第六章 输入输出系统【操作系统】1

简介: 第六章 输入输出系统【操作系统】1

6.7.4 缓冲池(Buffer Pool)

1. 缓冲池的组成
空缓冲链队列emp:由空缓冲区组成

输入缓冲链队列inq:由装满输入数据的缓冲区组成

输出缓冲链队列out:由装满输出数据的缓冲区组成

4种工作缓冲区

收容输入、提取输入、收容输出、提取输出。

从某队列上取下来操作完后再挂到另一队列上
2. Getbuf过程和Putbuf过程

缓冲池中的队列是临界资源要考虑互斥与同步

Procedure Getbuf(q,buf);    从q队列头摘下缓冲区buf
   begin
       Wait(RS(q));               信号量RS(q)是队列q的长度
       Wait(MS(q));           MS(q)是对q操作的互斥信号量
       buf:=Takbuf(q);
       Signal(MS(q));
   end
Procedure Putbuf(q,buf);         buf加到q队列的队尾
   begin
       Wait(MS(q));
       Addbuf(q,buf);
       Signal(MS(q))
       Signal(RS(q));
   end

3. 缓冲区的工作方式
收容输入的工作方式:当输入进程需要输入数据时

调用Getbuf(emp,hin)过程, 从emp队列首摘下空缓

冲区作为收容输入工作缓冲区hin

(2) 把数据输入到工作缓冲区hin

(3) 调用Putbuf(inq,hin),将hin挂到inq队列尾


提取输入工作方式:当计算进程需要提取输入数据时

(1) 调用Getbuf(inq, sin)过程,从inq队列头摘下缓冲区

作为提取输入工作缓冲区sin

(2) 计算进程从工作缓冲区sin中提取数据

(3) 调用Putbuf(emp,sin), 将sin挂在emp队列尾



6.8 磁盘存储器的性能和调度

改善磁盘系统的性能:

1)选择好的磁盘调度算法,以减少磁盘的寻道时间。

2)提高磁盘 I/O 速度,以提高对文件的访问速度。

3)采取冗余技术,提高磁盘系统的可靠性,建立高度可靠的文件系统。

6.8.1 磁盘性能简述

1. 数据的组织和格式
磁盘设备可包括一个或多个物理盘片,每个磁盘片分一个或两个存储面(Surface),每个盘面上有若干个磁道(Track),磁道之间留有必要的间隙(Gap)。为使处理简单起见,在每条磁道上可存储相同数目的二进制位。 这样,磁盘密度即每英寸中所存储的位数,显然是内层磁道的密度较外层磁道的密度高。每条磁道又被逻辑上划分成若干个扇区(sectors),软盘大约为 8~32 个扇区,硬盘则可多达数百个,图中显示了一个磁道分成 8 个扇区。一个扇区称为一个盘块(或数据块),常常叫做磁盘扇区。各扇区之间保留一定的间隙。


磁盘上存储的物理记录块数目是由扇区数、磁道数以及磁盘面数所决定的。

为了在磁盘上存储数据,必须先将磁盘低级格式化。下图示出了一种温盘(温切斯特盘)中一条磁道格式化的情况。



其中每条磁道含有 30 个固定大小的扇区,每个扇区容量为 600 个字节,其中 512 个字节存放数据,其余的用于存放控制信息。

每个扇区包括两个字段:

1)标识符字段(ID Field),其中一个字节的 SYNCH 具有特定的位图像,作为该字段的定界符,利用磁道号(Track)、 磁头号(Head #)及扇区号(Sector #)三者来标识一个扇区;CRC 字段用于段校验。

2)数据字段(Data Field),其中可存放 512 个字节的数据。

值得强调的是,在磁盘一个盘面的不同磁道(Track)、每个磁道的不同扇区(Sector),以及每个扇区的不同字段(Filed)之间,为了简化和方便磁头的辨识,都设置了一个到若干个字节不同长度的间距(Gap,也称间隙)。

