1、 设备管理涉及计算机系统与外部世设备管理涉及计算机系统与外部世界进行数据交换的工作。界进行数据交换的工作。 这些工作的完成是这些工作的完成是通过通过各种各种I/O设设备备进行数据的采集、加工处理进行数据的采集、加工处理和和输出输出等实现的。等实现的。 操作系统的设备管理的主要工作是：操作系统的设备管理的主要工作是：提供用户及系统其它部分使用设备的简单提供用户及系统其它部分使用设备的简单方便的接口。方便的接口。负责设备的分配和回收负责设备的分配和回收向设备发送命令，启动设备传输；捕捉设向设备发送命令，启动设备传输；捕捉设备的中断，对设备进行中断处理。备的中断，对设备进行中断处理。控制设控制设备完
2、成备完成I/O任务任务 。还包括：实现其它功能还包括：实现其它功能，包括利用缓冲技术，改善系统的性能等。6.1 I/O硬件组成6.2 I/O软件的组成6.3 设备分配6.4 磁盘管理按信息交换的单位分类按信息交换的单位分类： 块设备块设备(Block Device)：外部存储器/辅助存储器，如磁盘、磁带、光盘等。处理信息的基本单位是定长数据块。块的大小为512B4KB等。传输速率较高，几MB/秒； 字符设备字符设备（Character Device)： 如输入型设备键盘、鼠标、图形扫描器等； 输出型设备显示器、打印机、绘图机。 网络接口等。传输速率较低，不可寻址。-网络通讯设备 网卡，调制解调
3、器。不全：时钟。按设备共享属性分类按设备共享属性分类： 独占设备独占设备： 如打印机等。 共享设备共享设备：指在一段时间内允许多个进程交叉访问的设备。如磁盘等。I IO O设备一般由机械和电子两部分组成。设备一般由机械和电子两部分组成。电子部分叫做设备控制器或适配器电子部分叫做设备控制器或适配器(adapter)(adapter)。在小型和微型机中，它常采在小型和微型机中，它常采用印刷电路卡插入计算机中。用印刷电路卡插入计算机中。机械部分是设备本身机械部分是设备本身。控制器卡上通常有一个插板，通过电缆与控制器卡上通常有一个插板，通过电缆与设备相连。通常设备相连。通常一个一个控制器可以连接两个、
4、控制器可以连接两个、四个，甚至八个相同的设备四个，甚至八个相同的设备。常常把这两部分分开处理，以提供更加模常常把这两部分分开处理，以提供更加模块化、更加通用的系统设计。块化、更加通用的系统设计。控制器与设备之间的接口通常是一个低级控制器与设备之间的接口通常是一个低级接口接口, ,它直接控制设备的读写。它直接控制设备的读写。每个控制器有几个寄存器每个控制器有几个寄存器(如如控制命令寄存控制命令寄存器、状态寄存器和数据缓冲寄存器器、状态寄存器和数据缓冲寄存器等等)用来用来与与CPUCPU进行通讯。进行通讯。各类设备及控制器需要使用和占用系统的各类设备及控制器需要使用和占用系统的某些资源，某些资源，
5、如如I/OI/O端口（端口（设备寄存器的设备寄存器的地地址）、存储器、中断请求号和址）、存储器、中断请求号和DMADMA（直接存储器访问 ）通道等。）通道等。控制器主要两个作用：控制器主要两个作用：1 1。负责解释从。负责解释从I/OI/O接口接收到的高级命令，接口接收到的高级命令，并向设备发送适当的信号序列强制设备执并向设备发送适当的信号序列强制设备执行特定的操作行特定的操作2.2.负责转换和解释从设备接收到的电信号，负责转换和解释从设备接收到的电信号，并修改状态寄存器，以反映设备的工作状并修改状态寄存器，以反映设备的工作状态。态。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
6、与设备接口i数据线数据线地址线地址线控制线控制线CPUCPU与控制器接口与控制器接口控制器与设备接口控制器与设备接口状态状态控制控制数据数据数据数据状态状态控制控制CPU设备控制器设备控制器I/O设备设备设备控制器设备控制器CPU存储器磁盘控制器打印机控制器其他设备控制器控制器与设备接口磁盘驱动器打印机系统总线系统总线图图6.1 一个连接一个连接CPU 、存储器、控制器存储器、控制器 和和 I/O设备的单总线模型设备的单总线模型几乎所有的微型机和小型机都利用如图几乎所有的微型机和小型机都利用如图6.1所示的所示的单总线模型单总线模型，实现，实现CPU与控制与控制器之间的通信。器之间的通信。中、
