三、文件系统
文件
- 文件命名，文件结构，文件类型
- 文件存取：顺序存取，随机存取
- 文件属性：如权限，创建修改时间等
- 文件操作：常用系统调用如创建，打开等；open：文件属性和磁盘地址装入内存
目录
- 层次目录系统，路径名
- 目录操作：常用系统调用如创建，打开等；硬连接：文件的节点技术器增加，修改同一份文件。软连接只是符号连接，快捷方式，可以跨越磁盘界限
文件系统的实现
- 主引导记录MBR：磁盘的0号扇区，引导计算机
- 分区表：MBR后面，记录每个分区的起始结束地址
- 分区结构：引导块，超级块，空闲管理，i节点，根目录，文件和目录
- 过程：计算机被引导，BIOS读入并执行MBR，确定活动分区，读入并执行第一个块引导快boot block，引导块中的程序将装载该分区中的操作系统
- 每个分区都从一个启动块开始
- 超级块：启动块之后，包括文件系统类型用的魔数，文件系统中数据块的数量等
- 空闲管理：超级块之后，位图或链表形式
文件的实现
- 连续分配：删除时会产生磁盘空洞，写入时需要先挑选合适大小的磁盘空洞，常见于CD-ROM
- 链表分配：不利于随机存取，指针占了一些字节，致使存储数据不再是2的整数幂
- 文件分配表FAT：把磁盘块的指针放在内存的一个表中，目录项中记录起始块号即可。缺点是需要将整个表放在内存中，不适用于大磁盘
- i节点：每个文件一个i节点数据结构，列出文件属性和文件块的磁盘地址，具有指针可以指向包含磁盘块地址的块的地址
日志文件系统
- 如NTFS和Linux ext3
- 基本思想：保存一个用于记录系统下一步将要做什么的日志，当系统崩溃重启时可以查看日志，完成未完成任务
- 先写日志项列出要完成的动作，写入磁盘，完成动作后擦除日志项
虚拟文件系统
- 和文件相关的系统调用POSIX接口指向虚拟文件系统，由虚拟文件系统调用底层实际的文件系统
文件系统管理和优化
- 选定块大小：性能和空间利用率不可兼得
- 记录空闲块：位图，空闲列表
- 磁盘配额：通过打开文件表中的配额指针，找到配额表中用户的配额表项。
- 文件系统的一致性：块检查检查使用表和空闲表并进行校正，目录检查检查文件使用表和文件i节点的计数。rm操作只修改i节点，没有把磁盘块返回空闲表
文件系统性能
如果只需要读一个字，内存比磁盘方位快百万数量级
高速缓存
- 逻辑上属于磁盘，实际保存在内存中。与分页类似，置换算法类似
- 系统调用SYNC强制性把全部修改过的块写回磁盘，若没有SYNC就移动磁盘，则数据丢失
块提前读
- 在需要用到块时，试图提前将其写入高速缓存，提高命中率，如完成k块操作时，预读k+1块到高速缓存
- 不适用于随机存取文件
减少磁盘臂运动
- 把有可能顺序存取的块放在一起，最好是同一个柱面，减少磁盘臂运动
- 使用i节点的文件系统中，需要两次磁盘访问，访问i节点和访问块。所以将i节点存放在磁盘中部，可以减少寻道时间
磁盘碎片整理
- 通过移动或复制，使空闲空间连成一片
四、输入/输出
IO硬件原理
IO设备
- 块设备：硬盘，CD-ROM，USB
- 字符设备：不可寻址没有寻道操作，打印机，网路接口，鼠标等
- 时钟，内存映射显示器等
设备控制器
- 有寄存器用来与CPU通信
- 数据缓冲区
- 内存映射IO：每个控制寄存器映射到内存空间中被分配唯一的内存地址
- 避免对设备控制器进行高速缓存，操作系统必须管理选择性高速缓存
- DMA：直接存储器存取，调控多个设备的数据传送
- 中断：设备中断发出信号，由中断控制器检测
IO软件原理
- 设备独立性
- 统一命名
- 错误处理
- 同步阻塞，异步中断驱动：大部分物理IO是异步的，CPU启动传输便去做别的
- 缓冲
- 共享设备和独占设备
- 程序控制IO：轮询设备寄存器是否就绪，直到全部IO完成，一直占用CPU
- 中断驱动IO：中断发生在每个字符上
- DMA控制IO：将中断的次数从每个字符减少的每个缓冲区
- 设备驱动程序：为了访问设备的硬件，通常必须是操作系统内核的一部分
盘
磁盘组织成柱面，每个柱面包含若干磁道，磁道数与垂直堆叠的磁头个数相同，磁道分成若干扇区
- SATA：磁盘驱动器包含微控制器，负责高速缓存，重叠寻道，坏块重映等
- RAID：将一个装满磁盘的盒子安装到计算机，用RAID控制器替换磁盘控制器
磁盘臂调度算法
- 磁盘读写时间因素：寻道占主导，旋转延迟，实际数据传输
- 磁盘驱动程序维护一张表，按柱面号索引，每个柱面未完成的请求组成一个链表
- SSF：最短寻道优先算法，获得最小响应时间与公平性有冲突
- 电梯算法：上下移动完成未完成的请求
- 磁盘控制器高速缓存：每次将邻近的扇区也读取
时钟
- 时钟负责维护时间，根据已知的时间间隔产生中断。防止进程垄断CPU等
- 大多数计算机具有一个由电池供电的备份时钟
时钟软件
- 维护日时间，防止进程超时，记录CPU使用，处理alarm系统调用，监视定时器，统计信息收集