操作系统第五章第三节课件

第五章设备管理操作系统8/14/20231第五章设备管理操作系统7/29/202315.5设备分配设备分配中的数据结构设备分配时应考虑的因素设备独立性独占设备的分配程序SPOOLing技术8/14/202325.5设备分配设备分配中的数据结构7/29/202325.5.1设备分配中的数据结构在多道程序环境下，系统中的设备所有进程共享，为防止进程对系统资源的无序竞争，必须由系统统一分配设备某进程向系统提出I/O请求时，设备分配程序按一定策略分配设备、控制器和通道，形成一条数据传输通路，以供主机和设备间信息交换为实现设备分配，系统中应设置相应的数据结构，对每台设备、通道、控制器的情况进行登记8/14/202335.5.1设备分配中的数据结构在多道程序环境下，系统中的设5.4.1设备分配中的数据结构设备控制表DCT控制器控制表COCT通道控制表CHCT系统设备表SDT8/14/202345.4.1设备分配中的数据结构设备控制表DCT7/29/5.5.1设备分配中的数据结构1.设备控制表DCT设备类型type设备标识符：deviceid设备状态：等待/不等待忙/闲指向控制器表COCT的指针重复执行次数或时间设备队列的队首指针DCT1DCT2DCTn设备控制表集合每个设备一张，记录本设备的情况正使用，则忙标志置1；若与其相连的控制器或通道忙，则等待标志置1请求本设备未满足的进程PCB队列8/14/202355.5.1设备分配中的数据结构1.设备控制表DCT设备类5.5.1设备分配中的数据结构2.控制器控制表、通道控制表控制器标识符：controllerid控制器状态：忙/闲与控制器连接的通道表指针控制器队列的队首指针控制器队列的队尾指针通道标识符：channelid通道状态：忙/闲与通道连接的控制器表首址通道队列的队首指针通道队列的队尾指针(a)控制器表COCT(b)通道表CHCT一个控制器一张一个通道一张8/14/202365.5.1设备分配中的数据结构2.控制器控制表、通道控5.5.1设备分配中的数据结构系统设备表SDT

系统设备表SDT表目1…表目i…设备类设备标识符DCT驱动程序入口整个系统一张，记录已被连接到系统中的所有物理设备的情况8/14/202375.5.1设备分配中的数据结构系统设备表SDT系统设备表5.5设备分配设备分配中的数据结构设备分配时应考虑的因素设备独立性独占设备的分配程序SPOOLing技术8/14/202385.5设备分配设备分配中的数据结构7/29/202385.4.2设备分配时应考虑的因素为了使系统有条不紊地工作，系统在进行设备分配时，应考虑这样几个因素：（1）设备的固有属性；（2）设备分配算法；（3）设备分配的安全性；（4）设备独立性。8/14/202395.4.2设备分配时应考虑的因素为了使系统有条5.5.2设备分配时应考虑的因素1.设备的固有属性独占性一段时间内，只允许一个进程独占，大多数低度速Ｉ/Ｏ设备都属于独享设备共享性允许多个进程同时共享，如磁盘、磁鼓之类的外存储器，既具有很能大的存储容量，其定位操作的时间又短可虚拟性独占设备经某种技术处理，改造成虚拟设备，把一台输入机虚拟为几台“虚拟”的输入机。例如：为了提高设备利用率引入了脱机输入输出或采用SPOOLing技术，变一台为“多台设备”缺点：设备得不到充分利用，可能产生死锁8/14/2023105.5.2设备分配时应考虑的因素1.设备的固有属性缺点：5.5.2设备分配时应考虑的因素设备分配策略独占设备防止死锁共享设备由于同时有多个进程同时访问，且访问频繁，就会影响整个设备使用效率，影响系统效率。因此要考虑多个访问请求到达时服务的顺序，使平均服务时间越短越好。注意各进程的访问次序进行合理调度虚拟设备8/14/2023115.5.2设备分配时应考虑的因素设备分配策略7/29/205.5.2设备分配时应考虑的因素2.设备分配算法先来先服务优先级高者优先3.设备分配中的安全性安全分配方式每当进程发出I/O请求后，便进入阻塞状态，I/O操作完成后唤醒优点：摒弃了“请求和保持”条件，不会产生死锁不安全分配方式

