chapter5-设备管理 计算机操作系统 教学课件

计算机操作系统

主讲教师：周星

1课程主要内容

诙操作系统引论（1章）

育进程管理（2・3章）

党存储管理（4章）

育设备管理（5章）

诙文件管理（6章）

货操作系统接口（7章）

的系统安全性（9章）

甘*分布式操作系统

上设备管理概述

设备管理是操作系统对计算机系统中除CPU和内存之

外的外部设备进行管理、以及对数据传输进行控制的模块,

是操作系统资源管理中最复杂、最多样化的部分。

操作系统设备管理中，提高设备利用率的关键是实现

设备的并行操作。一方面，诸设备要与CPU并行，另一方

面，诸设备间也要并行。操作系统的设备管理模块要在硬

件提供的通道和中断机制、以及设备提供的物理性能的支

持下，实现多任务、多进程共享多种外部设备，高效地完

成数据传输工作。

上第5章设备管理

5.1I/O系统

5.2I/O控制方式

5.3缓冲管理

5.4设备分配

5・5设备处理

本章作业

5.6磁盘存储器管理

5.7*UNIX系统中的设备管理

*5.1I/O系统

■I/O系统：用于实现数据输入、输出及数据存储

的系统。

511I/O设备

5」.2设备控制器

513I/O通道

5.1,4I/O系统的总线系统

5.1.5I/O系统的结构

*5.1」I/O设备

1、I/O设备的类型

1）按设备的从属关系分类

力系统设备：指操作系统生成时即安装操作系统时,

就纳入系统管理范围的各种标准设备。如键盘、

显示器、打印机等。

力用户设备：它是指系统设备之外的非标准设备，

在安装操作系统时没有配置，而由用户自己安装

配置的设备。如绘图仪、扫描仪等。

上5.1.1I/O设备

2）按信息交换的单位分类

o块设备：信息交换的基本单位为字符块，属

于有结构设备，块大小一般为512B-4KB,

典型的有：磁盘、磁带等。

o字符设备：信息交换的基本单位为字符，典

型的有：键盘、打印机和显示器等。

5,1.1I/O设备----------.

-------------------------f包括所有的字符型

3>）按使用方式/共享属性分类备和磁带机,

力独享/独占设备：这类设备一旦分配给某个实体（用

户、作业、任务或进程）使用，在没被释放前，其

它实体不得使用。多数低速设备属于此类，打印机

就典型的独享设备。］包世浮堂名以外的所有块型设备

力共享设备：在一段吁商关浑姿了用户进程同时访问

的设备。磁盘就典型的共享设备。

口虚拟设备：通过一定的辅助存储器和控制程序，可

将一台独享设备模拟为共享设备，这个具有了新特

性的设备就称为虚拟设备。

上5.1」改设备

4）按传输速率分类

力低速设备：传输速率仅为每秒钟几个字节至数

百个字节的设备。典型的有：键盘、鼠标、语音

的输入/输出等。

力中速设备：传输速率仅为每秒钟数千个字节至数

数万个字节的设备。典型的有：打印机等。

力高速设备：传输速率仅为每秒钟数百千个字节至

数十兆字节的设备。典型的有：磁盘机、磁带机、

光盘机等。

*54.2设备控制器

■传统的设备=机械部分+电子部分

■电子部分在系统的控制下驱动机械部分运转，完成

I/O操作

■由于设备中电子部分比机械部分的速度快得多，为

了降低硬件成本，将电子部分从设备中分离出来作

为一个独立的部件，这就是控制器。在小型和微型

机中，它常采用印刷电路卡插入计算机中。

■分离之后的设备仅由机械部分构成，一个控制器可

与多个设备相连（因为控制器的速度快于机械部

分），交替地或分时地控制与其相连的设备。例如,

磁盘控制器可以控制多个磁盘驱动器。

・512设备控制器

■设备控制器

＞是处于CPU与I/O设备之间的接口，接可攵CPU发

来的命令，并控制I/O设备工作，是一个可编址

设备。

A功能：接收和识别命令、实现数据交换、了解

设备状态以及识别设备地址。

上5.1.2设备控制器

A设备控制器的组成

O设备控制器与处理机的接口

力设备控制器与设备接口

3/0逻辑

。寄存器：控制寄存器（存放命令及参数）、数据寄

存器（存放数据）、状态寄存器（记录设备状态）。

1设备控制器的组成

CPU与控制器接口控制器与设备接口

数据

状态

控制

数据

状态

控制

返回

5.1.3I/O通道

■引入原因

■根据信息交换方式的不同，通道可分成以下几种类型:

A字节多路通道

A数组选择通道

A数组多路通道

■注：“瓶颈”问题

岂3字节多：路通道

>1）有'一个主通道。

>2）含有多个子通道A、、C

>3）每子通道通过一控制器与一台中/低速的I/O设

备相连，可同时并行向主通道传数据。

>4）各子通道以时间片轮转方式按字节交叉使用主

通道。

■优点：可连多台中/低速设备；能分时并行操作。

■缺点：传输率较低。

案GOOOO

数组选择通道

■数据传送是按成组方式进行工作，每次传输一批数

据。主要用于连接高速I/O设备。

>1）有一个主通道

>2）含有多个子通道A、B、C...

