《操作系统原理 教学课件 ppt 作者 周苏 教学课件 第11章 I-O设备管理》由会员分享，可在线阅读，更多相关《操作系统原理 教学课件 ppt 作者 周苏 教学课件 第11章 I-O设备管理（161页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、,操作系统原理,by Zhou Su,内容（篇）,4,第4篇 输入/输出与文件管理,11,第11章 I/O设备管理,第11章 I/O设备管理,除了提供像进程（和线程）、地址空间和文件这样的抽象之外，操作系统还要控制计算机的所有I/O（输入/输出）设备。操作系统向设备发送命令、捕捉中断，并处理设备的各种错误，它还应该在设备和系统的其他部分之间提供简单且易于使用的接口。如果可能，这个接口对于所有设备都应该是相同的，这就是所谓的设备无关性。I/O部分的代码是整个操作系统的重要组成部分。,11.1 盘,盘有很多类型。最常用的是磁盘（硬盘和软盘），它们具有读和写的速度快的特点，是理想的辅助存储器（用于分
2、页、文件系统等）。这些盘的阵列有时用来提供高可靠性的存储器。对于程序、数据和电影的发行而言，各种光盘（CD-ROM、可刻录CD以及DVD）也非常重要。,11.1.1 磁 盘,硬盘由一叠铝的、合金的或玻璃的盘片组成（见图11-1），直径为5.25英寸或3.5英寸（在笔记本电脑上甚至更小）。在每个盘片上镀着一层薄薄的可磁化的金属氧化物，制造出来的磁盘上不存在任何信息。 磁盘被组织成柱面，每一个柱面包含若干磁道，磁道数与垂直堆叠的磁头个数相同。磁道又被分成若干扇区，软盘上大约每条磁道有832个扇区，硬盘上每条磁道上扇区的数目可以多达几百个。磁头数大约是116个。,图11-1 硬盘的物理结构,11.1
3、.1 磁 盘,在现在的IDE（Integrated Drive Electronics，集成驱动电子设备）和SATA（Serial ATA，串行ATA）磁盘上，磁盘驱动器本身包含一个微控制器，由微控制器承担了大量的工作和发出一组高级命令。控制器经常做磁道高速缓存、坏块重映射以及更多的工作。,11.1.1 磁 盘,对磁盘驱动程序有重要意义的一个设备特性是控制器是否可以同时控制两个或多个驱动器进行寻道，即重叠寻道。当等待一个驱动器完成寻道时，控制器可以同时启动另一个驱动器进行寻道。许多控制器也可以在一个驱动器上进行读写操作，与此同时再对另一个或多个其他驱动器进行寻道。在具有一个以上这种硬盘驱动器的
4、系统上，它们能够同时操作，至少在磁盘与控制器的缓冲存储器之间进行数据传输的限度之内是这样。同时执行两个或多个操作的能力极大地降低了平均存取时间。,11.1.1 磁 盘,现代磁盘被划分成环带，外层的环带比内层的环带拥有更多的扇区。如图11-2 a）所示，一个微小的磁盘具有两个环带，外层的环带每磁道有32个扇区，内层的环带每磁道有16个扇区。,图11-2 磁盘的几何规格,11.1.1 磁 盘,为了隐藏每个磁道有多少扇区的细节，大多数现代磁盘都有一个虚拟几何规格呈现给操作系统。软件在工作时仿佛存在着x个柱面、y个磁头、每磁道z个扇区，而控制器将对 (x, y, z) 的请求重映射到实际的柱面、磁头和
5、扇区上。对于11-2 a）中的物理磁盘，一种可能的虚拟几何规格如图11-2 b）所示。在两种情形中磁盘拥有的扇区数都是192，只不过公布的排列与实际的排列是不同的。,11.1.1 磁 盘,对于PC机而言，上述三个参数的最大值常常是（65 535, 16, 63），这是因为需要与最初IBM PC的限制向后兼容。在IBM PC机器上使用16位、4位和6位的字段来设定这些参数，其中柱面和扇区从1开始编号，磁头从0开始编号。根据这些参数以及每个扇区512字节可知，磁盘最大可能的容量是31.5GB。为突破这一限制，所有现代磁盘现在都支持一种称为逻辑块寻址的系统，磁盘扇区从0开始连续编号，而不管磁盘的几何