进程发出I/O请求后仍继续运行，继续申请I/O设备优点：可操作多个设备，推进迅速缺点：推进速度缓慢缺点：可能产生死锁8/14/2023125.5.2设备分配时应考虑的因素2.设备分配算法缺点：推5.5.3独占设备的分配程序基本的设备分配程序分配设备分配控制器分配通道8/14/2023135.5.3独占设备的分配程序基本的设备分配程序7/29/28/14/2023147/29/202314独占设备的分配程序分配设备1分配控制器1分配通道1申请设备1按设备物理名查SDT设备忙？根据安全策略进行分配由DCT查COCT分配控制器由COCT查CHCT分配通道否是由SDT查设备DCT8/14/202315独占设备的分配程序分配设备1分配控制器1分配通道1申请设备1独占设备的分配程序设备分配程序的改进基本分配程序的问题进程以物理设备名提出I/O请求采用单通路I/O系统结构，容易产生瓶颈改进方案增加设备独立性考虑多通路情况8/14/202316独占设备的分配程序设备分配程序的改进7/29/202316为进程P分配所需的I/O设备从SDT表查该类设备的控制表DCT不忙不安全分配此设备给进程P不忙不忙分配此控制器给进程P分配此通道给进程P启动I/O,进行具体的I/O操作忙进程P的PCB放入此设备的等待队列YN忙进程P的PCB放入此控制器的等待队列YNY忙Y进程P的PCB放入此通道的等待队列NYNN多通路设备分配流程示意图由DCT检查该设备忙否?检查分配此设备的安全性?最后一个DCT?最后一个COCT?最后一个DCT?此设备连接的COCT忙否?此控制器连接的CHCT忙否?最后一个COCT?最后一个CHCT?8/14/202317为进程P分配所需的I/O设备从SDT表查该类设备的控制表DC5.5设备分配设备分配中的数据结构设备分配时应考虑的因素设备独立性独占设备的分配程序SPOOLing技术8/14/2023185.5设备分配设备分配中的数据结构7/29/202318脱机输入/输出（Off-LineI/O）方式硬件不断发展，CPU速度的提高、系统规模扩大，人机矛盾严重，如何解决？磁带磁带磁带磁带8/14/202319脱机输入/输出（Off-LineI/O）方式硬件不断发展，5.5.4SPOOLing技术1.什么是SPOOLing技术为了缓和CPU的高速性与I/O设备低速性间的矛盾而引入了脱机输入、脱机输出技术在多道程序环境下，其中的一道程序模拟脱机输入时的外围控制机功能在主机的直接控制下，实现脱机输入、输出功能，此时的外围操作与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操作称为SPOOLing(SimultaneausPeriphernalOperatingOn-Line)，或称为假脱机操作8/14/2023205.5.4SPOOLing技术1.什么是SPOOLing5.5.4SPOOLing技术2.SPOOLing系统的组成输入井和输出井在磁盘上的两个存储空间输入井模拟脱机输入，暂存输入数据输出井模拟脱机输出，暂存输出数据输入缓冲区和输出缓冲区用来缓和CPU与磁盘之间的速度的矛盾输入进程SPi和输出进程SPo模拟脱机I/O时的外围控制机8/14/2023215.5.4SPOOLing技术2.SPOOLing系统的5.5.4SPOOLing技术8/14/2023225.5.4SPOOLing技术7/29/2023225.5.4SPOOLing技术3.共享打印机打印机为独占设备，利用SPOOLing技术，可将之改造为共享设备用户请求打印时，SPOOLing系统处理如下由输出进程在输出井中为之申请一个空闲磁盘块区，并将要打印的数据送入其中输出进程再为用户进程申请一张空白的用户请求打印表，并将用户的打印要求填入其中，再将该表挂到请求打印队列上8/14/2023235.5.4SPOOLing技术3.共享打印机7/29/25.5.4SPOOLing技术4.SPOOLing系统特点提高了I/O的速度将独占设备改造为共享设备实现了虚拟设备功能8/14/2023245.5.4SPOOLing技术4.SPOOLing系统特5.5.4SPOOLing技术SPOOLing技术今天仍被广泛使用网络文件传送先把文件送到网络SPOOLing目录，然后网络值班进程把它取出并传递到目标地址Internet电子邮件系统为了寄邮，调用电子邮件程序待发信存在SPOOLing中供以后传输注意：SPOOLing只提高设备利用率，缩短用户程序执行时间，并不提高CPU利用率8/14/2023255.5.4SPOOLing技术SPOOLing技术今天仍被第五章设备管理I/O系统

