操作系统原理之I/O设备管理（第六章上半部分下）

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