第4章_IO设备管理分解.ppt

操作系统 谌卫军 清华大学软件学院 第四章 I/O设备管理 4.1 I/O硬件 4.1.1 I/O设备的类型 4.1.2 设备控制器 4.1.3 I/O地址 4.2 I/O控制方式 4.2.1 程序循环检测方式 4.2.2 中断驱动方式 4.2.3 直接内存访问方式 4.3 I/O软件 4.3.2 I/O软件的层次结构 4.4 磁盘 4.4.2 磁盘格式化 4.4.3 磁盘调度算法 利用假脱机技术（SPOOLing, Simultaneous Peripheral Operation On Line, 也称虚拟设备技术）可把独占设备转变成具有共享特征的虚拟设备，从而提高设备利用率。 Application A Application B SPOOLing Program Device Virtual I/O Actual I/O 打印机... 4.4.1 磁盘硬件 磁盘的硬件结构：磁盘（软盘和硬盘）由一个或多个金属盘片组成，这些盘片组合固定在一根旋转轴上，由同一个马达驱动。每个盘片有上下两个盘面，在盘面上涂有磁性材料，信息就记录在这些盘面上。在每个盘面上方，都有一个磁头，它固定在一个磁头臂上，而磁头臂又固定在一个传动装置上。通过磁头的读写装置，磁盘上的信息可以被写入、读出和修改。 磁道 扇区 柱面 读写磁头 磁头臂 盘片 传动装置 旋转轴 移动方向 磁道：当传动装置固定在某个位置时，若盘面旋转一圈，磁头所能访问的圆环区域； 柱面：在所有盘面上，半径相同的所有磁道即组成一个柱面； 扇区：每一个磁道被划分为若干个扇区； 磁盘的访问过程：以扇区作为最小的寻址和存取单位。首先移动传动装置，通过它来移动磁头，从而定位正确的柱面。然后选中相应的磁头，等我们想要的扇区正好路过这个磁头正下方的时候，就可以对它进行访问了。 如何写一个字节？读－修改－写 读入包含该字节的扇区； 修改该字节； 把整个扇区写回到磁盘； 17微秒 22毫秒 扇区传送时间 8.33毫秒 200毫秒 旋转时间 7.4毫秒 77毫秒 柱面定位(平均) 0.8毫秒 6毫秒 柱面定位(相邻) 181GB 360KB 磁盘容量 512 512 字节数∕扇区720 扇区∕磁盘 609(平均) 9 扇区∕磁道 24 2 磁道数∕柱面 24247 40 柱面数 Barracuda 180硬盘 IBM 360-KB软盘 参数 硬盘的格式化可分为三个步骤，即低级格式化、分区和高级格式化。 低级格式化：标出磁道和扇区，在相邻的扇区之间有狭窄的间隙隔开。一个扇区的格式是：相位编码（preamble）＋数据区＋纠错码（ECC）。 相位编码：以某个特定的位组合模式开始，向硬件表明这是一个新扇区的开始。还包括柱面号、扇区号、扇区大小等类似信息； 数据区：由格式化程序确定其大小，一般512； 纠错码：包含冗余信息，用来纠正读取错误。 分区：用分区软件把整个硬盘划分为若干个逻辑分区，每个分区可视为一个独立的磁盘。在多数计算机上，用第0个扇区来存放一些系统启动代码和一个分区表，记录了每个分区的起始扇区和大小。 高级格式化：对每一个逻辑分区，分别进行一种高级格式化（即通常的格式化操作），生成一个引导块、空闲存储管理结构、根目录和一个空白的文件系统。对不同的分区，可以使用不同的文件系统，如FAT16、FAT32、NTFS等。 磁盘的访问是以扇区作为最小的寻址和存取单位， 在访问一个磁盘扇区时，所需的时间主要有： 柱面定位时间：磁头在磁头臂牵引下，移动到指定柱面的机械运动时间； 旋转延迟时间：等待指定的扇区旋转到磁头的正下方所需的机械运动时间；它与磁盘转速有关，如：软盘转速可为600rpm(每分钟转速)，硬盘可为7,200rpm至10,000rpm； 数据传送时间：从指定扇区读写数据的时间。 方法1：合理地组织磁盘数据的存储位置。 例子：磁盘转速为10,000rpm，每个磁道有300个扇区,每个扇区有512字节，现要读一个150KB的文件。假设柱面定位(平均)时间为6.9毫秒，旋转延迟(平均)时间为旋转时间的一半(3ms)，扇区数据传送时间17微秒； (1)文件由同一个磁道上的300个连续扇区构成： (2)文件由300个随机分布的扇区构成： 随机分布时的访问时间为连续分布时的187倍。 如何提高磁盘访问速度？ 6.9ms + 3ms + 6ms = 15.9ms; (why?) (6.9ms + 3ms + 0.017ms)*300 = 2975.1ms; 中断驱动方式的基本思路是：用户进程通过 系统调用函数来发起I/O操作，并在发起后 阻塞该进程，调度其他的进程使用CPU。在 I/O操作完成时，设备向CPU发出中断，然后 在中断处理程序中做进一步