I/O控制方式

缓冲管理

设备分配设备处理磁盘存储器管理8/14/202326第五章设备管理I/O系统7/29/2023265.6磁盘存储器管理磁盘性能简述磁盘调度磁盘高速缓存(DiskCache)提高磁盘I/O速度的其它方法廉价磁盘冗余阵列现代操作系统的重要任务之一：设法改善磁盘系统的性能8/14/2023275.6磁盘存储器管理磁盘性能简述现代操作系统的重要任务之一5.6磁盘存储器管理磁盘存储器管理的主要任务提高磁盘I/O速度，改善文件性能确保文件系统的可靠性（备份）8/14/2023285.6磁盘存储器管理磁盘存储器管理的主要任务7/29/205.6磁盘存储器管理5.6.1磁盘性能简述1.数据的组织和格式图5-22磁盘的格式化

磁盘包括一个或多个盘片，每片分2面，每面可分成若干条磁道，各磁道之间有间隙，每条磁道上可存储相同数目的二进制位，磁盘密度即每英寸之中所存储的位数。显然内层磁道的密度较外层磁道的密度大。8/14/2023295.6磁盘存储器管理5.6.1磁盘性能简述1.数据5.6.1磁盘性能简述盘片扇区磁头磁道8/14/2023305.6.1磁盘性能简述盘片扇区磁头磁道7/29/202335.6.1磁盘性能简述8/14/2023315.6.1磁盘性能简述7/29/2023315.6.1磁盘性能简述8/14/2023325.6.1磁盘性能简述7/29/2023325.6.1磁盘性能简述8/14/2023335.6.1磁盘性能简述7/29/2023335.6.1磁盘性能简述1.数据的组织和格式盘片（1个或多个）、盘面、磁道、扇区扇区有标识符字段和数据字段Gap102031292293FieldGapFieldGapGapFieldGapFieldGap17741515201774151520IDDataIDDataGap1292293FieldGapField1774151520IDDataSectorPhysicalSector0PhysicalSector1PhysicalSector29BytesSynchByteTrack#Head#Sector#Bytes1211CRC3SynchByteDataCRC15122600Bytes/SectorGap存储相同数目的二进制位间隙定界符段校验8/14/2023345.6.1磁盘性能简述1.数据的组织和格式Gap10202.磁盘的类型1)固定头磁盘

这种磁盘在每条磁道上都有一读/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各磁道，并进行并行读/写，有效地提高了磁盘的I/O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

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。可见，移动磁头仅能以串行方式读/写，致使其I/O速度较慢；但由于其结构简单，故仍广泛应用于中小型磁盘设备中。8/14/2023352.磁盘的类型1)固定头磁盘7/29/5.6.1磁盘性能简述访盘时间组成寻道时间旋转延迟时间传输时间8/14/2023365.6.1磁盘性能简述访盘时间组成寻道时间旋转延迟时间传5.6.1磁盘性能简述3.磁盘访问时间寻道时间Ts这是指把磁臂(磁头)移动到指定磁道上所经历的时间。该时间是启动磁臂的时间s与磁头移动n条磁道所花费的时间之和，即Ts=m×n+s旋转延迟时间Tτ这是指定扇区移动到磁头下面所经历的时间。如：7200r/min每转=60000ms/7200r=8.33ms平均旋转延迟=（0+8.33)/2=4.16是一常数，与磁盘驱动器的速度有关一般：0.2高速：<=0.1启动磁臂时间2ms8/14/2023375.6.1磁盘性能简述3.磁盘访问时间是一常数，与磁盘驱5.6.1磁盘性能简述传输时间Tt指把数据从磁盘读出或向磁盘写入数据所经历的时间。其大小与每次所读/写的字节数b和旋转速度有关r为磁盘每秒钟的转数；N为一条磁道上的字节数Tτ和Tt相同，则访问时间=Ts+Tτ+Tt