7、大型机通常中、大型机通常采用多总线采用多总线和专用和专用IO计计算机算机（又叫（又叫I/O通道通道），它承接主），它承接主CPU的的I/O负载。负载。CPU通过通过存储总线存储总线与内存连接，与内存连接，内存与多种内存与多种不同的不同的通道通道连接。连接。每个通道又分别与另一类每个通道又分别与另一类I/O总线相连总线相连I/O总线与具体的设备控制器接口相连，总线与具体的设备控制器接口相连，控制设备的控制设备的I/O操作。操作。 模型如图模型如图6.2所示。所示。读卡机磁盘控制器磁盘控制器磁盘控制器软盘控制器磁带控制器磁带控制器打印机终端控制器控制器控制器I/O通道主存储器CPU选择通道成组多路
8、通道字节多路通道磁盘图6.2 多总线多通道的系统组织程序查询程序查询(programmed)I/O(programmed)I/O Copy_from_user(buffer,p,Copy_from_user(buffer,p,count):count):For (i=0;icount;i+)For (i=0;icount;i+) while(while(* *printer_status_reprinter_status_reg!=READY);g!=READY);* *printer_data_reg=pi;printer_data_reg=pi; return_to_user();retu
9、rn_to_user(); CPUCPU与设备完全串行与设备完全串行工作。工作。CPUCPU直接控制设备进行数据传输有两种方式：直接控制设备进行数据传输有两种方式：1.1.程序查询方式和程序查询方式和 2.2.程序中断方式程序中断方式。设备进行信息传输传输完成，置状态标志设备工作方式设备工作方式向I/O控制器发命令读设备控制器的状态从数据缓冲寄存器读字向存储器中写字N出错出错 Y传送完成设备就绪？YN程序查询的下的程序查询的下的CPU工作方式工作方式执行下一条指令执行下一条指令 一旦启动设备成功，一旦启动设备成功，CPUCPU转去执行另一个转去执行另一个程序。程序。当设备完成时，向当设备完成时
10、，向CPUCPU提出中断请求，提出中断请求，CPUCPU执行完当前一条执行完当前一条指令，就响应中断，指令，就响应中断，转去执行中断处理转去执行中断处理程序。程序。CPUCPU与设备能够并行与设备能够并行操作。操作。程序中断程序中断(Interrupt(InterruptDriven )I/ODriven )I/OCPU向I/O控制器发读命令读I/O控制器的状态从I/O控制器中读数据向存储器中写数据出错出错N传送完成有错误？检查该设备是否还有要做的工作检查该设备是否还有要做的工作有有中中 断断处处理理设备传输数据，每送一设备传输数据，每送一个数据到数据缓冲寄存个数据到数据缓冲寄存器，器，提出中
11、断请求提出中断请求是是CPUCPU启动设备过程启动设备过程：Copy_from_user(buffCopy_from_user(buffer,p,count);er,p,count);Enable_interrupts();Enable_interrupts();while(while(* *printer_statprinter_status_reg!=READY);us_reg!=READY);* *printer_data_reg=pprinter_data_reg=pi;i;scheduler();scheduler();/调度程序程序中断程序中断(Interrupt(Interrup
12、tDriven )I/ODriven )I/O中断处理例程中断处理例程; ;if(count=0)if(count=0) unblock_user(); unblock_user(); else else* *printer_data_reg=pi;printer_data_reg=pi;count=count-1;count=count-1;i=i+1;i=i+1; Acknowledge_interrupt();Acknowledge_interrupt();returnreturn_from_from_interrupt();interrupt();判有无中断发生数据缓冲寄存器DR内存地
13、址寄存器MAR传输数据字节计数器DC命令/状态寄存器CRBuffer控制控制系统总线系统总线(地址和数据总线地址和数据总线)DMA控控制制器器Memory 主机主机控制器接口控制器接口CPU数据块缓冲区磁盘磁盘 数据传输基本单位是数据块在DMA控制器的控制下，设备直接与内存交换数据仅在开始和结束时才需CPU干预。首先首先，将磁头定位到磁盘的正确位置，磁盘控制器控制，将磁头定位到磁盘的正确位置，磁盘控制器控制磁盘驱动器串行地一位一位地读数据到数据缓冲寄存器磁盘驱动器串行地一位一位地读数据到数据缓冲寄存器组装成字节，放入控制器的内部缓冲区中。组装成字节，放入控制器的内部缓冲区中。其次其次，它计算检
