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计算机科学与技术专业 2006 操作系统

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计算机科学与技术专业 2006 操作系统 - PowerPoint PPT Presentation


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第五章. 计算机科学与技术专业 2006 操作系统. 操作系统. I/O 软件管理. I/O 硬件管理. 底层硬件设备(物理层). I/O 设备管理概述. 上层用户程序(应用层). 用户进程. 设备无关程序. 设备驱动程序. 中断处理程序. 设备 控制器. DMA. 命令寄存器. I/O 软件体系结构. I/O 请求. I/O 响应. 命名、保护、阻塞、缓冲. 用户 I/O 软件. 设备无关软件. 提供系统库调用,供人员使用;提供类似 Spooling 这样的精灵守护进程管理共享设备. 处理中断信号. 设备驱动程序.

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Presentation Transcript
slide2

操作系统

I/O软件管理

I/O硬件管理

底层硬件设备(物理层)

I/O设备管理概述

上层用户程序(应用层)

用户进程

设备无关程序

设备驱动程序

中断处理程序

设备

控制器

DMA

命令寄存器

2008年春 •操作系统 • 2006级

slide3
I/O软件体系结构

I/O请求

I/O响应

命名、保护、阻塞、缓冲

用户I/O软件

设备无关软件

提供系统库调用,供人员使用;提供类似Spooling这样的精灵守护进程管理共享设备

处理中断信号

设备驱动程序

建立设备寄存器、解决错误

中断处理程序

底层硬件设备

2008年春 •操作系统 • 2006级

slide4
本章主要内容
  • I/O系统
  • I/O控制方式
  • 缓冲管理
  • 设备分配
  • 设备处理
  • 磁盘存储器管理
  • I/O设备
  • 设备控制器
  • I/O通道
  • 总线系统
  • 程序I/O控制方式
  • 中断驱动I/O控制方式
  • DMA I/O控制方式
  • I/O通道控制方式
  • 缓冲的引入
  • 单缓冲和双缓冲
  • 循环缓冲
  • 缓冲池
  • 设备分配中的数据结构
  • 设备分配时应考虑的因素
  • 设备独立性
  • 独占设备的分配程序
  • SPOOLing技术
  • 磁盘性能简述
  • 磁盘调度
  • 磁盘高速缓存
  • 提高磁盘I/O速度的其他方法
  • 廉价磁盘冗余阵列
  • 设备驱动程序的功能和特点
  • 设备驱动程序的处理过程
  • 中断处理程序的处理过程

2008年春 •操作系统 • 2006级

slide5
本章重点和难点
  • I/O系统
  • I/O控制方式
  • 缓冲管理
  • 设备分配
  • 设备处理
  • 磁盘存储器管理
  • 磁盘访问时间
  • 磁盘调度:优化平均寻道时间
  • 磁盘调度算法
    • FCFS
    • SSTF
    • SCAN
    • CSCAN
    • N-Step-SCAN
    • FSCAN

2008年春 •操作系统 • 2006级

slide6
本章主要内容
  • I/O系统
  • I/O控制方式
  • 缓冲管理
  • 设备分配
  • 设备处理
  • 磁盘存储器管理

2008年春 •操作系统 • 2006级

5 1 i o
5.1 I/O系统
  • 5.1.1 I/O设备
  • 5.1.2 设备控制器
  • 5.1.3 I/O通道
  • 5.1.4 总线系统

2008年春 •操作系统 • 2006级

5 1 1 i o
5.1.1 I/O设备-类型
  • 按速度分:
    • 低:键盘
    • 中:打印机
    • 高:磁盘。
  • 按信息交换单位分:
    • 块:磁盘,可定位
    • 字符:打印机、串口
  • 按设备的共享属性分:
    • 独占:如临界资源
    • 共享:磁盘
    • 虚拟:如本身因有属性为独占,但将其虚拟为几个逻辑设备

2008年春 •操作系统 • 2006级

5 1 1 i o1
5.1.1 I/O设备-类型
  • 按交互对象分类:
    • 人机交互设备:视频显示设备、键盘、鼠标、打印机
    • 与计算机或其他电子设备交互的设备:磁盘、磁带、传感器、控制器
    • 计算机间的通信设备:网卡、调制解调器
  • 按交互方向分类:
    • 输入(可读):键盘、扫描仪
    • 输出(可写):显示设备、打印机
    • 输入/输出(可读写):磁盘、网卡