如b=N/2，则Tτ=1/(2r)=Tt可见，寻道时间TS和旋转延迟时间Tτ基本上都与所读/写数据的字节数无关，而且它通常占据了访问时间中的大部分目前磁盘的传输速率已达到80MB/s以上，数据传输时间所占的比例更低。可见，适当地集中数据传输，将有利于提高传输效率8/14/2023385.6.1磁盘性能简述传输时间Tt如b=N/2，则可见，寻3.磁盘访问时间寻道时间:20ms磁盘通道传输速率:1MB/s转速r=3600rpm每扇区512字节每磁道32扇区目标：读128k数据a.寻道时间TS：TS=m*n+S；b.旋转延时间Tr：Tr＝1/2rc.数据传输时间Tt：Tt＝b/rN

访问时间：Ta=Ts+1/2r+b/rN60*16k=960k<1MB/s顺序组织(20＋8.3＋16.7)＋(8.3＋16.7)×7＝220(ms)随机组织(20＋8.3＋0.5)×256＝7373(ms)8/14/2023393.磁盘访问时间寻道时间:20msa.寻道时间TS：T5.6磁盘存储器管理磁盘性能简述磁盘调度磁盘高速缓存(DiskCache)提高磁盘I/O速度的其它方法廉价磁盘冗余阵列在访问磁盘的时间中，主要是寻道时间，因此，磁盘调度的目标就是使磁盘的平均寻道时间最少。8/14/2023405.6磁盘存储器管理磁盘性能简述在访问磁盘的时间中，主要是5.6.2磁盘调度1.先来先服务FCFS(First-Come,FirstServed)根据进程请求访问磁盘的先后次序进行调度优点：简单、公平，不会出现请求长期得不到满足缺点：未优化，平均寻道时间长平均寻道长度：55.31461841123810150701607290211819393584555移动距离被访问的下一个磁道100道开始55、58、39、18、90、160、150、38、1848/14/2023415.6.2磁盘调度1.先来先服务FCFS(First-C0383955589010015016018418先来先服务FCFS(First-Come,FirstServed)8/14/2023420383955589010015016018418先来先服务5.6.2磁盘调度2.最短寻道时间优先SSTF(ShortestSeekTimeFirst)要求访问的磁道与当前磁头所在的磁道距离最近优点：使每次寻道时间最短缺点：不能保证平均寻道时间最短；可能导致距离远的进程总也得不到服务平均寻道长度：27.524184101601321502018138163935532581090移动距离被访问的下一个磁道100道开始55、58、39、18、90、160、150、38、1848/14/2023435.6.2磁盘调度2.最短寻道时间优先SSTF(Shor0383955589010015016018418最短寻道时间优先STF(ShortestSeekTimeFirst)8/14/2023440383955589010015016018418最短寻道时FCFS调度算法SSTF调度算法100道开始被访问的下一个磁道移动距离5545583391918219072160701501038112184146平均寻道长度：55.3100道开始被访问的下一个磁道移动距离90105832553391638118201501321601018424平均寻道长度：27.58/14/202345FCFS调度算法SST5.6.2磁盘调度3.扫描(SCAN)算法

SSTF算法虽然能获得较好的寻道性能，但却可能导致某个进程发生“饥饿”现象0501608/14/2023465.6.2磁盘调度3.扫描(SCAN)算法0501605.6.2磁盘调度3.扫描(SCAN)算法对SSTF算法略加修改后所形成的SCAN算法，即可防止进程出现“饥饿”现象SCAN算法不仅考虑欲访问的磁道与当前磁道的距离，更优先考虑的是磁头当前的移动方向磁头移动：自里向外

自外向里又称为“电梯调度算法”8/14/2023475.6.2磁盘调度3.扫描(SCAN)算法7/29/205.6.2磁盘调度3.扫描(SCAN)算法对SSTF算法略加修改后所形成的SCAN算法，即可防止进程出现“饥饿”现象SCAN算法不仅考虑欲访问的磁道与当前磁道的距离，更优先考虑的是磁头当前的移动方向磁头移动：自里向外

