操作系统第五章第三节课件.ppt

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1、,Page 1,2023/1/20,第五章 设备管理,操作系统,Page 2,2023/1/20,5.5 设备分配,设备分配中的数据结构设备分配时应考虑的因素设备独立性独占设备的分配程序SPOOLing技术,Page 3,2023/1/20,5.5.1 设备分配中的数据结构,在多道程序环境下，系统中的设备所有进程共享，为防止进程对系统资源的无序竞争，必须由系统统一分配设备某进程向系统提出I/O请求时，设备分配程序按一定策略分配设备、控制器和通道，形成一条数据传输通路，以供主机和设备间信息交换为实现设备分配，系统中应设置相应的数据结构，对每台设备、通道、控制器的情况进行登记,Page 4,202

2、3/1/20,5.4.1 设备分配中的数据结构,设备控制表DCT控制器控制表COCT通道控制表CHCT系统设备表SDT,Page 5,2023/1/20,5.5.1 设备分配中的数据结构,1.设备控制表DCT,每个设备一张，记录本设备的情况,正使用，则忙标志置1；若与其相连的控制器或通道忙，则等待标志置1,请求本设备未满足的进程PCB队列,Page 6,2023/1/20,5.5.1 设备分配中的数据结构,2.控制器控制表、通道控制表,一个控制器一张,一个通道一张,Page 7,2023/1/20,5.5.1 设备分配中的数据结构,系统设备表SDT,整个系统一张，记录已被连接到系统中的所有物理

3、设备的情况,Page 8,2023/1/20,5.5 设备分配,设备分配中的数据结构设备分配时应考虑的因素设备独立性独占设备的分配程序SPOOLing技术,Page 9,2023/1/20,5.4.2 设备分配时应考虑的因素,为了使系统有条不紊地工作，系统在进行设备分配时，应考虑这样几个因素：（1）设备的固有属性；（2）设备分配算法；（3）设备分配的安全性；（4）设备独立性。,Page 10,2023/1/20,5.5.2 设备分配时应考虑的因素,1.设备的固有属性独占性一段时间内，只允许一个进程独占，大多数低度速/设备都属于独享设备共享性允许多个进程同时共享，如磁盘、磁鼓之类的外存储器，既具

4、有很能大的存储容量，其定位操作的时间又短可虚拟性独占设备经某种技术处理，改造成虚拟设备，把一台输入机虚拟为几台“虚拟”的输入机。例如：为了提高设备利用率引入了脱机输入输出或采用SPOOLing技术，变一台为“多台设备”,缺点：设备得不到充分利用，可能产生死锁,Page 11,2023/1/20,5.5.2 设备分配时应考虑的因素,设备分配策略独占设备防止死锁共享设备由于同时有多个进程同时访问，且访问频繁，就会影响整个设备使用效率，影响系统效率。因此要考虑多个访问请求到达时服务的顺序，使平均服务时间越短越好。注意各进程的访问次序进行合理调度虚拟设备,Page 12,2023/1/20,5.5.2

5、 设备分配时应考虑的因素,2.设备分配算法先来先服务优先级高者优先3.设备分配中的安全性安全分配方式每当进程发出I/O请求后，便进入阻塞状态，I/O操作完成后唤醒优点：摒弃了“请求和保持”条件，不会产生死锁不安全分配方式 进程发出I/O请求后仍继续运行，继续申请I/O设备优点：可操作多个设备，推进迅速,缺点：推进速度缓慢,缺点：可能产生死锁,Page 13,2023/1/20,5.5.3 独占设备的分配程序,基本的设备分配程序分配设备分配控制器分配通道,Page 14,2023/1/20,独占设备的分配程序,Page 16,2023/1/20,独占设备的分配程序,设备分配程序的改进基本分配程序