>3）每子通道通过一控制器与一台中/低速的I/O设

备相连，在一段时间内只能选择一个子通道程序

执行。

■优点：可连多台高速设备；传输率较高。

■缺点：某子通道不传数据，而使主通道闲置，其它

子通道也不能传数据。所以通道的利用率很低。

n

数组多路通道

■数据传送仍是按数组方式工作。工作原理（结合

两者：并行十数组）

>1）有一>个主通道

A2）含有多个子通道A、B、C

a3）每子通道通过一控制器与一台高/中速的I/O设

备相连，可同时并行向主通道传数据。

>4）各子通道以时间片轮转方式按数组方式使用

主通道。

■优点：可连多台高/中速设备；能分时并行操作,

传输率较高。口

lnJ

存储器

单通路I/O系统

I解天”施颊〃I可题的万法一多路万

___

多通路I/O系统

口

上5.1.5I/O系统的结构

磁盘驱动器打印机

CPU存储器

微型机I/O系统结构一总线型

设

备

主机I/O系统一具有通道

上5.2I/O控制方式

■常用的输入/输出控制方式：

［、程序控制方式

2、中断控制方式

3、一接存储器访问DMA方式

4、通道控制方式

返回

上1、程序直接控制方式

■程序控制输入/输出方式又称为状态驱动输入/输出

方式或应答输入/输出方式

■它采用程序查询的方式直接参与数据的输入/输出

(注意：程序就是CPU)

■问题：CPU等待每一个操作完成的时候会花费大量

时间“忙于什么也不做”(busydoing

nothing)----CPU大部分时间都处于检查和等待状

态，整个计算系统的效率十分低下。

■呈序控制输入/输出方式一以键盘为例

1、CPU向键盘的控制器发一条输入命令，启动键盘进

行输入操作，并将状态寄存器的“忙/闲位”置1,

表示忙。

2、然后CPU运行程序不断测试状态寄存器的完成位，

看键盘是否完成了输入。直到键盘已将数据输入到

了键盘控制器的数据寄存器中，状态寄存器的完成

位变为1时，CPU才停止测试。

3、CPU取走数据寄存器中的输入数据。

■目前IDE接口硬盘仍在使用这种方式，称为PIO

(ProgrammingInput/Output)模式。

上2、中断控制方式

1）需数据的进程向CPU发出指令启动I/O设备输入

数据。

2）该进程放弃处理机，等待输入完成。

3）输入完成后，I/O控制器向CPU发出中断请求，

CPU收到后，转向中断服务程序。中断服务程序

将输入寄存器中的数据送指定内存单元，并将原

进程唤醒，继续执行。

4）在以后，该进程再被调度，从内存单元取出数

据进行处理。

■断输入/输出方式一以键盘输入为例

(1)开中断。CPU把启动位和中断允许位为1的控制字写

入键盘控制状态寄存器中，启动键盘。(当中断允许位为1时,

中断程序可以被调用。)

(2)进程等待键盘输入完成(进入等待队列)，由进程调度

程序调度其他就绪进程使用CPUo

(3)键盘启动后，当数据寄存器装满后，键盘控制器通过

中断请求线向CPU发出中断信号。

(4)CPU暂停正在进行的工作，转向执行中断处理程序。

(取出数据寄存器中的输入数据送到内存特定单元，并将等待输入完成的

进程唤醒。)

