- 磁盘性能简述
首先与格式有关
- 数据的组织和格式
- 盘片、面、磁道、扇区
- 为方便处理，每条磁道存储容量相同，每个磁道上的每个扇区相当于一个盘块。磁盘”格式化”的过程就是按规定的格式规划盘块。
如温盘格式：
-
- 每道30个扇区，每扇600个字节。512字节用于存放数据，其余存放控制信息。
- 标识符字段：标识一个扇区的信息记录； 1+2+1+1+3 bytes
- 数据字段：每个扇区存放数据的空间。
数据前后还有若干特定功能字节。 1+512+2 bytes
与速度有关
- 磁盘类型
- 固定磁头（每道一磁头）
- 移动磁头（每盘一磁头）
- 访问时间的计算
- 寻道时间（到磁道）
- 旋转延迟（到扇区）
- 传输时间
传输时间占总时间的比例最小，磁盘读写速度的提高要选择合适的调度算法，减少前两项用时，使所有作业的磁盘处理时间均衡。
2）磁盘调度方法
- 对所有请求访问磁盘的进程进行合理调度，使对磁盘的平均访问时间最小。
- 目标：使平均寻道时间最少。
- 算法：
- FCFS
- 最短寻道时间优先SSTF
- 扫描算法SCAN（磁盘电梯调度算法）
- 循环扫描算法CSCAN
- N-Step-SCAN算法
- FSCAN算法
FCFS
- 多个进程的磁盘I/O请求构成一个随机分布的请求队列。
- 磁盘I/O执行顺序按磁盘请求的先后顺序。
最短寻道时间优先SSTF Shortest Seek Time First
- 选择从当前磁头位置出发移动最少的磁盘I/O请求
- 使每次磁头移动时间最少。
- 不一定是最短平均柱面定位时间，但比FIFO算法有更好的性能。
- 对中间的磁道有利，但可能会有进程处于饥饿状态（I/O请求总不被执行）。
设当前在100磁道上；
进程要求的访问顺序：55，58，39，18，90，160，150，38，184
扫描算法SCAN（磁盘电梯调度算法）
- SSTF会导致“饥饿”现象
- 总选择最近的磁道访问，远磁道请求的进程会长时间得不到执行。
- 改进：
- 考虑距离的同时，更优先考虑方向
- SCAN算法
- 规定磁头移动方向：自里向外，再自外向里移动。
- 后续的I/O磁道请求，哪个在规定方向上距离最近，就先执行哪个。
- 如当前为100，后续要求55，86，95，180，165，105
- 先由内向外：选最近的105执行，再判断剩余的，选165，180。
再由外向内：95，86，55
- 循环扫描CSCAN
- SCAN的错过问题：
- 容易错过与当前磁道距离近，但方向不一致的磁道。
- 修改：将SCAN规定的移动方向改为“单向移动”
- 由里向外后，再由里向外。
- N-Step-SCAN
- 前述最近寻道算法共同问题：
- “磁臂粘着”——磁头静止在一个磁道上，导致其它进程无法及时进行磁盘I/O。（因：高密度盘，进程的读写可能集中在某一磁道）
- 如现有一系列请求：
3 3 5 2 3 3 3 2 3 3 2 3 3 4 4 5 2 3 3 3 4 4 2 3 3 3 2 2 2 3
不管哪种算法，从3开始向下执行会是
3 3 3 3 3 3 3 3 3 3….2 2 2 2 2 2 … 4 4 ….
