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1、第四章设备管理第四章第四章 设备管理设备管理 第四章设备管理4.1 设备管理概述设备管理概述 4.1.1 设备管理的主要功能设备管理的主要功能 （1）设备分配）设备分配 指设备分配程序按照一定的策略，指设备分配程序按照一定的策略，为申请设备的用户进程分配设备，记录为申请设备的用户进程分配设备，记录设备的使用情况。设备的使用情况。第四章设备管理 （2）设备映射）设备映射 设备无关性：应用程序所引起的、设备无关性：应用程序所引起的、用于实现用于实现I/O操作的设备与物理操作的设备与物理I/O系统系统中实际安装的设备没有固定的联系。中实际安装的设备没有固定的联系。 逻辑设备：应用软件所引用的用于逻辑
2、设备：应用软件所引用的用于实现实现I/O操作的设备。操作的设备。 物理设备：物理物理设备：物理I/O系统中实际安装系统中实际安装的设备的设备第四章设备管理 逻辑设备的命名方式：文件的命名逻辑设备的命名方式：文件的命名规则和独立于文件命名规则。规则和独立于文件命名规则。 设备映射：将应用软件对逻辑设备设备映射：将应用软件对逻辑设备的引用转换成对相关物理设备的引用。的引用转换成对相关物理设备的引用。第四章设备管理（3）设备驱动）设备驱动 指对物理设备进行控制，以实现真指对物理设备进行控制，以实现真正的正的I/O操作。操作。 其主要任务接收上层软件发来的抽其主要任务接收上层软件发来的抽象服务请求，转
3、换为具体要求，通过一象服务请求，转换为具体要求，通过一系列的系列的I/O指令，控制设备完成请求的操指令，控制设备完成请求的操作；同时，还将设备发来的有关信号传作；同时，还将设备发来的有关信号传送给上层软件。送给上层软件。第四章设备管理（4）I/O缓冲管理缓冲管理 为了缓和处理机于外部设备间的速度为了缓和处理机于外部设备间的速度不匹配的矛盾，以及提高处理机和外部不匹配的矛盾，以及提高处理机和外部设备间的并行性，引入了设备间的并行性，引入了I/O缓冲。缓冲。 I/O缓冲管理的任务是组织缓冲管理的任务是组织I/O缓冲区，缓冲区，并为使用者提供获得和释放并为使用者提供获得和释放I/O缓冲区的缓冲区的手
4、段。手段。第四章设备管理4.1.2 设备管理分层模型设备管理分层模型 （1）通用设备管理分层模型）通用设备管理分层模型用户进程用户进程设备硬件无关层设备硬件无关层设备硬件相关层设备硬件相关层设备硬件设备硬件设备管理分层模型设备管理分层模型第四章设备管理（2）支持中断的设备管理模型）支持中断的设备管理模型用户进程用户进程资源等待队列资源等待队列I/O等待队列等待队列设备驱动程序设备驱动程序启动过程继续过程启动过程继续过程内核中内核中断管理断管理模块模块设备硬件设备硬件ICOS设备中断设备中断支持中断的设备管理模型支持中断的设备管理模型第四章设备管理等待等待I/O请求或设备中断请求或设备中断A分配
5、设备等资源分配设备等资源, ,把把I/OI/O请求所请求所指定的逻辑设备映射到相应的指定的逻辑设备映射到相应的物理设备上物理设备上I/O请求吗请求吗?I/O请求已完成吗请求已完成吗?回收设备等资源回收设备等资源, ,对相应的资对相应的资源等待队列中的进程进行调度源等待队列中的进程进行调度将将I/OI/O请求者进程从请求者进程从I/OI/O等待队等待队列中移出并唤醒列中移出并唤醒阻塞阻塞I/OI/O请求者进程请求者进程, ,并将其插并将其插入到相应的资源等待队列中入到相应的资源等待队列中调用设备驱动程序中的启动过程调用设备驱动程序中的启动过程阻塞阻塞I/OI/O请求者进程请求者进程, ,并将其插
