控制器中的命令寄存器传送相应的控制命令寄存器传送相应的控制命令, ,负责启动设备的传送。负责启动设备的传送。(3)(3)设备中断处理设备中断处理 负责处理设备发出的各种中断负责处理设备发出的各种中断; ;设备处理设备处理30 设备中断是外围设备设备中断是外围设备( (通道通道) )和和CPUCPU协调工作的一种手段协调工作的一种手段。设备设备( (通道通道) )借助借助I/OI/O中断请求中断请求CPUCPU进行干预进行干预,CPU,CPU根据产生的根据产生的I/OI/O事件了解事件了解I

23、/OI/O操作的执行情况。操作的执行情况。I/OI/O中断事件或由设备中断事件或由设备( (通通道道) )工作引起工作引起, ,或由外界的原因产生。或由外界的原因产生。对于不同的中断事件对于不同的中断事件, ,操作系统采用不同的处理方法操作系统采用不同的处理方法。(1)(1)操作正常结束操作正常结束 当通道状态字当通道状态字(CSW)(CSW)中有通道结束、控制器结束和设备中有通道结束、控制器结束和设备结束时结束时, ,表示已完成一次表示已完成一次I/OI/O操作操作, ,形成形成I/OI/O操作正常结束中断操作正常结束中断事件。事件。(2)(2)操作异常结束操作异常结束 当在当在I/OI/O

24、传输过程中出现设备故障或设备特殊情况时传输过程中出现设备故障或设备特殊情况时, ,形形成操作异常结束的成操作异常结束的I/OI/O中断事件。中断事件。 设备的中断处理设备的中断处理31唤醒被阻塞的驱动程序进程唤醒被阻塞的驱动程序进程对被中断进程的对被中断进程的CPU现场保护现场保护分析中断原因分析中断原因,转入相应转入相应的中断处理程序的中断处理程序?打印机中断处理程序打印机中断处理程序终端中断处理程序终端中断处理程序磁盘中断处理程序磁盘中断处理程序.恢复被中断进程的恢复被中断进程的CPU现场现场返回被中断的进程继续执行返回被中断的进程继续执行中断处理流程中断处理流程32虚拟设备虚拟设备1.1

25、.脱机外围设备操作脱机外围设备操作 使用两台外围计算机和一台主计算机,其中一台外围计算机专门负责把一批作业信息从读卡机上读取并记录到输入磁盘上;然后,把含有输入信息的输入磁盘人工地移动到主计算机上,在多道程序环境下,每个作业执行时不再启动输入机读取信息,而是让作业从磁盘上取各自的信息,把作业运行的结果写入到输出磁盘上;最后把存有输出结果的输出磁盘移动到另一台外围计算机上打印输出.33外围计算机外围计算机一批作业信息一批作业信息作业作业信息信息主计算机主计算机作业作业信息信息执行执行结果结果外围计算机外围计算机执行执行结果结果打印结果打印结果脱机外围设备操作脱机外围设备操作 两台外围计算机并不进

26、行计算,只是将低速I/O设备上的数据从一台外围计算机传送到高速磁盘上,或者相反,这种操作是独立于主计算机的,不在主计算机的直接控制下进行,称为脱机外围设备操作.342.2.联机同时外围设备操作联机同时外围设备操作 现在计算机系统有足够的功能和大容量的磁盘,具有CPU与通道的并行工作能力,可以在执行计算的同时进行联机外围操作。可在主计算机的直接控制下,实现脱机I/O功能,此时外围操作与CPU对数据的处理同时进行,把这种在联机情况下实现的同时外围设备操作称为SPOOLing或称为假脱机操作。输入机上的作业流从打印机输出结果预输入程序作业执行缓输出程序输入井输出井CPU磁盘磁盘联机同时外围设备操作联

27、机同时外围设备操作35 SPOOLing技术是对脱机I/O系统的模拟,它必须建立在具有多道程序功能的操作系统上,需要有高速的、大容量的随机存储器支持。在磁盘上划出专用存储空间,称为“井”,用以存放作业的初始信息和执行结果。为了便于管理,把“井”分为“输入井”和“输出井” 。“输入井”中存入作业的初始信息,“输出井”中存放作业的执行结果。操作系统中实现联机同时外围设备操作功能的部分也称为SPOOLing系统， SPOOLing系统主要由三部分程序组成，即“预输入”程序、实现输入井读和输出井写的“井管理”程序和“缓输出”程序。(1)预输入程序 把一批作业组织在一起形成作业流,由预输入程序把作业流中

28、的每个作业的初始信息传送到磁盘的“输入井”保存以备作业调度。36(2)井管理程序 井管理程序包括井管理读程序和井管理写程序两部分: 当作业请求从输入机上读文件信息时,就把任务转交给井管理读程序,从输入井中读出信息供用户使用。 当作业请求从打印机上输出结果时,就把任务转交给井管理写程序,把产生的结果保存到“输出井”中。(3)缓输出程序 缓输出程序负责查看输出井中是否有等待输出的结果信息,若有,则启动打印机把作业的结果文件打印输出。37一、选择题一、选择题:1.缓冲技术中的缓冲池在缓冲技术中的缓冲池在( )中。中。A. 内存内存 B.外存外存 C.ROM D.寄存器寄存器2.如果如果I/O所花费时

29、间比所花费时间比CPU处理时间短的多，则缓冲区处理时间短的多，则缓冲区( )。A.最有效最有效 B.几乎无效几乎无效 C.均衡均衡 D.以上都不是以上都不是3.CPU输出数据的速度远远高于打印机的打印速度，为了解决这一矛盾可采用输出数据的速度远远高于打印机的打印速度，为了解决这一矛盾可采用( )。A. 并行技术并行技术 B. 覆盖技术覆盖技术C. 缓冲技术缓冲技术 D. 虚存技术虚存技术4.通过硬件和软件的功能扩充，把原来独占的设备改造成能为若干用户共享的通过硬件和软件的功能扩充，把原来独占的设备改造成能为若干用户共享的设备，这种设备称为设备，这种设备称为( )。A. 存储设备存储设备 B.

30、系统设备系统设备C. 用户设备用户设备 D .虚拟设备虚拟设备5. 为了使多个进程能有效地同时处理输入和输出，最好使用为了使多个进程能有效地同时处理输入和输出，最好使用( )结构的结构的缓冲技术。缓冲技术。A. 缓冲池缓冲池 B. 循环缓冲循环缓冲 C. 单缓冲单缓冲 D. 双缓冲双缓冲ABCDA38.6.如果如果I/O设备与存储设备进行数据交换不经过设备与存储设备进行数据交换不经过CPU来完成，这种数据交换方式来完成，这种数据交换方式是是( ) 。A. 程序查询程序查询 B.中断方式中断方式 C.DMA方式方式 D.无备件存取方式无备件存取方式7.在采用在采用SPOOLing技术的系统中，用户的打印结果首先被送到技术的系统中，用户的打印结果首先被送到( )。A.磁盘固定区域磁盘固定区域 B.内存固定区域内存固定区域 C.终端终端 D.打印机打印机8.大多数低速设备属于大多数低速设备属于( )设备。设备。A. 独享独享 B. 共享共享C. 虚拟虚拟 D. SPOOLing9.( )用作连接大量的低速或中速用作连接大量的低速或中速I/O设备。设备。A. 数据选择通道数据选择通道 B. 字节多路通道字节多路通道 C .数据多路通道数据多路通道 10. ( )是直接存取的存储设备。是直接存取的存储设备。A. 磁盘磁盘 B. 磁带磁带 C. 打印机打印机 D. 键盘显示