6、的问题进程以物理设备名提出I/O请求采用单通路I/O系统结构，容易产生瓶颈改进方案增加设备独立性 考虑多通路情况,为进程P分配所需的I/O设备,从SDT表查该类设备的控制表DCT,不忙,不安全,分配此设备给进程P,不忙,不忙,分配此控制器给进程P,分配此通道给进程P,启动I/O,进行具体的I/O操作,忙,进程P的PCB放入此设备的等待队列,Y,N,忙,进程 P 的 PCB 放入此控制器的等待队列,Y,N,Y,忙,Y,进程P的PCB放入此通道的等待队列,N,Y,N,N,多通路设备分配流程示意图,由DCT检查该设备忙否?,检查分配此设备的安全性?,最后一个DCT?,最后一个COCT?,最后一个DC

7、T?,此设备连接的COCT忙否?,此控制器连接的CHCT忙否?,最后一个COCT?,最后一个CHCT?,Page 18,2023/1/20,5.5 设备分配,设备分配中的数据结构设备分配时应考虑的因素设备独立性独占设备的分配程序SPOOLing技术,Page 19,2023/1/20,脱机输入/输出（Off-Line I/O）方式,硬件不断发展，CPU速度的提高、系统规模扩大，人机矛盾严重，如何解决？,磁带,磁带,磁带,磁带,Page 20,2023/1/20,5.5.4 SPOOLing技术,1.什么是SPOOLing技术为了缓和CPU的高速性与I/O设备低速性间的矛盾而引入了脱机输入、脱机

8、输出技术在多道程序环境下，其中的一道程序模拟脱机输入时的外围控制机功能在主机的直接控制下，实现脱机输入、输出功能，此时的外围操作与CPU对数据的处理同时进行把这种在联机情况下实现的同时外围操作称为SPOOLing(Simultaneaus Periphernal Operating On-Line)，或称为假脱机操作,Page 21,2023/1/20,5.5.4 SPOOLing技术,2.SPOOLing系统的组成输入井和输出井在磁盘上的两个存储空间输入井模拟脱机输入，暂存输入数据输出井模拟脱机输出，暂存输出数据输入缓冲区和输出缓冲区用来缓和CPU与磁盘之间的速度的矛盾输入进程SPi和输出进

9、程SPo模拟脱机I/O时的外围控制机,Page 22,2023/1/20,5.5.4 SPOOLing技术,Page 23,2023/1/20,5.5.4 SPOOLing技术,3.共享打印机打印机为独占设备，利用SPOOLing技术，可将之改造为共享设备用户请求打印时，SPOOLing系统处理如下由输出进程在输出井中为之申请一个空闲磁盘块区，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请求打印表，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,Page 24,2023/1/20,5.5.4 SPOOLing技术,4.SPOOLing系统特点提高了I/O的速度将独占设

10、备改造为共享设备实现了虚拟设备功能,Page 25,2023/1/20,5.5.4 SPOOLing技术,SPOOLing技术今天仍被广泛使用网络文件传送 先把文件送到网络SPOOLing目录，然后网络值班进程把它取出并传递到目标地址Internet电子邮件系统 为了寄邮，调用电子邮件程序 待发信存在SPOOLing中供以后传输注意：SPOOLing只提高设备利用率，缩短用户程序执行时间，并不提高CPU利用率,Page 26,2023/1/20,第五章 设备管理,I/O系统 I/O控制方式 缓冲管理 设备分配设备处理磁盘存储器管理,Page 27,2023/1/20,5.6 磁盘存储器管理,磁

11、盘性能简述磁盘调度磁盘高速缓存(Disk Cache)提高磁盘I/O速度的其它方法廉价磁盘冗余阵列,现代操作系统的重要任务之一：设法改善磁盘系统的性能,Page 28,2023/1/20,5.6 磁盘存储器管理,磁盘存储器管理的主要任务提高磁盘I/O速度，改善文件性能确保文件系统的可靠性（备份）,Page 29,2023/1/20,5.6 磁盘存储器管理,5.6.1 磁盘性能简述,1.数据的组织和格式,图 5-22 磁盘的格式化,磁盘包括一个或多个盘片，每片分2面，每面可分成若干条磁道，各磁道之间有间隙，每条磁道上可存储相同数目的二进制位，磁盘密度即每英寸之中所存储的位数。显然内层磁道的密度较