(5)中断处理程序完毕，CPU返回断点继续执行。

(6)以后某个时刻，进程调度程序选中正处于就绪状态的

那个进程，该进程从特定内存单元中取出所需的数据继

续工作。

优点：CPU不需等待数据传输

完成，I/O设备与CPU并行工

作，CPU的利用率因此提高。

缺点：CPU在响应中断后，还

需要时间来执行中断服务程序。

如果数据量大，需要多次执行

中断程序，CPU的效率仍然不

返回

上3、DMA方式

1）需数据的进程向CPU发出指令，向DMA控制器写入数

据存放的内存始址、传送的字节数，并置中断位和启动

位，启动I/O设备输入数据并允许中断。

2）该进程放弃处理机等待输入完成，处理机被其它进程

占据。

3）DMA控制器挪用CPU周期，将一批数据写入内存中。

4）DMA控制器传送完数据后向CPU发中断请求，CPU响

应后转向中断服务程序唤醒进程，并返回被中断程序。

5）在以后该进程再被调度，从内存单元取出数据进行处

理。

3、DMA方式

■优点.一CPU利用率进一步提高（并行度有所提

局）O

■缺点.一数据传送方向、字节数、内存地址等需由

CPU控制，且每一设备需一台DMA控制器，设备

增多时，不经济。

返回

4、通道控制方式

■通道是一个独立于CPU的专管输入/输出控制的处理

机，它控制设备与内存直接进行数据交换。

■通道有自己的一套简单的指令系统，称为通道指令。

每条通道指令规定了设备的一种操作，通道指令序列

便是通道程序，通道执行通道程序来完成规定动作。

■通道靠执行通道程序软件完成数据传输，通道控制器

的功能比DMA控制器更强大，它能够承担外设的大

部分工作。

4、通道控制方式

1）需数据的进程向CPU发出指令，CPU发出启动指令指

明I/O操作、设备号和对应的通道。

2）该进程放弃CPU等待输入完成，CPU被其它进程占据。

3）通道接收到CPU发来的启动指令后，取出内存中的通

道程序执行，控制设备将数据传送到内存指定区域。

4）传送完数据后，通道向CPU发中断请求，CPU响应后

转向中断服务程序，唤醒进程，并返回被中断程序。

5）在以后该进程再被调度，从内存取出数据进行处理。

、通道控制方式

■优点：一个通道可控制多设备，所需CPU干预更少;

CPU利用率较高（并行度较高）。

■缺点：通道价格较高。

口

・5.3缓冲管理

1、提高处理机与I/O设备的并行工作的技术：

1）数据传送控制方式2）缓冲技术

2、操作系统中，引入缓冲的主要原因

1）缓冲CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾

＞如：计算----打印buffer------打印

2）减少中断CPU的次数

»如：buffer越大，“buffer满”信号发生频率越低。

3）提高CPU与I/O设备的并行性

35.3缓冲管理

3、缓冲的两种实现方法：

1）采用硬件缓冲器实现

2）用软件缓冲区来实现

＞缓冲是用来对数据传送速度不同的设备的传送速

度进行匹配/缓冲的一种常用手段。其实现方法除

在关键地方可采用硬件缓冲器外，大都采用软件

缓冲来实现。软件缓冲区是指在I/O操作期间，专

门用来临时存放输入/输出数据的一块存储区域。

冲管理

4、缓冲技术的分类

单缓冲双缓冲

循环缓冲缓冲池

返回

上单缓冲

■在设备和处理机之间设置一个缓冲。设备与处理机

交换数据时，先把交换的数据写入缓冲区，然后需

要数据的设备/处理机再从缓冲区中取走数据。

■特点：缓冲区数只有一个；设备与处理机对缓冲区

的操作是串行的。

■图示

上一块数据的处理时间

工作区卜%-缓冲区卜辛

II/O设备

用户进程C操作系统

■无缓冲区时，该时间为T+C

■由于C和T可并行，M和C或M和T不能并行,因此处

理一块数据时间：Max(C,T)+M

返回

J.双缓冲

■增加一个缓冲区，两个缓冲区可以交替使用

■若用户进程阵发性I/O的数据超过一个缓冲区而不足两个

缓冲区，双缓冲使进程不会在I/O数据期间被阻塞。

■在设备和处理机之间设置2个缓冲。设备与处理机交换

数据时，先把交换的数据写入缓冲区，然后需要数据的

设备/处理机再从缓冲区中取走数据。因缓冲区有2个，

提高了设备与处理机并行操作的程度，只有当两个均为

空时，需数据的进程才等待。

■特点：缓冲区数有2个；设备与处理机对缓冲区的操作

可并行，提高了设备与处理机并行操作的程度。

上双缓冲

双缓冲示例

双缓冲图示

一块数据的处理时间

"簟鱼I/O设备

MrT

用户进程C操作系统

■当C>T:C+M即MAX(C,T)+M

■当C〈T:MAX(C,T)

口

】■循环缓冲

—I用户进程至理数据的速度较快、外部设备处理

数据的速度较慢，或者用户进程阵发性输入/输出

的数据较多时，必须考虑增加缓冲区的数量以改

善系统性能，这就是多缓冲区方式（被组织成循

环队列，故称为循环缓冲）。

■在设备和处理机之间设置多个大小相等的缓冲区,

这些缓冲区构成环形，每一个缓冲区中含一指针

指向下一个缓冲区，最后一个指向第一个缓冲区,

同时还含有2个用于输入/输出的指针IN和OUT。

■特点：缓冲区数有多个；设备与处理机对缓冲区

的操作可并行，进一步提高了设备与处理机并行

操作的程度。

上循环缓冲的组成

类型：

R:空缓冲；G:满缓冲；C:当前缓冲

1循环缓冲

■缓冲区的使用

»Getbuf过程

力计算进程取Nextg对应缓冲区使用，将Nextg置为

空，Nextg=(Nextg+1)ModN

◎输入进程取Nexti对应缓冲区使用，将Nexti置为

满，Nexti=(Nexti+1)ModN

»Releasebuf过程

◎若C满，则改为G;