6、规格如何。,11.1.1 磁 盘,磁盘在使用之前必须由软件完成低级格式化。该格式包含一系列同心的磁道，每个磁道包含若干数目的扇区，扇区间存在短的间隙。一个扇区的格式中包括前导码、数据位和ECC域。 前导码以一定的位模式引导，使硬件可以识别扇区的开始。前导码还包含柱面与扇区号以及某些其他信息。数据部分的大小是由低级格式化程序决定的，大多数磁盘使用512字节的扇区。ECC域包含冗余信息，可以用来恢复读错误。该域的大小和内容随生产商的不同而不同。此外，所有硬盘都分配有一定数目的备用扇区，用来取代具有制造瑕疵的扇区。,11.1.1 磁 盘,低级格式化完成后要对磁盘进行分区。在逻辑上，每个分区就像是一个
7、独立的磁盘。在Pentiun和大多数其他计算机上，0扇区包含主引导记录，它包含某些引导代码和末尾的分区表。分区表给出了每个分区的起始扇区和大小。在Pentium上，分区表具有四个分区的空间。如果这四个分区都用于Windows，那么它们将被称为C:、D:、E:和F:，并且作为单独的驱动器对待。如果它们中有三个用于Windows，一个用于UNIX，那么Windows会将它的分区称为C:、D:和E:，然后第一个CD-ROM是F:。为了能够从硬盘引导，在分区表中必须有一个分区被标记为活动的。,11.1.1 磁 盘,最后一步是对每一个分区分别执行一次高级格式化。这一操作要设置一个引导块、空闲存储管理（空
8、闲列表或位图）、根目录和一个空文件系统。这一操作还要将一个代码设置在分区表项中，以表明在分区中使用的是哪个文件系统，因为许多操作系统支持多个兼容的文件系统（由于历史原因）。这时，系统就可以引导了。,11.1.1 磁 盘,磁盘制造商通过不断加大线性位密度而持续地推进技术的发展，但是，记录密度的极其精细使得制造过程难免没有瑕疵，而制造时的瑕疵就会引入坏的扇区。对于坏块，一般的处理方法有两种：在控制器中或者在操作系统中对它们进行处理。在前一种方法中，磁盘在出厂之前要进行测试，并且将一个坏扇区列表写在磁盘上。对于每一个坏扇区，用一个备用扇区替换它。,11.1.1 磁 盘,驱动器安装之后在正常工作期间也
9、会出现错误。如果控制器注意到某个扇区具有重复性的错误，可以将该扇区切换到一个备用扇区，这样，操作系统和用户甚至都不会注意到这一问题。,11.1.1 磁 盘,如果控制器不具有透明地重映射扇区的能力，那么操作系统必须在软件中做同样的事情：这意味着操作系统必须首先获得一个坏扇区列表，或者是通过从磁盘中读出该列表，或者只是由它自己测试整个磁盘。一旦操作系统知道哪些扇区是坏的，它就可以建立重映射表。 由操作系统处理重映射时，它必须确保坏扇区不出现在任何文件中，并且不出现在空闲列表或位图中。做到这一点的一种方法是创建一个包含所有坏扇区的秘密的文件。,11.1.2 光 盘,光盘比传统的磁盘有更高的记录密度。
10、光盘最初是为记录电视节目而开发的，但是作为计算机存储设备，由于它们潜在的巨大容量，可以被赋予更为重要的用途，并且经历了令人难以置信的快速发展。但是，即使是最快速的光盘驱动器也无法与磁盘驱动器相比，它们在性能上不属于同一个范畴。,11.1.2 光 盘,1980年，飞利浦与索尼开发的音频CD（压缩光盘）是第一个成功的大众市场数字存储介质，其技术细节以国际标准ISO10149的形式出版（红皮书）。将光盘以及驱动器的规范作为国际标准出版，其目的在于让不同音乐出版商的CD和不同电子设备制造商的播放器能够一同工作。一个标准的音频CD可以存放74分钟的音乐，基本容量是650MB。,11.1.2 光 盘,一张
11、CD的准备分成几个步骤。使用高功率的红外激光在具有涂层的玻璃母盘上烧出许多直径为0.8m的小孔。从这张母盘可以制作出铸模，铸模在激光孔所在的位置具有突起。将熔化的聚碳酸酯树脂注入这一铸模，就可以形成具有与玻璃母盘相同小孔模式的一张CD。然后将一个非常薄的反射铝层沉积在聚碳酸酯上，再加上一层保护性的漆膜，最后加上一个标签。聚碳酸酯基片中的凹陷处称为凹痕，凹痕之间未被烧的区域称为槽脊。,11.1.2 光 盘,在回放的时候，低功率的激光二极管发出波长为0.78m的红外光，随着凹痕和槽脊的通过照射在其上。播放器的光电探测器通过反射光的不同来区分凹痕和槽脊。 凹痕和槽脊写在一个连续螺旋中，该螺旋起源于接
