操作系统原理之设备管理

操作系统原理金海溶blue1879@163.com（MSN）办公室：JK329第9章设备管理输入/输出设备输入/输出功能的组织操作系统设计问题输入/输出缓冲磁盘调度RAID磁盘高速缓冲第9章设备管理各种设备及其应用程序如此众多，所以很难开发一种通用的、一致的输入/输出解决方案对于输入/输出，最关键的问题是性能计算机系统处理器的速度在不断提高，如果一个处理器仍然不够快，SMP可以提供多个处理器来加快处理速度内部存储器访问速度尽管没有处理器速度提高得快，但它也在不断提高，而且，通过聪明地使用一级、两级甚至更多级内部cache，主存访问时间应该可以跟上处理器的速度但输入/输出仍然面临着重要的性能挑战，特别是磁盘存储第9章设备管理磁盘输入/输出，介绍多磁盘请求的调度方法，通过利用磁盘访问的物理特性来提高响应时间。这是用户所能觉察到的一个关键性能因素使用磁盘阵列来提高性能和可靠性磁盘cache输入/输出设备计算机系统输入/输出外部设备大体可分为：I/O类外设：适合与计算机用户通信，例如打印机、终端(显示器和键盘、鼠标等)，传感器等存储类型的设备：应用于存储程序和数据，如磁盘设备，磁带，光盘等网络通信设备：适合与远程设备通信，例如调制解调器，各种网络接口等输入/输出设备各类输入/输出外部设备之间有很大差别，主要包括数据率：数据传送速率可能会相差几个数量级101102103104105106107108109典型的输入/输出设备数据率§6.1输入/输出设备各类输入/输出外部设备之间有很大差别，主要包括数据率：数据传送速率可能会相差几个数量级应用程序：设备的用途对软件、操作系统策略以及支持实用程序都有影响。例如，用于文件操作的磁盘需要文件管理软件的支持等；不同使用情况隐含着不同的特权，从而可能有不同的优先级控制的复杂度：相对而言，打印机接口比较简单，而磁盘接口要复杂得多。这些差别影响到控制该设备的I/O模块的复杂度输入/输出设备传送单位：数据可以按照字节流或者字符流的形式传送(例如终端I/O)，也可以按大块传送(如磁盘I/O)数据表示：不同的设备使用不同的数据编码方案错误条件：错误、报告错误方式、错误后果以及可以得到的响应范围随设备的不同而不同操作系统设计计问题设计I/O功功能时，最重重要的目标是是：效率和通通用性I/O设计的的一个主要任任务就是提高高I/O的效效率，最关注注的是磁盘I/O与主存和处理理器相比，大大多数I/O设备都非常常慢，I/O操作往往构构成计算机系系统的瓶颈，，因此效率非非常重要。解决这个问题题的方法之一一是多道程序序。多道程序序允许一些进进程在等待I/O操作时时另一些进程程正在执行。。但是，即使使有巨大的主主存，仍然常常常出现I/O跟不上处处理器活动的的情况等操作系统设计计问题操作系统设计计的另一个重重要目标是通通用性为了简单和避避免错误，往往往希望能用用一种统一的的方式处理所所有的设备。。这不仅是从从处理器的角角度看I/O设备时所需需要的，也是是操作系统管管理I/O设设备和I/O操作所需要要的由于设备之间间的差异，实实际中很难真真正实现通用用性。所能做做的是用一种种层次化的、、模块化的方方法设计I/O功能。这这种方法在低低层例程中隐隐藏了大部分分设备I/O的细节，使使得用户进程程和操作系统统高层可以通通过一些通用用的功能，如如读、写、打打开、锁定、、解锁等来查查看I/O设设备操作系统设计计问题设备管理的功功能和任务：：设备分配：设备处理:设设备与cpu之间的通信信与并行处理理缓冲管理：设备独立性：：也叫设备无无关性。