- 改进：
- 将磁盘请求队列分成长为N 的子队列
- 按FCFS选择子队列。队列内又按SCAN算法。
3 3 5 2 |3 3 3 2| 3 3 2 3| 3 4 4 5| 2 3 ….2 3
-
- 处理子队列过程中产生的新I/O再依次排队列。
- N=1时，就是FCFS，N很大时就是SCAN。
- F-SCAN
- N-Step-SCAN的简化：
- 请求队列只分为两个子队列
- 当前一个队列，按SCAN算法执行；
- 扫描期间新生成的组成一个队列，等待被扫描。
- 假设一个活动头磁盘有２００道，编号从０－１９９。当前磁头正在１５５道上服务，并且在此之前完成的是１７３道的访盘请求。
现有如下访盘请求序列（磁盘号）：７５，１６８，８１，１３８，８７，１４３，１８７，１２９，１９８，４４。试给出采用下列算法后磁头移动的顺序和移动总量(总磁道数)。
1.最短寻道时间优先（SSTF）磁盘调度算法。
2.扫描法（SCAN）磁盘调度算法（假设沿磁头移动方向不再有访问请求时, 磁头就沿相反方向移动。 44到0磁道的移动忽略不计）
答：1.SSTF磁头移动顺序：
１５５，１４３，１３８，１２９，１６８，１８７，１９８，８７，８１，７５，４４
三段（１５５～１２９，１２９～１９８，１９８～４４）
移动总量=15５-1２９+1９８-１２９+1９８-４４=2４９
2.SCAN：
１５５，１４３，１３８，１２９，８７，８１，７５，４４，１６８，１８７，１９８
两段（1５５～４４，４４～１９８）
移动总量=1５５-4４+1９８-４４=２６５
- （8分）若干个等待访问磁盘者依次要访问的柱面为20，44，40，4，80，12，76，假设每移动一个柱面需要3毫秒时间，移动臂当前位于40号柱面，请按下列算法分别计算为完成上述各次访问总共花费的寻找时间。
（1）先来先服务算法
（2）最短寻找时间优先算法。
Fcfs： 40-20+44-20+44-4+80-4+80-12+76-12=292
Sstf： 40,44,20,12,4,76,80
44-10+44-4+80-4=150
练习
- 虚拟设备是指：
通过虚拟技术将一台独占设备改造成若干台逻辑设备，供若干个用户进程同时使用。
- 按信息交换单位分类，可将设备分为：
块设备和字符设备。
- 通道是：
一种负责I/O的处理机。
- 字节多路通道主要用作：
连接大量的低速I/O设备。
- 从资源分配的角度看，操作系统将外部设备分为：
独占型设备、共享型设备、虚拟设备。
- 根据信息交换方式的不同，可以将通道分为：
字节多路通道、数据选择通道、数据多路通道。
- 设备独占性是指：
应用程序独立于具体使用的物理设备。
- 缓冲技术中的缓冲池在：
主存中。
- 进行设备分配时所需要的数据表格主要有：
设备控制表、设备控制器控制表、通道控制表和系统设备表。
- 如果有多个中断同时发生，系统将根据中断优先级响应优先级最高的中断请求。若要调整中断事件的响应次序，可以利用：
中断屏蔽。
- 在操作系统中，一种用空间换取时间的资源转换技术是：
Spooling。
- 大多数低速设备都属于：
独享设备。
- 为了实现CPU与外设的并行工作，系统引入了：
中断和通道硬件机制。
- 在操作系统中，用户在使用I/O设备时，通常采用：
逻辑设备名。
- Spooling系统是由：
磁盘中的输入井和输出井、内存中的输入缓冲区和输出缓冲区以及输入进程和输出进程组成。
- 引起中断发生的事件称为：
中断源。
- 设备与内存之间的传输方式有：
程序直接控制方式、中断控制方式、通道控制方式和DMA控制方式，其中通道方式占用CPU时间最短。
- 设备分配中的安全性是指：
设备分配应保证不会引起进程死锁。
- Spooling技术是指：
在共享设备上模拟独占设备。由预输入程序将作业执行中需访问的数据预先读入到输入井中，缓输出程序则负责将输出井中的信息在输出设备上输出。
- 发生中断时，刚执行完的那条指令所在的单元号称为：
断点，断点的逻辑后继指令的单元号称为：恢复点。
- 如何将独占型输入设备改造成可共享使用的虚拟设备？
- 为什么要设置内存I/O缓冲区？通常有哪几类缓冲区？
- 什么是设备驱动程序？其功能是什么？
- 在设备管理中，何为设备独立性？如何实现设备独立性？
- 试给出常用的I/O调度算法。
- 为什么要引入Spooling系统？Spooling系统可带来哪些好处？
- DMA控制方式与通道控制方式有什么不同？
- 设备分配时为什么要考虑安全性和设备的无关性？
访问磁盘过程
- 对磁盘的访问总是由缺页引起的：
- CPU给出地址，需要访问某存储单元；
- 并行进行TLB查找和cache查找；
- TLB查找后申明没有找到；
- 停止并行查找，并通知操作系统处理；
- 操作系统检查页表，发现该页不在内存中，需要从硬盘调入。应该如何进行呢？
- 操作系统从主存中选择一页准备换出，为调入的页安排存放空间；
- 若被换出的页是“脏”页，需要将其写回磁盘存储；
- 操作系统申请I/O总线；
- 获得批准后，发送写命令给I/O 设备（磁盘）。 紧跟着传送需要写回的页的全部数据。
- I/O控制器发现发给自己的写命令 ，加入到握手协议，并接受数据。
- 根据数据要写入的地址，读/写头移动到正确的柱面，同时，将数据接收到缓冲区。
- 寻道结束后，等待相应的扇区旋转到磁头下面，将数据写入扇区中。
- 在写入数据间隙，计算校验码并写入扇区中。
- 下一步，操作系统继续申请总线（如果还保持总线控制权，则不必申请）。
- 得到授权后，向磁盘发出读命令。
- 然后，磁盘识别地址，并转换为相应的地址段。
- 寻道，将读/写头移动到指定位置。
- 从指定扇区中读去数据，并进行校验。
- 磁盘申请I/O总线。
- 得到授权后，将数据通过总线送到内存。