14、查和，以核实没有读错误发生。，它计算检查和，以核实没有读错误发生。然后然后控制器从内部缓冲区中一次一个字节或一个字地读控制器从内部缓冲区中一次一个字节或一个字地读数据送主存储器中，直到一块读完。数据送主存储器中，直到一块读完。产生一个中断。等待产生一个中断。等待CPUCPU响应中断。响应中断。DMA工作过程（读）：工作过程（读）：磁盘一个数据磁盘一个数据字读入数据寄存字读入数据寄存器，器，DMA控制器取控制器取代代CPU接管地址总接管地址总线的控制权，线的控制权，与内存交换一个与内存交换一个字节或字字节或字CPU访问总线的访问总线的速度降低。速度降低。CPU与设备并行操与设备并行操作程度较程序
15、中断作程度较程序中断高。高。DMA 控制磁盘驱动器进行读数据，并将读的位组成字节挪用挪用CPU工作周期传送数据字字存储器地址MAR增1数据计数器DC减1DC=0 ?磁盘完成磁盘完成请求中断NYCPU向DMA控制器发启动读块命令（设置MAR数据源（磁盘地址）目标（主存缓冲区地址）和DC初值），启动成功后，CPU执行磁盘的中断处理程序：检查DMA控制器的状态，成功时唤醒等待进程。恢复中断现场，继恢复中断现场，继续执行下条指令续执行下条指令CPU转去做转去做其它事其它事与DMA方式相比，通道所需的CPU干预更少，一个通道控制多个设备控制器，CPU、通道和、通道和I/O设备并行工作设备并行工作主 存I
16、/O通道1I/O通道i控制器控制器控制器控制器设备设备CPU：1. 字节多路通道字节多路通道：一个通道可以同时控制多台设备并行传输，控制低速设备。2.2.选择通道选择通道：一个通道一次只能控制一台设备进行传输，控制高速设备。3.3.数组多路通道数组多路通道：利用上述两者的优点，控制中速设备。如磁盘设备：它可以先为一台设备执行一条通道指令，然后自动转接为另一台执行一条通道指令。这样就可以启动多台磁盘机同时移动磁臂定位，然后按需交叉地传输数据。数组多路通道实际上是对程序采用多道程序设计的硬件实现。通道的组成通道的组成：作为作为I/OI/O处理机的通道，与处理机的通道，与CPUCPU共享内存，其硬件
17、共享内存，其硬件至少包括至少包括CAW(CAW(C Channel hannel A Address ddress W Word):ord):存放通道程序存放通道程序内存地址的通道地址字内存地址的通道地址字寄存器寄存器; ;和和CCW(CCW(C Channel hannel C Command ommand W Word):ord):存放通道指令存放通道指令的通道命令字的命令的通道命令字的命令寄存器寄存器. .通道类型通道类型一种通道的指令格式如下字段一种通道的指令格式如下字段： 操作码、程序连接标志操作码、程序连接标志P P（标识该指令执行后是否还（标识该指令执行后是否还有通道指令）、记录
18、连接标志有通道指令）、记录连接标志R R（标识本条是独立记（标识本条是独立记录，还是与下一条同属一条记录）、传送数据的主存录，还是与下一条同属一条记录）、传送数据的主存地址和传送的数据字节个数：地址和传送的数据字节个数：通道类型通道类型操作码PR字节计数内存地址WRITEWRITEWRITEWRITEWRITEWRITE00000000111180140603002502508131034583020001850720这二块内容写这二块内容写成另一个记录成另一个记录最后一条通道指令最后一条通道指令例例 通道程序举例：通道程序举例：操作码、程序连接标志操作码、程序连接标志P、记录连接标志、记录连
19、接标志R和主存地址：和主存地址：这三块内容写这三块内容写成一个记录成一个记录CPU至少有三条控制IO的指令： 1）启动启动IOIO指令指令 2）测试测试IOIO指令指令 3）停止停止IOIO指令指令通道的通道的工作过程：工作过程： CPU向I/O通道发出一条I/O指令，给出所要执行的通道程序的首地址和要访问的I/O设备。 执行通道程序，控制指定设备完成CPU指定的I/O任务。 完成传输后向CPU请求中断。 CPUCPU可与设备并行操作的程度最高。可与设备并行操作的程度最高。 上述的四种设备控制方式，可总上述的四种设备控制方式，可总结出结出四种数据传输方式：四种数据传输方式：程序查询方式，程序查
