1. 磁碟效能簡述

首先與格式有關

1. 資料的組織和格式
   • 碟片、面、磁軌、扇區
   • 為方便處理，每條磁軌儲存容量相同，每個磁軌上的每個扇區相當於一個盤塊。磁碟”格式化”的過程就是按規定的格式規劃盤塊。

如溫盤格式：

1. 1. 每道30個扇區，每扇600個位元組。512位元組用於存放資料，其餘存放控制資訊。
   2. 識別符號欄位：標識一個扇區的資訊記錄；    1+2+1+1+3 bytes
   3. 資料欄位：每個扇區存放資料的空間。

    資料前後還有若干特定功能位元組。    1+512+2 bytes

與速度有關

1. 磁碟型別
   • 固定磁頭（每道一磁頭）
   • 移動磁頭（每盤一磁頭）
2. 訪問時間的計算
   • 尋道時間（到磁軌）
   • 旋轉延遲（到扇區）
   • 傳輸時間

              傳輸時間佔總時間的比例最小，磁碟讀寫速度的提高要選擇合適的排程演算法，減少前兩項用時，使所有作業的磁碟處理時間均衡。

2）磁碟排程方法

1. 對所有請求訪問磁碟的程序進行合理排程，使對磁碟的平均訪問時間最小。
2. 目標：使平均尋道時間最少。
3. 演算法：
   • FCFS
   • 最短尋道時間優先SSTF
   • 掃描演算法SCAN（磁碟電梯排程演算法）
     1. 迴圈掃描演算法CSCAN
     2. N-Step-SCAN演算法
     3. FSCAN演算法

FCFS

1. 多個程序的磁碟I/O請求構成一個隨機分佈的請求佇列。
2. 磁碟I/O執行順序按磁碟請求的先後順序。

最短尋道時間優先SSTF  Shortest Seek Time First

1. 選擇從當前磁頭位置出發移動最少的磁碟I/O請求
   • 使每次磁頭移動時間最少。
   • 不一定是最短平均柱面定位時間，但比FIFO演算法有更好的效能。
   • 對中間的磁軌有利，但可能會有程序處於飢餓狀態（I/O請求總不被執行）。

設當前在100磁軌上；

程序要求的訪問順序：55，58，39，18，90，160，150，38，184

掃描演算法SCAN（磁碟電梯排程演算法）

1. SSTF會導致“飢餓”現象
   • 總選擇最近的磁軌訪問，遠磁軌請求的程序會長時間得不到執行。
2. 改進：
   • 考慮距離的同時，更優先考慮方向

1. SCAN演算法
   • 規定磁頭移動方向：自裡向外，再自外向裡移動。
   • 後續的I/O磁軌請求，哪個在規定方向上距離最近，就先執行哪個。
   • 如當前為100，後續要求55，86，95，180，165，105
     1. 先由內向外：選最近的105執行，再判斷剩餘的，選165，180。

再由外向內：95，86，55

1. 迴圈掃描CSCAN

1. SCAN的錯過問題：
   • 容易錯過與當前磁軌距離近，但方向不一致的磁軌。
2. 修改：將SCAN規定的移動方向改為“單向移動”
   • 由裡向外後，再由裡向外。

1. N-Step-SCAN

1. 前述最近尋道演算法共同問題：
   • “磁臂粘著”——磁頭靜止在一個磁軌上，導致其它程序無法及時進行磁碟I/O。（因：高密度盤，程序的讀寫可能集中在某一磁軌）
   • 如現有一系列請求：

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

不管哪種演算法，從3開始向下執行會是

3 3 3 3 3 3 3 3 3 3….2 2 2 2 2 2 … 4 4 ….

1. 改進：
   • 將磁碟請求佇列分成長為N 的子佇列
   • 按FCFS選擇子佇列。佇列內又按SCAN演算法。

3 3 5 2 |3 3 3 2| 3 3 2 3| 3 4 4 5| 2 3 ….2 3

1. • 處理子佇列過程中產生的新I/O再依次排佇列。
   • N=1時，就是FCFS，N很大時就是SCAN。
2. F-SCAN

1. N-Step-SCAN的簡化：
   • 請求佇列只分為兩個子佇列
   • 當前一個佇列，按SCAN演算法執行；
   • 掃描期間新生成的組成一個佇列，等待被掃描。

1. 假設一個活動頭磁碟有２００道，編號從０－１９９。當前磁頭正在１５５道上服務，並且在此之前完成的是１７３道的訪盤請求。

       現有如下訪盤請求序列（磁碟號）：７５，１６８，８１，１３８，８７，１４３，１８７，１２９，１９８，４４。試給出採用下列演算法後磁頭移動的順序和移動總量(總磁軌數)。

