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1、计算机操作系统第五章设备管理.I/O设备设备I/O设备的类型设备的类型按传输速率分类：低速、中速、高速设备按传输速率分类：低速、中速、高速设备按信息交换单位分类：块、字符设备按信息交换单位分类：块、字符设备按设备的共享属性：独占、共享、虚拟设备按设备的共享属性：独占、共享、虚拟设备设备与控制器之间的接口设备与控制器之间的接口接口芯片、接口（电路）板（卡）接口芯片、接口（电路）板（卡）信号线：数据、控制、状态信号线信号线：数据、控制、状态信号线设备控制器基本功能接收和识别来自CPU的各种命令实现CPU与设备控制器、设备控制器与设备之间的数据交换记录设备的状态供CPU查询识别所控制的各个设备的地址
2、组成设备控制器与处理机的接口设备控制器与设备的接口I/O逻辑设备控制器l地址识别l数据缓冲l差错控制CPU与控制器接口控制器与设备接口数据线 地址线 控制线 数据寄存器控制/状态寄存器I/O逻辑控制器与设备接口1控制器与设备接口n数据状态控制数据状态控制I/O通道通道的引入建立独立的I/O操作，进一步减轻CPU的负担I/O处理机处理机，通过执行通道程序来控制I/O操作与一般处理的区别 1）指令类型单一，主要局限于与I/O操作相关的指令 2）通道程序放在内存，即与CPU共享内存空间。通道的类型通道的类型字节多路通道：字节多路通道：多路分时复用多路分时复用一个主通道，多个子通道，子通道按时间片轮转
3、一个主通道，多个子通道，子通道按时间片轮转法使用主通道，信息按字节传输法使用主通道，信息按字节传输数组选择通道：数组选择通道：只有一个子通道，由某台设备独占，只有一个子通道，由某台设备独占，数据成组（块）传送；数据成组（块）传送；数组多路通道：数组多路通道：多个子通道，按数组方式传送数据多个子通道，按数组方式传送数据具有较高的数据具有较高的数据传输速率和通道利用率传输速率和通道利用率“瓶颈瓶颈”问题问题通道资源有限，系统需要同时启动的设通道资源有限，系统需要同时启动的设备可能较多；备可能较多；解决方法：解决方法：增加设备到主机间的通路。增加设备到主机间的通路。I/O通道存储器通道1通道2控制器
4、1控制器2I/O设备1I/O设备2I/O设备3I/O设备4CPU总线系统总线系统系统总线系统总线连接连接CPU、存储器、存储器、I/O设备（接口）等的纽带；设备（接口）等的纽带；总线的性能评价：时钟频率、带宽、传输速率。总线的性能评价：时钟频率、带宽、传输速率。ISA和和EISA总线总线ISA（IndustryStandardArchitecture），），1984年，年，带宽：带宽：8位位16位，最高传输速率：位，最高传输速率：216Mbps，能，能连接连接12台设备。台设备。EISA（ExtendedISA），），1989年，带宽：年，带宽：32位位，最，最高传输速率：高传输速率：32Mb
5、ps，能连接，能连接12台设备。台设备。局部总线（局部总线（LocalBus）将多媒体卡、高速将多媒体卡、高速LAN网卡、高性能图形板等从网卡、高性能图形板等从ISA总线总线上卸下来，在通过局部总线控制器直接接到上卸下来，在通过局部总线控制器直接接到CPU总线上，总线上，使之与高速使之与高速CPU总线相匹配。总线相匹配。VESA（VideoElectronicStandardAssociation），），1991年，带宽：年，带宽：32位位，最高传输速率：，最高传输速率：132Mbps，能连，能连接接24台设备，控制器中无缓冲；台设备，控制器中无缓冲；PCI（PeripheralCompone