12、外层磁道的密度大。,Page 30,2023/1/20,5.6.1 磁盘性能简述,盘片,扇区,磁头,磁道,Page 31,2023/1/20,5.6.1 磁盘性能简述,Page 32,2023/1/20,5.6.1 磁盘性能简述,Page 33,2023/1/20,5.6.1 磁盘性能简述,Page 34,2023/1/20,5.6.1 磁盘性能简述,1.数据的组织和格式盘片（1个或多个）、盘面、磁道、扇区扇区有标识符字段和数据字段,存储相同数目的二进制位,间隙,定界符,段校验,Page 35,2023/1/20,2.磁盘的类型,1)固定头磁盘 这种磁盘在每条磁道上都有一读/写磁头，所有的磁头

13、都被装在一刚性磁臂中。通过这些磁头可访问所有各磁道，并进行并行读/写，有效地提高了磁盘的I/O速度。这种结构的磁盘主要用于大容量磁盘上。2)移动头磁盘 每一个盘面仅配有一个磁头，也被装入磁臂中。为能访问该盘面上的所有磁道，该磁头必须能移动以进行寻道。可见，移动磁头仅能以串行方式读/写，致使其I/O速度较慢；但由于其结构简单，故仍广泛应用于中小型磁盘设备中。,Page 36,2023/1/20,5.6.1 磁盘性能简述,访盘时间组成,寻道时间,旋转延迟时间,传输时间,Page 37,2023/1/20,5.6.1 磁盘性能简述,3.磁盘访问时间寻道时间Ts这是指把磁臂(磁头)移动到指定磁道上所经

14、历的时间。该时间是启动磁臂的时间s与磁头移动n条磁道所花费的时间之和，即Ts=mn+s旋转延迟时间T这是指定扇区移动到磁头下面所经历的时间。如：7200r/min 每转=60000ms/7200r=8.33ms 平均旋转延迟=（0+8.33)/2=4.16,是一常数，与磁盘驱动器的速度有关,一般：0.2高速：=0.1,启动磁臂时间2ms,Page 38,2023/1/20,5.6.1 磁盘性能简述,传输时间Tt指把数据从磁盘读出或向磁盘写入数据所经历的时间。其大小与每次所读/写的字节数b和旋转速度有关r为磁盘每秒钟的转数；N为一条磁道上的字节数T和Tt相同，则访问时间=Ts+T+Tt,如b=N

15、/2，则T=1/(2r)=Tt,可见，寻道时间TS和旋转延迟时间T基本上都与所读/写数据的字节数无关，而且它通常占据了访问时间中的大部分,目前磁盘的传输速率已达到80MB/s以上，数据传输时间所占的比例更低。可见，适当地集中数据传输，将有利于提高传输效率,Page 39,2023/1/20,3.磁盘访问时间,寻道时间:20ms磁盘通道传输速率:1MB/s转速r=3600rpm每扇区512字节每磁道32 扇区目标：读 128k 数据,a.寻道时间TS：TS=m*n+S；b.旋转延时间Tr：Tr1/2rc.数据传输时间Tt：Ttb/rN 访问时间：Ta=Ts+1/2r+b/rN,60*16k=96

16、0k1MB/s顺序组织(208.316.7)(8.316.7)7220(ms)随机组织(208.30.5)2567373(ms),Page 40,2023/1/20,5.6 磁盘存储器管理,磁盘性能简述磁盘调度磁盘高速缓存(Disk Cache)提高磁盘I/O速度的其它方法廉价磁盘冗余阵列,在访问磁盘的时间中，主要是寻道时间，因此，磁盘调度的目标就是使磁盘的平均寻道时间最少。,Page 41,2023/1/20,5.6.2 磁盘调度,1.先来先服务FCFS(First-Come,First Served)根据进程请求访问磁盘的先后次序进行调度优点：简单、公平，不会出现请求长期得不到满足缺点：未