0若C空，则改为R;

土循环缓冲

■进程同步

aNexti追上Nextg：表示输入速度）输出速度，

全部buf满，这时输入进程阻塞。

aNextg追上Nexti:输入速度〈输出速度，全部

buf空，这时输出进程阻塞。

口

上缓冲池

■上述三种缓冲区的组织形式仅适用于某种特定的I/O

进程和计算进程，属于专用缓冲。

■当系统中的设备很多时，将会有许多这样的循环缓

冲区，消耗大量的内存空间，而且其利用率也不高。

■为了提高缓冲区的利用率，可以采用公共缓冲池技

术，其中的缓冲区可为多个设备和进程服务。

上缓冲池

1、缓冲池：将系统内所有的缓冲区统一管理起来，就形

成了能用于输入/输出的缓冲池。缓冲池通常由若干大

小相同的缓冲区组成，是系统的公用资源，任何进程

都可以申请使用缓冲池中的各个缓冲区。

2、缓冲池的组成（数据结构）

»三个队列：空缓冲队列emq、装满输入数据队列

inq、装满输出数据队列outq

»四个工作缓冲区：收容输入缓冲区hin、提取输入

sin、收容输出hout、提取输出缓冲区sout

3、getbuf过程和putbuf过程

ProcedureGetbuf(type)ProcedurePutbuf(type)

beginbegin

wait(rs(type));wait(ms(type));

wait(ms(type));Addbuf(type,number);

B(number):=Takebuf(type);signal(ms(type));

signal(ms(type);signal(rs(type));

endend

、操作系统对缓冲池的管理一工作方式

缓冲池

收容输提取输入用

sin

户

程

提取输出收容输出

southout<序

缓冲区的工作方式

、操作系统对缓冲池的管理一工作方式

1)输入进程需要输入数据时：hin=getbuf(emq);输

入数据；putbuf(inq,hin)

从空缓冲队列的队首取一空缓冲区用作收容输

入缓冲区；

>2)输入设备将数据输入收容输入缓冲区并装满；

>3)将此缓冲区挂到装满输入数据队列队尾。

、操作系统对缓冲池的管理一工作方式

2)计算进程需要输入数据时：sin=getbuf(inq);计

算；putbuf(emq,sin)

>1)从装满输入数据队列队首取一满缓冲区用作提

取输入缓冲区；

>2)CPU从提取输入缓冲区中取出数据至用完；

>3)将空缓冲区挂至1空缓冲队列队尾。

、操作系统对缓冲池的管理一工作方式

3)计算进程需要输出数据时：hout=getbuf(emq);

输出数据；putbuf(outq,hout)

A1)从空缓冲队列队首取一空缓冲区用作收容输出

缓冲区；

>2)CPU将数据输入其中并装满；

>3)1寻收容输出缓冲区挂到装满输出数据队列队尾。

上4、操作系统对缓冲池的管理一工作方式

4）输出进程需要输出数据时：hout=getbuf（outq）;

输出；putbuf（emq，hout）

A1）从装满输出数据队列队首取一满缓冲区用作

提取输出缓冲区；

A2）输出设备从中取出数据至用完；

>3）将空缓冲区挂到空缓冲队列队尾。

5.4设备分配

■包括：对设备、设备控制器、通道的分配

A设备分配中的数据结构

A设备分配的策略/应考虑的因素

A设备独立性

＞设备分配程序

aSPOOLING技术

5.4.1设备分配中的数据结构

■系统设备表SDT(systemdevicetable)

■设备控制表DCT(devicecontroltable)

■控制器控制表COCT(controllercontroltable)

■通道控制表CHCT(channelcontroltable)

