缓冲技术驱动调度技术设备培训课件

5.4缓冲技术

5.4.1单缓冲5.4.2双缓冲5.4.3多缓冲5.4缓冲技术(1)

引入缓冲技术的目的•改善中央处理器与外围设备之间速度不配的矛盾，•协调逻辑记录大小与物理记录大小不一致，•提高CPU和I/O设备的并行性。缓冲技术(2)

缓冲技术实现基本思想进程执行写操作输出数据时，向系统申请一个缓冲区，若为顺序写请求，则不断把数据填到缓冲区，直到被装满。此后，进程继续它的计算，系统将缓冲区内容写到I/O设备上。进程执行操作输入数据时，向系统申请一个缓冲区，系统将一个物理记录的内容读到缓冲区，根据进程要求，把当前需要的逻辑记录从缓冲区中选出并传送给进程。在输出数据时，只有在系统还来不及腾空缓冲而进程又要写数据时，它才需要等待；在输入数据时，仅当缓冲区空而进程又要从中读取数据时，它才被迫等待。

5.4.1单缓冲

对于块设备,单缓冲机制如下工作：数据处理过程数据处理时间约为max[C，T]+M，

进程系统设备

TMC5.4.2双缓冲(1)

输入数据时，首先填满缓冲区1,操作系统可从缓冲区1把数据送到用户进程区,用户进程便可对数据进行加工计算;与此同时，输入设备填充缓冲区2当缓冲区1空出后，输入设备再次向缓冲区1输入。操作系统又可把缓冲区2的数据传送到用户进程区,用户进程开始加工缓冲2的数据。双缓冲(2)

传输和处理一块的时间(1)如果C<T，由于M远小于T，在将磁盘上的一块数据传送到缓冲区其间，计算机已完成将另一个缓冲区中的数据传送到用户区并对这块数据进行计算的工作，一块数据的传输和处理时间为T、即max(C,T)，显然，这种情况下可保证块设备连续工作；双缓冲(3)

传输和处理一块的时间(2)如果C>T，当上一块数据计算完毕后，需把一个缓冲区中的数据传送到用户区，花费时间为M，再对这块数据进行计算，花费时间为C，所以，一块数据的传输和处理时间为C+M、即max(C,T)+M，这种情况下进程不必要等待I/O。双缓冲(4)

进程系统设备

(1)C<T，M<<Tmax(C,T)=T，保证设备连续工作。(2)C>T,M<<Tmax(C,T)+M=C+M，保证进程不等I/O。CMT5.4.3多缓冲(1)

操作系统从主存区域中分配一组缓冲区组成循环缓冲，每个缓冲区的大小等于物理记录的大小。多缓冲的缓冲区是系统的公共资源，可供各个进程共享，并由系统统一分配和管理。缓冲区可用途分为：输入缓冲区，处理缓冲区和输出缓冲区。5.5驱动调度技术(1)

