操作系统原理之I/O设备管理（第六章下半部分）

五、I/O软件原理

输入输出软件的总体目标是将软件组织成一种层次结构

• 低层软件用来屏蔽硬件的具体细节
• 高层软件则主要是为用户提供一个简洁、规范的界面

设备管理的4个层次：

• 用户层软件 -》向系统发出I/O请求，显示I/O操作的结果，提供⽤户与设备的接⼝
• 与设备无关的软件层-》完成设备命名、设备分配、设备独⽴性和缓冲管理等功能
• 设备驱动程序-》与硬件关系最密切，包括设备服务程序和中断处理程序
• 中断处理程序（底层）-》

 

设备管理软件的功能：

（1）实现I/O设备的独⽴性
（2）错误处理
（3）异步传输
（4）缓冲管理
（5）设备的分配和释放
（6）实现I/O控制⽅式

中断处理程序

　　中断处理程序的作⽤：I/O中断处理程序的作⽤是将发出I/O请求⽽被阻塞的进程唤醒

设备驱动程序：

 

 

 与硬件⽆关的I/O软件：

与设备⽆关的I/O软件的功能如下：

（1）设备命名

（2）设备保护

（3）提供独⽴于设备的块⼤⼩

（4）为块设备和字符设备提供必要的缓冲技术

（5）块设备的存储分配

（6）分配和释放独⽴设备

（7）错误处理

六、 磁盘管理

• 磁盘存储器容量⼤，存取速度快，⽽且可以实现随机存取，是存放⼤量程序和数据的理想设备；
• 磁盘管理的重要⽬标是提⾼磁盘空间利⽤率和磁盘访问速度

磁盘结构：

　　⼀个物理记录存储在⼀个扇区上，磁盘存储的物理记录数⽬是由扇区数、磁道数及 磁盘⾯数决定的。

 

 

 

 

 磁盘类型：

• 固定头磁盘 在每条磁道上都有读/写磁头                       
• 活动头磁盘 (移动头)：每⼀个盘⾯仅配有⼀个磁头

 磁盘访问时间：

 

 

 磁盘调度

　　磁盘调度的一个重要目标是使磁盘的平均寻道时间最少

 磁盘调度算法

• 先来先服务 (First Come First Served, FCFS)
  • 最简单的磁盘调度算法 根据进程请求访问磁盘的先后顺序进⾏调度
  • 优点：公平、简单，且每个进程的请求都能依次得到处理，不会出现某⼀ 进程的请求⻓期得不到满⾜的情况
  • 缺点：平均寻道时间较⻓
  •  
• 最短寻道时间优先 (Shortest Seek Time First, SSTF)
  • 该算法选择的进程：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。
  • 优点：每次的寻道时间最短，较之FCFS有更好的寻道性能
  • 缺点：可能导致某个进程发⽣“饥饿”现象
  •  
• 扫描算法 (SCAN)

　　　　不仅考虑到要访问的磁道与当前磁道的距离，更优先考虑磁头当前的移动⽅向。

　　　　优点：有较好的寻道性能，防⽌“饥饿”现象
　　　　缺点：有时候进程请求被⼤⼤推迟

• 循环扫描算法 (CSCAN)

　　　　在扫描算法的基础上，规定磁头是单向移动的。将最⼩磁道号紧接着最⼤磁道号构成循环，进⾏循环扫描。

• NStepSCAN和FSCAN调度算法

　　　　

 

 

　　　　这两种算法可以避免磁臂粘着

　　

 

 

 

计算题

假设磁盘有1000个磁道，若磁盘请求是一些随机请求，它们按照到达的次序分别处于 811、 348、153、968、407、580、233、679、801、121磁道。当前磁头在656号 磁道上，并且读写磁头正在向磁道号增加的方向移动。

要求： 1.给出用FCFS算法进行磁盘调度时满足请求的次序，并计算出它们的平均寻道长度。

 

 2.给出用SSTF算法进行磁盘调度时满足请求的次序，并计算出它们的平均寻道长度。

 

 

假设磁盘有1000个磁道，若磁盘请求是一些随机请求，它们按照到达的次序分别处于150、 160、 184、90、58、55、39、38、18磁道。当前磁头100号磁道上，并且读写磁头正在向磁道号增 加的方向移动。

要求： 1.给出用SCAN算法进行磁盘调度时满足请求的次序，并计算出它们的平均寻道长度。

 

 2.给出用CSCAN算法进行磁盘调度时满足请求的次序，并计算出它们的平均寻道长度。

 

 

提⾼磁盘I/O速度的⽅法

 

 为了提高磁盘I/O速度，用来暂存从磁盘中读出的一系列盘块中的信息的方 法是磁盘高速缓存