磁盘存储器管理

SLIDE1SchoolofManagementTianjinUniversity磁盘存储器管理5.6磁盘存储器管理几乎所有计算机都使用磁盘来存储信息。从存储角度，与内存比较起来，磁盘有三个主要的优点：（1）可用的存储容量非常大（2）每位的价格非常低（3）电源关掉后信息不会丢失SLIDE2SchoolofManagementTianjinUniversity磁盘存储器管理磁盘性能简述1.数据的组织和格式实际的硬盘都组织成多个盘片，每片分两面，每面分成若干条磁道，磁道间有间隙磁道又被分成许多扇区，每条磁道上扇区数目典型为10至100，每个扇区包含相同的字节数，相当于一个盘块SLIDE3SchoolofManagementTianjinUniversity磁盘存储器管理用磁道号、磁头号和扇区号来标识一个扇区SLIDE4SchoolofManagementTianjinUniversity磁盘存储器管理磁盘格式化每个扇区容量＝600BYTE，其中512BYTE存放数据。标志字段数据字段定界符SLIDE5SchoolofManagementTianjinUniversity磁盘存储器管理SLIDE6SchoolofManagementTianjinUniversity磁盘存储器管理2磁盘类型–固定头磁盘:提高并行读写能力，主要用于大容量磁盘–移动头磁盘：寻道功能，结构简单，速度慢SLIDE7SchoolofManagementTianjinUniversity磁盘存储器管理3磁盘访问时间–寻道时间Ts：是指把磁头移动到指定磁道上所经历底时间，是启动磁臂的时间S与磁头移动N条磁道所花费的时间之和–旋转延迟时间Tτ：是指指定扇区移动到磁头下面所经历的时间,平均Tτ为50－100ms–传输时间Tt：是指向磁盘写入数据所经历的时间,与每次读/写的字节数b和旋转速度有关SLIDE8SchoolofManagementTianjinUniversity磁盘存储器管理因此总的访问时间Ta为上面三项之和：Ta＝Ts＋1/2r+b/rN寻道时间和旋转延迟时间占据了访问时间中的大部分，而传输所占的时间比重是比较小的。磁盘调度-当多个进程需要访问磁盘时•磁盘调度的目标是使磁盘的平均寻道时间最少，以使进程对磁盘的平均访问时间最小，目前常使用的有先来先服务，最短寻道时间优先及扫描算法等SLIDE9SchoolofManagementTianjinUniversity1.先来先服务寻道算法FCFS（First-come，First-served）一种最简单的磁盘调度算法。它根据进程请求访问磁盘的先后次序进行调度。优点公平、简单，每个进程的请求都能依次得到处理。缺点未对寻道进行优化，致使平均寻道时间可能较长。磁盘存储器管理SLIDE10SchoolofManagementTianjinUniversity磁盘存储器管理2.最短寻道时间优先算法SSTF该算法选择这样的进程，其要求访问的磁道与当前磁头所在的磁道，距离最短，以使每次的寻道时间最短，但这种调度算法却不能保证平均寻道时间最短会可能导致某个进程发生“饥饿”的现象，因为只要有新进程的请求到达，其所要访问的磁道与当前所在磁道的距离较近，其I/O请求必优先满足SLIDE11SchoolofManagementTianjinUniversity磁盘存储器管理FCFS算法（从100#磁道开始）被访问的下一个磁道号移动距离（磁道数）5545583391918219072160701501038112184146平均寻道长度：55.3SSTF算法（从100#磁道开始）被访问的下一个磁道号移动距离（磁道数）90105832553391638118201501321601018424平均寻道长度：27.5SLIDE12SchoolofManagementTianjinUniversity磁盘存储器管理3.扫描算法SCAN为了避免“饥饿”现象，对SSTF算法略加修改形成扫描算法，该算法不仅考虑到欲访问的磁道与当前磁道的距离，更优先考虑的是磁头的当前移动方向。这种算法中磁头移动的规律颇似电梯的运行，又称电梯调度算法。磁臂由磁盘的一端开始，移动到磁盘的另一端，在移动过程中，为访问请求服务。然后调转方向，从此端移动到另一端。SLIDE13SchoolofManagementTianjinUniversity磁盘存储器管理4.循环扫描CSCAN（CircularSCAN）为了减少SCAN算法造成的某些进程的请求被严重推迟，CSCAN算法规定磁头单向移动。当磁头移到最外的磁道并访问后，磁头立即返回到最里的欲访问磁道，即将最小磁道号紧接着最大磁道号构成循环，进行循环扫描SLIDE14SchoolofManagementTianjinUniversity磁盘存储器管理（从100#磁道开始，向磁道号增加的方向）被访问的下一个磁道号移动距离（磁道数）1505016010184249094583255339163811820平均寻道长度：27.8SCAN调度算法示例（从100#磁道开始，向磁道号增加的方向）被访问的下一个磁道号移动距离（磁道数）15050160101842418166382039155165839032平均寻道长度：27.5CSCAN调度算法示例SLIDE15SchoolofManagementTianjinUniversity磁盘存储器管理5.N-Step-SCAN和FSCAN调度算法1）N-Step-SCAN算法：在SSTF、SCAN及CSCAN几种调度算法中，都可能出现磁臂停留在某处不动的情况，即进程垄断了整个磁盘设备。