设备与IO管理培训教材(共98页).ppt

1、第八章第八章 设备与设备与I/O管理管理n设备及其分类设备及其分类n设备的物理特性设备的物理特性nIO传输方式查询、中断、通道、传输方式查询、中断、通道、DMAn设备分配与去配设备分配与去配n设备驱动设备驱动n设备调度设备调度n缓冲技术缓冲技术n输入输出进程输入输出进程nRAID技术技术n虚拟设备虚拟设备8.1 设备及其分类设备及其分类n用途用途n存储型设备存储型设备n磁盘，磁带，光盘磁盘，磁带，光盘nIO型设备型设备n扫描仪，打印机，扫描仪，打印机，mouse，keyboard，monitor，n网络设备网络设备n网卡，交换机，网卡，交换机，etc.8.1 设备及其分类设备及其分类n管理管理

2、n共享型设备块型共享型设备块型n多个进程的多个进程的IO操作以块为单位可以交叉操作以块为单位可以交叉n独占型设备块型独占型设备块型n多个进程的多个进程的IO操作以块为单位不宜交叉操作以块为单位不宜交叉n独占型设备字符型独占型设备字符型n多个进程的多个进程的IO操作以字符为单位不能交操作以字符为单位不能交叉叉IO设备的物理特性设备的物理特性传输一字节发生一次中断传输一字节发生一次中断存储设备的物理特性存储设备的物理特性磁带的物理特性磁带的物理特性头标头标 信息块信息块 信息块信息块 信息块信息块 . 尾标尾标间隙间隙操作：反绕，正向查找，反向查找，读，写，操作：反绕，正向查找，反向查找，读，写，

3、地址：一维地址：一维文件：顺序结构（一个文件占若干连续块）文件：顺序结构（一个文件占若干连续块）8.2 设备的物理特性.磁盘组的物理特性磁盘组的物理特性.盘面盘面0盘面盘面1盘面盘面2盘面盘面m-1扇区扇区1扇区扇区0扇区扇区n-1柱面柱面0柱面柱面l-1.引臂柱面号柱面号i盘面号盘面号j扇区号扇区号k块号块号b一维地址一维地址三维地址三维地址编址方法：使相邻块物理上最近编址方法：使相邻块物理上最近例子：例子：l=2; m=3; n=3柱面号：柱面号：0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1盘面号：盘面号：0 0 0 1 1 1 2 2 2 0 0 0 1 1 1

4、 2 2 2扇区号：扇区号：0 1 2 0 1 2 0 1 2 0 1 2 0 1 2 0 1 2块块 号：号：0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17三维地址三维地址一维地址：一维地址： b=i m n+j n+k一维地址一维地址三维地址：三维地址： i=b (m n) j=b mod (m n) n k=b mod (m n) mod n未考虑读写延迟的扇区编号：未考虑读写延迟的扇区编号：扇区扇区0扇区扇区7扇区扇区6扇区扇区5扇区扇区4扇区扇区3扇区扇区2扇区扇区1扇区扇区0扇区扇区7扇区扇区3扇区扇区6扇区扇区2扇区扇区5扇区扇区1扇区扇区

5、4考虑读写延迟的扇区编号考虑读写延迟的扇区编号(单交错单交错)：扇区扇区0扇区扇区5扇区扇区2扇区扇区7扇区扇区4扇区扇区1扇区扇区6扇区扇区3考虑读写延迟的扇区编号考虑读写延迟的扇区编号(双交错双交错)：光盘的物理特性: 读取原理: pit/land 螺旋线,22188圈(展开5.6km), 内侧转速:530转/分; 外侧转速:200转/分(密度均匀,读取速度均匀) DataECCP14个bit构成一个symble42个symble构成一个frame98个frame构成一个sectorSector2352bytes588bits的frame各包含24字节Preamble: 16bytes,

6、前12bytes为: 00FFFFFFFFFFFFFFFFFFFF00后随3bytes扇区编号,最后字节为mode2048字节288字节8.3 I/O 传输方式nIO操作演变历史操作演变历史n程序查询方式程序查询方式 (programmed IO) (polling)nCPU and Device can not work in parallel n中断方式中断方式 (interrupt)nCPU and device can work in parallel, too many interrupts for CPUn通道方式通道方式 (channel)nspecial processor f

7、or dealing with io operationsn直接内存方式直接内存方式 (DMA)nDMA controller in charge of block io8.3.1 程序控制查询方式程序控制查询方式CPU启动设备启动设备完成完成FT缺点缺点: 处理机与设备串行工作处理机与设备串行工作; 消耗大量处理机时间消耗大量处理机时间.8.3.2 中断驱动方式中断驱动方式nCPUn计算计算n启动设备启动设备n计算计算nn计算计算n中断处理中断处理n计算计算设备设备:工工作作特点特点: CPU与设备并行工作与设备并行工作 设备多时对设备多时对CPU打搅多打搅多8.3.3 DMA方式 数据传输