20、询方式，程序中断方式，程序中断方式，DMA方式方式通道方式。通道方式。基本思想基本思想：I/O软件按分层的思想构建，较低层的软件为较高层软件提供调用接口和服务，使较高层软件独立于硬件，为用户提供使用设备的统一接口。 Linux系统的： ls 命令 各种存储器，磁盘，软盘，U盘都能正确工作。1。向用户提供设备的独立性。向用户提供设备的独立性。不受设备类型和具体设备型号以及台号的限制。如： SORT outputSORT output程序sort的数据不管来自硬盘，软盘，都可以正常工作。2。设备的统一命名。设备的统一命名。一个设备的名字是一个简单的字符串，如 DOS的PRN，是一个逻辑设备。 通常
21、用户程序中不直接使用物理设备名（或设备通常用户程序中不直接使用物理设备名（或设备的物理地址），而使用逻辑设备名。的物理地址），而使用逻辑设备名。逻辑设备是物理设备属性的抽象表示，对应逻辑设备是物理设备属性的抽象表示，对应一类设备如一类设备如print print 是是LK1600LK1600针式打印机还是针式打印机还是喷墨打印机。喷墨打印机。操作系统将逻辑设备映射为物理设备。这正操作系统将逻辑设备映射为物理设备。这正是系统提供设备独立性的一个具体体现。是系统提供设备独立性的一个具体体现。3.出错处理出错处理。数据传输中的错误应尽可能地在接近硬件层上处理，可重试多次。4.4.设备分配设备分配 根
22、据系统中设备各自的属性，制定分配策略。根据系统中设备各自的属性，制定分配策略。设备分配可以采用设备分配可以采用静态静态分配和分配和动态分配方式动态分配方式。 静态分配简单，不会引起死锁，但设备利用静态分配简单，不会引起死锁，但设备利用率低。率低。 动态分配设备利用率高，但分配不当会引起动态分配设备利用率高，但分配不当会引起死锁。死锁。5.5.提供设备的提供设备的I/OI/O缓冲缓冲。I/OI/O软件按层次构成：软件按层次构成：用户层用户层I/OI/O接口，独立于设备的软件，设备驱动程序，接口，独立于设备的软件，设备驱动程序，中断处理程序，中断处理程序，I/OI/O硬件。硬件。I/OI/O软件的
23、实现功能软件的实现功能 中断服务过程中断服务过程向用户透明（看不见）。 I/O操作完成后，产生一个中断中断。 CPU响应中断，保护被中断进程现场，分析中断原因，转去执行相应的中断处理程序中断处理程序。 中断处理这部分工作完全由操作系统完成，中断处理这部分工作完全由操作系统完成，用户进程根本不知道中断的产生和处理过程。用户进程根本不知道中断的产生和处理过程。 是与设备密切相关的代码。每个设备驱动程序处理一种类型设备。 接收来自与设备无关的上层软件的抽象请求抽象请求，并执行这个请求。 若驱动程序进程驱动程序进程空闲，则立即执行该请求；若忙，则将其排到等待处理的请求队列中。 将上层软件的抽象请求转换
24、成向控制器发送的命令向控制器发送的命令和设备的具体参数设备的具体参数，由设备控制器控制设备完成操作。有通道时，它能根据I/O要求，自动构成通道程自动构成通道程序序。 一般情况下，驱动程序进程等待命令完成，阻塞阻塞自己，直到中断处理时中断处理时将其唤醒唤醒；有时驱动进程不必等待，如滚屏操作，把几个字节写到控制器中即可。实现所有设备都共同需要的功能：实现所有设备都共同需要的功能： （1）向用户提供使用设备的统一接口）向用户提供使用设备的统一接口。 （2）负责把设备的符号名映射映射到正确的设备驱动上。负责设备命名负责设备命名。例如在Unix系统中，终端设备名/dev/tty01,唯一地说说明了一个特
25、别文件的i节点，这个节点包含主设备号，和次设备号。主设备号用来分配正确的终端设备的驱动程序，次设备号作为读写那个设备的参数。 （3）负责设备保护）负责设备保护。如， UNIX的I/O设备作为特别文件用“rw”位进行保护。 （4）提供与设备无关的块尺寸）提供与设备无关的块尺寸。如磁盘：较高层的软件只与抽象磁盘打交道，独立于物理扇区的尺寸而使用等长的逻辑块。 （5）缓冲技术缓冲技术。缓和CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾，减少对CPU的中断频率，提高CPU与I/O设备之间的并行性。 缓冲区种类有：硬缓冲和软缓冲 硬缓冲是在设备控制器中设置缓冲区，通常数量有限。 软缓冲是在内存中开辟一部分空间，数