1.最短尋道時間優先（SSTF）磁碟排程演算法。

2.掃描法（SCAN）磁碟排程演算法（假設沿磁頭移動方向不再有訪問請求時, 磁頭就沿相反方向移動。 44到0磁軌的移動忽略不計）

答：1.SSTF磁頭移動順序：

１５５，１４３，１３８，１２９，１６８，１８７，１９８，８７，８１，７５，４４

三段（１５５～１２９，１２９～１９８，１９８～４４）

移動總量=15５-1２９+1９８-１２９+1９８-４４=2４９

2.SCAN：

１５５，１４３，１３８，１２９，８７，８１，７５，４４，１６８，１８７，１９８

兩段（1５５～４４，４４～１９８）

移動總量=1５５-4４+1９８-４４=２６５

1. （8分）若干個等待訪問磁碟者依次要訪問的柱面為20，44，40，4，80，12，76，假設每移動一個柱面需要3毫秒時間，移動臂當前位於40號柱面，請按下列演算法分別計算為完成上述各次訪問總共花費的尋找時間。

（1）先來先服務演算法

（2）最短尋找時間優先演算法。

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

練習

1. 虛擬裝置是指：

通過虛擬技術將一臺獨佔裝置改造成若干臺邏輯裝置，供若干個使用者程序同時使用。

1. 按資訊交換單位分類，可將裝置分為：

塊裝置和字元裝置。

1. 通道是：

       一種負責I/O的處理機。       

1. 位元組多路通道主要用作：

     連線大量的低速I/O裝置。

1. 從資源分配的角度看，作業系統將外部裝置分為：

獨佔型裝置、共享型裝置、虛擬裝置。

1. 根據資訊交換方式的不同，可以將通道分為：

位元組多路通道、資料選擇通道、資料多路通道。

1. 裝置獨佔性是指：

應用程式獨立於具體使用的物理裝置。

1. 緩衝技術中的緩衝池在：

主存中。

1. 進行裝置分配時所需要的資料表格主要有：

裝置控制表、裝置控制器控制表、通道控制表和系統裝置表。

1. 如果有多箇中斷同時發生，系統將根據中斷優先順序響應優先順序最高的中斷請求。若要調整中斷事件的響應次序，可以利用：

中斷遮蔽。

1. 在作業系統中，一種用空間換取時間的資源轉換技術是：

         Spooling。 

1. 大多數低速裝置都屬於：

獨享裝置。

1. 為了實現CPU與外設的並行工作，系統引入了：

中斷和通道硬體機制。

1. 在作業系統中，使用者在使用I/O裝置時，通常採用：

邏輯裝置名。

1. Spooling系統是由：

磁碟中的輸入井和輸出井、記憶體中的輸入緩衝區和輸出緩衝區以及輸入程序和輸出程序組成。

1. 引起中斷髮生的事件稱為：

中斷源。

1. 裝置與記憶體之間的傳輸方式有：

程式直接控制方式、中斷控制方式、通道控制方式和DMA控制方式，其中通道方式佔用CPU時間最短。

1. 裝置分配中的安全性是指：

裝置分配應保證不會引起程序死鎖。

1. Spooling技術是指：

在共享裝置上模擬獨佔裝置。由預輸入程式將作業執行中需訪問的資料預先讀入到輸入井中，緩輸出程式則負責將輸出井中的資訊在輸出裝置上輸出。

1. 發生中斷時，剛執行完的那條指令所在的單元號稱為：

斷點，斷點的邏輯後繼指令的單元號稱為：恢復點。

1. 如何將獨佔型輸入裝置改造成可共享使用的虛擬裝置？
2. 為什麼要設定記憶體I/O緩衝區？通常有哪幾類緩衝區？
3. 什麼是裝置驅動程式？其功能是什麼？
4. 在裝置管理中，何為裝置獨立性？如何實現裝置獨立性？
5. 試給出常用的I/O排程演算法。
6. 為什麼要引入Spooling系統？Spooling系統可帶來哪些好處？
7. DMA控制方式與通道控制方式有什麼不同？
8. 裝置分配時為什麼要考慮安全性和裝置的無關性？

訪問磁碟過程

1. 對磁碟的訪問總是由缺頁引起的：
   • CPU給出地址，需要訪問某儲存單元；
   • 並行進行TLB查詢和cache查詢；
   • TLB查詢後申明沒有找到；
   • 停止並行查詢，並通知作業系統處理；
   • 作業系統檢查頁表，發現該頁不在記憶體中，需要從硬碟調入。應該如何進行呢？
2. 作業系統從主存中選擇一頁準備換出，為調入的頁安排存放空間；
3. 若被換出的頁是“髒”頁，需要將其寫回磁碟儲存；
4. 作業系統申請I/O匯流排；
5. 獲得批准後，傳送寫命令給I/O 裝置（磁碟）。 緊跟著傳送需要寫回的頁的全部資料。
6. I/O控制器發現發給自己的寫命令 ，加入到握手協議，並接受資料。
7. 根據資料要寫入的地址，讀/寫頭移動到正確的柱面，同時，將資料接收到緩衝區。
8. 尋道結束後，等待相應的扇區旋轉到磁頭下面，將資料寫入扇區中。 
9. 在寫入資料間隙，計算校驗碼並寫入扇區中。

1. 下一步，作業系統繼續申請匯流排（如果還保持匯流排控制權，則不必申請）。
2. 得到授權後，向磁碟發出讀命令。 
3. 然後，磁碟識別地址，並轉換為相應的地址段。
4. 尋道，將讀/寫頭移動到指定位置。
5. 從指定扇區中讀去資料，並進行校驗。
6. 磁碟申請I/O匯流排。
7. 得到授權後，將資料通過匯流排送到記憶體。