操作系统精髓与设计原理(九)——I/O管理和磁盘调度
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I/O设备
外部设备可分为三类:
- 人可读
- 机器可读
- 通信
I/O功能组织
执行IO的三种技术:
- 可编程IO:处理器代表一个进程给IO模块发送一个命令;该进程计入忙等待,知道操作完成再继续执行。
- 中断驱动IO:处理器给模块发送一个命令。有两种可能:如果来自进程的的指令是非阻塞的,那么处理器继续执行后续指令,如果是阻塞的,处理器执行下一条指令来自操作系统,将当前线程设置为阻塞,并调度其他进程。
- 直接存储器访问:一个DMA模块控制内存和IO模块之间的数据交互。
直接存储器访问
DMA单元能够模拟处理器,直接获得系统总线的控制权。
工作流程如下:
- 是否请求读写操作,通过处理器和DMA之间使用读写控制线发送。
- 相关的IO设备地址传送。
- DMA获得存储器的读或者写的起始地址,并由DMA保存其寄存器中。
- 读或者写的数据长度,由DMA保存。
操作系统设计问题
设计目标
效率和通用性。
效率:一种解决方法就是多道程序设计,交换技术用于将额外的就绪进程加载到内存,从而保持处理器的工作状态。主要受到关注的是磁盘IO。
通用性:实际中很难真正实现通用性,目前所能做的就是一种层次化、模块化的方法设计io功能。
IO功能的逻辑结构
最简单的情况,本地外围设备以一种简单的方式通信,这样会涉及三个层面:
- 逻辑IO:逻辑IO模块将设备当作一个逻辑资源来处理,不关心设备控制细节。逻辑IO模块代表用户进程管理IO功能。
- 设备IO:请求的操作和数据被转换为适当的IO指令序列、通道命令和控制器指令。可以使用缓冲技术来提高使用率。
- 调度和控制:IO操作的排队、调度实际上发生在这一层。这一次是与IO模块和设备硬件正在发生交互的软件层。
可以将逻辑IO层再细分为三层:
- 目录管理:在这一层,符号文件名被转换成标识符,用标识符可以通过文件描述符表或索引表直接或间接访问文件。这一层还影响文件目录的用户操作,如添加删除等。
- 文件系统:这一层处理文件的逻辑结构以及用户指定的操作,如果打开、关闭、读写等。这一层还管理文件访问权限。
- 物理组织:就像考虑到分段和分页结构,虚拟内存地址必须转为物理地址一样,考虑到辅存设备的物理磁道和扇区结构,对文件和记录的逻辑访问也必须转换为物理外存地址。辅助存储空间和内存缓冲区分配也在这一层。
I/O缓冲
为了避嫌等待IO操作的开销和低效操作,在输入请求之前就开始执行输入传送,并在输出请求发出一段时间后才开始执行输出传送,这项技术称为缓冲。
区分两类IO设备:
- 面向块:将信息保存在块中,块的大小固定,传输过程一次传输一个块。磁盘、USB智能卡。
- 面向流:以字节流的防暑输入输出数据,没有块结构。打印机、通信端口、鼠标都是。
缓冲区可以参考我在17年写的一篇博客,里面有缓冲操作的具体代码实现。当初给一个单片机串口任务做缓冲区,分别用到了双缓冲和循环缓冲,并通过DMA来实现数据收发。
文章连接.
单缓冲
只有一个缓冲区,IO设备和用户进程直接操作这个缓冲区。
双缓冲
IO设备和用户进程分别掌握两个不同的缓冲区,当用户读完现有缓冲区,则进行缓冲交换。
循环缓冲
IO设备和用户进程分别掌握读指针和写指针,读写分离。需要控制两个指针的位置和逻辑长度的计算。
缓冲的作用
缓冲是用来平滑IO需求峰值的一种技术,缓冲是提高操作系统效率和单个进程性能的一种方法。
磁盘调度
磁盘性能参数
为了读写,磁头必须定位于指定的磁道和该磁道中指定的扇区的开始处。
寻道时间:磁头定位到磁道的时间。
旋转延迟:磁头到达扇区开始位置的时间。
存取时间:寻道时间和旋转延迟的总和。
传送时间:磁头通过下面旋转的扇区,开始执行读操作或写操作,传输所需的时间。
磁盘调度策略
产生性能差异的原因可以追溯道寻道时间。
先进先出
按照收到顺序执行。公平的优点。
优先级
不能优化磁盘的使用率,但可以满足操作系统的其他优化目标。通常批作业和交互作业的优先级比较高,长时间作业的优先级低。
后进先出
把设备资源提供给最近的用户,会导致磁头臂在一个顺序文件中移动时移动的得很少,甚至不移动,这样就可以提高吞吐量,减小队列长度。但是可能会出现饥饿。
最短服务时间优先
该策略(SSTF)选择使磁头臂从当前位置开始移动最少的磁盘IO请求,因此,该策略总是选择导致最小寻道时间的请求。但是这样并不能保证平均时间最小,可以比FIFO提供更好的性能。
SCAN
为了避免出现饥饿,要求磁头臂只沿着一个方向移动,并在途中满足所有未完成的请求。直到它达到这个方向上的最后一个磁道,或者哎这个方向上没有别的请求为止,接着反转服务方向,沿着相反方向扫描。
局部性能不如SSTF。该策略偏好请求接近最里或最靠外的磁道的作业,斌且偏好最近作业。C-SCAN可以解决前者,N-step-SCAN可以解决后者。
C-SCAN
该策略把扫描限定在一个方向上。当访问到沿着某个方向的最后一个磁道时,磁头臂返回到磁盘相反方向磁道的末端,再次开始扫描。
N-step-SCAN
该策略将磁盘请求队列分为长度为N的子队列,每次用SCAN处理一个子队列,处理某一个队列是,新请求必须添加到其他队列中。
磁盘高速缓存
高速缓冲存储器通常指一个比内存小且比内快的存储器。这个存储器位于内存和处理器之间。同样的原理,可以利用在磁盘。当一个请求来的时候,现在告诉缓存中查看时候存在,不存在的话再到磁盘中读取。
设计考虑
置换策略,新的块替换老的块。
利用最近最少使用算法(LRU):置换高速缓存中未被访问的时间最长的块。
最不常用算法(LFU):置换集合中被访问次数最少的块。如果在短时间内需要多次访问,则LFU算法就不好了,为了克服这个问题,一种称为基于频率的置换算法就不错。
UNIX I/O
UNIX中每个IO设备都于一个特殊文件关联。它们由文件系统管理,并且按照于用户数据相同的方式被读写,这就给用户和进程一个清晰的接口。
UNIX包含两种IO:有缓冲和无缓冲。
有缓冲的就是通过高速缓存发送,无缓冲的就是直接在IO模块和进程之间传送(包括DMA)。