5.5.1存储设备的物理结构5.5.2循环排序5.5.3优化分布5.5.4搜查定位5.5.5独立磁盘冗余阵列5.5.6提高磁盘I/O速度的一些方法驱动调度度技术(2)驱动调度度和驱动动调度算算法。驱动调度度能减少少为若干干个I/O请求求服务所所需的总总时间，，提高系系统效率率、除了了I/O请求的的优化排排序外，，信息在在辅助存存储器上上的排列列方式，，存储空空间分配配方法都都能影响响存取访访问速度度。5.5.1存存储设备备的物理理结构(1)顺序存取取存储设设备是严严格依赖赖信息的的物理位位置进行行定位和和读写的的存储设设备具有存储储容量大大、稳定定可靠、、卷可装装卸和便便于保存存等优点点■始点块1间隙块2间隙块3间隙块i间隙块i+1■末点…………磁头(正走,反走,正读,反读,正写,反写,倒带)存储设备备的物理理结构(2)直接存取取存储设设备磁盘是一一种直接接(随机机)存取取存储设设备。每每个物理理记录有有确定的的位置和和唯一的的地址，，存取任任何一个个物理块块所需的的时间几几乎不依依赖于此此信息的的位置。。访问磁盘盘记录参参数：柱柱面号、、磁头号号、块号号5.5.2循环环排序(1)考虑磁道道保存4个记录录的旋转转型设备备，假定定收到四四个I/O请求求。请求次序序记记录录号（1）读读记记录4（2）读读记记录3（3）读读记记录2（4）读读记记录11234循环排序序(2)多种I/O请求求排序方方法•方法1：：按照I/O请请求次序序读记录录4、3、2、、1，平平均用1/2周周定位，，再加上上1/4周读出出记录，，总处理理时间等等于3周周，即60毫秒秒。•方法2：：如果次次序为读读记录1、2、、3、4。总处处理时间间等于1.5周周，即30毫秒秒。•方法3：：如果知知道当前前读位置置是记录录3，则则采用次次序为读读记录4、1、、2、3。总处处理时间间等于１１周，即即20毫毫秒。5.5.3优优化分布布(1)考虑10个逻辑辑记录A，B………，J被存于于旋转型型设备上上，每道道存放10个记记录，安安排如下下：物理块逻逻辑纪录录1-10A-J(ABCDE……..)处理10个记录录的总时时间10毫秒秒(移动动到记录录A的平平均时间间)+2毫秒秒(读记记录A)+4毫毫秒(处处理记录录A)+9×[16毫毫秒(访访问下一一记录)+2毫秒(读记录录)+4毫秒(处理记记录)]＝214毫毫秒优化分布(2)按照下面方式式对信息优化化分布物理块逻逻辑辑纪录1A2H3E4B5I6F7C8J9G10D优化分布(3)处理10个记记录的总时间间为10毫秒(移移动到记录A的平均时间间)+10××[2毫秒（（读记录）××4毫秒（处处理记录）]=70毫秒5.5.4交交替地址每个记录重复复记录在设备备的多个区域域，读相同的的数据，有几几个交替地址址，也称为多多重副本或折折迭。成功与否取决决于下列因素素：数据记录录总是读出使使用，不需修修改写入；数数据记录占用用的存储空间间总量不太大大；数据使用用极为频繁。。5.5.5搜搜查定位(1)移臂调度有若若干策略(1)“电梯梯调度”算法法(2)“最短短查找时间优优先”算法(3)“扫描描”算法(4)“分步步扫描”算法法(5)“单向向扫描”算法法搜查定位(2)“电梯调度””算法电梯调度算法有等待请求?结束请求与当前柱面相同?处理有最近块号的请求启动CC是向里或向外移?是否否向外向里有比当前柱面小的请求?改变移动方向A有比当前柱面大的请求?改变移动方向否否处理大于当前柱面号请求中柱面号最小的请求处理小于当前柱面号请求中的柱面号最大的请求移动磁头到指定柱面，登记当前位置启动CBBA搜查定位(4)“最短查找时时间优先”算算法本算法考虑了了各个请求之之间的区别，，总是先执行行查找时间最最短的那个磁磁盘请求，从从而，较“先先来先服务””算法有较好好的寻道性能能。搜查定位(5)“扫描”算法法磁盘臂每次沿沿一个方向移移动，扫过所所有柱面，遇遇到最近的I/O请求便便进行处理，，直到最后一一个柱面后，，再向相反方方向移动回来来。搜查定位(6)“分步扫描””算法将I/O请求求分成组，每每组不超过N个请求，每每次选一个组组进行扫描，，处理完一组组后再选下一一组。搜查定位(7)“循环扫描””算法移动臂总从0号柱面至最最大号柱面顺顺序扫描，然然后，直接返返回0号柱面面重复进行，，归途中不再再服务，构成成了一个循环环。5.5.6独独立磁盘冗冗余阵列(1)独立磁盘冗余余阵列是利用用一台磁盘阵阵列控制器统统一管理和控控制一组磁盘盘驱动器,组组成一个速度度快、可靠靠性高、性能能价格比好的的大容量磁盘盘系统。RAID填补补CPU速度度快与磁盘设设备速度慢之之间的间隙,其策略是:独立磁盘冗余余阵列(2)RAID共同特性①RAID是是一组物理磁磁盘驱动器，，可被操作系系统看作是单单一逻辑磁盘盘驱动器;②数据被分布布存储在阵列列横跨的物理理驱动器上;③冗余磁盘的的作用是保存存奇偶校验信信息，当磁盘盘出现失误时时它能确保数数据的恢复。。