自外向里又称为“电梯调度算法”平均寻道长度：27.82018138163935532589490241841016050150移动距离被访问的下一个磁道100道开始，增加方向55、58、39、18、90、160、150、38、1848/14/2023485.6.2磁盘调度3.扫描(SCAN)算法平均寻道长度：SCAN调度算法 SSTF调度算法100道开始被访问的下一个磁道移动距离90105832553391638118201501321601018424平均寻道长度：27.5100道开始，增加方向被访问的下一个磁道移动距离1505016010184249094583255339163811820平均寻道长度：27.88/14/202349SCAN调度算法 SSTF调度算法100道开始被访问的03839555890100150160184185.6.2磁盘调度缺点：刚移过的磁道的等待时间长3.扫描(SCAN)算法8/14/20235003839555890100150160184185.6.25.6.2磁盘调度4.循环扫描(CSCAN)算法

规定磁头单向移动减少刚移过的磁道的等待时间平均寻道长度：27.532903581655139203816618241841016050150移动距离被访问的下一个磁道100道开始，增加方向55、58、39、18、90、160、150、38、1848/14/2023515.6.2磁盘调度4.循环扫描(CSCAN)算法平均寻03839555890100150160184185.6.2磁盘调度8/14/20235203839555890100150160184185.6.2SCAN调度算法CSCAN调度算法100道开始，增加方向被访问的下一个磁道移动距离1505016010184249094583255339163811820平均寻道长度：27.8100道开始，增加方向被访问的下一个磁道移动距离15050160101842418166382039155165839032平均寻道长度：27.58/14/202353SCAN调度算法CSCANSSTF调度算法 CSCAN调度算法100道开始，增加方向被访问的下一个磁道移动距离15050160101842418166382039155165839032平均寻道长度：27.5100道开始被访问的下一个磁道移动距离90105832553391638118201501321601018424平均寻道长度：27.58/14/202354SSTF调度算法 CSCAN调度算法100道开始5.6.2磁盘调度5.N-Step-SCAN和FSCAN调度算法