DCT

设备类型

设备标识符

设备状态：忙/闲

COCT指针

设备等待队列指针

COCTCHCT

控制器标识符通道标识符

控制器状态：忙/闲通道状态：忙/闲

CHCT指针

通道等待队列指针

控制器等待队列指针

5.4.2设备分配策略/应考虑的因素

1、设备的使用性质/固有属性

A独享分配、共享分配、虚拟分配

2、设备分配算法

A先请求先服务、优先级高者优先

3、设备分配的安全性（防止进程死锁）

4、设备独立性：是指用户在编制程序时所用的设备

（逻辑）与实际使用的设备无关

设备分配算法

■先请求先服务

A当有多进程对同一设备提出I/O请求时，系统根

据这些进程发出请求的先后次序将它们排成一个

设备请求队列，设备分配程序总是把设备分配给

队首的进程。

■优先级高者优先

A按照进程优先级的高低进行分配。即当多进程对

同一设备提出I/O请求时，谁优先级高，就将设

备分配给谁。若优先级相同，则按先请求先服务

进行分配。

・543设备独立性

■设备独立性概念（设备无关性）

A为提高OS的可适应性和可扩展性，而将应用程

序独立于具体使用的物理设备。

＞逻辑设备

＞物理设备

＞逻辑设备表（LUT）

土543设备独立性

■设备独立性的实现

A逻辑设备（应用程序）和物理设备（执行）

O设备分配时的灵活性

/逻辑设备和物理设备间可以是多——多的映

射关系。提高了物理设备的共享性，以及使

用的灵活性。如：某逻辑名可对应这一类设

备，提高均衡性与容错性；几个逻辑名可对

应某一个设备，提高共享性。

力易于实现I/O重定向

t543设备独立性

■设备独立性的实现

＞设备独立性软件

力执行所有设备的公有操作

力向用户层（文件层）软件提供统一的接口

/read、write

土543设备独立性

■设备独立性的实现

＞逻辑设备名到物理设备名映射的实现

一逻辑设备表LUT(LoqicalUnitTable)

a分配流程：进程给出逻辑名——通过LUT得到物

理设备及其driver入口。

»LUT设置问题(图5・18)

由整个系统设置一张LUT;每个用户设一张LUT

上设备独立性相关概念

■I/O重定向

A指用于I/O操作的设备可以更换，即重定向，而不

必改变应用程序，只需改变LUT表的映射关系。

■所有设备的公有操作

A独立设备的分配与回收；将逻辑设备名映射为物

理设备名；对设备进行保护（禁直访）；缓冲管

理；差错控制。f

逻辑设备表LUT(LoqicalUnitTable)

逻辑设备名物理设备名驱动程序入口地址

/dev/tty31024

/dev/print52046

■■■■■■■■■

(a)

逻辑设备名系统设备表指针

/dev/tty3

/dev/print5

■■■■■■

(b)

J.544独占设备的分配程序

■的设备分配程序

＞分配设备

A分配控制器

A分配通道

＞问题（“瓶颈”）

。进程以物理设备名来提出I/O请求

口采用的是单通路的I/O系统结构

■设备分配程序的改进

＞增加设备的独立性（进程以逻辑设备名提出I/O请求）

A考虑多通路情况wt

口

分配设备

ASDTADCT

I设:状态I

进程插入~~[y

设彳等待队列1

本次分配的安全性

上分配控制器

物理设备分配

DCT^COCT

控制器状态

进程插入

控制器等待队列

分配控制器

返回

分配通道

控制手分配

COCipCHCT

进程插入

通道等待队列

分配通道

*返回

ISPOOUNG技术

^jg[SimultaneausPeriphernalOperationsOn-Line)

■脱机输入、输出技术

＞为了缓和CPU的高速性与I/O设备的低速性间矛盾

而引入，该技术在外围控制机的控制下实现低速

的I/O设备与高速的磁盘之间进行数据传送。

■SPOOLING技术

■SPOOLING系统的组成

■SPOOLING系统的特点

SPOOUNG技术

(SimultaneausPeriphernaIOperationsOn-Line)