独立磁盘冗余余阵列(3)Strip0Strip4Strip8Strip12Strip1Strip5Strip9Strip13Strip10Strip3Strip7Strip15Strip10Strip11Strip2Strip6Strip14Strip10RAIDLevel0(1)Strip0Strip4Strip8Strip12Strip1Strip5Strip9Strip13Strip10Strip3Strip7Strip15Strip10Strip11Strip2Strip6Strip14Strip10DatamappingforaRAIDLevel0ArrayStrip0Strip1Strip2Strip3Strip4Strip5Strip6Strip7Strip8...ArrayManagementsoftware独立磁盘冗余余阵列(4)RAIDlevel0(2)RAIDLevel1(Mirrored)Strip0Strip4Strip8Strip12Strip1Strip5Strip9Strip13Strip3Strip7Strip15Strip11Strip2Strip6Strip14Strip10Strip0Strip4Strip8Strip12Strip1Strip5Strip9Strip13Strip3Strip7Strip15Strip11Strip2Strip6Strip14Strip10独立磁盘冗余余阵列(5)RAIDlevel1b0b1b2b3f0(b)f1(b)f2(b)RAIDLevel2(RedundancythroughHammingCode)独立磁盘冗余余阵列(6)RAIDlevel2b0b1b2b3P(b)RAIDLevel3(BitinterleavedParity)独立磁盘冗余余阵列(7)RAIDlevel3block0block4block8block12block1block5block9block13block3block7block15block11block2block6block14block10P(0-3)P(4-7)90P(8-11)P(12-15)RAIDLevel4(BlocklevelParity)独立磁盘冗余余阵列(8)RAIDlevel4独立磁盘冗余余阵列(9)RAIDlevel5block0block4block8block12block1block5block9P(12-15)block3P(4-7)block14block10block2block6block13P(8-11)P(0-3)block7Block11Block15block0block4block8block12RAIDLevel5(BlocklevelDistributedparity)5.5.6提提高磁盘I/O速度的方方法提前读延延迟迟写虚虚拟盘盘UNIX/Linux提提供两种读盘盘和三种写盘盘方式：正常读-把磁磁盘块信息块块读入主存缓缓冲区；提前读-读磁磁盘当前块时时，下一磁盘盘块也读入主主存缓冲区；；正常写-把主主存缓冲区中中的信息写到到磁盘块，且且写进程应等等待写操作完完成；异步写-写进进程无需等待待写盘结束就就可返回工作作；延迟写-仅在在缓冲区首部部设置延迟写写标志，然后后，释放此缓缓冲区，并把把该缓冲区链链入空闲缓冲冲区链表的尾尾部，当其他他进程申请到到该缓冲区时时，才真正把把缓冲区信息息写回磁盘块块。5.6设备备分配5.6.1设设备独立性性5.6.2设设备分配和和设备分配数数据结构5.6.1设设备独立性性通常用户不指指定特定的设设备，而指定定逻辑设备，，使得用户作作业和物理设设备独立开来来，再通过其其它途径建立立逻辑设备和和物理设备之之间的对应关关系，称这种种特性为“设设备独立性””。设备独立性带带来的好处用户与物理的的外围设备无无关，系统增增减或变更外外围设备时程程序不必修改改；易于对付付输入输出设设备的故障。。5.6.2设设备分配(1)从设备的特性性来看，可以以把设备分成成独占设备、、共享设备和和虚拟设备三三类：相应的管理和和分配外围设设备的技术可可分成：独占占方式、共享享方式和虚拟拟方式。常用的I/O设备分配算算法先请求先服务务，优先级高高者先服务等等。此外，在在多进程请求求I/O设备备分配时，应应防止因循环环等待对方所所占用的设备备而产生死锁锁，应预先进进行性检查。。设备分配(2)I/O设备分分配的实现(1)设备分配的数数据结构：设设备类表和设设备表。系统中拥有一一张设备类表表，每类设备备对应于表中中一栏，包括括内容有：设设备类、总台台数、空闲台台数和设备表表起始地址等等。每一类设备都都有各自的设设备表，用来来登记这类设设备中每一台台设备的状态态，包含的内内容有：物理理设备名、逻逻辑设备名、、占有设备的的进程号、已已分配/未分分配、好/坏坏等。设备分配(3)I/O设备分分配的实现(2)采用通道结构构的系统中，，设备分配的的数据结构设设置：系统设设备表、通道道控制表、控控制器控制表表和设备控制制表。系统建立一张张系统设备表表，记录配置置在系统中的的所有物理设设备的情况。。每个通道、控控制器、设备备各设置一张张表，记录各各自的地址(标识符)、、状态(忙/闲)、等待待获得此部件件的进程队列列指针、及一一次分配后相相互勾链的指指针，以备分分配和执行I/O时使用用。