6、并将其插入到入到I/OI/O等待队列中等待队列中成功吗成功吗?调用调用设备设备驱动驱动程序程序中的中的继续继续过程过程AIOCS的工作流程的工作流程YNYYNN4.1.3 设备管理工作流程设备管理工作流程第四章设备管理4.2 计算机计算机I/O子系统的组成子系统的组成 4.2.1 I/O系统的结构系统的结构 (1) 总线型总线型I/O系统的结构系统的结构总线型总线型I/OI/O系统结构系统结构 第四章设备管理(2) 通道型通道型I/O系统的结构系统的结构处理机处理机内存内存I/O通道通道I/O通道通道I/O通道通道I/O设备设备I/O设备设备I/O设备设备I/O设备设备I/O设备设备系统总线系
7、统总线I/O子系统的通道连接方式子系统的通道连接方式第四章设备管理(3) 具有控制器的具有控制器的I/O系统结构系统结构I/O子系统的通道子系统的通道,控制器连接方式控制器连接方式第四章设备管理(4) I/O连接的全连通问题连接的全连通问题 全连通全连通: 即将一个设备与说有的控制器相连即将一个设备与说有的控制器相连,将一个控制器与所有的通道相连将一个控制器与所有的通道相连. 全连通不可能实现的原因全连通不可能实现的原因: * 硬件连线过于复杂硬件连线过于复杂,设备较多时就设备较多时就无法连线无法连线; * 设备设备,控制器以及通道间相互不兼控制器以及通道间相互不兼容容,一个控制器只能控制一类
8、设备一个控制器只能控制一类设备,一个通一个通道只能驱动一类控制器道只能驱动一类控制器第四章设备管理4.2.2 I/O系统的结构系统的结构 (1) 设备的寻址与操作设备的寻址与操作 从处理机的角度看从处理机的角度看,各种外部设备可各种外部设备可以看作是由一组设备寄存器组成的以看作是由一组设备寄存器组成的; 常见的设备寄存器由常见的设备寄存器由: * 操作方式寄存器操作方式寄存器; * 命令寄存器命令寄存器; * 数据寄存器数据寄存器; * 状态寄存器状态寄存器.第四章设备管理I/O端口地址的编址方式端口地址的编址方式 * 设备寄存器与内存物理存储单元统一设备寄存器与内存物理存储单元统一 编址编址
9、; * 独立于内存物理存储地址空间单独为独立于内存物理存储地址空间单独为 上述设备寄存器编址上述设备寄存器编址.第四章设备管理(2) 即插即用即插即用 即插即用即插即用: 即插上就可以使用即插上就可以使用,不需要不需要用用 户进行其它设置户进行其它设置.第四章设备管理 即插即用系统需要计算机即插即用系统需要计算机BIOS,硬件硬件,设备驱动程序和操作系统软件的相互结合设备驱动程序和操作系统软件的相互结合: * 对已安装硬件的自动和动态识别对已安装硬件的自动和动态识别; * 配合操作系统分配配合操作系统分配/在分配硬件资源在分配硬件资源; * 加载相应的驱动程序加载相应的驱动程序.第四章设备管理
10、(3) 设备控制实例设备控制实例 见书上的内容见书上的内容第四章设备管理4.2.3 I/O控制方式控制方式 (1) 程序程序I/O方式方式 (2) 中断方式中断方式 (3) DMA方式方式 (4) I/O通道方式通道方式第四章设备管理第四章设备管理I/OI/O通道控制方式的引入通道控制方式的引入 I/OI/O通通道道方方式式是是DMADMA方方式式的的发发展展，它它可可进进一一步步减减少少CPUCPU的的干干预预，即即把把对对一一个个数数据据块块的的读读( (或或写写) )为为单单位位的的干干预预，减减少少为为对对一一组组数数据据块块的的读读( (或或写写) )及及有有关关的的控控制制和和管管
11、理理为为单单位位的的干干预预。 同同时时，又又可可实实现现CPUCPU、通通道道和和I/OI/O设设备备三三者者的的并并行行操操作作，从从而而更更有有效效地地提提高高整个系统的资源利用率。整个系统的资源利用率。第四章设备管理 例如例如: : 当当CPUCPU要要完完成成一一组组相相关关的的读读( (或或写写) )操操作作及及有有关关控控制制时时，只只需需向向I/OI/O通通道道发发送送一一条条I/OI/O指指令令，以以给给出出其其所所要要执执行行的的通通道道程程序序的的首首址址和和要要访访问问的的I/OI/O设设备备，通通道道接接到到该该指指令令后后，通通过过执执行行通通道程序便可完成道程序便