指用用户程序独立立于物理设备备输入/输出缓缓冲在各种缓冲方方法中，有时时需要区别两两类I/O设设备：面向块的I/O设备在块中保存信信息，块的大大小通常是固固定的，并且且一次只传送送一块。通常常，可以通过过块号访问数数据。磁盘和和磁带都是面面向块的设备备面向流的I/O设备面向流的设备备传送字节流流数据，没有有使用块结构构。终端、打打印机、通信信端口、鼠标标和其他指示示设备以及大大多数不是辅辅存的其他设设备，都是面面向流的操作系统提供供的最简单的的类型是单缓缓冲区当一个用户进进程发出I/O请求时时，操作系统统给该操作分分配一个主存存空间称为缓缓冲区。输入传送进入入系统缓冲区区。当传送完完成时，进程程把该块移到到用户空间，，并立即请求求另一块。这这称作预读。。这样做是希希望最终会需需要这个块相对于没有系系统缓冲的情情况，此方法法通常会提高高速度。用户户进程可以在在下一块数据据正在读入时时，处理这一一块数据。由由于输入发生生在系统存储储空间中而不不是用户进程程存储器中，，故而操作系系统可以把该该进程换出。。但这种技术术增加了操作作系统的逻辑辑复杂度单缓冲区单缓冲区可可以用于面面向块的输输出当准备把数数据发送到到一台设备备时，首先先把它们从从用户空间间复制到系系统缓冲区区，最终是是从系统缓缓冲区中被被写出的。。发请求的的进程现在在可以自由由地继续进进行，或者者在必要时时换出对于面向流流的I/O，在每次次传送一行行的方式下下，或者每每次传送一一个字节的的方式下可可以使用单单缓冲方案案每次传送一一行适合于于上卷式终终端。对于于这类终端端，用户每每次输入一一行，用回回车表示到到达行尾，，并且输出出到终端时时也是类似似的每次输输出一行。。行式打印印机是这类类设备的一一个例子单缓冲区双缓冲可以通过给给操作系统统指定两个个系统缓冲冲区来实现现对单缓冲冲方案进行行改进当一个进程程往这一个个缓冲区中中传送数据据(从这这个缓冲区区中取数据据)时，，操作系统统正在清空空(填充充)另一一个缓冲区区，这种技技术称作双双缓冲或缓缓冲交换12循环缓冲双缓冲方案案可以平滑滑I/O设设备和进程程之间的数数据流如果某个特特定进程的的性能是关关注的焦点点，常常会会希望相关关I/O操操作能够跟跟得上这个个进程。如如果这个进进程突然快快速执行了了大量的I/O，仅仅有双缓冲冲就不够了了，在这种种情况下，，通常使用用多于两个个的缓冲区区来解决这这个问题当使用两个个以上的缓缓冲区时，，这组缓冲冲区被称作作循环缓冲冲区，其中中的每一个个缓冲区是是这个循环环缓冲区的的一个单元元INOUT缓冲的作用用缓冲是用来来平滑I/O请求的的峰值的一一种技术，，但是当进进程的平均均请求大于于I/O设设备的服务务能力时，，缓冲再多多也不能让让I/O设设备与这个个进程一直直并驾齐驱驱即使有多个个缓冲区，，所有的缓缓冲区终将将被填满，，进程在处处理完每块块数据后不不得不等待待。但是，，在多道程程序环境中中，当存在在多种I/O活动和和多种进程程活动时，，缓冲是提提高操作系系统效率和和单个进程程性能的一一种工具磁盘调度处理器速度度和主存速速度的提高高远远超过过了磁盘访访问速度的的提高，并并且可以预预见将来这这个差距还还会继续增增大。因此此，磁盘存存储子系统统的性能是是至关重要要的磁盘系统的的性能与文文件系统的的设计问题题紧密相关关盘面盘片磁头臂运动动方向读/写磁头头(每个盘面面一个)磁盘驱动器器的组成磁盘性能参参数磁盘I/O的实际操操作细节取取决于计算算机系统、、操作系统统以及I/O通道和和磁盘控制制硬件的特特性等待设备等待通道寻道旋转延迟数据传送设备忙磁盘I/O传送的一般时序图磁盘性能参参数磁盘驱动器器工作时，，磁盘以一一种稳定的的速度旋转转。