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操作系统第九章部分

news 2025/6/24 17:32:38

设备与IO

-1:设备及其分类

--存储型设备

磁盘，磁带，光盘

--IO型设备

扫描仪，打印机，mouse，keyboard，monitor，

--网络设备

网卡，交换机，etc.

-管理类型:

共享型设备（块型）:多个进程的IO操作以块为单位可以交叉

独占型设备（块型）:多个进程的IO操作以块为单位不宜交叉

独占型设备（字符型）:多个进程的IO操作以字符为单位不能交叉

-2设备的物理特性

--IO设备的物理特性:

传输一字节发生一次中断

--存储设备的物理特性:

---磁带的物理特性:

操作:反绕，正向查找，反向查找，读，写

地址：一维

文件：顺序结构

---磁盘组的物理特性

(扇区,柱面,引臂,盘面)

杀(扇)猪(柱)盘

引入了==>(柱面i,盘面j,扇区k)的三维地址用来定位一个块(三对一)

(注意这里是优先扇=>盘=>柱)

三对一: b=i*m*n+j*n+k

一对三: i=b/(m*n)

j=b mod (m*n) /n

k=b mod (m*n) mod n

扇区编号:

没有考虑读写延迟的编号

考虑读写延迟的编号(单):

(双)

--光盘的物理性质:

读取原理: pit/land

螺旋线,22188圈(展开5.6km),

内侧转速:530转/分; 外侧转速:200转/分(密度均匀,读取速度均匀)

-3IO传输方式

（查询、中断、通道、DMA）

-程序查询方式

(cpu和设备不能并行)

缺点:

(1)处理机与设备串行工作;

(2)消耗大量处理机时间

-中断方式

(cpu和设备可以并行,但是cpu会处理大量的中断)

特点:

(1)CPU与设备并行工作

(2)设备多时对CPU打扰多

-通道方式

(特殊的一个处理器,来解决io操作)

负责IO操作的处理机

-指令系统

--基本操作：控制、读、写、转移、结束

--指令格式：（操作码，传输量，特征位，地址）

-运控部件:--CAW，CCW，CSW，CDW

存储区域（与CPU共用内存,通道内有缓冲区）

--通道程序，IO数据

通道的分类:

字节多路通道: 多个非分配型子通道，连接低速外围设备

数组选择通道; 一个分配型子通道，连接多台高速设备

数组多路通道: 多个非分配型子通道，连接多台高速设备

-直接内存方式

(DMA控制器来直接去获取IO块)

过程:
①CPU通过设置DMA控制器实现DMA编程，同时启动磁盘控制器由磁盘读入数据至内部缓冲区并进行和校验；

②DMA控制器向磁盘控制器发出读请求，并将内存地址放在地址总线上；

③磁盘控制器将字节传到内存指定单元；

④磁盘控制器向DMA控制器发送回答；

⑤DMA控制器将内部地址寄存器加1同时将记数减1，重复上述过程②─④直至计数器为0，此时DMA控制器向CPU发出中断信号.

-4设备分配与去配

--1独占型设备的分配与去配

块型独占

字符型独占

用户使用独占型设备活动：

申请，使用，使用，…，使用，释放

过程

申请：(1) 根据设备类查SDT表

(2) P(Sm)

(3) 查UCB表找一空闲设备并分配

使用：(1) 分配通道

(2) IO传输

(3) 去配通道

释放：(1) 找SDT表对应入口

(2) 查UCB表，去配

(3) V(Sm)

--2共享型设备的分配与去配:

块型共享

共享型设备的分配与去配

-用户使用共享型设备活动

使用，使用，…，使用

特征

来自文件系统；

每次读（写）一块；

通常经过缓冲；

排队优化。

使用

分配通道；IO操作；释放通道

-5设备驱动

通道程序

-CCW指令序列 (CAW依次遍历去得到CCWi放入CCW)

-静态编制或动态生成

设备启动

-通道启动

中断处理

-通道向CPU发的中断

-6设备调度****

优化服务顺序

考虑因素:公平性(防止饿死)_和_高效性(减少磁盘引臂移动量)

引臂调度算法:

FCFS:

SSTF:

SCAN算法(LOOK)

区别在于到不到底

C-SCAN(C-LOOK)

区别:跨越的路径走不走

N-SCAN(内大外小)

将磁盘请求队列分为若干个长度为N的子队列，每个队列内采用SCAN算法

例子：磁道由外向内编号0-99,磁头当前位置20,向内移动,N=4

12, 5, 7, 30, 60, 77, 13, 26, 61, 80, 53, 66

20→30→12→7→5→13→26→60→77→80→66→61 →53

当N很大时，接近SCAN算法

当N=1时，蜕化为FCFS算法

F-SCAN

将磁盘请求分为两个子队列，

服务队列

请求队列

用SCAN算法扫描服务队列，并为请求服务，服务期间新到达的请求入请求队列

扫描完成后交换两个队列的地位

-7磁盘IO参数

首先分析一下读/写一个磁盘块需要多少时间。它一般由如下

三个因素确定：

寻道时间（seek time）：将磁盘引臂移动到指定柱面所需要的时间；

旋转延迟（rotational delay）：指定扇区旋转到磁头下的时间；

传输时间（transfer time）：读/写一个扇区的时间

寻道时间Ts计算公式如下：

Ts=m×n﹢s

其中，n为跨越磁道数，m为跨越一个磁道所用时间，s为启动时间。

旋转延迟Tr计算公式如下：

Tr=1/(2r)

其中，r为磁盘转速。该公式给出的是平均旋转延迟，它是磁盘旋转一周时间的一半，即旋转半周所花费的时间。

传输时间Tt计算公式如下：

Tt=b/(rN)

其中，b为要读/写字节数，r为磁盘转速，N为一条磁道上的字节数。

(读取1/M的部分)

例题:

例8-1．设有一个只有一个移动磁头的磁盘，磁道由外向内编号0、1、2、…、199，磁头移动一个磁道所需时间为1ms，每个磁道有100个扇区，磁盘转速6000r/m。采用CLOOK引臂调度算法，当前引臂位置处于第100磁道，当前移动方向由外向内，并规定引臂向内扫描时为路经请求服务。对于如下磁道请求120、85、70、30，每个请求访问对应磁道上的一个扇区，问：

(1)给出引臂移动序列，计算引臂移动量和寻道时间，忽略启动时间；

(2)计算平均旋转延迟时间；

(3)计算传输时间；

(4)计算所有访问处理时间。