12、近中间圆孔的地方并且向边缘延伸出32mm的距离。螺旋环绕着光盘旋转了22 188圈（大约每毫米600圈）, 如果展开的话，它将有5.6km长。,11.1.2 光 盘,为了以均匀的速度播放音乐，必须让凹痕和槽脊以恒定的线速度通过。因此，当CD的读出头从CD的内部向外部移动时，CD的旋转速度会连续降低。在内部，旋转速度是530rpm，以实现每秒120cm的流动速度；而在外部，旋转速度必须降到200rpm以便在激光头处得到相同的线速度。恒定线速度驱动器与磁盘驱动器存在相当大的区别，后者以恒定角速度操作，与磁头当前处于什么位置无关。,11.1.2 光 盘,1984年，飞利浦和索尼出版黄皮书定义了CD-
13、ROM（压缩光盘-只读存储器）的光盘标准。CD-ROM在物理尺寸上与音频CD相同，在机械上和光学上也与之兼容。黄皮书定义的是计算机数据的格式化，它还改进了系统的纠错能力。 1986年，飞利浦发布绿皮书，补充了图形以及在相同的扇区中保存交错的音频、视频和数据的能力，这对于多媒体CD-ROM而言是十分必要的。,11.1.2 光 盘,为了使相同的CD-ROM能够在不同的计算机上使用，许多计算机公司的代表共同设计了High Sierra（宾馆名称）文件系统，这一文件系统后来发展成为国际标准ISO9660。该文件系统有三个层次。第一层使用最多8个字符的文件名，可选地跟随最多3个字符的扩展名（MS-DOS
14、的文件命名约定）。文件名只能够包含大写字母、数字和下划线。目录最多嵌套8层，且目录名不能包含扩展名。第一层要求所有文件都是连续的，这对于只能写一次的介质来说并不是问题。,11.1.2 光 盘,符合ISO9660标准第一层的任何CD-ROM都可以用在几乎所有的计算机上。ISO9660第二层允许文件名最多有32个字符，第三层允许文件是不连续的。Rock Ridge扩展允许非常长的文件名（针对UNIX）、UID、GID和符号连接。,11.1.2 光 盘,到20世纪90年代中期，CD-R（可刻录CD）驱动器已经是常见的外部设备，它可以用作为大容量硬盘的备份介质。物理上，CD-R像CD-ROM一样使用1
15、20mm的聚碳酸酯空盘，不同的是CD-R包含一个0.6mm宽的凹槽来引导激光进行写操作，使用真金代替铝作为反射层。在CD-R上必须模拟四痕和槽脊的不同反射率，这是通过在聚碳酸酯与反射金层之间添加一层特殊的染料而实现的。 CD-R橘皮书于1989年出版，它定义了一个新格式CD-ROM XA，允许CD-R被逐渐增长地写入，一次写入的一组连续的扇区称为一个CD-ROM光轨。,11.1.2 光 盘,针对可重写CD-ROM的需求，还有一个技术是CD-RW（可重写CD），它使用与CD-ROM相同尺寸的介质。然而，CD-RW使用银、铟、锑和碲合金作为记录层，以取代花菁和酞菁染料。这一合金具有两个稳定的状态：
16、结晶态和非结晶态，两种状态具有不同的反射率。 CD-RW驱动器使用具有三种不同功率的激光。在高功率下，激光将合金融化，将其从高反射率的结晶态转化为低反射率的非结晶态，代表一个凹痕。在中功率下，激光将合金融化并重构其自然结晶状态，便再次成为一个槽脊。在低功率下，材料的状态被感知（用于读取），但是不发生状态的转化。,11.1.2 光 盘,1980年，技术与需求方面的结合引出了DVD光盘。最初DVD是数字视盘的英文首字母缩写，而现在的官方名称是数字通用光盘（Digital Versatile Disk）。DVD采用与CD同样的总体设计，使用120mm注模聚碳酸酯盘片，包含凹痕和槽脊，但有更小的凹痕，更密的螺旋，并使用红色激光。综合起来，这些改进将容量提高了7倍，达到4.7GB。,11.1.2 光 盘,一种新的光盘设备是Blu-ray（蓝光光盘），它使用蓝色激光将25GB压入单层盘中，或者将50GB压入双层盘中。另一种设备是HD DVD（高密度DVD），它使用相同的蓝色激光，但是容量只有15GB（单层）或者30GB（双层）。,11.1.3 固态硬盘,固态硬盘的存储介质分为两