6、ntInterface），），1992年和年和1995年，年，V2.1支持带宽：支持带宽：64位位，最高传输速率：，最高传输速率：500Mbps，能支持，能支持10种种外设，有一个复杂的管理层，管外设，有一个复杂的管理层，管理层中配有数据缓冲。理层中配有数据缓冲。第二节第二节输入输出控制方式输入输出控制方式程序程序I/O方式方式中断驱动中断驱动I/O方式方式DMA控制方式控制方式I/O通道控制方式通道控制方式将CPU从繁忙的I/O操作中解脱出来 程序程序I/O方式方式忙忙等待方式等待方式CPU向控制器发指令，启动向控制器发指令，启动I/O设备，同时把状设备，同时把状态寄存器中的状态标志置态寄存
7、器中的状态标志置1，busy=1；然后然后不断地循环检测不断地循环检测状态标志。状态标志。如果如果busy=1，说明，说明I/O设备忙，设备忙，CPU再进行下一轮再进行下一轮检测；检测；如果如果busy=0，说明，说明I/O操作结束，操作结束，CPU执行下一条执行下一条指令。指令。中断驱动中断驱动I/O方式方式中断中断I/O驱动过程驱动过程启动：由启动：由CPU根据进程的根据进程的I/O请求发出一条请求发出一条I/O命令；此后命令；此后CPU继续执行其它进程，即继续执行其它进程，即CPU与外设并行工作与外设并行工作。I/O设备完成操作后，由控制器通过控制线向设备完成操作后，由控制器通过控制线向
8、CPU发送一发送一中断信号，由中断信号，由CPU检查检查I/O操作是否正确，操作是否正确，中断驱动方式带来的优缺点中断驱动方式带来的优缺点管理灵活、简单，系统效率高（管理灵活、简单，系统效率高（CPU、I/O设备）。设备）。设备与设备与CPU（内存）之间的数据交换仍（内存）之间的数据交换仍以字（节）为单以字（节）为单位位。DMA控制方式控制方式DMA（DirectMemoryAccess）引入）引入在外围设备和内存之间开辟直接的数据交换通路。在在外围设备和内存之间开辟直接的数据交换通路。在该种控制方式中，设备控制器具有更强的功能，在它该种控制方式中，设备控制器具有更强的功能，在它的控制下，设备
9、和内存之间可以成批地进行数据交换，的控制下，设备和内存之间可以成批地进行数据交换，不用不用CPU的干预。的干预。减轻了减轻了CPU的负担，同时数据传输的负担，同时数据传输以块为单位，提高了数据传送速度。以块为单位，提高了数据传送速度。DMA控制器的组成控制器的组成命令命令/状态寄存器状态寄存器CR内存地址寄存器内存地址寄存器MAR数据寄存器数据寄存器DR数据计数器数据计数器DCDMA工作过程工作过程（以磁盘数据读入为例）（以磁盘数据读入为例）CPU向磁盘控制器发送一条读命令向磁盘控制器发送一条读命令到到CR中，目中，目标起始地址到标起始地址到MAR中，数据字节数到中，数据字节数到DC中，磁中，
10、磁盘中的源地址到控制器的控制逻辑上；盘中的源地址到控制器的控制逻辑上；启动启动DMA控制器进行数据传送（窃用总线周期），控制器进行数据传送（窃用总线周期），此后，此后，CPU可以执行其它任务；可以执行其它任务；DMA控制器按照命令控制器按照命令每传送一个字节每传送一个字节，修改并检，修改并检查查DC和和MAR中的数值（分别做中的数值（分别做-1和和+1操作）；操作）；若若DC中的值不为中的值不为0，则继续传送下一个字节，则继续传送下一个字节；为；为0，则发出一个中断请求。，则发出一个中断请求。DMA与中断控制方式的区别与中断控制方式的区别 中断控制方式在每个数据传送完后都发中断 DMA是在所要
11、求传送的一批数据都传送完后才发中断I/O通道控制方式通道控制方式I/O通道控制方式的引入通道控制方式的引入进一步减少进一步减少CPU对对I/O操作的干预；操作的干预；以以多个数据块多个数据块为单位进行数据传送；为单位进行数据传送；一次传送多组数据到多个不同的内存区域。一次传送多组数据到多个不同的内存区域。通道程序通道程序由一系列通道指令（通道命令）构成；由一系列通道指令（通道命令）构成；每条指令都包含：每条指令都包含：操作码、内存地址、计数、通道程序结束位操作码、内存地址、计数、通道程序结束位P、记录结束标志、记录结束标志R操作PR计数内存地址Write0080813Write00140103