12、可完成CPUCPU指定的指定的I/OI/O任务。任务。 第四章设备管理请求请求I/O进程进程j进程进程k进程进程j或或k保护进程保护进程j j现场现场组织组织CCWCCWCCWCCW首址送首址送CAWCAW发发SIOSIO分析条件码分析条件码出错进行相应处理出错进行相应处理启动成功进程启动成功进程j j等待等待选进程选进程k k运行运行保护进程保护进程k k现场现场分析中断文件分析中断文件处理处理I/OI/O中断中断选进程运行选进程运行产生中断事件产生中断事件CSWCSW存入主存存入主存通道号通道号, ,设备号存入设备号存入 主存特定单元主存特定单元发发I/OI/O中断中断判断状态形成条件码判
13、断状态形成条件码执行执行CCWCCW控制设备操作控制设备操作记录操作状态到记录操作状态到CSWCSW执行执行规定规定I/OI/O操作操作控制器和设备控制器和设备结束中断结束中断用户程序用户程序中央处理器中央处理器操作系统操作系统通道通道I/O控制器和设备控制器和设备通道方式通道方式I/O第四章设备管理4.3 设备分类设备分类 * 输入输入/输出型设备与存储型设备输出型设备与存储型设备 * 块型设备与字符型设备块型设备与字符型设备 * 独占型设备与共享型设备独占型设备与共享型设备第四章设备管理4.4 设备分配设备分配4.4.1 相关数据结构相关数据结构1. 设备控制表设备控制表DCT 第四章设备
14、管理2. 控制器控制表、控制器控制表、 通道控制表和系统设备表通道控制表和系统设备表 第四章设备管理4.4.2 设备无关性设备无关性 设备无关性设备无关性: 应用程序独立于具体使用的物理设备。应用程序独立于具体使用的物理设备。 为了实现设备独立性而引入了逻辑设备和物为了实现设备独立性而引入了逻辑设备和物理设备这两个概念。理设备这两个概念。第四章设备管理设备无关性的优点设备无关性的优点: * 提高设备的利用率提高设备的利用率; * 程序与设备无关程序与设备无关.第四章设备管理4.4.3 设备分配算法设备分配算法 (1) 先来先服务先来先服务 (2) 优先级高者优先服务优先级高者优先服务第四章设备
15、管理4.4.4 独占型设备的分配独占型设备的分配 独占型设备的特点独占型设备的特点: 在任意时间段内最多只能有一个在任意时间段内最多只能有一个进程占有并使用它进程占有并使用它. 第四章设备管理进程使用独占型设备的步骤进程使用独占型设备的步骤: (1) 申请设备申请设备 1) 根据申请设备的类别查找根据申请设备的类别查找SDT,找找到对应表项到对应表项; 2) wait(Sm); 3) 查找对应的查找对应的UCB表表,找到一个空找到一个空闲设备闲设备,并分配出去并分配出去.第四章设备管理(2) 使用设备使用设备 1) 分配通路分配通路(相应的控制器和通道相应的控制器和通道); 2) 进行进行I/
16、O传输传输; 3) 去配通路去配通路(释放通路上的控制器和释放通路上的控制器和 通道通道).第四章设备管理(3) 释放设备释放设备 1) 根据释放设备的类型查找根据释放设备的类型查找SDT,找找 到对应的表项到对应的表项; 2) 查找对应的查找对应的UCB表表,找到准备释放找到准备释放 的设备的设备,并去配该设备并去配该设备; 3) signal(Sm).第四章设备管理4.4.5 共享型设备的分配共享型设备的分配共享型设备的特点共享型设备的特点: 多个进程的多个进程的I/O传输可以以传输可以以I/O基本传基本传输单位为界交叉进行输单位为界交叉进行.但是但是,当某个进程当某个进程正在输入正在输入