26、量较大。通常使用由多个缓冲区组成的缓冲池, 系统统一管理。单缓冲：在设备和CPU之间设置一个缓冲器。设备相处理机交换数据时，先把被交换数据写入缓冲器，然后，需要数据的设备或处理机从缓冲器取定数据。由于缓冲器属于临界资源，即不允许多个进程同时对一个缓冲器操作，因此，尽管单缓冲能匹配设备相处理机的处理速度，但是，设备和设备之间不能通过单缓冲达到并行操作。双缓冲：解决两台外设、打印帆和终端之间的并行操作问题的办法是设置双缓冲。有了两个缓冲器之后，CPU可把输出到打印机的数据放入其中一个缓冲器(区)、让打印机慢慢打印；然后，它又可以从另一个为终端设置的缓冲器(区)中读取所需要的输入数据。 （6）负责设
27、备分配）负责设备分配。设备分配原则：设备分配原则： 独占设备独占设备：只能以独占方式分配。只能以独占方式分配。利用率低。 共享设备共享设备：通常采用通常采用动态分配动态分配方式。即允许多个方式。即允许多个作业或进程同时（交叉）使用；作业或进程同时（交叉）使用； 虚拟设备虚拟设备：提高独占设备共享使用的一种技术。提高独占设备共享使用的一种技术。是通过利用共享设备的一部分空间来模拟独占是通过利用共享设备的一部分空间来模拟独占设备来实现的设备来实现的。当有进程要输入输出时，由系。当有进程要输入输出时，由系统先为它分配一部分外存空间，将数据记到分统先为它分配一部分外存空间，将数据记到分配的外存空间，以
28、便进程运行（或完成）时，配的外存空间，以便进程运行（或完成）时，去提取（或向设备输出）数据去提取（或向设备输出）数据 。这就是SPOOLING技术。 （7）报告错误信息）报告错误信息。设备驱动程序处理不了的错误（重试几次操作后，仍有错误）。 在用户程序通常由I/O库过程库过程实现输入和输出。库过程库过程是I/O系统系统的组成部分。例例 用户c语言可以包括如下程序中的系统调用： count=read(fd, buffer, nbytes); 把文件描述符fd的文件读入buffer,读入长度nbytes Spooling 技术技术（Simultaneous Peripheral Operation
29、s On-line)系统是为了满足多进程对系统是为了满足多进程对独占设备共享而引入的一种技术，是独占设备共享而引入的一种技术，是用户级I/O软件，但不是以库过程实现的。SPOOLINGSPOOLING系统由三部分组成：系统由三部分组成：预输入程序预输入程序、井管理程序和缓输出程序。井管理程序和缓输出程序。 井管理程序井管理程序 当作业的进程执行过程中要求启动当作业的进程执行过程中要求启动某台设备输入或输出时，操作系统截获该请求并某台设备输入或输出时，操作系统截获该请求并调出调出井管理程序井管理程序控制从相应的输入井读或向共享控制从相应的输入井读或向共享设备的输出井（缓冲区）写。而输入井和输出井
30、设备的输出井（缓冲区）写。而输入井和输出井上的信息是以文件的形式记录的。上的信息是以文件的形式记录的。 预输入程序预输入程序 负责将输入设备上的信息预先输入负责将输入设备上的信息预先输入到可共享设备的缓冲区（输入井），并将存放信到可共享设备的缓冲区（输入井），并将存放信息的位置记录下来。息的位置记录下来。 缓输出程序缓输出程序 当当进程计算完成或设备空闲时，进程计算完成或设备空闲时，系系统负责调用缓输出程序统负责调用缓输出程序从磁盘缓冲区（从磁盘缓冲区（输出井）输出井）读信息向打印机或其它输出设备输出读信息向打印机或其它输出设备输出, ,有序完成每有序完成每个用户的打印任务。个用户的打印任务。
31、独立于设备的软件设备驱动程序中断处理程序硬件I/O请求请求I/O完成后完成后的回答的回答 逻辑设备表LUT 系统设备表SDT 设备表DT 控制器控制表COCT 通道控制表CHCTSDTDTCOCTCHCT1. 逻辑设备表逻辑设备表 当进程用逻辑设备名来请求分配I/O设备时，系统为它分配物理设备，并在该表中建立一个表项，填上信息。逻辑设备名物理设备名驱动程序入口地址/dev/print/dev/tty35102420462. 系统设备表系统设备表SDT 是系统范围的数据结构，记录了系统中全部的设备情况。每个设备占一个表项。表项1表项i设备类型设备标识符设备队列的等待指针设备队列的等待指针驱动程序