12、4Write01605830Write013002000Write002501650Write115002720通道程序实例通道程序实例第三节第三节缓冲管理缓冲管理缓冲的引入缓冲的引入单缓冲和双缓冲单缓冲和双缓冲循环缓冲循环缓冲缓冲池缓冲池解决CPU和I/O设备速度不匹配的矛盾 缓冲的引入缓冲的引入缓和缓和CPU与与I/O设备间速度不匹配的矛盾设备间速度不匹配的矛盾减少对减少对CPU的中断频率，放宽对的中断频率，放宽对CPU中断中断响应时间的限制响应时间的限制提高提高CPU与与I/O设备之间的并行性设备之间的并行性单缓冲和双缓冲单缓冲和双缓冲单缓冲单缓冲双缓冲（生产者双缓冲（生产者-消费者）消
13、费者）用户进程用户进程工作区工作区缓冲区缓冲区I/O设备设备输入输入传送传送用户进程用户进程工作区工作区缓冲区缓冲区2I/O设备设备缓冲区缓冲区1循环缓冲（输入循环缓冲（输入-计算）计算）循环缓冲的引入循环缓冲的引入同步进程速度不一致；同步进程速度不一致；双缓冲无法完全解决。双缓冲无法完全解决。循环缓冲的组成循环缓冲的组成多个缓冲区、多个指针多个缓冲区、多个指针循环缓冲的使用循环缓冲的使用GetBuf()ReleaseBuf()RGGGRC空缓冲区满缓冲区工作缓冲区缓冲池缓冲池缓冲池的引入缓冲池的引入把专用循环缓冲变为把专用循环缓冲变为公用公用缓冲区，以提高内存利用率。缓冲区，以提高内存利用率
14、。缓冲池的组成（每个队列配备两个指针）缓冲池的组成（每个队列配备两个指针）空闲缓冲（区）队列空闲缓冲（区）队列emq、F(emq)、L(emq)输入缓冲（区）队列输入缓冲（区）队列inq、F(inq)、L(inq)输出缓冲（区）队列输出缓冲（区）队列outq、F(outq)、L(outq)缓冲区的四种工作方式缓冲区的四种工作方式收容输入：收容输入设备的输入数据收容输入：收容输入设备的输入数据提取输入：提取输入：计算进程提取缓冲区中的数据使用计算进程提取缓冲区中的数据使用收容输出：计算进程输出结果数据到缓冲区收容输出：计算进程输出结果数据到缓冲区提取输出：输出设备提取缓冲区中的数据提取输出：输出
15、设备提取缓冲区中的数据缓缓 冲冲 池池收容输入收容输入 提取输入提取输入提取输出提取输出 收容输出收容输出hinsinsouthout用用户户程程序序输入设备输入设备输出设备输出设备第四节第四节I/O软件软件设备独立性软件设备独立性软件设备驱动程序设备驱动程序一一设备独立性设备独立性设备独立性的概念（设备无关性）设备独立性的概念（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。带来的好处带来的好处设备分配时的灵活性设备分配时的灵活性易于实现易于实现I/O重定向：可以更换重定向：可以更换I/O操作的设备而不改程序。操作的设备而不改程序。设备独立性软件设备独立性软件位
16、于驱动程序之上，驱动程序与设备有关。位于驱动程序之上，驱动程序与设备有关。主要功能：主要功能：执行所有设备的公有操作执行所有设备的公有操作：分配与回收、逻辑名到物理设备的：分配与回收、逻辑名到物理设备的映射、设备的保护、缓冲管理、差错控制等映射、设备的保护、缓冲管理、差错控制等向用户层（或文件层）软件提供统一接口向用户层（或文件层）软件提供统一接口逻辑设备名到物理设备名映射的实现逻辑设备名到物理设备名映射的实现逻辑设备表逻辑设备表（LogicalUnitTable）用于将应用程序所使用的逻辑设备名映射为物理设备用于将应用程序所使用的逻辑设备名映射为物理设备名。名。表项：逻辑设备名、物理设备名、