为了读读或写，磁磁头必须定定位于期望望的磁道和和该磁道中中期望的扇扇区的开始始处磁盘性能参参数磁道选择包包括在活动动头系统中中移动磁头头或者在固固定头系统统中电子选选择一个磁磁头在活动头系系统中，磁磁头定位磁磁道所需的的时间称作作寻道时间间一旦选择好好磁道，磁磁盘控制器器就开始等等待，直到到适当的扇扇区旋转到到磁头处。。扇区到达达磁头的时时间称作旋旋转延迟寻道时间和和旋转延迟迟的总和为为存取时间间，这是达达到读或写写位置所需需要的时间间一旦磁头定定位，并且且扇区旋转转到磁头下下，就开始始执行该操操作或写操操作，这是是整个操作作的数据传传送部分此外，一次次磁盘I/O操作通通常还有许许多排队延延迟，如等等待该设备备可用，等等待通道可可用等磁盘调度策策略考虑在多道道程序环境境中的一种种典型情况况，操作系系统为每个个I/O设设备维护一一条请求队队列。因此此对一个磁磁盘，队列列中可能有有来自多个个进程的许许多I/O请求(写和读)如果按随机机顺序从队队列中选择择项目，那那么磁道完完全是被随随机访问的的，这种情情况下的性性能最差最简单的调调度是先进进先出(FIFO)，，这意味着着按顺序处处理队列中中的项目。。这个策略略具有公平平性，每个个请求都会会按照接收收到的顺序序得到处理理磁盘调度策策略对于FIFO，如果果有多个进进程竞争一一个磁盘，，这种技术术在性能上上往往接近近于随机调调度。因此此，需要考考虑一些更更复杂的调调度策略磁盘调度策策略优先级优先级方法法不会优化化磁盘的使使用率，但但可以满足足操作系统统的其他目目标通常比较短短的批作业业和交互作作业比需要要较长计算算时间的长长作业的优优先级高。。这就使得得大量的短短作业能够够迅速地通通过系统，，从而可以以提供比较较好的交互互响应时间间。但是，，长作业可可能不得不不等待过长长的时间磁盘调度策策略后进先出(LIFO)取最近请求求的策略有有许多优点点。在事务务处理系统统中，把设设备给最近近的用户会会导致磁头头臂在一个个顺序文件件中移动时时移动得很很少，甚至至不移动。。利用这种种局部性可可以提高吞吞吐量，减减小队列长长度只要要一一个个作作业业积积极极地地使使用用文文件件系系统统，，它它就就可可以以尽尽可可能能快快地地得得到到处处理理但如如果果由由于于工工作作量量大大而而使使磁磁盘盘保保持持忙忙状状态态，，就就有有可可能能出出现现饿饿死死的的情情况况。。当当一一个个作作业业已已经经往往队队列列中中送送入入一一个个加加请请求求，，并并且且错错过过了了磁磁头头位位置置时时，，该该作作业业就就可可能能永永远远得得不不到到磁磁头头，，除除非非它它前前面面的的队队列列变变为为空空磁盘盘调调度度策策略略最短短服服务务时时间间优优先先SSTF策策略略选选择择使使磁磁头头臂臂从从当当前前位位置置开开始始移移动动最最少少的的磁磁盘盘I/O请请求求。因因此此，，SSTF策策略略总总是是选选择择导导致致最最小小寻寻道道时时间间的的请请求求。。当然然，，总总是是选选择择最最小小寻寻道道时时间间并并不不能能保保证证平平均均寻寻道道时时间间最最小小，，但但是是，，它它能能提提供供比比FIFO更更好好的的性性能能。。由于于磁磁头头臂臂可可以以向向两两个个方方向向移移动动，，因因此此可可以以使使用用一一种种随随机机选选择择算算法法解解决决距距离离相相等等的的情情况况磁盘盘调调度度策策略略SCAN算算法法(电电梯梯调调度度算算法法））SCAN要要求求磁磁头头臂臂仅仅仅仅沿沿一一个个方方向向移移动动，，并并在在途途中中满满足足所所有有未未完完成成的的请请求求，，直直到到它它到到达达这这个个方方向向上上的的最最后后一一个个磁磁道道为为止止。。