第6章 设备管理

六,用户层的I/O软件

小部分I/O系统软件放在了用户应用层上。

   ■库函数(与应用程序链接)

   ■假脱机技术(虚拟设备)

1)系统调用与库函数

不允许运行在用户态的应用进程,去直接调用运行在核心态(系统态)的OS过程。 应用进程在运行时,又必须取得OS所提供的服务。 于是: OS在用户层中引入了系统调用,应用程序可以通过它,间接调用OS中的I/O过程,对I/O设备进行操作。

2)设备分配中的虚拟技术 —— SPOOLing技术

 ■虚拟性是OS的四大特征之一。

 ■多道程序技术将一台物理CPU虚拟为多台逻辑CPU,实现多个用户共享一台主机;

假脱机技术

多道程序技术,专门利用程序模拟脱机I/O的外围机,完成设备I/O操作。

  ■称这种联机情况下实现的同时外围操作为SPOOLing 技术(Simultaneaus Periphernal Operating On—Line,或称为假脱机操作)

  ■一般进程对独占设备的需求被假脱机模拟到磁盘上。所以实现设备虚拟,多道是前提,还需高速、大容量、可随机存取的外存支持。

SPOOLing系统的组成

主要有三大部分

(1)输入井和输出井:磁盘上开辟两大存储空间。输入井模拟脱机输入的磁盘设备,输出井模拟脱机输出时的磁盘。

(2)输入缓冲区和输出缓冲区:为缓解速度矛盾,内存中开辟两大缓冲空间,输入缓冲区暂存输入设备送来的数据,再送给输入井;输出缓冲区暂存输出井送来的数据,再送输出设备。

(3)输入进程和输出进程。 用一进程模拟脱机输入时外围设备控制器的功能,把低速输入设备上的数据传送到高速磁盘上; 用另一进程模拟脱机输出时外围设备控制器的功能,把数据从磁盘上传送到低速输出设备上。

第6章 设备管理_第1张图片

SPOOLing系统的特点

(1)提高了I/O的速度。利用输入输出井模拟成脱机输入输出,缓和了CPU和I/O设备速度不匹配的矛盾。

(2)将独占设备改造为共享设备。并没有为进程分配设备,而是为进程分配一存储区和建立一张I/O请求表。

(3)最终,实现了虚拟设备功能。多个进程可“同时”使用一台独占设备。

七,缓冲区管理

一进程中“CPU计算速度”和“设备I/O速度”仍存在不匹配的矛盾。

解决:CPU进行当前计算时,设备进行后续数据的输入(——缓冲区)。

缓冲管理

 ■I/O控制方式减少CPU对I/O的干预提高利用率;

 ■缓冲则通过缓和CPU和I/O设备速度不匹配矛盾,增加CPU和I/O设备的并行性,提高利用率。

 ■现代OS中,几乎所有的I/O设备与处理机交换数据时,都用了缓冲区。

 引入缓冲区的主要原因: 缓和CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾。 缓冲区数据成批传入内存,也可进一步减少对CPU的中断频率 最终目的:提高CPU和I/O设备的并行性。

 ■使用缓冲区的方式: 1)单缓冲、多缓冲 2)循环缓冲 3)缓冲池(Buffer Pool)(设备速度差距越大,缓冲区容量越大)

1)单缓冲与多缓冲

单缓冲(Single Buffer)

每当用户进程发出一I/O请求时,OS在主存中为之分配一个缓冲区。 CPU和外设轮流使用,一方处理完后等待对方处理。

双缓冲(Double Buffer)

 ■进一步加快输入和输出速度,提高设备利用率制,也称缓冲对换(Buffer Swapping)

 ■输入:数据送入第一缓冲区,装满后转向第二缓冲区。

 ■读出:OS从第一缓冲区中移出数据,送入用户进程,再由CPU对数据进行计算。

多缓冲引入

I/O与CPU速度基本相匹配,采用双缓冲能获得较好的效果,基本上能并行操作。 但,若两者的速度相差甚远,双缓冲的效果仍不够理想;

为进一步协调速度差,可增加缓冲区数量,同时进行一定的多缓冲管理入和出的同步。     

引入多缓冲机制。组织形式:循环缓冲、缓冲池。

2)循环缓冲(circular buffer)

第6章 设备管理_第2张图片

设置多块缓冲区 用循环结构组织,只供两个相关进程使用 顺一个方向放入或取出

①循环缓冲的组成

■多个缓冲区。大小相同,三种类型:

  ○预备装输入数据的空缓冲区R

  ○装满数据的缓冲区G

  ○计算进程正在使用的现行工作缓冲区C

■多个指针。

 ○指示正在使用的缓冲区C的指针Current

 ○指示计算进程下一个可取的缓冲区G的指针Nextg

 ○指示输入进程下次可放的缓冲区R的指针Nexti

②循环缓冲区的使用

计算进程(CPU)和输入进程(I/O操作)可利用两个过程来使用循环缓冲区。 主要就是利用指针,操作上述不同类型缓冲区

一个时段只能用于输入或输出,不能同时双向通信。

③进程同步

两个进程的控制:输入进程和计算进程并行执行,如何控制相应的两个指针不断顺时针方向移动,这样就可能出现两种情况: 1)Nexti赶上Nextg。意味着输入速度大于计算速度,缓冲区满,只能阻塞输入进程等计算进程取,此情况称为系统受计算限制。

2)Nextg赶上Nexti。意味着输入速度低于计算速度,缓冲区空,只能阻塞计算进程等输入进程放,此情况称为系统受I/O限制。

3)缓冲池(Buffer Pool)

循环缓冲的问题

不能同时双向通讯

利用率不高。缓冲区是专用缓冲。(每个进程都要维护自己的一个循环缓冲区),使用有剩余时也不给其他进程使用,消耗大量内存空间。

系统并发程序很多时,许多这样的循环缓冲需要管理,比较复杂。

为提高缓冲区的利用率,目前广泛流行缓冲池,在池中设置多个可供若干个进程共享的缓冲区。

系统将多个缓冲区形成一个缓冲池。 池中缓冲区为系统中所有的进程共享使用(如UNIX系统在块设备管理中设置了一个15个缓冲区组成的缓冲池) 组织形式:队列及队列指针

①缓冲池的组成

对于既可输入又可输出的公用缓冲池,至少应含有下列三种类型的缓冲区:

  空缓冲区;

 ■装满输入数据的缓冲区;

 装满输出数据的缓冲区;     

为方便管理,将上述类型相同的缓冲区连成队列

 空缓冲区队列(所有进程都可用)

 输入队列(n个进程有各自的队列)

 输出队列(n个进程有各自的队列)

②缓冲区的工作方式

四种工作方式:

1)收容输入:Getbuf(emq),hin;输入数据填入一空缓冲区;Putbuf(inq,hin)

2)提取输入: Getbuf(inq),sin;从输入缓冲队列中取出一数据区的内容;Putbuf(emq,sin)

3)收容输出: Getbuf(emq),hout;输出数据填入一空缓冲区;Putbuf(outq,hout)

4)提取输出: Getbuf(outq),sout;从输出缓冲队列中取一数据区的内容;Putbuf(emq,sout)

八,磁盘存储器的性能和调度

1)磁盘性能简述

首先与格式有关 数据的组织和格式

  盘片、面、磁道、扇区

  为方便处理,每条磁道存储容量相同,每个磁道上的每个扇区相当于一个盘块。磁盘”格式化”的过程就是按规定的格式规划盘块。

与速度有关

 磁盘类型    固定磁头(每道一磁头)  移动磁头(每盘一磁头)

访问时间的计算 寻道时间(到磁道) 旋转延迟(到扇区) 传输时间

2)磁盘调度方法

对所有请求访问磁盘的进程进行合理调度,使对磁盘的平均访问时间最小。

目标:使平均寻道时间最少。

算法:

①FCFS

多个进程的磁盘I/O请求构成一个随机分布的请求队列。 磁盘I/O执行顺序按磁盘请求的先后顺序。

②最短寻道时间优先SSTF

选择从当前磁头位置出发移动最少的磁盘I/O请求

使每次磁头移动时间最少。 不一定是最短平均柱面定位时间,但比FIFO算法有更好的性能。 对中间的磁道有利,但可能会有进程处于饥饿状态(I/O请求总不被执行)。

③扫描算法SCAN(磁盘电梯调度算法)

规定磁头移动方向:自里向外,再自外向里移动。 后续的I/O磁道请求,哪个在规定方向上距离最近,就先执行哪个。

如当前为100,后续要求55,86,95,180,165,105

   先由内向外:选最近的105执行,再判断剩余的,选165,180。

   再由外向内:95,86,55

◼循环扫描CSCAN

SCAN的错过问题: 容易错过与当前磁道距离近,但方向不一致的磁道。

修改:将SCAN规定的移动方向改为“单向移动” 由里向外后,再由里向外。

◼N-Step-SCAN

将磁盘请求队列分成长为N 的子队列 按FCFS选择子队列。队列内又按SCAN算法。

3 3 5 2 |3 3 3 2| 3 3 2 3| 3 4 4 5| 2 3 ….2 3

处理子队列过程中产生的新I/O再依次排队列。 N=1时,就是FCFS,N很大时就是SCAN。

◼F-SCAN N-Step-SCAN的简化:

请求队列只分为两个子队列 当前一个队列,按SCAN算法执行; 扫描期间新生成的组成一个队列,等待被扫描。

 

 

你可能感兴趣的:(操作系统)