17、设备驱动程序入口表项：逻辑设备名、物理设备名、设备驱动程序入口地址等地址等LUT的设置问题的设置问题整个系统一张整个系统一张LUT，逻辑设备名要具有唯一性。，逻辑设备名要具有唯一性。为每个用户设置一张为每个用户设置一张LUT，并将该表放入，并将该表放入PCB中；与中；与系统设备表联合作用。系统设备表联合作用。二二设备处理（驱动）设备处理（驱动）接收上层软件发来的抽象要求，比如：接收上层软件发来的抽象要求，比如：Read、Write等命令，再把它们转化为具体要求发送给设备控制器，启等命令，再把它们转化为具体要求发送给设备控制器，启动设备执行；同时，还负责把设备控制器发来的信号传送动设备执行；同时
18、，还负责把设备控制器发来的信号传送给上层软件。给上层软件。设备驱动程序的功能和特点设备驱动程序的功能和特点设备驱动程序的处理过程设备驱动程序的处理过程中断处理程序的处理过程中断处理程序的处理过程设备驱动程序的功能和特点设备驱动程序的功能和特点设备驱动程序的功能设备驱动程序的功能接收由接收由I/O进程发来的命令和参数，转换为具体要求；进程发来的命令和参数，转换为具体要求；检查用户检查用户I/O请求的合法性，了解设备状态，传递或设请求的合法性，了解设备状态，传递或设置参数；置参数；发出发出I/O命令，启动设备，或挂在相应的设备队列上；命令，启动设备，或挂在相应的设备队列上；及时响应由控制器或通道发
19、来的中断请求；及时响应由控制器或通道发来的中断请求；对于设有通道的计算机系统，根据对于设有通道的计算机系统，根据I/O请求自动构成通请求自动构成通道程序。道程序。设备驱动程序的特点设备驱动程序的特点是指在请求是指在请求I/O的进程与设备控制器之间的一的进程与设备控制器之间的一个个通信和转换程序通信和转换程序。与与设备控制器和设备控制器和I/O设备的设备的硬件特性紧密相关硬件特性紧密相关，因而对不同类型的设备应配置不同的驱动程因而对不同类型的设备应配置不同的驱动程序。序。与与I/O设备所采用的设备所采用的I/O控制方式控制方式紧密相关。紧密相关。其中一部分必须用其中一部分必须用汇编语言汇编语言书
20、写。书写。设备驱动程序的处理过程设备驱动程序的处理过程将抽象要求转化为具体要求将抽象要求转化为具体要求检查检查I/O请求合法性请求合法性读出和检查设备的状态读出和检查设备的状态传送必要的参数传送必要的参数工作方式的设置工作方式的设置启动启动I/O设备设备第五节第五节设备分配设备分配设备分配中的数据结构设备分配中的数据结构设备分配时应考虑的因素设备分配时应考虑的因素独占设备的分配程序独占设备的分配程序SPOOLing技术技术设备分配中的数据结构设备分配中的数据结构设备控制表设备控制表DCT一台设备配置一张设备控制表，用于记录一台设备配置一张设备控制表，用于记录设备状态设备状态；包含的字段：包含的
21、字段：设备类型设备类型type设备标识符设备标识符deviceid设备状态：设备状态：设备或与其相连的控制器设备或与其相连的控制器/通道忙，状态为通道忙，状态为“1”；设备队列队首指针：设备队列队首指针：指向等待此设备的阻塞进程队列；指向等待此设备的阻塞进程队列；与设备连接的控制器的控制表指针：与设备连接的控制器的控制表指针：多条通路则对应多个指针；多条通路则对应多个指针；重复执行次数或时间：重复执行次数或时间：允许通信重试的次数或延迟时间。允许通信重试的次数或延迟时间。控制器控制表控制器控制表COCT表项字段：控制器标识符、控制器状态、与控制器表项字段：控制器标识符、控制器状态、与控制器相连
22、的通道表指针、控制器队列的队首指针、控制相连的通道表指针、控制器队列的队首指针、控制器队列的队尾指针。器队列的队尾指针。通道控制表通道控制表CHCT表项字段：通道标识符、通道状态、与通道连接的表项字段：通道标识符、通道状态、与通道连接的控制器表首址、通道队列的队首指针、通道队列的控制器表首址、通道队列的队首指针、通道队列的队尾指针。队尾指针。系统设备表系统设备表SDT记录系统中全部设备的状况记录系统中全部设备的状况；表项字段：设备类型、设备标识符、设备控制表、表项字段：设备类型、设备标识符、设备控制表、设备驱动程序的入口地址等。设备驱动程序的入口地址等。设备分配时应考虑的因素设备分配时应考虑的