17、优化，平均寻道时间长,平均寻道长度：55.3,146,184,112,38,10,150,70,160,72,90,21,18,19,39,3,58,45,55,移动距离,被访问的下一个磁道,100道开始,55、58、39、18、90、160、150、38、184,0,38,39,55,58,90,100,150,160,184,18,先来先服务FCFS(First-Come,First Served),Page 43,2023/1/20,5.6.2 磁盘调度,2.最短寻道时间优先SSTF(Shortest Seek Time First)要求访问的磁道与当前磁头所在的磁道距离最近优点：使每次

18、寻道时间最短缺点：不能保证平均寻道时间最短；可能导致距离远的进程总也得不到服务,平均寻道长度：27.5,24,184,10,160,132,150,20,18,1,38,16,39,3,55,32,58,10,90,移动距离,被访问的下一个磁道,100道开始,55、58、39、18、90、160、150、38、184,0,38,39,55,58,90,100,150,160,184,18,最短寻道时间优先STF(Shortest Seek Time First),Page 45,2023/1/20,FCFS调度算法 SSTF调度算法,Page 46,2023/1/20,5.6.2 磁盘调度,3

19、.扫描(SCAN)算法 SSTF算法虽然能获得较好的寻道性能，但却可能导致某个进程发生“饥饿”现象,0,50,160,Page 47,2023/1/20,5.6.2 磁盘调度,3.扫描(SCAN)算法对SSTF算法略加修改后所形成的SCAN算法，即可防止进程出现“饥饿”现象SCAN算法不仅考虑欲访问的磁道与当前磁道的距离，更优先考虑的是磁头当前的移动方向磁头移动：自里向外自外向里又称为“电梯调度算法”,Page 48,2023/1/20,5.6.2 磁盘调度,3.扫描(SCAN)算法对SSTF算法略加修改后所形成的SCAN算法，即可防止进程出现“饥饿”现象SCAN算法不仅考虑欲访问的磁道与当前

20、磁道的距离，更优先考虑的是磁头当前的移动方向磁头移动：自里向外自外向里又称为“电梯调度算法”,平均寻道长度：27.8,20,18,1,38,16,39,3,55,32,58,94,90,24,184,10,160,50,150,移动距离,被访问的下一个磁道,100道开始，增加方向,55、58、39、18、90、160、150、38、184,Page 49,2023/1/20,SCAN调度算法 SSTF调度算法,Page 50,2023/1/20,0,38,39,55,58,90,100,150,160,184,18,5.6.2 磁盘调度,缺点：刚移过的磁道的等待时间长,3.扫描(SCAN)算法

21、,Page 51,2023/1/20,5.6.2 磁盘调度,4.循环扫描(CSCAN)算法 规定磁头单向移动减少刚移过的磁道的等待时间,平均寻道长度：27.5,32,90,3,58,16,55,1,39,20,38,166,18,24,184,10,160,50,150,移动距离,被访问的下一个磁道,100道开始，增加方向,55、58、39、18、90、160、150、38、184,Page 52,2023/1/20,0,38,39,55,58,90,100,150,160,184,18,5.6.2 磁盘调度,Page 53,2023/1/20,SCAN调度算法 CSCAN调度算法,Page

22、54,2023/1/20,SSTF调度算法 CSCAN调度算法,Page 55,2023/1/20,5.6.2 磁盘调度,5.N-Step-SCAN和FSCAN调度算法 N-Step-SCAN算法在SSTF、SCAN及CSCAN几种调度算法中，都可能出现磁臂停留在某处不动的情况，称为“磁臂粘着”(Armstickiness)N步SCAN算法是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。而每处理一个队列时又是按SCAN算法，对一个队列处理完后，再处理其他队列FSCAN算法FSCAN算法是N步SCAN算法的简化，即其只将磁盘请求队列分成两个子队列。一是由当

