操作系统（Operating System）知识点复习——第十一章 I/O管理与磁盘调度

news2024/11/26 23:45:09

0.前言

1.I/O设备

2.I/O功能的组织

3.Operating System Design Issues

4.I/O缓冲

4.1 单缓冲Single Buffer

4.2 双缓冲Double Buffer

4.3 循环缓冲

5.磁盘调度Disk Scheduling

5.1 磁盘性能参数

5.2 磁盘调度策略

①First-in，first-out(FIFO)

②Priority优先级

③Last-in，first-out(LIFO)

④Shortest Service Time First(SSTF)

⑤SCAN电梯算法

⑥circular SCAN(c-SCAN)

⑦N-step-SCAN

⑧FSCAN

6.Redundant Array of Independent Disks(RAID)独立冗余磁盘阵列

6.1 RAID 0(non-redundant)

6.2 RAID 1(mirrored)

6.3 RAID 3(bit-interleaved parity)

6.4 RAID 4 (block-level parity)

6.5 RAID 5 (block-level distributed parity)

0.前言

本系列文章旨在记录操作系统的知识点，可用于期末复习，笔者理解尚浅，文中不正之处静待批正。加粗高亮部分为重点。

1.I/O设备

分类：

人可读Human readable(用户之间通信)：字符流(Printers、Display、Keyboard、Mouse)
机器可读Machine readable(与电子设备通信)：字符流和块数据(Disk and tape drives、Sensors、Controllers)
通信Communication(与远端设备通信)：报文message(Digital line drivers、Modems、Network device)

差异：

Data rate 传输速率
Application
Complexity of control
Unit of transfer
Data representation
Error conditions

2.I/O功能的组织

synchronous同步通信
Wait：发出读写请求，然后阻塞，等待服务完成中断后，继续执行
Not Wait：直接读或者写
asynchronous communication异步通信
利用缓冲区
发出读写请求，及设置缓冲区地址
进程返回继续执行不阻塞
等待服务完成中断通知CPU

I/O功能的发展：

处理器直接控制I/O设备
增加了控制器或I/O模块
中断驱动的控制器或I/O模块
直接存储器访问Direct Memory Access(DMA)：传送单位为块block，不需要经过CPU
I/O被增强为单独的处理器
I/O处理器

3.Operating System Design Issues

两个重要目标：

Efficiency效率：操作系统应支持多道程序(并发)，需要更多就绪队列
Generality通用性：希望在统一模式下处理所有I/O设备

4.I/O缓冲

Block-oriented面向块：信息存储在固定大小的块(block)中，每次传一个块(disk、tape)
Stream-oriented面向流：以字节流(byte)形式传输信息(terminals、printers、communication ports、mouse)

4.1 单缓冲Single Buffer

面向块的单缓冲：操作系统在系统空间中为 I/O 请求分配一个缓冲区
优点：缓冲期间允许把进程换出(交换可发生)；用户进程可在读入下一个数据块时处理一个数据块
缺点：OS要追踪进程对应缓冲区；同一磁盘中的交换会受影响
面向流的单缓冲
Line-at-a-time fashion行缓冲：一行一行传输，行末有回车
Byte-at-a-time fashion字节缓冲：传输遵循生产者模型

没有缓冲的处理时间：T+C
单缓冲的处理时间：max(T，C)+M

4.2 双缓冲Double Buffer

处理时间：max(T, C)，如果C<T,则效果更明显

4.3 循环缓冲

5.磁盘调度Disk Scheduling

5.1 磁盘性能参数

Seek time寻道时间 $T_{s}$ ：磁头从该磁道移动到目标磁道所需时间
假设启动磁头需要s，每移动一个磁道耗时m，总共需要移动n条磁道，则 $T_{s}$ =s+m*n
Rotational delay旋转延迟：转到目标扇区所需时间(设转盘转速为r，平均1/2圈，则旋转延迟为1/2r)
Transfer time传输时间：从磁盘读出或向磁盘写入数据所经历的时间，设转速r，写入/读出字节数b，每个磁道上字节数为N，则传输时间=b/rN
Access time存取时间 $T_{a}$