17、/输出数据期间输出数据期间,其它共享的进其它共享的进程只能等待程只能等待.第四章设备管理进程使用共享型设备的步骤进程使用共享型设备的步骤: 1) 申请设备及相应的通路申请设备及相应的通路; 2) 进行进行I/O传输传输; 3) 去配设备及通路去配设备及通路.第四章设备管理4.5 I/O缓冲技术缓冲技术 4.5.1 缓冲技术的引入缓冲技术的引入 (1) 缓解处理机与设备之间速度不缓解处理机与设备之间速度不 匹配的矛盾匹配的矛盾; (2) 实现设备与处理机一定程度上实现设备与处理机一定程度上 的并行的并行; (3) 减少设备的中断频率减少设备的中断频率,放宽对中放宽对中 断响应时间的限制断响应时间
18、的限制.第四章设备管理提前读提前读: 指用户进程从指用户进程从I/O缓冲区中取走前一缓冲区中取走前一个数据以后个数据以后,立即发出对下一个数据的输立即发出对下一个数据的输入请求入请求. 用户进程加工前一个数据的工作与用户进程加工前一个数据的工作与操作系统输入下一个数据的工作可以同操作系统输入下一个数据的工作可以同时进行时进行. 第四章设备管理延后写延后写: 指用户进程请求输出数据时指用户进程请求输出数据时,操作系操作系统将很快把用户进程请求输出的数据从统将很快把用户进程请求输出的数据从用户进程的工作区中取走并将其暂时存用户进程的工作区中取走并将其暂时存放在放在I/O缓冲区中缓冲区中. 用户进程
19、生成下一个输出数据的工用户进程生成下一个输出数据的工作与操作系统输出前一个输出数据的工作与操作系统输出前一个输出数据的工作可以同时进行作可以同时进行.第四章设备管理4.5.2 硬件缓冲和软件缓冲硬件缓冲和软件缓冲 * 硬件缓冲通常配置在设备中硬件缓冲通常配置在设备中. * 软件缓冲有内存提供软件缓冲有内存提供,是内存空间是内存空间 的一部分的一部分,弥补硬件缓冲的不足弥补硬件缓冲的不足. * 硬件缓冲对操作系统是透明的硬件缓冲对操作系统是透明的,因因 此此,操作系统中介绍的缓冲区是指操作系统中介绍的缓冲区是指 软件缓冲软件缓冲. 第四章设备管理4.5.3 缓冲区的组织形式缓冲区的组织形式 缓冲
20、区技术可以分为缓冲区技术可以分为: * 单缓冲单缓冲 * 双缓冲双缓冲 * 循环缓冲循环缓冲 * 缓冲池缓冲池第四章设备管理1. 单缓冲单缓冲(Single Buffer) 单缓冲工作示意图单缓冲工作示意图 第四章设备管理2. 双缓冲双缓冲(Double Buffer) 双缓冲工作示意图双缓冲工作示意图 第四章设备管理 循环缓冲循环缓冲 第四章设备管理 * 缓冲池的组成缓冲池的组成 对对于于既既可可用用于于输输入入又又可可用用于于输输出出的的公公用用缓缓冲冲池池， 其其中中至至少少应应含含有有以以下下三三种种类类型型的的缓缓冲冲区区： 空空(闲闲)缓缓冲冲区区； 装满输入数据的缓冲区；装满输入
21、数据的缓冲区； 装满输出数据的缓冲区。装满输出数据的缓冲区。 为为了了管管理理上上的的方方便便，可可将将相相同同类类型型的的缓缓冲冲区区链链成成一一个个队列，于是可形成以下三个队列：队列，于是可形成以下三个队列： （1）空缓冲队列）空缓冲队列emq。 (2) 输入队列输入队列inq。 (3) 输出队列输出队列outq。 第四章设备管理缓冲区的工作方式缓冲区的工作方式 第四章设备管理4.6 虚拟设备虚拟设备 4.6.1 虚拟设备的引入虚拟设备的引入 虚拟设备是利用共享型设备实现的数量较虚拟设备是利用共享型设备实现的数量较多多,速度较快的独占型设备速度较快的独占型设备. 1) 独占型设备的速度一般
22、较慢独占型设备的速度一般较慢,进程进程 执行时通常需要花费较长时间等待执行时通常需要花费较长时间等待 I/O传输完成传输完成,因而影响该进程本身因而影响该进程本身 的推进速度的推进速度; 2) 由于进程占用某设备期间由于进程占用某设备期间,可能会可能会 进行与该设备无关的其它活动进行与该设备无关的其它活动.第四章设备管理虚拟设备技术的基本思想是虚拟设备技术的基本思想是: 在独占型设备与进程之间加入一个共在独占型设备与进程之间加入一个共享型设备作为过渡享型设备作为过渡.内存内存进程进程共享型设备共享型设备某一区域某一区域独占型设备独占型设备间断间断连续连续传输传输传输传输虚拟设备的基本工作原理虚