2008年春 •操作系统 • 2006级

5 1 1 i o2
5.1.1 I/O设备-接口
  • CPU―控制器―设备
  • 三种信号:
    • 数据信号:——双向,有缓存
    • 控制信号:控制器发给设备;要求其完成相关操作
    • 状态信号:设备发给控制器,后者“显示”

2008年春 •操作系统 • 2006级

5 1 2
5.1.2 设备控制器-功能
  • 接收CPU命令,控制I/O设备工作,解放CPU
    • 接收和识别命令。
      • 应有相应的Register来存放命令(“命令寄存器”)
    • 数据交换
      • CPU——控制器的数据寄存器——设备
    • 设备状态的了解和报告
      • 设备控制器中应用“状态寄存器”
    • 地址识别
      • CPU通过“地址”与设备通信,设备控制器应能识别它所控制的设备地址以及其各寄存器的地址。
    • 数据缓冲
    • 差错控制

2008年春 •操作系统 • 2006级

5 1 21
5.1.2 设备控制器-组成
  • 组成
    • 各类寄存器:数据、命令、状态
    • 信号线:数据线(独立寻址、内存寻址)、地址线、控制线
    • I/O逻辑:在其控制下完成与CPU、设备的通信。

2008年春 •操作系统 • 2006级

5 1 3 i o
5.1.3 I/O通道-引入
  • 通道
    • 一种特殊的执行I/O指令的处理机,与CPU共享内存,可以有自己的总线。
  • 引入目的
    • 解脱CPU对I/O的组织、管理。
  • CPU只需发送I/O命令给通道,通道通过调用内存中的相应通道程序完成任务。

2008年春 •操作系统 • 2006级

5 1 3 i o1
5.1.3 I/O通道-类型
  • 字节多路通道:
    • 各子通道以时间片轮转方式共享通道,适用于低、中速设备。
  • 数组选择通道:
    • 无子通道,仅一主通道,某时间由某设备独占,适于高速设备。
    • 但通道未共享,利用率低。
  • 数组多路通道:
    • 在图5-3中,多子通道不是以时间片方式,而是“按需分配”,综合了前面2种通道类型的优点。

2008年春 •操作系统 • 2006级

5 1 3 i o2
5.1.3 I/O通道
  • 通道“瓶颈”问题:
    • 解决:采用复联方式
    • 图5.4

2008年春 •操作系统 • 2006级

5 1 4
5.1.4 总线系统
  • 微机I/O系统
  • 设备控制器:与设备是一对多的关系,系统是通过它与设备通信
  • 系统―――设备控制器―――设备
  • 如:磁盘设备,打印设备
  • 缺点:总线瓶颈,CPU瓶颈。

2008年春 •操作系统 • 2006级

5 1 41
5.1.4 总线系统
  • 主机I/O系统(四级结构)
    • 计算机―I/O通道―I/O控制器―设备
    • I/O通道相当于对总线的扩展,即多总线方式,且通道有一定的智能性,能与CPU并行,解决其负担。
    • ISA/EISA/LocalBUS/VESA/PCI
    • 微机I/O系统

2008年春 •操作系统 • 2006级

slide18
本章主要内容
  • I/O系统
  • I/O控制方式
  • 缓冲管理
  • 设备分配
  • 设备处理
  • 磁盘存储器管理

2008年春 •操作系统 • 2006级

5 2 i o
5.2 I/O控制方式
  • 5.2.1 程序I/O方式

(忙—等待方式)

  • 5.2.2 中断驱动I/O控制方式
  • 5.2.3 直接存储器访问DMA I/O控制方式

(用于块设备中)

  • 5.2.4 I/O通道控制方式

2008年春 •操作系统 • 2006级

5 2 i o1
5.2 I/O控制方式
  • 四个阶段:
    • 程序I/O——中断I/O——DMA控制——通道控制。
    • 趋势:提高并行度

2008年春 •操作系统 • 2006级

5 2 1 i o
5.2.1 程序I/O
  • 查询方式:CPU需花代价不断查询I/O状态

(图5-7a)

