Ответы к операционным системам. Вопросы по дисциплине Операционные системы
 Скачать 1.44 Mb.
|
|
Подсистемы ввода-вывода ОС, алгоритмы чтения данных с жёсткого диска Физическая Логическая Дисковая Основными компонентами подсистемы ввода-вывода являются драйверы, управляющие внешними устройствами, и файловая система. В работе подсистемы ввода-вывода активно участвует диспетчер прерываний. Более того, основная нагрузка диспетчера прерываний обусловлена именно подсистемой ввода-вывода, поэтому диспетчер прерываний иногда считают частью подсистемы ввода-вывода. Файловая система – это основное хранилище информации в любом компьютере. Она активно использует остальные части подсистемы ввода-вывода. Кроме того, модель файла лежит в основе большинства механизмов доступа к периферийным устройствам. Функции подсистемы в-в организация параллельной работы устройств ввода-вывода и процессора; согласование скоростей обмена и кэширование данных; разделение устройств и данных между процессами (выполняющимися программами); обеспечение удобного логического интерфейса между устройствами и остальной частью системы; поддержка широкого спектра драйверов с возможностью простого включения в систему нового драйвера; динамическая загрузка и выгрузка драйверов без дополнительных действий с операционной системой; поддержка нескольких различных файловых систем; поддержка синхронных и асинхронных операций ввода-вывода. Этапы эволюции ввода-вывода Процессор непосредственно управляет периферийным устройством. Устройство управляется контроллером. Процессор использует программируемый ввод-вывод без прерываний (переход к абстракции интерфейса ввода-вывода). Использование контроллера прерываний. Ввод-вывод, управляемый прерываниями. Использование модуля (канала) прямого доступа к памяти. Перемещение данных в память (из нее) без применения процессора. Использование отдельного специализированного процессора ввода-вывода, управляемого центральным процессором. Использование отдельного компьютера для управления устройствами ввода-вывода при минимальном вмешательстве центрального процессора. Способы выполнения операций в-в С помощью программируемого ввода-вывода. В этом случае, когда процессору встречается команда, связанная с вводом-выводом, он выполняет ее, посылая соответствующие команды контроллеру ввода-вывода. Это устройство выполняет требуемое действие, а затем устанавливает соответствующие биты в регистрах состояния ввода-вывода и не посылает никаких сигналов, в том числе сигналов прерываний. Процессор периодически проверяет состояние модуля ввода-вывода с целью проверки завершения операции ввода-вывода. Недостатки такого метода – большие потери процессорного времени, связанные с управлением вводом-выводом. Ввод-вывод, управляемый прерываниями. Процессор посылает необходимые команды контроллеру ввода-вывода и продолжает выполнять текущий процесс, если нет необходимости в ожидании выполнения операции ввода-вывода. В противном случае текущий процесс приостанавливается до получения сигнала прерывания о завершении ввода-вывода, а процессор переключается на выполнение другого процесса. Наличие прерываний процессор проверяет в конце каждого цикла выполняемых команд, при этом исключается ненужное ожидание с бесполезным простоем процессора. Однако и в этом случае ввод-вывод потребляет еще значительное количество процессорного времени, потому что каждое слово, которое передается из памяти в модуль ввода-вывода (контроллер) или обратно, должно пройти через процессор. Прямойдоступкпамяти (directmemoryaccess– DMA).В этом случае специальный модуль прямого доступа к памяти управляет обменом данных между основной памятью и контроллером ввода-вывода. Процессор посылает запрос на передачу блока данных модулю прямого доступа к памяти, а прерывание происходит только после передачи всего блока данных. Дисковая подсистема в-в Сабж позволяет организовать хранение и чтение данных в долговременной памяти ЭВМ. Долговременная память современных ЭВМ представляет собой жесткий диск большого объема. Емкость современных жестких дисков ЭВМ достигает нескольких терабайт. Дисковые накопители ЭВМ представляют собой пакет пластин. Для доступа к данным и их записи используется система адресации, условно названная как CHS: C (Cylinder) – цилиндр диска, H (Head) – головка привода дисков, S (Sector) – сектор пластины диска.  A – дорожка (цилиндр); B – сектор; C – блок данных; D – кластер. 61 Емкость сектора и размер кластера – постоянные величины. Кластер- это объединение нескольких секторов. Кластер – минимальная порция данных, которая может быть либо записана на магнитный носитель, либо прочитана с поверхности носителя БСВВ. Основу носителя образует, как уже отмечалось, пакет пластин, покрытых магнитным слоем. Пакет пластин приводится во вращение шпинделем электродвигателя накопителя. Кроме того, в состав накопителя входит шаговый электродвигатель, который выполняет возвратно – поступательное движение пакета головок, выполняющих либо запись данных на диске, либо их чтение. Общая емкость пакета диска может быть определена по формуле Vd=C × H × S × Vs, где Vs – емкость сектора. Доступ к магнитному диску Время доступа у современных ЭВМ к оперативной памяти составляет примерно 0.5 нс, а чтение данных с диска около 20 мс. Поэтому для эффективного использования внешней памяти используют кэширование и алгоритмы оптимизации чтения данных с жесткого диска. Кэширование – использование буфера в оперативной памяти для работы с диском. 1 вариант: Операция отложенной записи. При записи данные помещаются в кэш оперативной памяти, и программа продолжает свою работу. Содержание буфера – кэширование записывается на диск позже фоновыми процессами. 2 вариант: Упреждающее чтение. C диска считываются требуемые блоки данных и ряд блоков, которые находятся рядом с затребованным. Методы выполнения запросов к диску Использование оптимальных стратегий – методов запросов к жесткому диску – позволяет увеличить скорость обмена данными. - SSTF (shortest seek time first) – с наименьшим временем поиска. Следующим выбирается запрос, для которого нужно минимальное перемещение с цилиндра на цилиндр. Очередь запросов не имеет значения. Недостатки: - дискриминация запросов; - концентрация запросов – увеличение времени обслуживания запросов. Достоинство: максимальная пропускная способность. - Scan – сканирование. Движение головок то в одном, то в другом привилегированном направлении. По пути обслуживаются подходящие запросы. Если запросов нет – движение происходит в обратном направлении. - Next-Step Scan. На каждом проходе обслуживаются только те запросы, которые уже существовали на момент начала прохода. Новые запросы – формируют новую очередь запросов для обслуживания их на обратном ходу. - С-Scan. Циклическое сканирование. Циклическое движение головок от самой наружной дорожки к внутренним. По пути обслуживаются имеющиеся запросы. Затем выполняется переход к наружным цилиндрам. Запросы, поступившие во время текущего хода, обслуживаются не попутно, а при следующем ходе. Метод позволяет исключить дискриминацию запросов к самым крайним цилиндрам. Это «элеваторная дисциплина» обслуживания. |