23、拟设备的基本工作原理第四章设备管理4.6.2 虚拟设备的实现虚拟设备的实现 (1) 输入型虚拟设备的实现输入型虚拟设备的实现 以共享型设备选择磁盘以共享型设备选择磁盘,独占型设备选择读独占型设备选择读卡机为例卡机为例,其操作系统要完成的工作如下其操作系统要完成的工作如下: 1) 申请申请,分配一台虚拟设备分配一台虚拟设备(磁盘区域磁盘区域),分分配一台实设备配一台实设备(一台读卡机一台读卡机),将信息由实设备将信息由实设备连续传输到虚拟设备连续传输到虚拟设备,释放实设备释放实设备; 2) 使用使用,将数据从虚拟设备将数据从虚拟设备(磁盘区域磁盘区域)传输传输到进程空间到进程空间; 3) 释放释
24、放,回收虚拟设备回收虚拟设备(磁盘区域磁盘区域). 第四章设备管理(2) 输出型虚拟设备的实现输出型虚拟设备的实现 以共享型设备选择磁盘以共享型设备选择磁盘,独占型设备选择磁独占型设备选择磁盘为例盘为例,其操作系统要完成的工作如下其操作系统要完成的工作如下: 1) 申请申请,分配一台虚拟设备分配一台虚拟设备(磁盘区域磁盘区域); 2) 使用使用,将数据由进程空间传输到虚拟设备将数据由进程空间传输到虚拟设备(磁盘区域磁盘区域); 3) 释放释放,分配一台实设备分配一台实设备(一台打印机一台打印机),将将信息由虚拟设备信息由虚拟设备(磁盘区域磁盘区域)输出到实设备输出到实设备(打打印机印机),回收
25、实设备回收实设备. 第四章设备管理4.6.3 SPOOLing系统系统 (1) 什么是什么是SPOOLingSPOOLing系统系统 SPOOLing(Simultaneous Peripheral SPOOLing(Simultaneous Peripheral Operations On-Line),Operations On-Line),即联机情况下同时进行的外即联机情况下同时进行的外围设备操作围设备操作, ,常称假脱机常称假脱机. .第四章设备管理(2) SPOOLingSPOOLing系统的组成系统的组成SPOOLing系统组成系统组成第四章设备管理 * 输入输入/输出设备和通道输出
26、设备和通道; * 输入井和输出井输入井和输出井; * 输入井和输出井程序输入井和输出井程序; * 假脱机输入程序假脱机输入程序; * 假脱机输出程序假脱机输出程序;第四章设备管理4.7 磁盘设备的管理磁盘设备的管理 4.7.1 磁盘设备的地位和作用磁盘设备的地位和作用 提高磁盘提高磁盘I/O操作的性能和数据安全性操作的性能和数据安全性,可可以从五个方面入手以从五个方面入手: * 使用高性能的磁盘使用高性能的磁盘; * 使用高性能的磁盘控制器使用高性能的磁盘控制器; * 使用硬件或操作系统软件实现的使用硬件或操作系统软件实现的 RAID磁盘冗余阵列和其它磁盘容磁盘冗余阵列和其它磁盘容 错技术错技
27、术,提高磁盘的读提高磁盘的读/写速度和数写速度和数 据安全性据安全性;第四章设备管理 * 操作系统的对磁盘设备的管理算法操作系统的对磁盘设备的管理算法; * 根据操作系统的算法根据操作系统的算法,人为调整磁盘人为调整磁盘 文件的物理存储结构以提高访问性能文件的物理存储结构以提高访问性能.第四章设备管理4.7.2 磁盘设备的物理特性磁盘设备的物理特性移动磁头磁盘的物理结构示意图移动磁头磁盘的物理结构示意图(1) 磁盘的物理结构磁盘的物理结构第四章设备管理(2)磁盘磁头的工作方式磁盘磁头的工作方式(3) 根据磁盘磁头的设置方式的不同根据磁盘磁头的设置方式的不同,磁磁盘可以分为盘可以分为:(4) *