  • CPU资源浪费极大

例:99.9ms+0.1ms=100ms 在5.2.1中99.9在忙等

2008年春 •操作系统 • 2006级

5 2 1 i o1
5.2.1 中断I/O
  • I/O操作由程序发起,在操作完成时(如数据可读或已经写入,在此之前,该程序可进入等待状态或继续执行)由外设向CPU发出中断,通知该程序。数据的每次读写通过CPU。
  • 向I/O发命令——返回——执行其它任务。
  • I/O中断产生——CPU转相应中断处理程序。

如:读数据,读完后以中断方式通知CPU,CPU完成数据从I/O——内存

2008年春 •操作系统 • 2006级

5 2 1 i o2
5.2.1 中断I/O
  • 优点:
    • 在外设进行数据处理时,CPU不必等待,可以继续执行该程序或其他程序。
  • 缺点:
    • CPU每次处理的数据量少(通常不超过几个字节:从设备控制器中的数据缓冲寄存器中存取数据),只适于数据传输率较低的设备。另外, I/O操作频繁,有可能丢失中断信号。

2008年春 •操作系统 • 2006级

5 2 3 dma
5.2.3 DMA方式
  • 引入
    • 中断I/O,CPU“字节”干预一次,即每“字节”传送产生一次中断。
    • DMA:由DMA控制器直接控制总线传递数据块。DMA控制器完成从I/O——内存。
    • 图5.7c
  • 组成
    • 一组寄存器+控制逻辑(图5.8)
    • CR(命令/状态);DR(数据);MAR(内存地址);

DC(计数)

    • DMA工作过程(例):

2008年春 •操作系统 • 2006级

direct memory access
Direct Memory Access

2008年春 •操作系统 • 2006级

slide27
DMA

2008年春 •操作系统 • 2006级

slide28
DMA

2008年春 •操作系统 • 2006级

slide29
DMA

2008年春 •操作系统 • 2006级

5 2 3 dma1
5.2.3 DMA方式
  • 由程序设置DMA控制器中的若干寄存器值(如内存始址,传送字节数),然后发起I/O操作,而由后者完成内存与外设的成批数据交换,在操作完成时由DMA控制器向CPU发出中断。
  • 优点:
    • CPU只需干预I/O操作的开始和结束,而其中的数据读写无需CPU控制, CPU与DMA控制器并行工作。适于高速设备。
  • 缺点:
    • 功能比较简单,不能完成较复杂的要求。

2008年春 •操作系统 • 2006级

slide31
中断方式和DMA方式的区别
  • 中断方式在数据缓冲寄存器满时发中断请求,而DMA方式在数据全部传送完时发中断请求。
  • 中断方式中,数据从数据缓冲寄存器到内存是CPU在进行中断处理时完成的。而DMA方式数据是直接在DMA控制下完成的。

2008年春 •操作系统 • 2006级

5 2 4 i o
5.2.4 I/O通道控制方式
  • DMA方式:
    • 对需多离散块的读取仍需要多次中断。
  • 通道方式:
    • CPU只需给出以下信息,通道程序就可完成一组块操作
      • 通道程序首址
      • 要访问I/O设备

2008年春 •操作系统 • 2006级

slide33
本章主要内容
  • I/O系统
  • I/O控制方式
  • 缓冲管理
  • 设备分配
  • 设备处理
  • 磁盘存储器管理

2008年春 •操作系统 • 2006级

slide34
5.3 缓冲管理
  • 5.3.1 缓冲的引入
  • 5.3.2 单缓冲和双缓冲
  • 5.3.3 循环缓冲
  • 5.3.4 缓冲池(Buffer Pool)

2008年春 •操作系统 • 2006级

slide35
5.3 缓冲管理
  • 目的:
    • 组织管理、分配、释放buffer
  • 5.3.1 引入
    • 缓和CPU和I/O设备间速度不匹配的矛盾。

如:计算——打印buffer——打印

    • 减少对CPU的中断频率

如:buffer越大,“buffer满”信号发生频率越低。

    • 提高CPU和I/O并行性

2008年春 •操作系统 • 2006级

slide36
缓冲的分类
  • 单方向缓冲:
    • 单缓冲:一个缓冲区,CPU和外设轮流使用,一方处理完之后接着等待对方处理。
    • 双缓冲:两个缓冲区,CPU和外设都可以连续处理而无需等待对方。要求CPU和外设的速度相近。
    • 循环缓冲:多个缓冲区,CPU和外设的处理速度可以相差较大。
  • 双方向缓冲
    • 缓冲池

2008年春 •操作系统 • 2006级

5 3 2
5.3.2 缓冲管理-单缓冲
  • 由于C和T可并行,M和C或M和T不能并行,因此处理一块数据时间:

Max(C,T)+M

  • 用户进程何时阻塞?