32、入口驱动程序入口3. 设备表设备表DT 系统为每一个设备配置一张表，用于记录该设备的情况。DT1DTiDTn设备类型设备标识符设备状态：忙/闲重复执行次数或时间指向与之相连控制器控制表指针指向与之相连控制器控制表指针设备队列的队首指针请求本设备而未得到满足的进程的请求本设备而未得到满足的进程的PCB排成一个队列排成一个队列4. 控制器控制表控制器控制表COCT 系统为每一个控制器都设置了一张用于记录本控制器情况的控制器控制表。控制器标识符控制器状态：忙/闲指向与控制器连接的通道表指针指向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5. 通道控制表通道控制表CHCT通道标识符
33、通道状态：忙/闲与通道连接的控制器表首址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1. 进程使用逻辑设备名逻辑设备名请求I/O设备。2. 分配设备分配设备：据物理名查SDT，找出其DT,查设备状态，若忙，则将该进程的PCB挂在设备队列上等待。3. 分配控制器分配控制器：设备分配给该进程后，再由DT找与其相连的COCT，查状态，若忙，则将该进程的PCB挂在控制器的等待队列上等待。4. 分配通道分配通道：在该COCT中找到与其相连的CHCT，查状态字，若忙，则挂在该通道的等待队列上等待。否则，分配成功。1. 提高磁盘提高磁盘I/O速度的主要途径：速度的主要途径： 选择性能好性能好
34、的磁盘。如 IDE、SCSI 采用好的调度算法调度算法 设置磁盘高速缓冲区高速缓冲区2.2.磁盘上的信息是通过多重编址定位的，磁盘上的信息是通过多重编址定位的，其其定位信息包括驱动器号、柱面（磁道）号、定位信息包括驱动器号、柱面（磁道）号、磁头（盘面）号及扇区号磁头（盘面）号及扇区号。3.3.服务一个磁盘请求的总时间由下面三者之服务一个磁盘请求的总时间由下面三者之和组成和组成: :寻道时间（寻道时间（seek) seek) 、旋转时间旋转时间(Latency)(Latency) 、读写传输时间。读写传输时间。4 4。调度算法。调度算法 磁盘调度主要是针对磁盘寻道进行的。磁盘调度主要是针对磁盘寻
35、道进行的。因为它花费的时间约占因为它花费的时间约占80%以上。以上。先来先服务（先来先服务（FCFS）例如，假定一例如，假定一开始读写磁开始读写磁头位于头位于5353号磁号磁道。有如下的道。有如下的一个磁盘请求一个磁盘请求序列，其磁道序列，其磁道号为号为 9898， 185185，3737， 122122，1414，124124，6565，6767最短寻道时间优先最短寻道时间优先SSTF SSTF ( Shortest-Seek-Time-First) ( Shortest-Seek-Time-First) ：选择移动距离最小的请求磁道调度。 上述的请求，最接近磁头所在位置上述的请求，最接近磁
36、头所在位置(53)(53)的请求是第的请求是第6565号磁道，下一个是号磁道，下一个是6767号磁道，之后至号磁道，之后至3737，接下去的服务顺，接下去的服务顺序是序是1414，9898，122122，124124，最后是，最后是185185。这种算法。这种算法使得磁头使得磁头移动距离的总和只有移动距离的总和只有238238个磁道，是个磁道，是FCFSFCFS算法的三分之一算法的三分之一。扫描法扫描法(SCAN(SCAN，电梯算法，电梯算法) ) ：磁头从一端向另一端移动，读/写头在移动时，随时处理所到达的磁道上的服务请求。直到另一端，磁头方向反转。循环扫面法：与扫描发相似，只是回程不处理任
37、何请求。扫描法扫描法的变种的变种-查询查询(LOOK)(LOOK)及循环及循环查询查询(C-LOOK)(C-LOOK)算法算法143753656798122123185循环查寻法（循环查寻法（ C-LOOK）磁盘调度磁盘调度共计移动：共计移动：354个磁道个磁道磁盘调度算法的比较 SSTF（最短寻道时间优先最短寻道时间优先）是公认的最有吸引力的算法 扫描法扫描法(SCAN(SCAN，电梯算法，电梯算法) )对于磁盘负担较重的对于磁盘负担较重的系统更适合。系统更适合。 但是任何算法都与进程对磁盘的请求数量和方但是任何算法都与进程对磁盘的请求数量和方式紧密相关。当磁盘请求队列中的请求数量很式紧密相