23、因素设备的固有属性设备的固有属性独占设备独占设备共享设备共享设备虚拟设备虚拟设备设备分配算法设备分配算法先来先服务先来先服务按优先级按优先级设备分配中的安全性设备分配中的安全性安全分配方式安全分配方式进程发出进程发出I/O请求并得到响应后，就进入阻塞状态，请求并得到响应后，就进入阻塞状态，一直等待一直等待I/O完成。完成。特点：进程进展缓慢，但不会产生死锁特点：进程进展缓慢，但不会产生死锁不安全分配方式不安全分配方式进程在发出进程在发出I/O请求后继续运行，需要时再发出其请求后继续运行，需要时再发出其它的它的I/O请求，直至申请不到请求，直至申请不到I/O设备而被迫阻塞。设备而被迫阻塞。特点：
24、进程进展迅速，但可能发生死锁特点：进程进展迅速，但可能发生死锁方法：设备分配前，必须进行安全性检查方法：设备分配前，必须进行安全性检查独占设备的分配程序独占设备的分配程序基本的设备分配程序基本的设备分配程序分配设备：按照分配设备：按照I/O请求的物理设备名，查找请求的物理设备名，查找SDTDCT/设备状态字设备状态字。若忙，阻塞；否则，分析安。若忙，阻塞；否则，分析安全性，安全，则分配；否则，阻塞。全性，安全，则分配；否则，阻塞。分配控制器：分配控制器：再查再查DCTCOCT/状态字状态字，控制器忙？，控制器忙？阻塞；否则，分配该控制器给进程。阻塞；否则，分配该控制器给进程。分配通道：分配通道
25、：再查再查COCTCHCT/状态字状态字，通道忙？阻塞；，通道忙？阻塞；否则，分配通道给进程。否则，分配通道给进程。以上三者分配均成功，才算设备分配成功。以上三者分配均成功，才算设备分配成功。设备分配程序的改进设备分配程序的改进原因：原因：以物理设备名提出以物理设备名提出I/O请求，单通路的请求，单通路的I/O结构，容易产生结构，容易产生“瓶颈瓶颈”现象。现象。增加设备的独立性：增加设备的独立性：使用逻辑设备名请求使用逻辑设备名请求I/O，依次查同类设备的依次查同类设备的DCT，仅当该类设备都忙时，仅当该类设备都忙时，才把进程挂在该类设备的等待队列上；如果有设才把进程挂在该类设备的等待队列上；
26、如果有设备可用，继续分析安全性备可用，继续分析安全性考虑多通路情况：得到设备后，依次检查与此设考虑多通路情况：得到设备后，依次检查与此设备相连的各个控制器，直到找到一个可用的为止；备相连的各个控制器，直到找到一个可用的为止；然后，依次检查与此控制器相连的各个通道，直然后，依次检查与此控制器相连的各个通道，直到确定一个可用的通道位置；到确定一个可用的通道位置；否则，需要阻塞进否则，需要阻塞进程程。SPOOLing技术技术什么是什么是SPOOLing即联机情况下的同时外围操作，称为即联机情况下的同时外围操作，称为“假脱机假脱机操作操作”，“后台后台”工作方式。工作方式。（SimultaneausP
27、eriphernalOperatingOn-Line）利用利用SPOOLing技术技术，可将，可将一台物理一台物理I/O设备设备虚拟为多台逻辑设备虚拟为多台逻辑设备，从而允许多个用户共享，从而允许多个用户共享使用一台物理设备；即利用高速的共享设备使用一台物理设备；即利用高速的共享设备（磁盘）实现低速独占设备的共享使用的技术。（磁盘）实现低速独占设备的共享使用的技术。SPOOLing系统的组成系统的组成输入井和输出井输入井和输出井输入缓冲区和输出缓冲区输入缓冲区和输出缓冲区输入进程输入进程Spi和输出进程和输出进程Spo：SPOOLing系统的组成系统的组成输入进程输入进程SPi输出进程输出进程