8、数据传输CPUDMA控制器控制器内存内存地地 址址计计 数数控控 制制缓冲缓冲磁盘磁盘 中断中断 DMA请求请求总线总线磁盘磁盘控制器控制器 答复答复 DMA编程编程启动启动中断中断状态状态8.3.3 DMA方式. nCPU通过设置通过设置DMA控制器实现控制器实现DMA编程，编程，同时启动磁盘控制器由磁盘读入数据至内部缓同时启动磁盘控制器由磁盘读入数据至内部缓冲区并进行和校验；冲区并进行和校验；nDMA控制器向磁盘控制器发出读请求，并控制器向磁盘控制器发出读请求，并将内存地址放在地址总线上；将内存地址放在地址总线上；n磁盘控制器将字节传到内存指定单元；磁盘控制器将字节传到内存指定单元；n磁盘

9、控制器向磁盘控制器向DMA控制器发送答复；控制器发送答复；nDMA控制器将内部地址存放器加控制器将内部地址存放器加1同时将记同时将记数减数减1，重复上述过程，重复上述过程直至计数器为直至计数器为0，此时此时DMA控制器向控制器向CPU发出中断信号发出中断信号. 8.3.4 通道方式通道方式n通道通道n负责负责IO操作的处理机操作的处理机n指令系统指令系统n根本操作：控制、读、写、转移、结束根本操作：控制、读、写、转移、结束n指令格式：操作码，传输量，特征位，指令格式：操作码，传输量，特征位，地址地址n运控部件运控部件nCAW，CCW，CSW，CDWn存储区域与存储区域与CPU共用内存共用内存,

10、通道内有缓冲通道内有缓冲区区n通道程序，通道程序，IO数据数据channel does have its buffers通道程序执行过程：通道程序执行过程：按按CAW取通道命令取通道命令CCWCAW+1 CAW是通道结束命令是通道结束命令执行此命令执行此命令F向向CPU发中断发中断一个通道程序可以控制假设干设备进行屡次一个通道程序可以控制假设干设备进行屡次IO传输。传输。T通道类型通道类型n字节多路通道字节多路通道(byte multiplexer channel)n 多个非分配型子通道，连接低速外围设备多个非分配型子通道，连接低速外围设备n数组选择通道数组选择通道(block selecto

11、r channel)n 一个分配型子通道，连接多台高速设备一个分配型子通道，连接多台高速设备n数组多路通道数组多路通道(block multiplexer channel)n 多个非分配型子通道，连接多台高速设备多个非分配型子通道，连接多台高速设备设备、通道、内存连接设备、通道、内存连接选择通道选择通道磁盘字节多路通道字节多路通道打印机打印机输入机输入机内存储器内存储器处理机处理机磁带数组多路通道数组多路通道8.4 设备的分配与去配设备的分配与去配n独占型设备的分配与去配独占型设备的分配与去配n块型独占块型独占n字符型独占字符型独占n共享型设备的分配与去配共享型设备的分配与去配n块型共享块型共

12、享数据结构数据结构设备控制块设备控制块(UCB) 通道控制块通道控制块(CCB)设备标识设备标识设备状态设备状态相连通道相连通道占有设备进程占有设备进程通道标识通道标识通道状态通道状态通道类型通道类型占有通道进程占有通道进程系统设备表系统设备表(SDT)设备类设备类 总数总数 设备等待队列设备等待队列 UCB表指针表指针 lp m Sm UCBUCBUCB 独占型设备的分配与去配独占型设备的分配与去配用户使用独占型设备活动：用户使用独占型设备活动： 申请，使用，使用，申请，使用，使用，使用，释放，使用，释放 申请：申请：(1) 根据设备类查根据设备类查SDT表表 (2) P(Sm) (3) 查

13、查UCB表找一空闲设备并分配表找一空闲设备并分配 使用：使用：(1) 分配通道分配通道 (2) IO传输传输 (3) 去配通道去配通道 释放：释放：(1) 找找SDT表对应入口表对应入口 (2) 查查UCB表，去配表，去配 (3) V(Sm) l共享型设备的分配与去配共享型设备的分配与去配l用户使用共享型设备活动用户使用共享型设备活动l使用，使用，使用，使用，使用，使用l特征特征l来自文件系统；来自文件系统；l每次读写一块；每次读写一块；l通常经过缓冲；通常经过缓冲；l排队优化。排队优化。l使用使用l分配通道；分配通道；IO操作；释放通道操作；释放通道8.5 设备驱动设备驱动n通道程序通道程序

14、nCCW指令序列指令序列n静态编制或动态生成静态编制或动态生成n设备启动设备启动n通道启动通道启动n中断处理中断处理n通道向通道向CPU发的中断发的中断8.5 设备驱动设备驱动设备设备CAWCCWCDWCSWCCW1CCW2CCWi.CCWn数据区数据区.形成通道程序形成通道程序.地址地址CAW.启动通道启动通道.中断处理中断处理.启动启动中断中断内存内存CPU通道通道 8.5 设备驱动设备驱动设备设备CAWCCWCDWCSWCCW1CCW2CCWi.CCWn数据区数据区.形成通道程序形成通道程序.地址地址CAW.启动通道启动通道.中断处理中断处理.启动启动中断中断内存内存CPU通道通道 8.