38、关。当磁盘请求队列中的请求数量很少超过一个时，所有的算法是等效的，这时最少超过一个时，所有的算法是等效的，这时最好采用好采用FCFSFCFS算法。算法。 注意的是：文件的分别配算法将大大的影响磁注意的是：文件的分别配算法将大大的影响磁盘的服务请求。盘的服务请求。 目录即索引块的位置也很重要。目录即索引块的位置也很重要。 5 5、 磁盘的错误处理磁盘的错误处理磁盘在运转过程中容易出现各种各样的错误。常磁盘在运转过程中容易出现各种各样的错误。常见的一些错误是：见的一些错误是： 1 1程序性的错误程序性的错误( (例如，申请不存在的扇区例如，申请不存在的扇区),),系统给出错误信息系统给出错误信息；
39、 2 2 瞬时检查和错误瞬时检查和错误( (例如，磁头上有灰尘例如，磁头上有灰尘) )，重重复执行复执行； 3 3永久性的检查和错误永久性的检查和错误( (磁盘块物理损坏磁盘块物理损坏) )，给出错误信息给出错误信息； 4 4由于磁臂的机械故障引起由于磁臂的机械故障引起寻道错误寻道错误( (例如，例如，寻找柱面寻找柱面6 6，磁臂却定位到柱面，磁臂却定位到柱面7) 7) ，给出错误给出错误信息信息。5. 5. 控制器错误：如控制器拒绝接受指令控制器错误：如控制器拒绝接受指令 独立磁盘的冗余阵列（RAID:Redundant Array of Independent Disk) 。 它使用多个磁
40、盘，组织磁盘上存储的数据，以提高数据传输的速度和改善磁盘的容错能力。目前公认的RAID方案有RAID0 RAID7。（p141) 技术是加州大学伯克利分校1987年提出，最初是为了组组合小的廉价磁盘来代替大的昂贵磁盘，同时希望磁盘失效合小的廉价磁盘来代替大的昂贵磁盘，同时希望磁盘失效时不会使对数据的访问受损失而开发出一定水平的数据保时不会使对数据的访问受损失而开发出一定水平的数据保护技术护技术。RAID就是一种由多块廉价磁盘构成的冗余阵列，在操作系统下是作为一个独立的大型存储设备出现。6、提高磁盘性能和容错的机制 RAID可以充分发挥出多块硬盘的优势，可以提升硬盘速度，增大容量，提供容错功能够
41、确保数据安全性，易于管理的优点，在任何一块硬盘出现问题的情况下都可以继续工作，不会受到损坏硬盘的影响。RAID 0 即Data Stripping数据分条技术。RAID 0 可以把多块硬盘连成一个容量更大的硬盘群，可以提高磁盘的性能和吞吐可以提高磁盘的性能和吞吐量量。RAID 0 没有冗余或错误修复能力没有冗余或错误修复能力，成本低，要求至少两个磁盘，一般只是在那些对数据安全性要求不高的情况下才被使用。 6、提高磁盘性能和容错的机制 RAID 1 RAID 1 称为磁盘镜像：把一个磁盘的数据镜像到另一个磁盘上，在不影响性能情况下最大限度的保证系统的可靠最大限度的保证系统的可靠性和可修复性上，具
42、有很高的数据冗余能力，但磁盘利用性和可修复性上，具有很高的数据冗余能力，但磁盘利用率为率为50%，故成本最高，多用在保存关键性的重要数据的场合。RAID 2 电脑在写入数据时在一个磁盘上保存数据的各个位，同时把一个数据不同的位运算得到的海明校验码海明校验码保存另一组磁盘上，由于海明码可以在数据发生错误的情况下将错误校正，以保证输出的正确。但海明码使用数据冗余技术，使得输出数据的速率取决于驱动器组中速度最慢的磁盘。RAID 2控制器的设计简单。 6、提高磁盘性能和容错的机制提高磁盘性能和容错的机制 RAID 3使用一个专门的磁盘存放所有的校验数据，而在剩余的磁盘中创建带区集分散数据的读写操作。当
43、一个完好的RAID 3系统中读取数据，只需要在数据存储盘中找到相应的数据块进行读取操作即可。但当向RAID 3写入数据时，必须计算与该数据块同处一个带区的所有数据块的校验值，并将新值重新写入到校验块中，这样无形虽增加系统开销。当一块磁盘失效时，该磁盘上的所有数据块必须使用校验信息重新建立，如果所要读取的数据块正好位于已经损坏的磁盘，则必须同时读取同一带区中的所有其它数据块，并根据校验值重建丢失的数据，这使系统减慢。当更换了损坏的磁盘后，系统必须一个数据块一个数据块的重建坏盘中的数据，整个系统的性能会受到严重的影响。提高磁盘性能和容错的机制 RAID 4 RAID4即带奇偶校验码的独立磁盘结构带
44、奇偶校验码的独立磁盘结构，RAID 4和RAID 3很象，它对数据的访问是按数据块进行的，也就是按磁盘进行的，每次是一个盘，RAID 4的特点和RAID 3也挺象，不过在失败恢复时，它的难度可要比RAID 3大得多了，控制器的设计难度也要大许多，而且访问数据的效率不怎么好。 RAID 5把校验块分散到所有的数据盘中把校验块分散到所有的数据盘中。RAID 5使用了一种特殊的算法，可以计算出任何一个带区校验块的存放位置。这样就可以确保任何对校验块进行的读写操作都会在所有的RAID磁盘中进行均衡，从而消除了产生瓶颈的可能。RAID 5的读出效率很高，写入效率一般，块式的集体访问效率不错。RAID 5