28、 固定头磁盘固定头磁盘(5) * 移动头磁盘移动头磁盘第四章设备管理(3) 影响磁盘影响磁盘I/O性能的技术指标性能的技术指标 1) 1) 寻道时间寻道时间T Ts s 这这是是指指把把磁磁臂臂( (磁磁头头) )移移动动到到指指定定磁磁道道上上所所经经历历的的时时间间。该该时时间间是是启启动动磁磁臂臂的的时时间间s s与与磁磁头头移移动动n n条条磁磁道道所所花花费费的的时时间间之和，之和， 即即 T Ts s= =m mn n+ +s s 其其中中，m m是是一一常常数数，与与磁磁盘盘驱驱动动器器的的速速度度有有关关，对对一一般般磁磁盘盘， m m=0.2=0.2；对对高高速速磁磁盘盘，m
29、 m0.1,0.1,磁磁臂臂的的启启动动时时间间约约为为2 2 msms。 这这样样，对对一一般般的的温温盘盘， 其其寻寻道道时时间间将将随随寻寻道道距距离离的增加而增大，的增加而增大， 大体上是大体上是530 ms530 ms。 第四章设备管理 2) 2) 旋转延迟时间旋转延迟时间T T 这这是是指指定定扇扇区区移移动动到到磁磁头头下下面面所所经经历历的的时时间间。对对于于硬硬盘盘，典典型型的的旋旋转转速速度度大大多多为为5400 5400 r/minr/min，每每转转需需时时11.1 11.1 msms，平平均均旋旋转转延延迟迟时时间间T T为为5.55 5.55 msms；对对于于软软
30、盘盘，其其旋旋转转速速度为度为300 r/min300 r/min或或600 r/min600 r/min，这样，平均，这样，平均T T为为50100 ms50100 ms。 第四章设备管理 3) 3) 传输时间传输时间T Tt t 这这是是指指把把数数据据从从磁磁盘盘读读出出或或向向磁磁盘盘写写入入数数据据所所经经历历的的时时间间。 T Tt t的的大大小小与与每每次次所所读读/ /写写的的字字节节数数b b和和旋旋转转速速度度有关：有关： 其其中中，r r为为磁磁盘盘每每秒秒钟钟的的转转数数；N N为为一一条条磁磁道道上上的的字字节节数数， 当当一一次次读读/ /写写的的字字节节数数相相当
31、当于于半半条条磁磁道道上上的的字字节节数数时时，T Tt t与与T T相同，相同， 因此，因此， 可将访问时间可将访问时间T Ta a表示为：表示为： 第四章设备管理4) 4) 缓存缓存 较较大大缓缓存存对对磁磁盘盘的的I/OI/O性性能能有有较较大大的的影影响响, ,但但不不是是决定性的决定性的. . 第四章设备管理4.7.3 4.7.3 调整磁盘调整磁盘I/OI/O性能性能 提高磁盘的提高磁盘的I/OI/O性能本质是缩短寻道时间性能本质是缩短寻道时间和旋转延迟和旋转延迟. . 第四章设备管理* * 先来先服务先来先服务FCFS(First-Come, First Served)FCFS(F
32、irst-Come, First Served) FCFS调调度度算算法法(1) (1) 磁盘调度算法磁盘调度算法第四章设备管理* * 最短寻道时间优先最短寻道时间优先SSTF(Shortest Seek Time First) SSTF(Shortest Seek Time First) SSTFSSTF调度算法调度算法 第四章设备管理* * 扫描扫描(SCAN)(SCAN)算法算法 1) 1) 进程进程“饥饿饥饿”现象现象 SSTFSSTF算算法法虽虽然然能能获获得得较较好好的的寻寻道道性性能能， 但但却却可可能能导导致致某某个个进进程程发发生生“饥饥饿饿”(Starvation)”(St
33、arvation)现现象象。因因为为只只要要不不断断有有新新进进程程的的请请求求到到达达， 且且其其所所要要访访问问的的磁磁道道与与磁磁头头当当前前所所在在磁磁道道的的距距离离较较近近，这这种种新新进进程程的的I/OI/O请请求求必必须须优优先先满满足足。对对SSTFSSTF算算法法略略加加修修改改后后所所形形成成的的SCANSCAN算算法法， 即即可可防止老进程出现防止老进程出现“饥饿饥饿”现象。现象。 第四章设备管理2) SCAN2) SCAN算法算法 S SC CA AN N调调度度算算法法示示例例第四章设备管理* * 循环扫描循环扫描(CSCAN)(CSCAN)算法算法 C CS SC