■SPOOLING技术

在多道程序下，用一程序来模拟外围控制机，

实现将数据从磁盘传送到低速的输出设备上，从而

可在主机的直接控制下，实现脱机输入、输出功能,

进而实现外围操作与CPU对数据处理的并行操作，

这种在联机情况下实现的同时外围操作称为

SPOOLING技术，是对脱机输入、输出工作的模

拟，是操作系统中采用的一项将独占设备改造成为

共享设备的技术。

上SPOOLING系统的组成

内存

组成：

1、输入井、输出井2、输入缓冲区、输出缓冲区

3、输入进程、输出进程4、请求打印队列

上SPOOLING系统的组成

1.输入井和输出井：

>在磁盘上开辟的2个大存储空间，模拟输入和输出

设备。

2.输入buf和输出buf（内存中）

>输入设咯----输入buf输入井----用户区（1）

»用户区——输出井——输出buf——设备（2）

3.输入SPi和输出SPo进程。

»分别控制（1）,（2）的动作。

>SPi相当于脱机输入控制器。

>SPo相当于脱机输出控制器。

SPOOLING举例

⑴输入

＞a.进程n请求一＞SPi为n在输入井中分配空间一＞设

备数据由输入buf送输入井一＞生成输入请求表挂输

入请求队列。

ab.CPU空一＞取请求表中的任务，送进程缓冲区。

⑵输出：（打印）

＞a.进程n请求一＞SPo为n在输出井中分配空间一＞将

数据由进程buf转到输出井一＞生成一打印请求表挂

打印请求队列。

＞b.打印机空一＞查打印请求表中的任务一＞取输出井

中对于数据一＞输出buf—＞打印

工SPOOLING系统的特点

■提高了I/O速度（对低速设备操作变为对输入/输出井

操作）

■将独占设备改造为共享设备（分配设备的实质时分配

输入/输出井）

■实现了虚拟设备功能

虚拟设备实现了对独占设备的改造，而虚拟分配使进程对独占

设备的使用与物理设备分离，使进程与I/O设备之间的同步I/O

方式转变为异步I/O方式，提高了进程的并发度和执行效率。显

然，虚拟分配方式在逻辑上改造了设备特性，提高了设备的利

用率，同时也提高了进程的执行效率。其所付出的代价是外存

空间的开销，是操作系统利用空间换取时间的一个典型范例。

上SPOOLING技术

■在操作系统中，引入虚拟设备的原因

＞引入虚拟设备是为了克服独占设备速度较慢、降

低设备资源利用率的缺点，从而提高设备的利用

率。

■虚拟设备

＞是指通过虚拟技术将一台独占设备变换为若干台

逻辑设备，供若干个用户进程使用，通常把这种

经过虚拟技术处理后的设备称为虚拟设备。

口

・5.5设备处理

■设备驱动程序的功能和特点

A设备驱动程序的功能

A设备处理方式

A设备驱动程序的特点

■设备驱动程序的处理过程

■中断处理程序的处理过程

i设备驱动程序的功能

■将接收到的抽象要求转换为具体要求。

■检查用户I/O请求的合法性、I/O设备状态、传参数、

设置设备的工作方式。

■按处理机的I/O请求去启动指定的设备进行I/O操作。

■及时响应由控制器或通道发来的中断请求，并进行

相应处理。

■按I/O请求构成相应通道程序。

上设备处理方式

■为每一类设备设置一进程，专门执行其I/O操作。

■在整个系统中设置一个进程，执行所有的I/O操作。

■不设置专门的设备处理进程，而为各类设备设置

相应的设备驱动程序。

设备驱动程序的特点

■是请求I/O的进程与设备控制器之间的一个通信程序

■与I/O设备的特性紧密相关

■与I/O控制方式紧密相关

■与硬件紧密相关，因而其中一部分程序必须用汇编语

言编写

设备驱动程序的的处理过程

■将接收到的抽象要求转换为具体要求

■检查用户I/O请求的合法性

■读出和检查I/O设备状态

■传送必要参数

■设置设备的工作方式

■按处理机的I/O请求去启动指定的设备进行I/O操作

上中断处理程序的处理过程

■唤醒被阻塞的驱动程序进程

■保护被中断进程的CPU环境

■分析中断原因、转入相应的设备中断处理程序

■进行中断处理

■恢复被中断进程的现场

返回

5^6磁盘存储器

■提高磁盘I/O速度的主要途径:

>(1)选择性能好的磁盘

>(2)采用好的磁盘调度算法

>(3)设置磁盘高速缓存(DiskCache)