23、前所有请求I/O的进程形成的队列，由磁盘调度按SCAN算法进行处理。在扫描期间，新出现的所有请求I/O的进程，则放入另一个等待处理的请求队列,当N值很大时，N步扫描性能接近于SCAN性能；N=1，N步扫描性能便退化为FCFS,Page 56,2023/1/20,5.6 磁盘存储器管理,磁盘性能简述磁盘调度磁盘高速缓存(Disk Cache)提高磁盘I/O速度的其它方法廉价磁盘冗余阵列,Page 57,2023/1/20,5.6.3 磁盘高速缓存(Disk Cache),1.磁盘高速缓存的形式利用内存中的存储空间，来暂存从磁盘中读出的一系列盘块中的信息高速缓存是一组在逻辑上属于磁盘，而物理上是驻

24、留在内存中的盘块高速缓存在内存中可分成两种形式在内存中开辟一个单独的存储空间来作为磁盘高速缓存，其大小是固定的把所有未利用的内存空间变为一个缓冲池，供请求分页系统和磁盘I/O时(作为磁盘高速缓存)共享,不受应用程序多少的限制,应用程序多时缓存可能很小,Page 58,2023/1/20,5.6.3 磁盘高速缓存(Disk Cache),2.数据交付方式数据交付（Data Delivery）是指将磁盘高速缓存中的数据传送给请求者进程当有进程请求访问某个盘块时，先查看磁盘高速缓存有两种方式交付数据给请求进程数据交付。这是直接将高速缓存中的数据，传送到请求者进程的内存工作区中指针交付。只将指向高速缓

25、存中某区域的指针，交付给请求者进程,所传送的数据量少，节省了数据从磁盘高速缓存存储空间到进程的内存工作区的时间,Page 59,2023/1/20,5.6.3 磁盘高速缓存(Disk Cache),3.置换算法将磁盘中的盘块写入高速缓存时，会出现因为高速缓存中已装满盘块而需要将高速缓存中的数据先换出的问题，常用算法有LRU、NRU、LFU等除了考虑LRU外，还需考虑以下几点访问频率可预见性，如正在写数据的未满盘块数据的一致性 内存中已修改数据要写回磁盘,可将高速缓存中的所有盘块数据构成一个LRU链，将会影响到数据一致性的盘块和很久都不可能再用的盘块放在LRU链的链头，使其优先被写回磁盘，不久后

26、还要再使用的盘块放到链尾,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,Page 60,2023/1/20,5.6.3 磁盘高速缓存(Disk Cache),4.周期性写回磁盘在LRU算法中，经常被访问的盘块数据可能一直保留在高速缓存中，长期不被写回磁盘在UNIX系统中专门增设了一个修改(update)程序，使之在后台运行，该程序周期性地调用一个系统调用SYNC。该调用的主要功能是强制性地将所有在高速缓存中已修改的盘块数据写回磁盘在MS-DOS中所采用的方法是：只要高速缓存中的某盘块数据被修改，便立即将它写回磁盘，并将这种高速缓存称为“写穿透、高速缓存”(write-thro

27、ugh cache),Page 61,2023/1/20,5.6 磁盘存储器管理,磁盘性能简述磁盘调度磁盘高速缓存(Disk Cache)提高磁盘I/O速度的其它方法廉价磁盘冗余阵列,Page 62,2023/1/20,5.6.4 提高磁盘I/O速度的其它方法,1.提前读（Read-Ahead）在读当前块的同时，将下一盘块读入缓冲区2.延迟写缓冲区中的数据不立即写回磁盘，而挂在队尾3.优化物理块分布使文件的物理块集中，减小磁头移动距离分配时以簇（若干个盘块）为单位磁盘碎片整理4.虚拟盘利用内存空间仿真磁盘，又称为RAM盘,Page 63,2023/1/20,5.6 磁盘存储器管理,磁盘性能简述