15、5 设备驱动设备驱动设备设备CAWCCWCDWCSWCCW1CCW2CCWi.CCWn数据区数据区.形成通道程序形成通道程序.地址地址CAW.启动通道启动通道.中断处理中断处理.启动启动中断中断内存内存CPU通道通道 8.5 设备驱动设备驱动设备设备CAWCCWCDWCSWCCW1CCW2CCWi.CCWn数据区数据区.形成通道程序形成通道程序.地址地址CAW.启动通道启动通道.中断处理中断处理.启动启动中断中断内存内存CPU通道通道 8.6 设备调度设备调度n优化效劳顺序优化效劳顺序n考虑因素考虑因素n公平性公平性n防止饿死防止饿死n高效性高效性n减少磁盘引臂移动量减少磁盘引臂移动量磁盘引臂

16、调度磁盘引臂调度(disk head scheduling)n先到先效劳先到先效劳FCFSn请求序列：请求序列：130，42，180，15，108，68，970 15 42 53 68 97 108 130 180 199移动量移动量: (130-53)+(130-42)+(180-42)+(180-15)+(108-15)+(108-68)+(97-68)=630磁盘引臂调度磁盘引臂调度(disk head scheduling)n最短寻找时间优先最短寻找时间优先SSTFn请求序列：请求序列：130，42，180，15，108，68，970 15 42 53 68 97 108 130 18

17、0 199移动量移动量: (53-42)+(180-42)+(180-15)=314lSCANLOOKl请求序列：请求序列：130，42，180，15，108，68，97SCAN移动量移动量: (53-0)+(180-0)=233LOOK移动量移动量: (53-15)+(180-15)=2030 15 42 53 68 97 108 130 180 199 Look ScanlC-SCANC-LOOKl请求序列：请求序列：130，42，180，15，108，68，97特点：所有磁道地位最长等待时间相同特点：所有磁道地位最长等待时间相同问题：问题：diskhead stickiness磁头粘性磁

18、头粘性0 15 42 53 68 97 108 130 180 199 C-Look C-ScannN-step SCANN步扫描步扫描n将磁盘请求队列分为假设干个长度为将磁盘请求队列分为假设干个长度为N的子队的子队列，每个队列内采用列，每个队列内采用SCAN算法算法n例子：磁道由外向内编号例子：磁道由外向内编号0-99,磁头当前位置磁头当前位置20,向内移动向内移动,N=4n12, 5, 7, 30, 60, 77, 13, 26, 61, 80, 53, 66n2030127513266077806661 53n当当N很大时，接近很大时，接近SCAN算法算法n当当N=1时，蜕化为时，蜕化为

19、FCFS算法算法nFSCANFreezing SCAN，冻结扫描，冻结扫描)n将磁盘请求分为两个子队列，将磁盘请求分为两个子队列，n效劳队列效劳队列n请求队列请求队列n用用SCAN算法扫描效劳队列，并为请求效劳，算法扫描效劳队列，并为请求效劳，效劳期间新到达的请求入请求队列效劳期间新到达的请求入请求队列n扫描完成后交换两个队列的地位扫描完成后交换两个队列的地位8.6.1 磁盘磁盘I/O参数参数n首先分析一下读首先分析一下读/写一个磁盘块需要多少写一个磁盘块需要多少时间。它一般由如下三个因素确定：时间。它一般由如下三个因素确定：n寻道时间寻道时间seek time：将磁盘引臂：将磁盘引臂移动到指

20、定柱面所需要的时间；移动到指定柱面所需要的时间；n旋转延迟旋转延迟rotational delay：指定：指定扇区旋转到磁头下的时间；扇区旋转到磁头下的时间；n传输时间传输时间transfer time：读：读/写一写一个扇区的时间。个扇区的时间。8.6.1 磁盘磁盘I/O参数参数n寻道时间寻道时间Ts计算公式如下：计算公式如下：nTs=mnsn其中，其中，n为跨越磁道数，为跨越磁道数，m为跨越一个磁道为跨越一个磁道所用时间，所用时间，s为启动时间。为启动时间。n旋转延迟旋转延迟Tr计算公式如下：计算公式如下：nTr=1/(2r)n其中，其中，r为磁盘转速。该公式给出的是平均为磁盘转速。该公式