28、SPo输入缓冲区输入缓冲区Bi输出缓冲区输出缓冲区Bo输入输入设备设备输出输出设备设备磁盘磁盘输入井输入井输出井输出井共享打印机共享打印机SPOOLing系统接收到用户进程的打印输出请系统接收到用户进程的打印输出请求后：求后：由由输出进程在输出井中为之申请一个空闲磁输出进程在输出井中为之申请一个空闲磁盘块区盘块区，并将要打印的数据送入其中；，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输出进程再为用户进程申请一张空白的用户请求打印表请求打印表，并将用户的打印要求填入其中，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。再将该表挂到请求打印队列上。当打印机空闲时，输出
29、进程将从请求打印队列当打印机空闲时，输出进程将从请求打印队列的队首取出一张请求打印表，再从输出井把数的队首取出一张请求打印表，再从输出井把数据送到内存缓冲区，启动打印机打印输出，据送到内存缓冲区，启动打印机打印输出，SPOOLing系统的特点系统的特点提高了提高了I/O的速度的速度，缓和了，缓和了CPU与与I/O设的设的速度矛盾；速度矛盾；将独占设备改造为共享设备：将独占设备改造为共享设备：利用高速利用高速共享设备；共享设备；实现了虚拟设备功能实现了虚拟设备功能：用户都感到独占：用户都感到独占了一台设备。了一台设备。第六节第六节磁盘存储管理磁盘存储管理磁盘性能简述磁盘性能简述磁盘调度磁盘调度磁
30、盘高速缓存磁盘高速缓存提高磁盘提高磁盘I/O速度的其它方法速度的其它方法廉价磁盘冗余阵列廉价磁盘冗余阵列磁盘性能简述数据的组织和格式盘片和盘面，磁道（磁头），扇区格式化：标识符字段、数据字段磁盘的类型固定头磁盘移动头磁盘磁盘的类型磁盘的类型1）固定头磁盘 每条磁道上有一个读/写头，所有的磁头被装在一刚性磁臂中。2）移动头磁盘 每个盘面配一个磁头，也装在磁臂上。为了能访问所有磁道，必须能够移动进行寻道。磁盘访问时间磁盘访问时间寻道时间寻道时间Ts把磁臂（磁头）移动到指定磁道上所经历的时间，包把磁臂（磁头）移动到指定磁道上所经历的时间，包含启动磁臂和磁头移动含启动磁臂和磁头移动n条磁道所花费的时间
31、。条磁道所花费的时间。旋转延迟时间旋转延迟时间T 指定扇区移动到磁头下面所经历的时间。与盘面的旋指定扇区移动到磁头下面所经历的时间。与盘面的旋转速度有关。转速度有关。5400转转-5.55ms；7200转转4.16ms传输时间传输时间Tt把数据从磁盘读出或向磁盘写入数据所经历的时间。把数据从磁盘读出或向磁盘写入数据所经历的时间。与旋转速度和一次读写的数据量有关。与旋转速度和一次读写的数据量有关。磁盘调度磁盘调度先来先服务先来先服务FCFS最短寻道时间优先最短寻道时间优先SSTF扫描（扫描（Scan）算法）算法循环扫描（循环扫描（CScan）算法）算法*N-Step-Scan和和FSCAN算法算
32、法先来先服务先来先服务FCFS根据进程请求访问磁盘的根据进程请求访问磁盘的先后次序先后次序进行调进行调度。度。优点：优点：公平、简单；公平、简单；缺点：缺点：未对寻道次序进行优化，未对寻道次序进行优化，平均寻道时间可能较平均寻道时间可能较长长，仅适用于磁盘请求较少的场合。，仅适用于磁盘请求较少的场合。最短寻道时间优先（最短寻道时间优先（SSTF）选择选择要求访问的磁道与当前磁头所在的磁要求访问的磁道与当前磁头所在的磁道距离最近的进程道距离最近的进程（磁盘请求），使每次（磁盘请求），使每次的寻道时间最短。的寻道时间最短。该算法该算法不能保证平均寻道时间最短不能保证平均寻道时间最短。可能导致可能导
33、致“饥饿饥饿”现象。现象。扫描（扫描（Scan）算法）算法磁头磁头每次只作单方向移动每次只作单方向移动，直到到达边缘，直到到达边缘磁道为止，然后磁道为止，然后再作反向移动再作反向移动。下一次待访问的磁道只能在此头移动的前下一次待访问的磁道只能在此头移动的前方，且选择磁头移动距离最近的一个磁盘方，且选择磁头移动距离最近的一个磁盘请求响应。请求响应。又称为又称为“电梯调度算法电梯调度算法”。消除了饥饿现象。消除了饥饿现象。循环扫描（循环扫描（CScan）算法）算法磁头只作由内向外的单方向扫描磁头只作由内向外的单方向扫描，到达外，到达外边缘后，则返回最内侧的磁道重新进行下边缘后，则返回最内侧的磁道重