然然后后倒倒转转服服务务方方向向，，沿沿相相反反方方向向扫扫描描，，同同样样按按顺顺序序完完成成所所有有请请求求磁盘调度策略略C-SCAN算法C-SCAN要求磁头臂臂从0磁道向向里移动，并并在途中满足足所有未完成成的请求，直直到它到达这这个方向上的的最后一个磁磁道，在返回回时，直接快快速的移至起起始端，而不不响应任何服服务请求，接接着再进行下下一次的扫描描磁盘调度策略略其他算法LOOKC-LOOK磁盘调度策略略磁盘共400磁道，若磁磁头的当前位位置为100，磁头正向向磁道号增加加方向移动，，现有一磁盘盘读写请求队队列，23，，376，205，132，19，，61，190，398，29，4，18，40，若分别采用FCFS、、SSTF、SCAN，C-SCAN调度度算法，求访访问顺序和磁磁头移动道数数。解04181923294061100132190205376398400FCFS1011519126047328SSTF1098765401231112SCAN131211109870123456C-SCAN78910111213140123456FCFS:23，376，205，132，19，61，190，398，29，4，18，40磁头移动道数数＝（100-23）+（376-23）+（376-205）+（205-132）+（132-19）+（61-19）+（190-61）+（398-190）+（398-29）+(29-4)+（18-4）+（40-18）＝1596磁盘调度策略略SCAN偏爱那些请求求接近最靠里里或最靠外的的磁道的作业业，并且偏爱爱最近的作业业C-SCAN当沿某个方向向访问到最后后一个磁道时时，磁头臂返返回到磁盘的的另一端，并并再次开始扫扫描N-step-SCAN把磁盘请求队队列分成长度度为N的子队队列，每一次次用SCAN处理一个子子队列。此时时，新请求必必须添加到其其他某个队列列中FSCAN使用两两个子子队列列。扫扫描开开始时时，所所有请请求都都在一一个队队列中中，而而另一一个队队列为为空。。在扫扫描过过程中中，所所有新新请求求都被被放入入另一一个队队列中中。因因此，，对新新请求求的服服务延延迟到到处理理完所所有老老请求求以后后RAID设想：：如果果使用用一个个组件件对性性能只只能提提高这这么多多，那那么可可以通通过使使用多多个并并行的的组件件来获获得额额外的的性能能提高高在磁盘盘存储储器的的情况况下，，就产产生了了独立立、并并行运运行的的磁盘盘阵列列通过多多个磁磁盘，，多个个独立立的I/O请求求可以以并行行地进进行处处理,只要要它们们所需需要的的数据据驻留留在不不同的的磁盘盘中此外，，如果果要访访问的的数据据块分分布在在多个个磁盘盘上，，I/O请请求也也可以以并行行地执执行RAIDRAID，，独立立磁盘盘冗余余阵列列，是是关于于多磁磁盘数数据库库设计计的一一个标标准方方案RAID方方案包包括从从0到到6的的7层层，层层不仅仅仅是是层次次关系系,还还表明明了不不同的的设计计结构构提高磁磁盘访访问的的速度度增强磁磁盘的的可靠靠性RAIDRAID设设计结结构有有三个个共同同的特特性：：RAID是是一组组物理理磁盘盘驱动动器，，操作作系统统把它它看作作是一一个单单个的的逻辑辑驱动动器数据分分布在在物理理驱动动器阵阵列中中使用冗冗余的的磁盘盘容量量保存存奇偶偶检验验信息息，从从而保保证当当一个个磁盘盘失败败时，，数据据具有有可恢恢复性性不同的的RAID级中中，第第二和和第三三个特特性的的细节节不同同；RAID0不支支持第第三个个特性性RAIDRAID策策略是是用多多个小小