21、给出的是平均旋转延迟，它是磁盘旋转一周时间的一半，旋转延迟，它是磁盘旋转一周时间的一半，即旋转半周所花费的时间。即旋转半周所花费的时间。8.6.1 磁盘磁盘I/O参数参数n传输时间传输时间Tt计算公式如下：计算公式如下：nTt=b/(rN)n其中，其中，b为读为读/写字节数，写字节数，r为磁盘转速，为磁盘转速，N为一条磁道上的字节数。为一条磁道上的字节数。 8.6.1 磁盘磁盘I/O参数参数n因此，可将访问时间因此，可将访问时间Ta表示为：表示为：n访问磁盘通常是以扇区块为单位的，访问磁盘通常是以扇区块为单位的，令令M为一个磁道上扇区的个数，那么一为一个磁道上扇区的个数，那么一个扇区的访问时间

22、为：个扇区的访问时间为：rNbrsnmTTTTtrsa21rMrsnmTTTTtrsa121例题例题n例例8-1设有一个只有一个移动磁头的磁盘，磁道由设有一个只有一个移动磁头的磁盘，磁道由外向内编号外向内编号0、1、2、199，磁头移动一个磁道，磁头移动一个磁道所需时间为所需时间为1ms，每个磁道有，每个磁道有100个扇区，磁盘转速个扇区，磁盘转速6000r/m。采用。采用CLOOK引臂调度算法，当前引臂位引臂调度算法，当前引臂位置处于第置处于第100磁道，当前移动方向由外向内，并规定磁道，当前移动方向由外向内，并规定引臂向内扫描时为路经请求效劳。对于如下磁道请求引臂向内扫描时为路经请求效劳。

23、对于如下磁道请求120、85、70、30，每个请求访问对应磁道上的一，每个请求访问对应磁道上的一个扇区，问：个扇区，问：n(1)给出引臂移动序列，计算引臂移动量和寻道时间，给出引臂移动序列，计算引臂移动量和寻道时间，忽略启动时间；忽略启动时间；n(2)计算平均旋转延迟时间；计算平均旋转延迟时间；n(3)计算传输时间；计算传输时间；n(4)计算所有访问处理时间。计算所有访问处理时间。例题例题n解答：解答：n(1)磁盘引臂移动序列为磁盘引臂移动序列为: 100120307085，跨越磁道数：跨越磁道数：20+90+40+15=165。共需寻道时间。共需寻道时间1651ms=165ms.n(2) 1

24、次访盘的旋转延迟为：次访盘的旋转延迟为：Tr=1/(2r)=1/(2(6000/m)=1/(2(100/s)=5ms，4次访盘的旋转延迟为次访盘的旋转延迟为45ms=20ms.n(3) 1次访盘的传输时间为：次访盘的传输时间为：Tt=1/(rM)=1/(6000/m)100)=1/(100/s)100)=0.1ms，4次访盘的传输时间为次访盘的传输时间为40.1ms=0.4ms.n(4)所有访问处理时间所有访问处理时间=165+20+0.4=185.4(ms)。8.7 缓冲技术n设备设备处理数据到达与离开速度不一致所采用的技术处理数据到达与离开速度不一致所采用的技术。nBuffering vs

25、. Cachingnbuffering: one data copyncaching: multiple data copy (slow多多, fast少少)n硬缓冲与软缓冲硬缓冲与软缓冲 n硬缓冲区通常设在设备中硬缓冲区通常设在设备中 n软缓冲区通常设在内存系统空间中软缓冲区通常设在内存系统空间中 n私用缓冲与公共缓冲私用缓冲与公共缓冲 n一个缓冲区与一个固定设备相联系，不同设备使用不同的缓冲区一个缓冲区与一个固定设备相联系，不同设备使用不同的缓冲区 n利用率低利用率低 n缓冲区由系统统一管理，按需要动态分派给正在进行缓冲区由系统统一管理，按需要动态分派给正在进行I/O传输的设传输的设备备空

26、缓冲空缓冲空缓冲空缓冲空缓冲空缓冲.head共共n个个Var buf_num:semaphore; (init n) mutex:semaphore; (init 1)1. 申请申请 2. 释放释放(1) P(buf_num) P(mutex)(2) P(mutex) 空缓冲入链尾空缓冲入链尾(3) 取链头空缓冲取链头空缓冲 V(mutex)(4) V(mutex) V(buf_num)缓冲池管理缓冲池管理 tail8.7.5 缓冲技术实现：输入设备 进程空间进程空间缓冲缓冲输入设备输入设备缓冲缓冲缓冲缓冲.io链进程方面：进程方面：中断方面：中断方面：IO链空链空设备忙设备忙申请空缓冲申请空

