設備管理-用戶層IO軟件 緩衝 磁盤
一、用戶層的I/O軟件
系統調用與庫函數
- 不允許運行在用戶態的應用進程，去直接調用運行在覈心態（系統態）的OS過程
- 應用進程在運行時，又必須取得OS所提供的服務
- OS在用戶層中引入了系統調用，應用程序可以通過它，間接調用OS中的I/O過程，對I/O設備進行操作
SPOOLing技術（假脫機操作）
- 虛擬性是OS的四大特徵之一
- 多道程序技術，專門利用程序模擬脫機I/O的外圍機，完成設備I/O操作。稱這種聯機情況下實現的同時外圍操作爲SPOOLing 技術。
SPOOLing系統的組成
- 輸入井和輸出井：磁盤上開闢兩大存儲空間。輸入井模擬脫機輸入的磁盤設備，輸出井模擬脫機輸出時的磁盤。
- 輸入緩衝區和輸出緩衝區：爲緩解速度矛盾，內存中開闢兩大緩衝空間，輸入緩衝區暫存輸入設備送來的數據，再送給輸入井；輸出緩衝區暫存輸出井送來的數據，再送輸出設備。
- 輸入進程和輸出進程：用一進程模擬脫機輸入時外圍設備控制器的功能，把低速輸入設備上的數據傳送到高速磁盤上；
用另一進程模擬脫機輸出時外圍設備控制器的功能，把數據從磁盤上傳送到低速輸出設備上。
SPOOLing系統的特點
- 提高了I/O的速度。
- 將獨佔設備改造爲共享設備。
- 最終，實現了虛擬設備功能。多個進程可“同時”使用一臺獨佔設備。
二、緩衝管理
緩衝管理
- I/O控制方式減少CPU對I/O的干預提高利用率；
- 緩衝則通過緩和CPU和I/O設備速度不匹配矛盾，增加CPU和I/O設備的並行性，提高利用率。
- 現代OS中，幾乎所有的I/O設備與處理機交換數據時，都用了緩衝區。
使用緩衝區的方式
設備速度差距越大，緩衝區容量越大
- 單緩衝、多緩衝
- 循環緩衝
- 緩衝池（Buffer Pool）
單緩衝與多緩衝
1）單緩衝
OS在主存中爲之分配一個緩衝區。
CPU和外設輪流使用，一方處理完後等待對方處理。
2）雙緩衝
兩個緩衝區，CPU和外設不再針對一塊交替
輸入：數據送入第一緩衝區，裝滿後轉向第二緩衝區。
讀出：OS從第一緩衝區中移出數據，送入用戶進程，再由CPU對數據進行計算。
兩個緩衝區，CPU和外設不再針對一塊交替
可能實現連續處理無需等待對方。前提是CPU和外設對一塊數據的處理速度相近。而如下圖情況CPU仍需等待慢速設備。
循環緩衝
1）簡介
設置多塊緩衝區
用循環結構組織，只供兩個相關進程使用
順一個方向放入或取出
2）循環緩衝的組成
多個緩衝區
多個指針
主要就是利用指針，操作上述不同類型緩衝區
一個時段只能用於輸入或輸出，不能同時雙向通信。
循環緩衝的問題：
不能同時雙向通訊
利用率不高
系統併發程序很多時，許多這樣的循環緩衝需要管理，比較複雜。
緩衝池（可雙向緩衝）
緩衝區是專用緩衝。（每個進程都要維護自己的一個循環緩衝區），使用有剩餘時也不給其他進程使用，消耗大量內存空間。
系統將多個緩衝區形成一個緩衝池。
池中緩衝區爲系統中所有的進程共享使用（如UNIX系統在塊設備管理中設置了一個15個緩衝區組成的緩衝池）
組織形式：隊列及隊列指針
a.緩衝池的組成
對於既可輸入又可輸出的公用緩衝池，至少應含有下列三種類型的緩衝區：
空緩衝區；
裝滿輸入數據的緩衝區；
裝滿輸出數據的緩衝區；
爲方便管理，將上述類型相同的緩衝區連成隊列
空緩衝區隊列（所有進程都可用）
輸入隊列（n個進程有各自的隊列）
輸出隊列（n個進程有各自的隊列）
*（隊列長度不固定，根據進程實際情況靈活變動，需要多少用多少）
b.緩衝區的工作方式
收容輸入：Getbuf(emq),hin；輸入數據填入一空緩衝區；Putbuf(inq,hin)
提取輸入： Getbuf(inq),sin；從輸入緩衝隊列中取出一數據區的內容；Putbuf(emq,sin)
收容輸出： Getbuf(emq),hout；輸出數據填入一空緩衝區；Putbuf(outq,hout)
提取輸出： Getbuf(outq),sout；從輸出緩衝隊列中取一數據區的內容；Putbuf(emq,sout)
三、磁盤存儲器的性能和調度
磁盤性能簡述
數據的組織和格式：盤片、面、磁道、扇區
爲方便處理，每條磁道存儲容量相同，每個磁道上的每個扇區相當於一個盤塊。
磁盤類型
固定磁頭（每道一磁頭）
移動磁頭（每盤一磁頭）
訪問時間的計算
尋道時間（到磁道）
旋轉延遲（到扇區）
傳輸時間：傳輸時間佔總時間的比例最小，磁盤讀寫速度的提高要選擇合適的調度算法，減少前兩項用時，使所有作業的磁盤處理時間均衡。
磁盤調度算法
FCFS
多個進程的磁盤I/O請求構成一個隨機分佈的請求隊列。
磁盤I/O執行順序按磁盤請求的先後順序。
最短尋道時間優先SSTF（會導致“飢餓”現象）
選擇從當前磁頭位置出發移動最少的磁盤I/O請求
使每次磁頭移動時間最少。
不一定是最短平均柱面定位時間，但比FIFO算法有更好的性能。
對中間的磁道有利，但可能會有進程處於飢餓狀態（I/O請求總不被執行）。
問題：總選擇最近的磁道訪問，遠磁道請求的進程會長時間得不到執行。
掃描算法SCAN（磁盤電梯調度算法）
規定磁頭移動方向：自裏向外，再自外向裏移動。
後續的I/O磁道請求，哪個在規定方向上距離最近，就先執行哪個。
問題：容易錯過與當前磁道距離近，但方向不一致的磁道。
循環掃描CSCAN：由裏向外後，再由裏向外。
問題：“磁臂粘着”——磁頭靜止在一個磁道上，導致其它進程無法及時進行磁盤I/O。
N-Step-SCAN
將磁盤請求隊列分成長爲N 的子隊列
按FCFS選擇子隊列。隊列內又按SCAN算法。
3 3 5 2 |3 3 3 2| 3 3 2 3| 3 4 4 5| 2 3 ….2 3
處理子隊列過程中產生的新I/O再依次排隊列。
N=1時，就是FCFS，N很大時就是SCAN。
對磁盤的訪問總是由缺頁引起的
（1）緩衝技術中的緩衝池在：主存中。
（2）爲了實現CPU與外設的並行工作，系統引入了：中斷和通道硬件機制。
（3）引起中斷髮生的事件稱爲：中斷源。
（4）設備分配中的安全性是指：設備分配應保證不會引起進程死鎖。