容量量驱动动器代代替大大容量量磁盘盘驱动动器，，并且且以这这样的的一种种方式式分布布数据据，使使得能能同时时从多多个驱驱动器器访问问数据据，因因而提提高了了I/O的的性能能，并并使得得能够够很容容易地地增加加容量量RAID特特有的贡献献是有效地地解决了对对冗余的要要求尽管RAID允许多多个磁头和和动臂机构构同时操作作，以达到到更高的I/O速度度和数据传传送率，但但使用多个个设备增加加了失败的的可能性为补偿可靠靠性的降低低，RAID通过存存储奇偶校校验信息使使得能够从从一个磁盘盘的失败中中恢复丢失失的数据RAID0RAID0并并不是是RAID家庭庭中的真真正成员员，因为为它没有有用冗余余数据来来提高性性能对于RAID0，用用户数据据和系统统数据分分布在阵阵列的所所有磁盘盘中，这这比使用用单个大大磁盘有有显著的的优势：：当两个不不同的I/O请请求为两两块不同同的数据据挂起时时，很有有可能被被请求的的块在不不同的磁磁盘上，，因此这这两个请请求可以以并行发发出，从从而减少少了I/O排队队等待的的时间ABCRAID0无无冗冗余ABCRAID1备备份存存储ABCABCRAID2存存储储类型错错误校验验码DpppABCRAID3bit_interleaved奇偶偶校验pABCRAID4block_interleaved奇偶校校验pppppRAID5分分布式式校验ppppppppppRAID6P+Q冗余余RAID1RAID1与RAID2到到RAID6在实现现冗余的的方法上上有所不不同RAID1通过过临时复复制所有有数据来来实现冗冗余RAID2到RAID6是使使用某种种形式的的奇偶计计算来实实现冗余余RAID1的的组织有许多多比较好的特特征：读请求可以由由包含被请求求数据的任何何一个磁盘提提供服务写请求需要对对两个相应的的部分都进行行更新，但可可以并行从失败中恢复复很简单ABCRAID0无冗余余ABCRAID1备份存储储ABCABCRAID2存储类类型错误校验验码DpppABCRAID3bit_interleaved奇偶校校验pABCRAID4block_interleaved奇奇偶校验pppppRAID5分布式校校验ppppppppppRAID6P+Q冗冗余RAID1RAID1的的主要缺点是是成本问题，，因此，RAID1通常常限制用于保保存系统软件件和数据以及及其他极其重重要的文件的的驱动器在事务处理环环境中，如果果有许多读请请求，则RAID可以实实现高I/O请求速度。。在这种情况况下，RAID1的性能能可以接近RAID0的两倍。但但写请求RAID1没有有明显的性能能优势RAID2RAID2：将数据条条块化地分布布于不同的硬硬盘上，条块块单位为位或或字节，并使使用称为“加加重平均纠错错码（海明码码）”的编码码技术来提供供错误检查及及恢复。这种种编码技术需需要多个磁盘盘存放检查及及恢复信息，，使得RAID2技术术实施更复杂杂，因此在商商业环境中很很少使用。ABCRAID0无冗余余ABCRAID1备份存储储ABCABCRAID2存储类类型错误校验验码DpppABCRAID3bit_interleaved奇偶校校验pABCRAID4block_interleaved奇奇偶校验pppppRAID5分布式校校验ppppppppppRAID6P+Q冗冗余RAID3RAID3：它同RAID2非非常类似，都都是将数据条条块化分布于于不同的硬盘盘上，区别在在于RAID3使用简简单的奇偶校校验，并用单单块磁盘存放放奇偶校验信信息。如果一一块磁盘失效效，奇偶盘及及其他数据盘盘可以重新产产生数据；如如果奇偶校验验盘失效则不不影响数据使使用。