2008年春 •操作系统 • 2006级

5 3 21
5.3.2 缓冲管理-双缓冲
  • 效率有所提高,且进一步平滑了传输峰值。
  • 系统处理一块数据的时间约为:
  • MAX(C,T)
  • 收发可双向同时传送。(图5-13)

2008年春 •操作系统 • 2006级

5 3 3
5.3.3 缓冲管理-循环多缓冲
  • 类型:
  • R:空缓冲;G:满缓冲;C:当前缓冲

2008年春 •操作系统 • 2006级

slide40
循环多缓冲的使用
  • nextg:指示下一个应取数据的buf
  • nexti:指示下一个空buf.
  • Getbuf:
    • 取nextg对应缓冲区提供使用,将Nextg置为空,

Nextg=(Nextg+1)Mod N

    • 将Nexti对应缓冲区提供使用,将Nexti置为满,

Nexti=(Nexti+1)Mod N

  • Releasebuf:
    • 若C满,则改为G
    • 若C空,则改为R

2008年春 •操作系统 • 2006级

slide41
循环多缓冲的同步问题
  • Nexti 追上Nextg:

表示输入速度>输出速度,全部buf满,

这时输入进程阻塞

  • Nextg追上Nexti:

输入速度<输出速度,全部buf空,

这时输出进程阻塞。

2008年春 •操作系统 • 2006级

5 3 4
5.3.4 缓冲管理-缓冲池
  • 缓冲池:系统提供的公用缓冲
  • 组成:
    • 3个队列:
      • 空缓冲队列emq
      • 输入队列inq
      • 输出队列outq
    • 四个工作缓冲区:
      • hin:收容输入数据
      • sin:提取输入数据
      • hout:收容输出数据
      • sout:提取输出数据

2008年春 •操作系统 • 2006级

5 3 41
5.3.4 缓冲管理-缓冲池
  • 四种工作方式
    • 1.收容输入
    • 2.提取输入
    • 3.收容输出
    • 4.提取输出

2008年春 •操作系统 • 2006级

5 3 42
5.3.4 缓冲管理-缓冲池

1.hin=getbuf(emq); putbuf(inq,hin)

2.sin=getbuf(inq); 计算; putbuf(emq,sin)

3.hout=getbuf(emq); putbuf(outq, hout)

4.sout=getbuf(outq);输出;putbuf(emq,sout)

2008年春 •操作系统 • 2006级

5 3 43
5.3.4 缓冲管理-缓冲池

Getbuf和Putbuf过程

Getbuf(type)

Begin

wait(RS(type));

wait(MS(type));

B(number):=takebuf(type);

signal(MS(type));

end

Putbuf(type)

Begin

wait(MS(type));

addbuf(type,number);

signal(MS(type));

signal(RS(type));

end

2008年春 •操作系统 • 2006级

slide46
本章主要内容
  • I/O系统
  • I/O控制方式
  • 缓冲管理
  • 设备分配
  • 设备处理
  • 磁盘存储器管理

2008年春 •操作系统 • 2006级

slide47
设备管理的目的
  • 提高效率:
    • 提高I/O访问效率,匹配CPU和多种不同处理速度的外设
  • 方便使用:
    • 方便用户使用,对不同类型的设备统一使用方法,协调对设备的并发使用
  • 方便控制:
    • 方便OS内部对设备的控制:增加和删除设备,适应新的设备类型

2008年春 •操作系统 • 2006级

slide48
设备管理的功能
  • 提供设备使用的用户接口:
    • 命令接口和编程接口
  • 设备分配和释放:
    • 使用设备前,需要分配设备和相应的通道、控制器。
  • 设备的访问和控制:
    • 包括并发访问和差错处理。
  • I/O缓冲和调度:
    • 目标是提高I/O访问效率