27、缓冲启动设备启动设备等待等待由由io链取一缓冲链取一缓冲信息信息进程空间进程空间释放空缓冲释放空缓冲缓冲入缓冲入io链链有等待进程有等待进程唤醒唤醒传输完毕传输完毕申请空缓冲申请空缓冲启动设备启动设备FTFTFTTF8.7.5 缓冲技术实现：输出设备 进程空间进程空间缓冲缓冲输出设备输出设备缓冲缓冲缓冲缓冲.io链进程方面：进程方面：中断方面：中断方面：申请一空缓冲申请一空缓冲信息信息缓冲缓冲设备忙设备忙启动设备启动设备缓冲入缓冲入io链链传输完传输完TFFT释放空缓冲释放空缓冲io链空链空取一缓冲取一缓冲启动设备启动设备TF8.7.5 输入输出设备：输入输出设备：(磁带、磁盘磁带、磁盘) 缓

28、冲区头缓冲区头缓冲区体缓冲区体设备块号设备块号IO标识标识等待进程等待进程块型缓冲区：块型缓冲区： 进程空间进程空间缓冲缓冲IO设备设备缓冲缓冲缓冲缓冲.io链链进程方面进程方面(输入输入)：进程方面进程方面(输出输出)：中断方面：中断方面：申请空缓冲申请空缓冲填写头部填写头部设备工作设备工作入入io链尾链尾启动设备启动设备信息信息进程进程释放缓冲释放缓冲申请空缓冲申请空缓冲填写头部填写头部信息信息缓冲缓冲设备工作设备工作启动设备启动设备入入io链链输入输入唤醒唤醒等待等待者者释放释放空缓空缓冲冲io链空链空取一缓冲取一缓冲启动设备启动设备FTFTTFFT等待等待UNIX缓冲缓冲n字符型缓冲字

29、符型缓冲n100个缓冲区，长度个缓冲区，长度8字节字节(6字符字符+2指针指针)n组成公共缓冲池，所有字符型设备公用组成公共缓冲池，所有字符型设备公用n缓冲区或属于缓冲区或属于cfreelist, 或属于某字符设备或属于某字符设备(eg. tty,lp)n块型缓冲块型缓冲n50个缓冲区，长度个缓冲区，长度514字节字节n组成公共缓冲池，所有块型设备公用组成公共缓冲池，所有块型设备公用n缓冲区可属于缓冲区可属于bfreelist and/or devtabn预先读入的块预先读入的块(breada)n延迟写出的块延迟写出的块(bdwrite)字符型设备缓冲字符型设备缓冲struct cblock

30、struct cblock *c_next; char info6;struct cblock *cfreelist; /free c blocks struct clist /associated with a character device int c_cc; /character count int c_cf; /pointer to first block int c_cl; /pointer to last blockstruct buf /actually a buffer header, shared by all mounted disks int b_flags; /BUS

31、Y, ASYNC, DELWRI, DONE. struct buf *b_forw; /headed by devtab struct buf *b_back; struct buf *av_forw; /position on free list struct buf *av_back; int b_dev; int b_wcount; /transfer count char *b_addr; /low order core (buffer) address char *b_xmem; /high order core (buffer) address char *b_blkno /bl

32、ock # on device char b_error; char *b_resid; /word not transferred after error bufNBUF块型设备缓冲头部15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0B_READ/B_WRITEB_DONEB_ERRORB_BUSYB_WANTEDB_RELOCB_ASYNCB_DELWRIb_flag:struct devtab /设备设备IO队列队列 char d_active; /busy flag char d_errcnt; /error count struct buf *b_forw;

33、 /first buffer for this dev struct buf *b_back; /last buffer for this dev struct buf *d_actf; /head of IO queue struct buf *d_actl; /tail of IO queuechar buffersNBUF514; /块型缓冲区块型缓冲区struct buf bfreelist; /缓冲区头部的链头缓冲区头部的链头struct devtab char d_active; char d_errcnt; struct buf *b_forw; struct buf *b_ba

34、ck; struct buf *d_actf; struct buf *d_actl;1821bfreelist35658368相关操作：getblk(dev,blkno) /assign a buffer for the given block bread(dev,blkno) /read a block(if necessary), return buf pointerbreada(dev,blkno,rablkno) /read in first block, like read; but also start io on second block bwrite(bp) /write t

35、he buffer, wait for completion, then releasebawrite(bp) /start the io, release buffer, no wait for completionbdwrite(bp) /release buffer, mark it so that if it is grabbed for another purpose, it will be written out before being given upbrelse(bp) /release the buffer, with no io impliedgetblk(dev,blk