RAID3对于于大量的连续续数据可提供供很好的传输输率，但对于于随机数据来来说，奇偶盘盘会成为写操操作的瓶颈。。ABCRAID0无冗余余ABCRAID1备份存储储ABCABCRAID2存储类类型错误校验验码DpppABCRAID3bit_interleaved奇偶校校验pABCRAID4block_interleaved奇奇偶校验pppppRAID5分布式校校验ppppppppppRAID6P+Q冗冗余RAID4RAID4：RAID4同样也也将数据条块块化并分布于于不同的磁盘盘上，但条块块单位为块或或记录。RAID4使使用一块磁盘盘作为奇偶校校验盘，每次次写操作都需需要访问奇偶偶盘，这时奇奇偶校验盘会会成为写操作作的瓶颈，因因此RAID4在商业业环境中也很很少使用。ABCRAID0无无冗余余ABCRAID1备备份份存储储ABCABCRAID2存存储类类型错错误校校验码码DpppABCRAID3bit_interleaved奇偶偶校验验pABCRAID4block_interleaved奇偶偶校验验pppppRAID5分分布布式校校验ppppppppppRAID6P+Q冗冗余余RAID5RAID5：：不单单独指指定的的奇偶偶盘，，而是是在所所有磁磁盘上上交叉叉地存存取数数据及及奇偶偶校验验信息息。在在RAID5上，，读/写指指针可可同时时对阵阵列设设备进进行操操作，，提供供了更更高的的数据据流量量。RAID5更更适合合于小小数据据块和和随机机读写写的数数据。。RAID3与RAID5相相比，，最主主要的的区别别在于于RAID3每进进行一一次数数据传传输就就需涉涉及到到所有有的阵阵列盘盘；而而对于于RAID5来说说，大大部分分数据据传输输只对对一块块磁盘盘操作作，并并可进进行ABCRAID0无无冗冗余余ABCRAID1备备份份存存储储ABCABCRAID2存存储储类型错错误校验验码DpppABCRAID3bit_interleaved奇偶偶校验pABCRAID4block_interleaved奇偶校验验pppppRAID5分布布式校验ppppppppppRAID6P+Q冗余余RAID6RAID6：与RAID5相比，，RAID6增加加了第二个个独立的奇奇偶校验信信息块。两两个独立的的奇偶系统统使用不同同的算法，，数据的可可靠性非常常高，即使使两块磁盘盘同时失效效也不会影影响数据的的使用。但但RAID6需要要分配给奇奇偶校验信信息更大的的磁盘空间间，相对于于RAID5有更更大的“写写损失”，，因此“写写性能”非非常差。较较差的性能能和复杂的的实施方式式使得RAID6很少得到到实际应用用。ABCRAID0无无冗余ABCRAID1备份份存储ABCABCRAID2存存储类型错错误校验码码DpppABCRAID3bit_interleaved奇偶偶校验pABCRAID4block_interleaved奇偶校验验pppppRAID5分布布式校验ppppppppppRAID6P+Q冗余余RAID7RAID7：这是是一种新的的RAID标准，其其自身带有有智能化实实时操作系系统和用于于存储管理理的软件工工具，可完完全独立于于主机运行行，不占用用主机CPU资源。。RAID7可以以看作是一一种存储计计算机（StorageComputer）），它与其其他RAID标准有有明显区别别。ABCRAID0无无冗余ABCRAID1备份份存储ABCABCRAID2存存储类型错错误校验码码DpppABCRAID3bit_interleaved奇偶校校验pABCRAID4block_interleaved奇奇偶校验pppppRAID5分布式校校验ppp