2008年春 •操作系统 • 2006级

slide49
5.4 设备分配
  • 5.4.1 设备分配中的数据结构
  • 5.4.2 设备分配时应考虑的因素
  • 5.4.3 设备独立性
  • 5.4.4 独占设备的分配程序
  • 5.4.5 SPOOLing技术

2008年春 •操作系统 • 2006级

slide50
5.4 设备分配
  • 包括:对设备、设备控制器、通道的分配
  • 5.4.1 数据结构
    • 设备控制表DCT
    • 控制器控制表(COCT)
    • 通道表(CHCT)
    • 系统设备表(SDT)图5-17

SDT:记录了系统中全部设备及其驱动程序地址。

2008年春 •操作系统 • 2006级

slide51
设备控制表DCT

2008年春 •操作系统 • 2006级

slide52
控制器表COCT

2008年春 •操作系统 • 2006级

slide53
通道表CHCT

2008年春 •操作系统 • 2006级

slide54
系统设备表SDT

2008年春 •操作系统 • 2006级

5 4 2
5.4.2 设备分配应考虑的若干因素
  • 设备的固有属性:
    • 共享+虚拟:注意调度的合理性
    • 独享:排它性分配,控制不好可能死锁
  • 分配算法:
    • FIFO
    • 优先权
  • 安全性:
    • 安全分配(同步):每进程获得一I/O后,即block,直到其I/O完成。
      • 即打破了死锁条件。
      • 缺点:CPU、I/O对该进程是串行,进程进展缓慢。
    • 不安全分配(异步):需进行安全性检查,进程执行效率高。

2008年春 •操作系统 • 2006级

5 4 3
5.4.3 设备独立性
  • 概念:
    • 即设备无关性,指应用程序独立于具体使用的物理设备。
    • 逻辑设备
    • 物理设备
    • 逻辑设备表(LUT):

2008年春 •操作系统 • 2006级

5 4 31
5.4.3 设备独立性
  • 分配流程:进程给出逻辑名——通过LUT得到物理设备及其driver入口。
  • 优点:
    • 设备分配更灵活;
      • 逻辑设备和物理设备间可以是多——多的映射关系。提高了物理设备的共享性,以及使用的灵活性。如:
    • 易于实现I/O重定向。
        • 不变程序,只需改变LUT表的映射关系。
  • 某逻辑名可对应这一类设备,提高均衡性与容错性。
  • 几个逻辑名可对应某一个设备,提高共享性

2008年春 •操作系统 • 2006级

5 4 32
5.4.3 设备独立性
  • 设备独立性软件
    • 执行所有设备的公有操作
      • 分配回收
      • 名字映射
      • 保护
      • 缓冲
      • 差错控制
    • 向用户层软件提供统一接口
      • read、write

2008年春 •操作系统 • 2006级

5 4 33
5.4.3 设备独立性
  • 名字映射
    • LUT的生成
      • 在用户进程第一次请求设备时完成映射并在LUT中生成相应项
    • LUT的配置
      • 整个系统一张LUT表:
        • 要求:逻辑名不重复,(一般用于单用户系统)
      • 每个用户一张LUT表。
        • 可重名/可限制用户对某些设备的使用。

2008年春 •操作系统 • 2006级

5 4 4
5.4.4 独占设备分配程序

进程n请求设备:

begin

search (sdt, phdevice)

if not busy (phdevice) then

begin

compute(safe)——对独占设备

if safe then alloc (n, phdevice);

else begin

insert (DL(phdevice), n);-----将n插入设备等待队列DL上

return

end;

end;

2008年春 •操作系统 • 2006级

slide61
设备忙—else begin;

insert (DL (phdevice), n);

return;

end;

controllerid=controllerid (COCT ptr(dct));

――device分配成功

if not busy (COCT (controllerid)) then

alloc (n, controllerid);

else begin

insert (col, n);

return;

end;

channeled=channeled(chatptr (controllerid)); ――控制器分配成功

2008年春 •操作系统 • 2006级

slide62
if not busy (chct (channelid)) then

allocation (n, channelid);

else begin

insert (chl, n)

return;

end;

end;

优化:

1)增加设备的独立性

2)考虑多通路情况

2008年春 •操作系统 • 2006级

5 4 5 spooling
5.4.5 SPOOLING技术
  • 概念
    • 假脱机技术,在联机情况下同时出现外围操作
    • 作用:通过缓冲方式,将独占设备改造为共享设备

2008年春 •操作系统 • 2006级

5 4 5 spooling1
5.4.5 SPOOLING技术
  • 组成
    • 1.输入#和输出#:
      • 在磁盘上开辟的2个大存储空间,模拟输入和输出设备。
    • 2.输入buf和输出buf(内存中)
      • 输入设备——输入buf——输入#——用户区(1)
      • 用户区——输出#——输出buf——设备(2)
    • 3.输入Spi和输出SPo进程。
      • 分别控制(1),(2)的动作。
      • SPi相当于脱机输入控制器。
      • SPo相当于脱机输出控制器。

2008年春 •操作系统 • 2006级

5 4 5 spooling2
5.4.5 SPOOLING技术
  • 举例
    • (1)输入
      • a.进程n请求――> SPi为n在输入#中分配空间——>设备数据由输入buf送输入#——>生成输入请求表挂输入请求队列。
      • b.CPU空——取请求表中的任务,送进程缓冲区。
    • (2)输出:(打印)
      • a.进程n请求——>SPo为n在输出#中分配空间——>将数据由进程buf转到输出#——>生成一打印请求表挂打印请求队列。
      • b.打印机空——>查打印请求表中的任务——> 取输出#中对于数据——>输出buf ——>打印·

2008年春 •操作系统 • 2006级

5 4 5 spooling3
5.4.5 SPOOLING技术
  • 特点:
    • 1.提高I/O速度:
      • 对低速设备操作——>变为对输入/出#操作。
    • 2.将独占设备改造为共享设备
      • 分配设备的实质时分配输入/出#
    • 3.实现了虚拟设备功能

2008年春 •操作系统 • 2006级

slide67
本章主要内容
  • I/O系统
  • I/O控制方式
  • 缓冲管理
  • 设备分配
  • 设备处理
  • 磁盘存储器管理

2008年春 •操作系统 • 2006级

slide68
5.5 设备处理
  • 5.5.1 设备处理程序即是设备驱动程序。
  • 5.5.2 设备驱动程序的功能和特点
  • 5.5.3 设备驱动程序的处理过程

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5 5 1
5.5.1 设备驱动程序的功能和特点
  • 功能:
    • 接收进程的I/O命令
    • 检查命令合法性
    • 检查设备状态
    • 设置设备工作方式
    • 驱动I/O操作
    • 响应设备中断
    • 构成通道程序
  • 特点:
    • 和硬件紧密相关、各个设备有自己的设备驱动

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5 5 2
5.5.2 设备驱动程序处理过程
  • 包括
    • 启动过程
    • 中断处理过程
  • 启动过程
    • 将抽象要求转化为具体要求
    • 检查I/O请求合法性
    • 读出和检查设备状态
    • 传送必要的参数
    • 设置工作方式
    • 启动I/O设备

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5 5 3
5.5.3 中断处理程序
  • 流程
    • 设备启动->I/O完成->发送中断->CPU调用中断处理过程
  • 中断处理过程
    • 唤醒被阻塞的驱动程序进程
    • 保护被中断进程环境
    • 转入相应的设备处理程序
    • 中断处理(特性)
    • 恢复被中断进程的现场

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slide72
本章重点和难点
  • I/O系统
  • I/O控制方式
  • 缓冲管理
  • 设备分配
  • 设备处理
  • 磁盘存储器管理

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slide73
5.6 磁盘存储器管理
  • 5.6.1 磁盘性能简述
  • 5.6.2 磁盘调度
  • 5.6.3 磁盘高速缓存(Disk Cache)
  • 5.6.4 提高磁盘I/O速度的其他方法
  • 5.6.5 廉价磁盘冗余阵列
  • 先来先服务FCFS

(First Come First Service)

  • 最短寻道时间优先SSTF

(Shortest Seek Time First)

  • 扫描算法SCAN
  • 循环扫描算法CSCAN
  • N-Step-SCAN
  • FSCAN

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slide74

扇区

磁道

磁盘结构

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slide75

扇区

磁臂

柱面

磁头

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slide76

THE END

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