36、no)n参数：参数： dev:设备号，设备号，blkno: 设备块号设备块号n返回：缓冲区指针返回：缓冲区指针bpn步骤：步骤：n块在块在b链中，且当前空闲链中，且当前空闲n由由av链摘除，标记链摘除，标记BUSY, 返回缓冲块指针返回缓冲块指针n块在块在b链中，但链中，但BUSY(其它进程在用其它进程在用)nsleep(空闲事件发生空闲事件发生)，返回缓冲块指针，返回缓冲块指针n不在不在b的链中，在的链中，在av链上取到延迟写的块链上取到延迟写的块n写出该块，分配下一个缓冲区写出该块，分配下一个缓冲区n不在不在b的链中，的链中，av链已空链已空n等待任意缓冲区变空闲的事件等待任意缓冲区变空闲

37、的事件n不在不在b的链中，在的链中，在av链上得到空缓冲链上得到空缓冲n填写头部，由填写头部，由av链摘除，出旧链摘除，出旧b链，如新链，如新b链，返回缓冲块指针链，返回缓冲块指针brelse(bp)n参数：参数：bp: 缓冲区头指针缓冲区头指针n返回：无返回：无n步骤：步骤：nIf 有等待者有等待者(b_flag&B_WANTED!=0),唤醒唤醒;nElsenbfreelist上有等待者上有等待者,唤醒唤醒nbp入入av链链bread(dev,blkno)n参数：参数：dev:设备号，设备号，blkno: 设备块号设备块号n返回：载有信息的缓冲区返回：载有信息的缓冲区bpn步骤：步

38、骤：nbp=getblk(dev,blkno)nif (缓冲区数据有效缓冲区数据有效)nreturn(bp) /在在cache中得到中得到n启动磁盘读启动磁盘读(d_actf/d_actl链链)nsleep(等待读盘完成事件等待读盘完成事件)n中断中断n唤醒唤醒nreturn(bp) breada(dev,blkno,rablkno)n参数：参数：dev:设备号，设备号，blkno:读块号，读块号，rablkno:预读块号预读块号n返回：返回：blk缓冲块指针缓冲块指针rbpn步骤：步骤：nrbp=getblk(dev,blkno)nif(信息无效信息无效)n启动设备读入启动设备读入(d_ac

39、tf/d_actl链链)nrabp=getblk(dev,rablkno)nif (B_DONE) /缓冲区从缓冲区从b链得到链得到nbrelse(rabp) /入入av链链nelse /缓冲区从缓冲区从av链得到链得到n启动设备读入启动设备读入(d_actf/d_actl链链) /中断时入中断时入av链链niowait(rbp)nreturn(rbp)bwrite(bp)n参数：参数：bp：缓冲区指针：缓冲区指针n步骤：步骤：n入设备入设备d_act队列队列(假设设备不忙启动设备假设设备不忙启动设备)nif(! B_ASYNC)nsleep(等待等待IO完成事件完成事件)n中断中断n唤醒唤醒

40、nbrelse(bp), (bp入入av链链)bdwrite(bp)n参数参数: bp: 缓冲区指针缓冲区指针n返回返回: 无无n步骤：步骤：n标记标记b_flags =| B_DELWRI | B_DONEnbrelse(bp), (bp入入av链链)bawrite(bp)n参数：参数：bp: 缓冲区头指针缓冲区头指针n返回：无返回：无n步骤：步骤：nbp-b_flag =| B_ASYNCnbwrite(bp)n中断中断n入入av队列队列8.8 输入输出进程输入输出进程n专门负责专门负责IO传输的进程传输的进程n另外一种另外一种IO模式模式效劳模式效劳模式nC/S Modeln特点特点n界

41、面清晰界面清晰,方便使用方便使用n两次进程切换两次进程切换,速度问题速度问题8.9 RAID技术nRAID: nRedundant Array of Inexpensive Disksncompared with SLEDs (Single Large Expensive Disks)nRedundant Array of Independent Disks /独立磁盘冗余阵列独立磁盘冗余阵列nProposed by researchers at UC BerkeleynDavid A. PattersonnBackgroundndisk access speed increases slow

42、ly compared with CPUnsolution: multiple parallel componentnObjectivenenhanced performancenhigh reliabilityRAID技术nRAIDnRAID is a set of physical disks viewed by the operating system as a single logical drivenData are distributed across an array of physical drivesnRedundant disk capacity is used to st

43、ore parity information, which guarantees data recoverability in case of disk failurenHardware RAID vs. Software RAIDnhardware based: special controller nWindows NT, 2000, UNIX support software RAIDnSCSI RAID vs. IDE RAIDnperformance: SCSI outperforms IDEnprice: IDE beats SCSI8.9.1 RAID级别nRAID级别级别: 行

44、业标准规定的数据在多个磁行业标准规定的数据在多个磁盘上的存放方法。盘上的存放方法。n常见常见RAID级别级别: level0, , level5; n RAID分条分条(stripping)数据存储方式数据存储方式n位级分条位级分条(bit-level stripping)n块级分条块级分条(block-level stripping)n RAID衡量指标衡量指标l速速 度度: 是否支持多个访问同时进行是否支持多个访问同时进行;l可靠性可靠性: 是否能够发现和改正错误是否能够发现和改正错误;l成成 本本: 是否有额外的开销和开销的大小是否有额外的开销和开销的大小.How to organize