34、 CA AN N调调度度算算法法示示例例第四章设备管理(2) (2) 磁盘高速缓存磁盘高速缓存 磁盘高速缓存磁盘高速缓存: : 指操作系统利用内存实现的指操作系统利用内存实现的, ,专门针对专门针对磁盘磁盘I/OI/O操作的缓冲区操作的缓冲区. . 第四章设备管理 磁盘机本身所带的缓存以及磁盘控制器所带的缓磁盘机本身所带的缓存以及磁盘控制器所带的缓存与磁盘高速缓存的关系存与磁盘高速缓存的关系: : * * 磁盘机本身所带的缓存以及磁盘控制器所带磁盘机本身所带的缓存以及磁盘控制器所带的缓存较小的缓存较小, ,但进行数据提前读和延后写操作能与主机但进行数据提前读和延后写操作能与主机并行工作并行工作
35、; ; * * 磁盘高速缓存容量较大磁盘高速缓存容量较大, ,但进行数据提前读和但进行数据提前读和延后写操作需要主机的管理延后写操作需要主机的管理, ,增加了主机的负担增加了主机的负担. . * * 磁盘高速缓存在遇到坏扇区时磁盘高速缓存在遇到坏扇区时, ,系统效率反而系统效率反而会降低会降低. .由于有提前读的功能由于有提前读的功能. .第四章设备管理磁盘高速缓存在内存中有两种实现形式磁盘高速缓存在内存中有两种实现形式: : * * 在内存中单独开辟一个大小固定的存储空在内存中单独开辟一个大小固定的存储空间作为磁盘高速缓存间作为磁盘高速缓存; ; * * 把系统中所有未使用的内存空间变为一个
36、把系统中所有未使用的内存空间变为一个缓冲池缓冲池, ,供请求分页系统和磁盘高速缓存共享供请求分页系统和磁盘高速缓存共享, ,其大小不固定其大小不固定. .第四章设备管理磁盘高速缓存选择写时机策略磁盘高速缓存选择写时机策略: : * * 在系统空闲或需要淘汰被写的缓存空间在系统空闲或需要淘汰被写的缓存空间时写时写, ,风险最大风险最大, ,效率最高效率最高; ; * * 周期性地写操作周期性地写操作; ; * * 立即回写立即回写( (写穿透高速缓存写穿透高速缓存),),相当于没有相当于没有 写缓存写缓存. .第四章设备管理(3) (3) 优化数据的物理存储结构优化数据的物理存储结构 * * 磁
37、盘高速缓存的效率取决于命中率磁盘高速缓存的效率取决于命中率; ; * * 使用缓存需要基于两个因素使用缓存需要基于两个因素: : 1) 1) 访问频率访问频率; ; 2) 2) 基于局部性原理的提前读技术基于局部性原理的提前读技术,(,(关关 键键).). 为了提高其命中率为了提高其命中率, ,磁盘上的数据存放应磁盘上的数据存放应尽量连续存放尽量连续存放, ,如果很离散如果很离散, ,磁盘高速缓存反而磁盘高速缓存反而会降低系统效率会降低系统效率. .第四章设备管理4.7.4 4.7.4 磁盘容错技术磁盘容错技术 磁盘容错技术容错技术大体分为三个级别磁盘容错技术容错技术大体分为三个级别: : 1
38、) SFT-I 1) SFT-I是低级磁盘容错技术是低级磁盘容错技术 主要用于防止磁盘表面介质缺陷主要用于防止磁盘表面介质缺陷 所引起的数据丢失所引起的数据丢失. . 2) SFT-II 2) SFT-II是中级磁盘容错技术是中级磁盘容错技术 主要用于防止磁盘驱动器和磁盘主要用于防止磁盘驱动器和磁盘控制器故障所引起的数据丢失控制器故障所引起的数据丢失. . 3) SFT-III 3) SFT-III是高级磁盘容错技术是高级磁盘容错技术 双服务器技术双服务器技术. .第四章设备管理1 1、 第一级容错技术第一级容错技术 第一级容错技术包括双份目录第一级容错技术包括双份目录, ,双份文件双份文件分