>(4)其它方法

>(5)采用高度可靠、快速的容量磁盘系统一■糜

价磁盘冗余阵列

上1、磁盘性能

■磁盘性能简述

＞数据的组织

◎磁盘结构、磁道、柱面、扇区、磁盘格式化

力磁盘物理块的地址：柱面号磁头号扇区号

A磁盘类型（固定头磁盘、移动头磁盘）

1、磁盘性能

■访问时间

A寻道时间：将磁头从当前位置移到指定磁道所经历的

时间Ts=m*n+s

A旋转延迟时间：指定扇区移动到磁头下面所经历的时

间。设每秒r转，贝仃r=1/2r（均值）

»传输时间：将扇区上的数据从磁盘读出/向磁盘写入

数据所经历的时间Tt=b/rN。其中b:读写字节数，

N:每道上的字节数。

■在访问时间中，Ts和Tr基本上与所读/写数据的多少无关,

且通常占据了访问时间中的大头。故，适当地集中数据

传输，将有利于提高传输效率。

上信息分布优化

■例：信息在存储空间的排列方式也会影物理逻辑

块记录

响存取等待时间。考虑10个逻辑记录A,

1A

B……，J被存于旋转型设备上，每道存2B

放10个记录，安排如右图示。假定要经3C

常顺序处理这些记录，而旋转速度为204D

5E

毫秒，处理程序读出每个记录后花4毫

6F

秒进行处理。请计算依次读出这10个

7G

记录总共需花多长时间？如何优化最合8H

适？9I

10J

■Ji------------------------------

■解：由于旋转速度为20毫秒，且每道10条记录，

故读取每条记录的时间为2毫秒。

＞又因为读出并处理记录A之后（4ms）将转到记录

D的开始。所以，为了读出B,必须再转一周。

A于是，处理10个记录的总时间为：10毫秒（移动

到记录A的平均时间）+2毫秒（读记录A）+4毫秒

（处理记录A）+9x[16毫秒（访问下一记录）+2毫

秒（读记录）+4毫秒（处理记录）]=214毫秒

物理逻辑

■按右图方案优化各记录的位置。当块记录

读出记录A并处理结束后，恰巧转1A

至记录B的位置，立即就可读出并2H

处理。按照这一方案，处理10个记3E

录的总时间为：10毫秒（移动到记4B

录A的平均时间）+10*[2毫秒（读5I

记录）+4毫秒（处理记录）]=70毫6F

秒7C

■比原方案速度几乎快3倍，如果有8J

众多记录需要处理，节省时间更可9G

D

观了。10

磁盘结构

・区iu・区n5IW

42、磁盘调度算法

■对于用来保存文件的磁盘等设备而言,同一l时刻可

能会有许多来自系统和应用程序的访问请求，每个

请求读或写一块。按什么次序为这些访问请求服务

是输入/输出调度所应解决的问题，而用来确定服务

次序的算法称为输入/输出调度算法。

■设计输入/输出调度算法应考虑两个基本因素

A公平性：一个I/O请求应当在有限时间内得到满足

A高效性：减少设备机械运动带来的时间开销

老盘2调、度磁算盘法调度算法

A早期的磁盘调度算法

■先来先月艮务FCFS

由最短寻道时间优先SSTF

＞扫描算法

力扫描(SCAN)/电梯(LOOK)算法

力循环扫描(CSCAN)算法

力**N・STEP・SCAN调度算法

a**FSCAN调度算法

例：假设一个请求序列：98、183、37、122、

14、124、65、67,磁头当前的位置在53。

FCFS先来先服务

按进程请求访问磁盘的先后次序进行调度下磁道移道数

9845

queue=98,183,37,122,14,124,65,67

headstartsat5318385

O14

II375365679812212418319937146

iiIIiII

12285

14108

124110

6559

672

总道数640

平均80

tFCFS先来先服务性能评价

■磁头引臂横向移动的速度很慢，若按照请求发出

的次序依次读/写各个磁盘块，则磁头引臂在内磁

道和外磁道之间频繁地移动，造成较大的时间开

销，影响效率。

■这种算法通常可用于输入/输出负载较轻的系统。

最短寻道时间优先(SSTF)

选择从当前磁头位置所需寻道时间最短的请求。下磁道移道数

queue=98,183,37,122,14,124,65,676512

headstartsat53672

O4

3753656798122124183199

iII3730

1423

9884

12224

1242

18359

总道数236

平均29.5

■从此例可看出，按照上述服务次序，磁头引臂的

机械运动明显减少，所需时间大幅度降低。

■存在的缺点：假设某一时刻外磁道请求不断，则

内磁道请求可能长时间得不到满足，这种现象称

为“磁道歧视”。因此，本算法缺乏公平性，存

在饥饿和饿死的问题。

上扫描算法（SCAN）

■Scan算法往复扫描各个柱面（磁道）并为途经柱

面（磁道）的请求服务。

■起始时磁头处于最外柱面，并向内柱面移动。在移

动的过程中，如果途经的柱面有访问请求，则为其

服务，如此一直移动到最内柱面，然后改变方向由

内柱面向外柱面移动，并以相同的方式为途经的请

求服务。

■Scan算法每次都扫描到柱面的尽头，无论最内

（最外）柱面处是否有访问请求。

3描算法（SCAN）

下磁道移道数

6512

queue=98,183,37,122,14,124,65,67

672

headstartsat53

9831

12224

1242

18359

19916

37162

1423

假定：磁头向磁道号增加的方向移动。

总道数331

平均41.4

Look算法（电梯算法）

■Look算法也称电梯算法，因其基本思想与电梯的

工作原理相似而得名。

■无访问请求时，磁头引臂停止不动；当有访问请求

时，起始时磁头由最外柱面向内柱面移动，并为途

经的请求服务。一旦内柱面没有访问请求，则改变

移动方向（如外柱面有请求）或停止移动（外柱面

也无请求）。

算法（电梯算法）

Look下磁道移道数

6512

queue=98,183,37,122,14,124,65,67

headstartsat53672

9831

12224

1242

18359

37146

1423

假定：磁头向磁道号增加的方向移动。总道数299

平均37.4

上SCAN/LOOK算法评价

■对于SCAN（LOOK）算法来说，位于不同磁道（柱

面）的I/O请求与获取服务所需的等待时间是不同

的。

■对于靠近边缘的柱面，最坏情况的移动量为2N・1

（N为柱面数）;对于靠近中部的柱面，最坏情况

为平均情况分别约为N和N/2。

上循环扫描算法(CircularSCAN/LOOK)

■是为了消除边缘柱面与中部柱面等待时间差异而

进行的改进。

■磁头只在单方向移动过程中才为途经的请求服务,

一旦达到边缘，则立即快速移动至另一边缘，在此

移动过程中并不处理访问请求，然后重新开始新一

轮扫描。

循环扫描算法(CSCAN)