34、新进行下一轮扫描。一轮扫描。改进了对于边缘区磁道访问的不公平。改进了对于边缘区磁道访问的不公平。N-Step-Scan和和FSCAN算法算法“磁臂粘着磁臂粘着”现象：现象：一个或几个进程对某一个或几个进程对某一磁道有较高的访问频率时，造成磁头的一磁道有较高的访问频率时，造成磁头的“不移动不移动”现象。现象。N步扫描：步扫描：把磁盘访问请求排成长度为把磁盘访问请求排成长度为N的的多个队列。系统在处理完一个磁盘请求队多个队列。系统在处理完一个磁盘请求队列的工作后，再响应其它队列的请求。列的工作后，再响应其它队列的请求。FSCAN算法：算法：对对N步扫描的简化。只排两步扫描的简化。只排两个队列：当前
35、队列、等待队列。个队列：当前队列、等待队列。磁盘高速缓存磁盘高速缓存磁盘高速缓存（磁盘高速缓存（DiskCache）的形式）的形式数据交付方式数据交付方式磁盘缓存置换算法磁盘缓存置换算法周期性地写回磁盘周期性地写回磁盘磁盘高速缓存的形式磁盘高速缓存的形式DiskCache：并非通常意义上的高速缓存，而是并非通常意义上的高速缓存，而是利用内存中利用内存中的空闲空间，暂存从磁盘中读出的一系列盘块的空闲空间，暂存从磁盘中读出的一系列盘块中的信息中的信息。逻辑上属于磁盘，物理上驻留内存。逻辑上属于磁盘，物理上驻留内存的磁盘数据块区。的磁盘数据块区。两种形式：两种形式：固定大小固定大小的磁盘高速缓存，不
36、受应用程序多少的磁盘高速缓存，不受应用程序多少影响。影响。可变大小可变大小的磁盘高速缓存的磁盘高速缓存“缓冲池缓冲池”形式形式数据交付方式数据交付方式DataDelivery：将磁盘高速缓存中的数据：将磁盘高速缓存中的数据传送给请求者进程。传送给请求者进程。两种方式：两种方式：数据交付数据交付：将数据传送给请求者进程的内存工：将数据传送给请求者进程的内存工作区中；作区中；指针交付指针交付：只将高速缓存中相应数据区的首址：只将高速缓存中相应数据区的首址指针交付给请求者进程；指针交付给请求者进程；磁盘缓存置换算法磁盘缓存置换算法也称为也称为“访问频率替换算法访问频率替换算法”要考虑的问题：访问频率
37、、可预见性、数据的要考虑的问题：访问频率、可预见性、数据的一致性一致性较常用的算法：较常用的算法：最近最久未使用最近最久未使用LRU最近未使用最近未使用NRU（Clock）最少使用最少使用LFU周期性地写回磁盘周期性地写回磁盘后台专用程序，如：后台专用程序，如：UNIX中的中的SYNC间隔一定时间，强制性地把所有缓存中的间隔一定时间，强制性地把所有缓存中的已修改的盘块数据写回磁盘。已修改的盘块数据写回磁盘。定期自动保存定期自动保存提高磁盘I/O速度的其它方法提前读（Read-Ahead）延迟写选讲选讲选讲选讲优化物理块的分布虚拟盘廉价磁盘冗余阵列Redundant Array of Inexp
38、ensive Disk并行交叉存取RAID的分级RAID的优点选讲选讲选讲选讲编写程序，模拟编写程序，模拟FIFO（LRU、OPT）算法，完成算法，完成虚拟存储管理的页面淘汰过程。虚拟存储管理的页面淘汰过程。要求：从键盘上输入允许进程占有的页架数及一个要求：从键盘上输入允许进程占有的页架数及一个访问串，输出淘汰过程，给出依次被淘汰的页及共访问串，输出淘汰过程，给出依次被淘汰的页及共发生的缺页次数。发生的缺页次数。例如：例如：从键盘上输入允许进程占有的页架数为：从键盘上输入允许进程占有的页架数为：3从键盘上输入一个访问串为：从键盘上输入一个访问串为：7012030423032120170输出：输