39、配表及写后读校验等措施分配表及写后读校验等措施, , 支持支持SFT-I, SFT-I, SFT-IISFT-II和和SFT-III.SFT-III. * * 双份目录和双份文件分配表双份目录和双份文件分配表; ; * * 热修复重定位和写后读校验热修复重定位和写后读校验. .第四章设备管理2 2、 第二级容错技术第二级容错技术 SFT-II SFT-II包括包括: : * * 磁盘镜像磁盘镜像; ; * * 磁盘双工磁盘双工. .第四章设备管理3 3、 RAID RAID技术技术 即独立或廉价磁盘冗余阵列即独立或廉价磁盘冗余阵列 以较低的成本以较低的成本, ,提供大容量提供大容量, ,快速快
40、速, ,安全安全可靠的磁盘存储系统可靠的磁盘存储系统. .第四章设备管理4.7.5 RAID4.7.5 RAID技术技术 (1) RAID (1) RAID技术的基本概念技术的基本概念 RAID RAID有两部分构成有两部分构成: : * * 一组可以并行工作的磁盘所构成的磁一组可以并行工作的磁盘所构成的磁 盘阵列盘阵列; ; * *在磁盘子系统中执行的或者在主机系在磁盘子系统中执行的或者在主机系 统中执行的磁盘阵列管理软件统中执行的磁盘阵列管理软件. . 第四章设备管理条带条带0条带条带1条带条带2条带条带3条带条带8条带条带4条带条带5条带条带6条带条带7条带条带9条带条带10条带条带11
41、条带条带12条带条带13条带条带14条带条带15条带条带0条带条带12条带条带4条带条带8条带条带13条带条带9条带条带5条带条带1条带条带15条带条带11条带条带7条带条带3条带条带14条带条带10条带条带6条带条带2磁盘阵列磁盘阵列管理软件管理软件磁盘的条带化磁盘的条带化第四章设备管理磁盘条带的粒度磁盘条带的粒度: : * * 细粒度细粒度, ,比如比如: :字节或字等字节或字等. . 只利于对单个存取请求进行并行处理只利于对单个存取请求进行并行处理. . * * 粗粒度粗粒度, ,比如比如: :一个或多个扇区一个或多个扇区. . 只利于对多个独立的存取请求进行并行只利于对多个独立的存取请
42、求进行并行 处理处理. .第四章设备管理根据实现根据实现RAIDRAID的软件存放的地方的软件存放的地方, ,可以分为可以分为 * * 硬件实现硬件实现RAID;RAID; * * 软件实现的软件实现的RAID.RAID.第四章设备管理(2) RAID(2) RAID的常见组织形式的常见组织形式 RAID RAID的基本组织形式有六种的基本组织形式有六种, ,从从RAID Level0RAID Level0到到RAID Level5,RAID Level5,并在此基础上进行组合并在此基础上进行组合, ,比如比如: : RAID01, RAID10RAID01, RAID10等等. .第四章设备
43、管理 * RAID0 * RAID0仅使用了条带化技术仅使用了条带化技术, ,不存储数据不存储数据 的校验信息的校验信息; ; * RAID1 * RAID1仅使用了磁盘镜像或磁盘双工技仅使用了磁盘镜像或磁盘双工技 术术, ,能提供最好的安全性能提供最好的安全性. . * RAID3 * RAID3同时使用了磁盘条带化技术同时使用了磁盘条带化技术( (细粒细粒 度度, ,条带大小为一个字或一个字节条带大小为一个字或一个字节) )和奇和奇 偶校验容错技术偶校验容错技术. . 第四章设备管理* RAID5* RAID5和和RAID3RAID3类似类似 二者的主要区别是二者的主要区别是: : RAID3 RAID3使用一个磁盘专门存储奇偶校验使用一个磁盘专门存储奇偶校验 数据数据,RAID5,RAID5将奇偶校验数据分布到每将奇偶校验数据分布到每 一个磁盘中一个磁盘中, ,没有专门的奇偶校验盘没有专门的奇偶校验盘, ,克克 服了服了RAID3RAID3的缺点的缺点;RAID5;RAID5使用了粗粒度使用了粗粒度 的条带的条带; RAID5; RAID5比比RAID3RAID3复杂复杂. .