下磁道移道数

queue=98,183,37,122,14,124,65,676512

headstartsat53

o.4672

13753656798122124183199

iilliIIII9831

12224

1242

18359

14169

3723

总道数322

平均40.3

特点：消除了对两端磁道请求的不公平。

N・STEP・SCAN调度算法

■SSTF、SCAN及CSCAN存在的问题“■磁臂粘着

在SSTF、SCAN及CSCAN几种调度算法中，可能

出现磁臂停留在某处的情况，即反复请求某一磁道，从

而垄断了整个磁盘设备，这种现象称为磁臂粘着。

■N・STEP-SCAN调度算法

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，而每一子

队列按SCAN算法处理。

N=1FCFS算法

N彳艮大SCAN算法

N取半长度FSCAN算法

心理置磁盘高速缓存(DiskCache)

目前，由于磁盘的I/O速度远低内存的访问速度,

而致使磁盘的I/O成为计算机系统的瓶颈。为提高

磁盘的I/O速度，便采用磁盘高速缓存。

力磁盘高速缓存的形式

0数据交付方式

◎置换算法

由周期性地写回磁盘

（1）磁盘高速缓存的形式

■磁盘高速缓存

A是指内存中的一部分存储空间，用来暂存从磁盘

读出的一系列盘块中的信息，所以它是一组在逻

辑上属于磁盘，而物理上是驻留在内存中的盘块

■磁盘高速缓存的形式

力内存中单独的存储空间（大小固定）

力未利用的存储空间_缓冲池（大小不固定）

(2)数据交付方式

■数据交付方式

＞是指磁盘高速缓存中的数据传送给请求者进程。

系统采取两种方式，将数据交付给请求进程：

力数据交付：系统直接将磁盘高速缓存中的数据

传送到请求者进程的内存工作区。

力指针交付：只将指向磁盘高速缓存中该数据的

指针，交付给请求者进程。

(3)置换算法

将磁盘中的盘块读入到磁盘高速缓存中时,若因磁盘

高速缓存已满，则采用常用的算法进行置换：

＞最近最久未使用算法LRU

＞最近未使用算法NRU

＞最少使用算法LFU

■置换时除算法外还应考虑的问题

＞访问频率

＞可预见性

＞数据的一致性■一解决方法将系统中所有盘块数据拉

成一条LRU链，对将会严重影响到数据一致性的数

据和很久都可能不再使用的盘块数据放在LRU头部，

到时优先写回磁盘。

上(4)周期性地写回磁盘

■系统中所有盘块数据拉成一条LRU链，对会严重影

响到数据一致性的数据和很久都可能不再使用的盘

块数据，放在LRU头部，到时才优先写回磁盘。若

经常访问的数据一直保留磁盘高速缓存中，长期不

会被写回磁盘，若系统出故障，则存在磁盘高速缓

存中的数据将丢失。

■问题解决

»周期性地将磁盘高速缓存中的数据写回磁盘

A磁盘高速缓存中的数据若修改，则立即写回磁盘

«H

、提高磁盘I/O速度的其它方法

■提前读（Read_Ahead）：由于用户对文件的访问常用

顺序方式，在读当前块时，可预知下一次要读的盘块,

所以，可采用预先读方式，即在读当前块的同时，连同

将下一块提前读入缓冲。当访问下一块数据时，其已在

缓冲中，而不需去启动磁盘I/O。

■延迟写：在缓存中的数据，本应立即写回磁盘，考虑不

久之后可能会再用，故不立即写回磁盘。

■优化物理块的分布：使磁头移动的距离最小（优化物理

块的分布、优化索引结点的分布）。

■虚拟盘：利用内存去仿真磁盘，又称为RAM盘。（与

磁盘高速缓存的区别：RAM盘中的内容由用户控制，

而缓存中的内容则由OS控制）

返回

15、廉价磁盘冗余阵列(RAID)

■RAID(RedundantArrayofIndependent/

InexpensiveDisks)：独立或廉价磁盘冗余阵列

■“独立”是目前通用的一个行业术语，强调

RAID阵列的重要性和可靠性

■“廉价”是较早使用的一个术语，重在强调RAID

磁盘阵列中采用的相对较小的、价格较便宜的磁

盘。

上5、廉价磁盘冗余阵列(RAID)

■1987年由美国加利福尼来大学伯莱分校提出，

1988年问世，即利用一台磁盘阵列控制器，来

统一管理和控制一组磁盘驱动器，组成一个高

度可靠的、快速的大容量磁盘系统。

口并行交叉存取

口RAID的分级

◎RAID的优点

*(1)并行交叉存取

■为提高磁盘的访问速度而在大、中型机中采用的交

叉存取