39、出：FIFO共共14次缺页次缺页依次被淘汰的页：依次被淘汰的页：7,0,1,2,3,0,4,2,3,0,1上机练习三上机练习三习题五1 DMA控制方式与通道控制方式有什么不同？在在DMA控制方式中，控制方式中，DMA控制器控制设备和主存之间成批控制器控制设备和主存之间成批地进行数据交换，而不用地进行数据交换，而不用CPU干预。这样既大大减轻了干预。这样既大大减轻了CPU的的负担，也使负担，也使I/O数据传送速度大大提高。这种控制方式应用于块数据传送速度大大提高。这种控制方式应用于块设备的数据传输。设备的数据传输。通道控制方式与通道控制方式与DMA控制方式类似，也是一种实现设备控制方式类似，也是
40、一种实现设备与内存直接交换数据的控制方式。在通道控制方式中，与内存直接交换数据的控制方式。在通道控制方式中，CPU只只需要发出启动指令，指出通道相应的操作和需要发出启动指令，指出通道相应的操作和I/O设备，该指令就设备，该指令就可以启动通道并从该通道中调出相应的通道程序执行。与可以启动通道并从该通道中调出相应的通道程序执行。与DMA方式相比，通道方式所需要的方式相比，通道方式所需要的CPU干预更少，且可以做到一个干预更少，且可以做到一个通道控制多台设备，从而更进一步减轻通道控制多台设备，从而更进一步减轻CPU的负担。的负担。2 在 采用SPOOLing技术的系统中，用户的打印数据首先被送到（）
41、A 磁盘固定区域B 内存固定区域C 终端D 打印机3 什么是DMA方式？它与中断方式的主要区别是什么？DMA指的是直接存储器访问。就是用指的是直接存储器访问。就是用DMA控制控制器来控制一个数据块的传输，而器来控制一个数据块的传输，而CPU只需要在一只需要在一个数据块传输的开始阶段设置好传输所需要的控个数据块传输的开始阶段设置好传输所需要的控制信息，并在传输结束阶段做进一步处理即可的制信息，并在传输结束阶段做进一步处理即可的传输控制方式，其传输控制方式，其基本思想是在设备和内存间开基本思想是在设备和内存间开辟一个直接的数据传输的通路辟一个直接的数据传输的通路中断驱动控制方式是中断驱动控制方式是
42、每个数据每个数据传输后即发出中断，传输后即发出中断，而而DMA是在是在一批数据一批数据传输完毕后才发中断；中断传输完毕后才发中断；中断控制方式的传输是由控制方式的传输是由CPU控制的，而控制的，而DMA方式中方式中CPU只在数据传输的开始和结束阶段参与控制。只在数据传输的开始和结束阶段参与控制。因此，因此，DMA方式相比于中断方式，通过硬件的增方式相比于中断方式，通过硬件的增加加大大减少了中断的次数。大大减少了中断的次数。4 试给出两种I/O调度算法？并说明为什么在I/O调度中不能采用时间片轮转法 先来先服务算法和优先级高者优先算法 原因：1某些设备的固有属性决定了不能采用时间片轮转法，如打印
43、机2 I/O设备的速度慢，I/O设备间来回切换的开销很大3 各个I/O设备间的数据传输速率差别较大，时间片的大小不好确定。5一个快速一个快速SCSI-II总线上的磁盘转速为总线上的磁盘转速为7200RPM，每磁道每磁道160个扇区，每扇区个扇区，每扇区512个字节。那么，理想个字节。那么，理想状态下，其数据传输率为（）状态下，其数据传输率为（）A 7200*160KB/SB 7200KB/SC 9600KB/SD 19200KB/S6 CPU输出数据的速度远远高于打印机的打印速度，为解决这一矛盾，可采用（）A 并行技术B 缓冲技术C 虚存技术D 覆盖技术7 磁盘调度算法中，（）算法可能会随时改
44、变磁头的移动方向。A 电梯调度B 最短寻道时间优先C 扫描D 单向扫描8当前磁盘读写位置位于柱面号当前磁盘读写位置位于柱面号20，此时有，此时有多个磁盘请求以下列柱面号顺序送至磁盘驱多个磁盘请求以下列柱面号顺序送至磁盘驱动器：动器：10，22，20，2，40，6，38。寻到时，。寻到时，移动一个柱面需要移动一个柱面需要6ms，按下列三种算法计，按下列三种算法计算所需要的寻道时间（柱面移动顺序及总寻算所需要的寻道时间（柱面移动顺序及总寻道时间）道时间）FCFS SSTF SCAN 876 360 348 336此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