N-Step-SCAN算法在SSTF、SCAN及CSCAN几种调度算法中，都可能出现磁臂停留在某处不动的情况，称为“磁臂粘着”(Armstickiness)N步SCAN算法是将磁盘请求队列分成若干个长度为N的子队列，磁盘调度将按FCFS算法依次处理这些子队列。而每处理一个队列时又是按SCAN算法，对一个队列处理完后，再处理其他队列FSCAN算法FSCAN算法是N步SCAN算法的简化，即其只将磁盘请求队列分成两个子队列。一是由当前所有请求I/O的进程形成的队列，由磁盘调度按SCAN算法进行处理。在扫描期间，新出现的所有请求I/O的进程，则放入另一个等待处理的请求队列当N值很大时，N步扫描性能接近于SCAN性能；N=1，N步扫描性能便退化为FCFS8/14/2023555.6.2磁盘调度5.N-Step-SCAN和FSCAN5.6磁盘存储器管理磁盘性能简述磁盘调度磁盘高速缓存(DiskCache)提高磁盘I/O速度的其它方法廉价磁盘冗余阵列8/14/2023565.6磁盘存储器管理磁盘性能简述7/29/2023565.6.3磁盘高速缓存(DiskCache)1.磁盘高速缓存的形式利用内存中的存储空间，来暂存从磁盘中读出的一系列盘块中的信息高速缓存是一组在逻辑上属于磁盘，而物理上是驻留在内存中的盘块高速缓存在内存中可分成两种形式在内存中开辟一个单独的存储空间来作为磁盘高速缓存，其大小是固定的把所有未利用的内存空间变为一个缓冲池，供请求分页系统和磁盘I/O时(作为磁盘高速缓存)共享不受应用程序多少的限制应用程序多时缓存可能很小8/14/2023575.6.3磁盘高速缓存(DiskCache)1.磁盘高5.6.3磁盘高速缓存(DiskCache)2.数据交付方式数据交付（DataDelivery）是指将磁盘高速缓存中的数据传送给请求者进程当有进程请求访问某个盘块时，先查看磁盘高速缓存有两种方式交付数据给请求进程数据交付。这是直接将高速缓存中的数据，传送到请求者进程的内存工作区中指针交付。只将指向高速缓存中某区域的指针，交付给请求者进程所传送的数据量少，节省了数据从磁盘高速缓存存储空间到进程的内存工作区的时间8/14/2023585.6.3磁盘高速缓存(DiskCache)2.数据交5.6.3磁盘高速缓存(DiskCache)3.置换算法将磁盘中的盘块写入高速缓存时，会出现因为高速缓存中已装满盘块而需要将高速缓存中的数据先换出的问题，常用算法有LRU、NRU、LFU等除了考虑LRU外，还需考虑以下几点访问频率可预见性，如正在写数据的未满盘块数据的一致性内存中已修改数据要写回磁盘可将高速缓存中的所有盘块数据构成一个LRU链，将会影响到数据一致性的盘块和很久都不可能再用的盘块放在LRU链的链头，使其优先被写回磁盘，不久后还要再使用的盘块放到链尾最近最久未使用算法LRU最近未使用算法NRU最少使用算法LFU8/14/2023595.6.3磁盘高速缓存(DiskCache)3.置换算5.6.3磁盘高速缓存(DiskCache)4.周期性写回磁盘在LRU算法中，经常被访问的盘块数据可能一直保留在高速缓存中，长期不被写回磁盘在UNIX系统中专门增设了一个修改(update)程序，使之在后台运行，该程序周期性地调用一个系统调用SYNC。该调用的主要功能是强制性地将所有在高速缓存中已修改的盘块数据写回磁盘在MS-DOS中所采用的方法是：只要高速缓存中的某盘块数据被修改，便立即将它写回磁盘，并将这种高速缓存称为“写穿透、高速缓存”(write-throughcache)8/14/2023605.6.3磁盘高速缓存(DiskCache)4.周期性5.6磁盘存储器管理磁盘性能简述磁盘调度磁盘高速缓存(DiskCache)提高磁盘I/O速度的其它方法廉价磁盘冗余阵列8/14/2023615.6磁盘存储器管理磁盘性能简述7/29/2023615.6.4提高磁盘I/O速度的其它方法1.提前读（Read-Ahead）在读当前块的同时，将下一盘块读入缓冲区2.延迟写缓冲区中的数据不立即写回磁盘，而挂在队尾3.优化物理块分布使文件的物理块集中，减小磁头移动距离分配时以簇（若干个盘块）为单位磁盘碎片整理4.虚拟盘利用内存空间仿真磁盘，又称为RAM盘8/14/2023625.6.4提高磁盘I/O速度的其它方法1.提前读（Rea5.6磁盘存储器管理磁盘性能简述磁盘调度磁盘高速缓存(DiskCache)提高磁盘I/O速度的其它方法廉价磁盘冗余阵列8/14/2023635.6磁盘存储器管理磁盘性能简述7/29/2023635.6.5廉价磁盘冗余阵列廉价磁盘冗余阵列RAID(RedundantArrayofInexpensiveDisk)，1987年由美国加州大学提出过去RAID是由许多小的便宜磁盘组成的，可作为大的昂贵磁盘的有效替代品现在RAID的使用主要是因为其高可靠性和高数据传输率，而不是经济原因利用一台磁盘阵列控制器统一管理和控制一组磁盘驱动器，组成一个可靠的、快速的大容量磁盘系统8/14/2023645.6.5廉价磁盘冗余阵列廉价磁盘冗余阵列RAID(Red5.6.5廉价磁盘冗余阵列磁盘冗余——改善可靠性复制每个磁盘，这种技术称为镜像8/14/2023655.6.5廉价磁盘冗余阵列磁盘冗余——改善可靠性7/29/5.6.5廉价磁盘冗余阵列1.并行交叉存取——提高数据传输速度将一个盘块中的数据分成若干个子盘块数据，分别存储在不同磁盘的相同位置上。数据传送时采用并行传输方式主要目的：通过负载平衡，增加了多个小访问（即页访问）的吞吐量，降低大访问的响应时间8/14/2023665.6.5廉价磁盘冗余阵列1.并行交叉存取——提高数据传5.6.5廉价磁盘冗余阵列镜像提高可靠性，但很昂贵，分散提供了高数据传输率，但并未改善可靠性，通过磁盘分散和“奇偶”位可以提供多种方案以在低代价下提供冗余，这些方案有不同的性价折中，可分成不同级别，称为