5.7虚拟拟设备5.7.1问问题的提出出5.7.2SPOOLING的设设计和实现5.7.3SPOOLING应用用例子5.7.1问题的提出静态分配方式式是不利于提提高系统效率率采用脱机外围围设备操作（（SPOOLING）联机同时外外围设备操操作(又称称作假脱机机操作)5.7.2斯普林林系统的设设计和实现现(1)“井”是用用作缓冲的的存储区域域，采用井井的技术能能调节供求求之间的矛矛盾，消除除人工干预预带来的损损失。“预输入程程序”“缓输出程程序”“井管理程程序”预输入程序作业1信息…作业n信息输入井作业1结果…作业n结果输出井缓输出程序井管理程序运行作业输入设备输出设备作业调度程序斯普林系统统的设计和和实现(2)SPOOLING组组成和结构构斯普林系统统的设计和和实现(3)输入井中作作业状态•输入状态：：作业信息正正在从输入入设备上预预输入；•收容收态：：作业预输入入结束，但但未被选中中执行；•执行状态：：正在执行，，可读数据据也可以写写数据；•完成状态：：作业已经撤撤离，结果果等待输出出。斯普林系统统的设计和和实现(4)SPOOLING数数据结构•作业表表登登记进入系系统的所有有作业的作作业名、状状态、预输输入表位置置等信息。。预输入表每每个用用户作业有有一张用来来登记该作作业的各个个文件的情情况，包括括设备类、、信息长度度及存放位位置等。缓输出表每每个用用户作业拥拥有一张包包括作业名名、作业状状态、文件件名、设备备类、数据据起始位置置、数据当当前位置等等。斯普林系统统的设计和和实现(5)井文件空间间的管理(1)第一种是链链接方式，，输入的信信息被组织织成链接文文件，这种种方式的优优点是数据据信息可以以不连续存存放，文件件空间利用用率高。斯普林系统统的设计和和实现(6)井文件空间间的管理(2)第二种是计计算方式，，假定磁盘盘井文件空空间，每个个磁道存放放100个个80字节节记录，每每张卡片为为80个字字节，若每每个柱面有有20个磁磁道，则一一个柱面可可存放2000张卡卡片信息。。第n张卡卡片信息被被存放在：：磁道号＝卡卡片号n/100记录号＝（（卡片号n）mod100用卡片号n除以100的整数数和余数部部分分别为为其存放的的磁道号和和记录号。。斯普林系统统的设计和和实现(7)Spooling应应用例子(1)打印印机spooling守护进进程(2)网络络通信spooling守护护进程9、静夜四四无邻，，荒居旧旧业贫。。。12月-2212月-22Thursday,December29,202210、雨中中黄叶叶树，，灯下下白头头人。。。20:28:0920:28:1020:2812/29/20228:28:10PM11、以我独沈久久，愧君相见见频。。12月-2220:28:1020:28Dec-2229-Dec-2212、故人人江海海别，，几度度隔山山川。。。20:28:1020:28:1020:28Thursday,December29,202213、乍见翻翻疑梦，，相悲各各问年。。。12月-2212月-2220:28:1020:28:10December29,202214、他乡生白白发，旧国国见青山。。。29十二二月20228:28:10下下午20:28:1012月-2215、比不不了得得就不不比，，得不不到的的就不不要。。。。十二月月228:28下下午午12月月-2220:28December29,202216、行动动出成成果，，工作作出财财富。。。2022/12/2920:28:1020:28:1029December202217、做前，，能够环环视四周周；做时时，你只只能或者者最好沿沿着以脚脚为起点点的射线线向前。。。8:28:10下午午8:28下午午20:28:1012月-229、没有失失败，只只有暂时时停止成成功！。。12月-2212月-22Thursday,December29,202210、很多事情情努力了未未必有结果果，但是不不努力却什什么改变也也没有。。。20:28:1020:28:1020:2812/29/20228:28:10PM11、成成功功就就是是日日复复一一日日那那一一点点点点小小小小努努力力的的积积累累。。。。12月月-2220:28:1020:28Dec-2229-Dec-2212、世间成事，，不求其绝对对圆满，留一一份不足，可可得无限完美美。。20:28:1020:28:1020:28Thursday,December29,202213、不知香积积寺，数里里入云峰。。。12月-2212月-2220:28:1020:28:10December29,202214、意志坚坚强的人人能把世世界放在在手中像像泥块一一样任意意揉捏。。29十十二月20228:28:10下午午20:28:1012月-2215、楚楚塞塞三三湘湘接接，，荆荆门门九九派派通通。。。。。十二二月月228:28下下午午12月月-2220:28December29,202216、少少年年十十五五二二十十时时，，步步行行夺夺得得胡胡马马骑骑。。。。2022/12/2920:28:1020:28:1029December202217、空山山新雨雨后