45、提高了系统可靠性，但对数据传输的并行性解决不好，而且控制器的设计也相当困难。提高磁盘性能和容错的机制 RAID 6 RAID 6即带有两种分布存储的奇偶校验码的独立磁盘结构，它是对RAID 5的扩展，主要是用于要求数据绝对不能出错的场合，使用了二种奇偶校验值，所以需要N+2个磁盘，同时对控制器的设计变得十分复杂，写入速度也不好，用于计算奇偶校验值和验证数据正确性所花费的时间比较多，造成了不必须的负载，很少人用。提高磁盘性能和容错的机制 RAID 7 RAID 7即优化的高速数据传送磁盘结构，它所有的I/O传送均是同步进行的，可以分别控制，这样提高了系统的并行性和系统访问数据的速度；每个磁盘都带
46、有高速缓冲存储器，实时操作系统可以使用任何实时操作芯片，达到不同实时系统的需要。允许使用SNMP协议进行管理和监视，可以对校验区指定独立的传送信道以提高效率。可以连接多台主机，当多用户访问系统时，访问时间几乎接近于0。但如果系统断电，在高速缓冲存储器内的数据就会全部丢失，因此需要和UPS一起工作，RAID 7系统成本很高。6.5 6.5 终端终端根据与操作系统的通信方法将终端分为两大类： （1）RS232标准接口 （2）存储映射终端 RS232终端由键盘和显示器构成，通过串行接口一次一位地与计算机系统进行通信。 这些终端使用25针的连接器，其中一针用于发送数据，一针用于接收数据，一针接地，其余
47、22针用于各种控制功能（大部分未使用） 计算机和终端以字符作为处理对象。终端控制器需要完成字符到位串与位串到字符的转换 。 智能CRT终端实际是一微小型计算机 它们带有一个CPU和存储器，通常在EPROM或ROM中存储了复杂的程序，以实现光标的定位操作； 从操作系统的角度，玻璃终端和智能终端的主要不同点是：后者理解特殊的转义序列 最高档的智能终端中包含了与主计算机功能相当的CPU，以兆字节为单位的内存，以及大的屏幕。终端硬件存储映射终端 本身是计算机的组成部分 通过专用存储器接口与计算机通信，称为视频RAM（video RAM），是计算机地址空间的一部分，CPU对它的寻址与对其他存储器的寻址是
48、一样 视频控制器(video controller)，从视频RAM中取出字符，产生用于驱动显示器视频信号 当CPU将一个字符写到视频RAM时，在一帧显示周期内显示在屏幕上 速度快 广泛使用位映射终端 视频RAM每一位直接控制屏幕上的每一像素 8001024个像素的屏幕需100k字节RAM（彩色更多） 提供更加灵活的字符的各种字体和尺寸 允许多窗口 可制作任意图形存储映射终端输入软件键盘驱动程序的基本工作：收集键盘的输入信息到缓冲区当用户程序要从终端读时，把输入缓冲区的信息传给用户程序键盘驱动程序两种处理方式（1）面向字符，原始（raw）模式 将接收的输入不加修改地进行传送，从终端读信息的程序得
49、到一系列原始的ASCII码序列。（2）面向行的加工（cooked）模式 键盘驱动程序负责处理一行内的编辑，并将修改过的行传送给用户程序输出软件RS232终端与存储终端的驱动程序完全不同RS232终端 输出缓冲区与每个终端相关联 程序向终端写时，先将输出拷贝到缓冲区 需要回送的输入也拷贝到缓冲区 当输出全部复制到缓冲区（或者缓冲区满）时，向终端输出第一个字符，驱动程序睡眠等待，产生中断时，输出下一个字符，如此循环，直到输出完成存储映像终端 从用户空间一次取出一个要显示的字符 然后，直接送入视频RAM 波特率：每秒钟传输的2进制位数。9.6k/秒 ，缓冲区两个字节（一个字），问多少时间中断一次。本
50、章重点本章重点按数据的组织方式的设备分类按数据的组织方式的设备分类按设备的分配方式的设备分类按设备的分配方式的设备分类根据系统对设备的控制方式，主存与设备根据系统对设备的控制方式，主存与设备之间的四种传输方式之间的四种传输方式通道的分类，通道与通道的分类，通道与CPU之间的通信方式之间的通信方式什么是设备的独立性？什么是设备的独立性？I/O软件的设计目标软件的设计目标本章重点本章重点SPOOLING系统的设计目标以及它的功能系统的设计目标以及它的功能模块的组成模块的组成磁盘的编址参数及影响磁盘速度的三个参磁盘的编址参数及影响磁盘速度的三个参数数I/OI/O软件层各模块主要实现的功能软件层各模块