磁盘格式化完成后,一般要对磁盘分区。

但是,在真正可以使用磁盘前,还需要对磁盘进行一次高级格式化,即设置一个引导块、空闲存储管理、根目录和一个空文件系统,同时在分区表中标记该分区所使用的文件系统。

2. 磁盘的类型

对磁盘,可以从不同的角度进行分类。最常见的有:将磁盘分成硬盘和软盘、单片盘和多片盘、固定头磁盘和活动头(移动头)磁盘等。

1)固定头磁盘。在每条磁道上都有一读/写磁头,所有的磁头都被装在一刚性磁臂中。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。广泛应用于中小型磁盘设备中,在微型机上配置的温盘和软盘都采用移动磁头结构。

3. 磁盘访问时间

1)寻道时间 Ts,这是指把磁臂(磁头)移动到指定磁道上所经历的时间。

2)旋转延迟时间 Tr,这是指定扇区移动到磁头下面所经历的时间。

3)传输时间 Tt,这是指把数据从磁盘读出或向磁盘写入数据所经历的时间。

6.8.2 早期的磁盘调度算法

由于在访问磁盘的时间中,主要是寻道时间,因此,磁盘调度的目标是使磁盘的平均寻道时间最少。

1. 先来先服务 FCFS

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;

缺点:效率低, 相临两次请求可能会造成最内到最外的柱面寻道, 使磁头反复移动, 增加了平均寻道时间

设磁盘访问序列: 80, 55, 58, 39, 18, 90,160,150, 38,184




2. 最短寻道时间优先

该算法选择这样的进程:其要求访问的磁道与当前磁头所在的磁道距离最近,以使每次的寻道时间最短。但这种算法不能保证平均寻道时间最短。


优点:磁盘的平均寻道时间最小

缺点:进程"饥饿"现象, 有时会造成与当前磁道距离远的访问请求长期等待得不到服务(不公平)




6.8.3 基于扫描的磁盘调度算法

1. 扫描(SCAN)算法

SSTF算法可能导致优先级低(即不断出现的新进程所要访问的磁道与当前磁头的位置时钟较劲,使原本较远的进程一直得不到满足)的进程发生“饥饿”现象。

扫描算法不仅考虑到欲访问的磁道与当前磁道间的距离,更优先考虑的是磁头当前的移动方向。例如,当磁头正在自里向外移动时,SCAN 算法所考虑的下一个访问对象,应是其欲访问的磁道既在当前磁道之外,又是距离最近的。这样自里向外地访问,直至再无更外的磁道需要访问时,才将磁臂换向为自外向里移动。这时,同样也是每次选择这样的进程来调度,即要访问的磁道在当前位置内且距离最近者。

由于在这种算法中磁头移动的规律颇似电梯的运行,因而又常称之为电梯调度算法。


2. 循环扫描(CSCAN)算法

循环扫描算法是对扫描算法的改进。如果对磁道的访问请求是均匀分布的,当磁头到达磁盘的一端,并反向运动时落在磁头之后的访问请求相对较少。这是由于这些磁道刚被处理,而磁盘另一端的请求密度相当高,且这些访问请求等待的时间较长,为了解决这种情况,循环扫描算法规定磁头单向移动。例如,只自里向外移动,当磁头移到最外的被访问磁道时,磁头立即返回到最里的欲访磁道,即将最小磁道号紧接着最大磁道号构成循环,进行扫描。


3. NStepSCAN 和 FSCAN 调度算法

1)NStepSCAN算法。

在 SSTF、 SCAN 及 CSCAN 几种调度算法中,都可能会出现磁臂停留在某处不动的情况。例如,有一个或几个进程对某一磁道有较高的访问频率,即这个(些)进程反复请求对某一磁道的 I/O 操作,从而垄断了整个磁盘设备。我们把这一现象称为“磁臂粘着”。

NStepSCAN 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。当正在处理某子队列时,如果又出现新的磁盘 I/O 请求,便将新请求进程放入其他队列,这样就可避免出现粘着现象。当 N 值取得很大时,会使 N 步扫描法的性能接近于 SCAN 算法的性能;当 N=1 时,N 步 SCAN 算法便蜕化为 FCFS 算法。

2)FSCAN 算法。

FSCAN 算法实质上是 N 步 SCAN 算法的简化,即 FSCAN 只将磁盘请求队列分成两个子队列。一个是由当前所有请求磁盘 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,将新出现的所有请求磁盘 I/O 的进程,放入另一个等待处理的请求队列。这样,所有的新请求都将被推迟到下一次扫描时处理。




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