28、磁盘调度磁盘高速缓存(Disk Cache)提高磁盘I/O速度的其它方法廉价磁盘冗余阵列,Page 64,2023/1/20,5.6.5 廉价磁盘冗余阵列,廉价磁盘冗余阵列RAID(Redundant Array of Inexpensive Disk)，1987年由美国加州大学提出过去RAID是由许多小的便宜磁盘组成的，可作为大的昂贵磁盘的有效替代品现在RAID的使用主要是因为其高可靠性和高数据传输率，而不是经济原因利用一台磁盘阵列控制器统一管理和控制一组磁盘驱动器，组成一个可靠的、快速的大容量磁盘系统,Page 65,2023/1/20,5.6.5 廉价磁盘冗余阵列,磁盘冗余改善可靠性复制

29、每个磁盘，这种技术称为镜像,Page 66,2023/1/20,5.6.5 廉价磁盘冗余阵列,1.并行交叉存取提高数据传输速度将一个盘块中的数据分成若干个子盘块数据，分别存储在不同磁盘的相同位置上。数据传送时采用并行传输方式,主要目的：通过负载平衡，增加了多个小访问（即页访问）的吞吐量，降低大访问的响应时间,Page 67,2023/1/20,5.6.5 廉价磁盘冗余阵列,镜像提高可靠性，但很昂贵，分散提供了高数据传输率，但并未改善可靠性，通过磁盘分散和“奇偶”位可以提供多种方案以在低代价下提供冗余，这些方案有不同的性价折中，可分成不同级别，称为RAID级别,Page 68,2023/1/20

30、,2.RAID的分级(Redundant Array of Inexpensive Disk),RAID 0级。RAID 1级。(3)RAID 2级。(4)RAID 3级。(5)RAID 4级。(6)RAID 5级。(7)RAID 6级和RAID 7级。,5.6.5 廉价磁盘冗余阵列,Page 69,2023/1/20,RAID 0(不冗余）,Page 70,2023/1/20,RAID 0,Page 71,2023/1/20,RAID 0,不冗余不校验分布式存储低可靠性低价格并行 I/O 访问,Page 72,2023/1/20,RAID 1(镜像),分布存放镜像冗余不校验,Page 73,

31、2023/1/20,RAID 1,读性能比 RAID 0好(选择寻道时间小的磁盘访问)写性能比 RAID 0差存储开销大可靠性高,Page 74,2023/1/20,RAID 2(汉明码校验冗余),Page 75,2023/1/20,RAID 3,用一个校验盘,Page 76,2023/1/20,RAID 4(Block-Level Parity),Page 77,2023/1/20,RAID 4,和RADI3相比较，RAID4基于大的块校验,Page 78,2023/1/20,RAID 5,Page 79,2023/1/20,RAID 5,解决了RAID4校验盘不可靠性问题,Page 80,

32、2023/1/20,5.6.5 廉价磁盘冗余阵列,2.RAID的分级RAID5将数据和奇偶校验信息分布在所有N+1块盘上，而不是将数据存在N个盘上具有独立传送功能的磁盘阵列，每个驱动器有各自独立的数据通路，独立地进行读写无专门校验盘RAID6和RAID7RAID6中，设置了一个专用的、可快速访问的异步校验盘，具有独立的数据访问通路RAID7是对RAID6改进，具有较高的传输速率和优异的性能,Page 81,2023/1/20,5.6.5 廉价磁盘冗余阵列,3.RAID的优点可靠性高采用容错技术可实现镜像、双工等冗余方式磁盘I/O速度高采用并行交叉存取，提高速度性能/价格比高与其他高性能磁盘系统相比，容量、速度、可靠性高，但价格低,Page 82,2023/1/20,The End,