操作系统-9——I/O管理和磁盘调度

一、I/O功能的组织

四种技术：

• 程序控制I/O：CPU忙等I/O结束，串行工作。
• 中断驱动I/O：各种设备通用，中断次数多。
• 直接存储器访问DMA：速度快、数据量大。在完成一个数据块I/O之后，下个CPU发出一次中断，中断次数少。适合于磁盘，网络接口等的I/O。
• **通道Channe**l：比DMA效率跟高，通道具有自己的指令系统和专用的I/O处理器，独立完成I/O操作。

1.1直接存储器访问——DMA

DMA工作原理和过程：

• CPU向DMA控制器发出I/O数据块的指令： <读/写操作、源/目的地址、传送字(节)数>；
• 由DMA控制器完成设备的一个连续数据块与一个连续 内存区之间的直接传送(不断地抢占总线挪用CPU工作
  周期，将缓冲中的数据写入内存单元，或从内存单元读 出写到缓冲)，传送字(节)数递减至0；
• 一个数据块I/O完后，DMA控制器向CPU发中断；
• 发出数据传送请求的进程被唤醒。 I/O效率高；DMA传送时，CPU执行效率略降低。

1.2磁盘调度

• 扇区是小寻址单位和存取单位(但不是分配单位)。
• 分配磁盘空间时以盘块(簇)为单位。1盘块=2n扇区
• 一磁道内扇区数可能固定或不固定，但数据传输率 （kb/s）应保持恒定。

1.2.1磁盘性能参数

• 磁盘访问时间包括如下三部分：Ta=Ts+Tr+Tt

• 寻道时间Ts = 启动磁盘时间+横跨n条磁道时间 目前，典型的磁盘平均寻道时间Ts小于10ms。

• 旋转延迟时间Tr = 将待访问扇区转到磁头下的时间 若15000转/分钟，则每转4ms，Tr平均约2ms。

• 传输时间Tt =（读写字节数b ） /（旋转速度r * 每磁道字节数N ）

• 寻道时间对磁盘访问时间影响大。

  1.2.2磁盘调度策略

• 磁盘调度：调整多个磁盘访问请求的服务顺序，以 降低平均磁盘服务时间。

• 磁盘调度算法减少的是磁头移动距离(寻道时间)。

4种磁盘调度算法：

 - 先进先出(FIFO, First-In-First-Out)

 - SCAN扫描算法

 - C-SCAN 循环扫描算法

• 先进先出（FIFO）：按请求的接受顺序服务。

• 后进先出（LIFO）：先处理最新提出的请求。
  事务处理时，读取文件具有局部性，LIFO可减少磁臂移动，提高吞吐量，当先提出的请求会饥饿。
• 最短服务时间有限算法（SSTF）：也成为最短寻道时间有限算法。有限选择距当前磁头位置最近的访问请求进行服务。

• SCAN扫描算法：也称作电梯算法。选择位于磁头移动方向前方距磁头位置最近的访问请求进行服务。当前方没有访问请求时，立即改变磁头移动方向（LOOK）；或继续扫描到磁盘便捷后再转向（SCAN）。

  

• C-SCAN循环扫描算法：磁头从磁盘的一端一道另一端，随着移动而不断处理请求，当磁头一道另一端时，马上返回磁盘起始，返回时不处理请求。

  

1.3RAID-独立磁盘冗余阵列

• RAID用多个小容量磁盘代替单个大容量磁盘。

  • 优势是：增加数据容量，多个磁盘并行I/O可提高 速度，设置冗余磁盘可提高可靠性。
  • RAID是一组磁盘阵列，但OS视其为一个整体。
  • 除数据盘外，另有冗余磁盘保存(奇偶)校验信息， 作为校验盘，在某个磁盘失效时用于恢复数据。

• RAID级别：0～6。常用：RAID 0、1、5、6

  三个关键技术：

• RAID中的磁盘条带化： 将N个(一组)磁盘看作是一个存储部件。将每个数 据盘块划分为几个子块(条带strip)，把每个子块的
  数据分别存储到各个不同磁盘的相同位置上。

• RAID中的并行访问： 读写时，N个磁盘并行地读写各个子块。磁盘数据 传输率提高了N-1倍。

• RAID中的块交叉校验:

  • 在磁盘条带化的基础上，在每组磁盘中设置一个校 验盘，该盘上任一位的内容为组中其余所有数据盘 同一位的校验（如：奇偶校验）。

  • 在写组中任一数据盘的任一块时，都要计算新的校 验并写入校验盘相同块。

  • 当一个数据盘出故障时，可以根据其余数据盘和校 验盘的内容，计算并恢复故障盘内容。