45、 data across multiple disks? Industry standards schemeLevel0(数据分条数据分条)n数据分条以块为单位数据分条以块为单位, 连续的数据条循连续的数据条循环存放在多个磁盘上。环存放在多个磁盘上。l 访问速度快；访问速度快； l 经济，空间利用率经济，空间利用率100；l 无容错能力，可靠性差。无容错能力，可靠性差。block0block4block8Disk1block1block5block9Disk2block2block6block10Disk3block3block7block11Disk4控控 制制 器器(4,5)(2,3)读请

46、求读请求写请求写请求Level1 (镜像镜像,mirroring):n数据分条以块为单位数据分条以块为单位, 采用分布镜像方式存储采用分布镜像方式存储, 即完即完全相同的数据重复存放在两个盘上。全相同的数据重复存放在两个盘上。l 访问速度快访问速度快; 读一个盘、写两个盘读一个盘、写两个盘;l 可靠性可靠性(恢复性恢复性)高高;l 费用高费用高, 是无镜像磁盘数的是无镜像磁盘数的2倍倍, 空间利用率空间利用率50。block0block3block6Disk1block1block4block7Disk2block2block5block8Disk3控控 制制 器器(3,4)(8)读请求读请求

47、写请求写请求block0block3block6Disk4block1block4block7Disk5block2block5block8Disk6Level2 (位级汉明纠错码校验与恢复位级汉明纠错码校验与恢复): n数据以位数据以位(bit)为单位分条为单位分条, 分布存放在多个数据磁盘上分布存放在多个数据磁盘上, 汉汉明纠错码存放在纠错磁盘上。明纠错码存放在纠错磁盘上。bit0Disk1bit1Disk2bit2Disk3控控 制制 器器(3,4,5)写请求写请求bit3Disk4bit4Disk5bit5Disk6bit6Disk7Level2 (位级汉明纠错码校验与恢复位级汉明纠错

48、码校验与恢复):n纠错能力强纠错能力强, 可靠性高可靠性高;n发现发现2个错误个错误, 纠正纠正1个错误个错误.n需要较多纠错盘存放汉明纠错码需要较多纠错盘存放汉明纠错码, 本钱较本钱较高高;n不能同时为多个请求效劳不能同时为多个请求效劳, 速度较慢速度较慢:n读操作读操作: 所有磁盘同时访问所有磁盘同时访问, 数据与错误校数据与错误校验码被送到磁盘阵列控制器验码被送到磁盘阵列控制器;n写操作写操作: 必须同时访问所有数据盘和纠错必须同时访问所有数据盘和纠错盘。盘。n数据以位数据以位(bit)为单位分条为单位分条, 分布存放在多个数据分布存放在多个数据磁盘上磁盘上;只用一个冗余磁盘存放奇偶校验

49、位。只用一个冗余磁盘存放奇偶校验位。bit0Disk1bit1Disk2bit2Disk3bit3Disk4奇偶校验奇偶校验Disk5l 有一定容错能力有一定容错能力;l 存储代价较低存储代价较低;l 读写需要访问所有盘读写需要访问所有盘, 多个读写不能多个读写不能并行。并行。控控 制制 器器(0,1)等待等待(3)写请求写请求写请求写请求Level3 (位级单个奇偶校验位级单个奇偶校验)Level4 (块级异或校验块级异或校验): n数据分条以块为单位数据分条以块为单位, 用异或运算产生校验信息用异或运算产生校验信息, n校验信息保存在单独的磁盘上。校验信息保存在单独的磁盘上。block0b

50、lock4block8Disk1block1block5block9Disk2block2block6block10Disk3block3block7block11Disk4P0-3P4-7P8-11Disk5控控 制制 器器(5,6)(11)读请求读请求读请求读请求Level 4 (Cont.)l 读操作不进行异或校验读操作不进行异或校验, 可以并行可以并行;l 写操作要更新异或校验信息写操作要更新异或校验信息, 都访问校验盘都访问校验盘, 不能并行不能并行; 写写操作时校验信息更新操作时校验信息更新:l P47=(block4 xor block4)xor p47l 异或校验信息用于磁盘发

51、生故障时数据块的恢复。异或校验信息用于磁盘发生故障时数据块的恢复。l 例如例如: 假设假设block7所在的所在的Disk4发生故障发生故障, 要恢复要恢复block7。l block7= p47 XOR (block4 XOR block5 XOR block6) Level5 (块级分布式异或校验块级分布式异或校验)n数据分条以块为单位数据分条以块为单位, 异或校验信息分散循环保存在各异或校验信息分散循环保存在各磁盘上磁盘上。block0block4block8block12P1619Disk1控控 制制 器器(1)(6)写请求写请求写请求写请求block1block5block9P121

52、5block16Disk2block2block6P811block13block17Disk3block3P4-7block10block14block18Disk4P03block7block11block15block19Disk5Level5 (块级分布式异或校验块级分布式异或校验)n校验码计算:np47=block4 XOR block5 XOR block6 XOR block7n假设block7发生故障，可通过下式恢复nblock7=p47 XOR block4 XOR block5 XOR block6Level 5 (Cont.)l磁盘数量至少为磁盘数量至少为3个个;l读操作

53、可并行读操作可并行;l不涉及相同数据盘和校验盘的写操作可以并行不涉及相同数据盘和校验盘的写操作可以并行;l对于单盘容量为对于单盘容量为S、数量为、数量为N的磁盘阵列的磁盘阵列, 有效存储容量有效存储容量为为: S(N-1) 磁盘利用率磁盘利用率为为: (N-1)/Nl任意磁盘发生故障任意磁盘发生故障, 均可根据其它均可根据其它N-1个磁盘恢个磁盘恢复复;8.9.1 RAID级别级别(Cont.)表表8-1 RAID 级别的比较级别的比较Level 分条粒度分条粒度读并发性读并发性写并发性写并发性冗余冗余(容错容错/开销开销)0块支持支持无1块支持不支持镜像2位不支持不支持汉明纠错码奇偶校验与恢

54、复3位不支持不支持单个奇偶校验4块支持不支持块级异或校验5块支持支持块级分布式异或校验8.9.2 Remark on Software RAIDnPros:ncost lessnsimplicitynCons:nperformancenboot volume limitation /导引卷不能是RAIDnlevel support: only 0,1,5 are supportednOS compatibility: multiple problemnother software compatibilitynreliabilitynsoftware bugsBenefit from RAIDn

55、Increased read/write speednImproved data reliabilitynEnlarged storage capacitynmultiple disks viewed as a single volume8.10 虚拟设备虚拟设备n概念概念n利用共享型设备实现的数量较多、速度较快的独占型设利用共享型设备实现的数量较多、速度较快的独占型设备备n引入引入n用户直接使用独占型设备效率低用户直接使用独占型设备效率低n实现实现n输入型虚拟设备输入型虚拟设备n输出型虚拟设备输出型虚拟设备n虚拟设备的例子虚拟设备的例子nSPOOLing输入输入nSPOOLing输出输出l用

56、户使用独占型设备活动：用户使用独占型设备活动：申请，使用，使用，申请，使用，使用，使用，释放，使用，释放l缺点：缺点：速度：速度：CPU与设备速度不匹配与设备速度不匹配设备利用率：占有期间不一定一直使用设备利用率：占有期间不一定一直使用进程独占此设备进程独占此设备l方法：方法：在进程与独占型设备之间增加共享设备缓冲在进程与独占型设备之间增加共享设备缓冲虚拟虚拟设备设备虚拟虚拟设备设备虚拟虚拟设备设备虚拟虚拟设备设备进程进程独占设备独占设备 共享设备共享设备如磁盘如磁盘间断传输间断传输连续传输连续传输l输入型虚拟设备的实现输入型虚拟设备的实现申请：申请：l分配一虚设备分配一虚设备l分配一实设备分

57、配一实设备l信息由实设备信息由实设备虚设备虚设备l去配该实设备去配该实设备使用：使用：l信息由虚设备信息由虚设备进程空间进程空间释放：释放：l去配虚设备去配虚设备l输出型虚拟设备的实现输出型虚拟设备的实现申请：申请：l分配一虚设备分配一虚设备使用：使用：l信息由进程空间信息由进程空间虚设备虚设备释放：释放：l分配一实设备分配一实设备l信息由虚设备信息由虚设备实设备实设备l去配实设备去配实设备l去配虚设备去配虚设备8.10.3 虚拟设备的例子虚拟设备的例子nSPOOLing输入输入n作业预输入输入机作业预输入输入机输入井输入井nSPOOLing输出输出n作业缓输出输出井作业缓输出输出井输出机输出机nSPOOLingnSimultaneous Peripheral Operation On-Linen由由SPOOLing程序控制通道完成程序控制通道完成作业控制块作业控制块(Job Control Block)n作业存在标志，其中保存系统管理作业需要的全部信作业存在标志，其中保存系统管理作业需要的全部信息。息。nJCB内容：内容：n作业标识作业标识n用户标识用户标识n作业状态作业状态n调度参数调度参数n作业位置作业位置n资源需求资源需求n进入时间进入时间n处理时间处理时间n记账信息记账信息.job11job1m.输入井输入井预输入进程预输入进程输入机输入机预