我们把这一现象称为“磁臂粘着”。N步SCAN算法是将磁盘请求队列分成若干个长度为N的子队列，磁盘调度将按FCFS算法依次处理这些子队列。每处理一个队列时又是按SCAN算法，对一个队列处理完后，再处理其他队列。SLIDE16SchoolofManagementTianjinUniversity磁盘存储器管理当正在处理某子队列时，如果又出现新的磁盘I/O请求，便将新请求进程放入其他队列，这样就可避免出现粘着现象。当N值取得很大时，会使N步扫描法的性能接近于SCAN算法的性能；当N=1时，N步SCAN算法便蜕化为FCFS算法。2）FSCAN算法实际上是N步SCAN算法的简化，即FSCAN只将磁盘请求队列分成两个子队列。SLIDE17SchoolofManagementTianjinUniversity磁盘存储器管理一个是由当前所有请求磁盘I/O的进程形成的队列；在扫描期间，将新出现的所有请求磁盘I/O的进程，放入另一个等待处理的请求队列。磁盘高速缓存（DiskCache）是指利用内存中的存储空间，来暂存从磁盘中读出的一系列盘块中的信息。这里的高速缓存是一组在逻辑上属于磁盘，而物理上是驻留在内存中的盘块.SLIDE18SchoolofManagementTianjinUniversity磁盘存储器管理通常高速缓存在内存中有两种形式：第一种是在内存中开辟一个单独的存储空间来作为磁盘高速缓存，其大小是固定的；第二种是把所有未利用的内存空间变为一个缓冲池，供请求分页系统和磁盘I/O时(作为磁盘高速缓存)共享。置换算法：现在不少系统在设计其高速缓存的置换算法时，除了考虑到最近最久未使用这SLIDE19SchoolofManagementTianjinUniversity磁盘存储器管理(1)访问频率。(2)可预见性。(3)数据的一致性。周期性地写回磁盘为了防止在数据不一致的问题，尤其是系统发生故障时，必须提供周期性回写磁盘的功能；在UNIX系统中专门增设了一个修改update程序，使之在后台运行，该程序周期性地调用一个系统调用SYNC。SLIDE20SchoolofManagementTianjinUniversity磁盘存储器管理MS-DOS中所采用的方法是：只要高速缓存中的某盘块数据被修改，便立即将它写回磁盘,但是会造成频繁启动磁盘。提高磁盘I/O速度的其它方法：1.提前读(Read-Ahead)2.延迟写3.优化物理块的分布4.虚拟盘SLIDE21SchoolofManagementTianjinUniversity磁盘存储器管理•廉价磁盘冗余阵列RAIDRAID:为RedundantArraysofIndependentDisks的简称,中文为廉价冗余磁盘阵列。在1987年由美国柏克莱大学提出RAID（RedundantArrayofInexpensiveDisks）理论,作为高性能的存储系统,巳经得到了越来越广泛的应用。RAID的级别从RAID概念的提出到现在,巳经发展了多个级别,有明确标准级别分别是0、1、2、3、4、5等。但是最常用的是0、1、3、5四个级别。RAID为使用者降低了成本、增加了执行效率,并提供了系统运行的稳定性。SLIDE22SchoolofManagementTianjinUniversity磁盘存储器管理并行交叉存取根据RAID所采用的方法不同，可以将其分为0－5六个级别，后来又增加了RAID6级和RAID7级。SLIDE23SchoolofManagementTianjinUniversity磁盘存储器管理①RAID0级–数据分块，即把数据分布在多个盘上–非冗余阵列、无冗余信息–严格地说,它不属于RAID系列②RAID1级–亦称镜像盘，使用双备份磁盘–每当数据写入一个磁盘时，将该数据也写到另一个冗余盘（镜像盘），形成信息的两份复制品–特点：昂贵、系统可靠性高、效率低(冗余度太大，磁盘的利用率仅为50%SLIDE24SchoolofManagementTianjinUniversity磁盘存储器管理SLIDE25SchoolofManagementTianjinUniversity磁盘存储器管理SLIDE26SchoolofManagementTianjinUniversity磁盘存储器管理③RAID3级–位交叉奇偶校验盘阵列，是单盘容错并行传输的阵列–数据以位或字节交叉的方式存于各盘，冗余的奇偶校验信息存储在一台专用盘上。–将磁盘分组，读写要访问组中所有盘，每组中有一个盘作为校验盘。SLIDE27SchoolofManagementTianjinUniversity磁盘存储器管理SLIDE28SchoolofManagementTianjinUniversity磁盘存储器管理④RAID5级–块交叉分布式奇偶校验盘阵列。–数据以块交叉的方式存于各盘，无专用校验盘，冗余的奇偶校验信息均匀分布于所有盘。–特点:无瓶颈盘，多个写访问请求可同时进行SLIDE29SchoolofManagementTianjinUniversity磁盘存储器管理SLIDE30SchoolofManagementTianjinUniversity磁盘存储器管理⑤RAID6级–双维奇偶校验独立存取盘阵列。–数据以块(块大小可变)交叉的方式存于各盘，冗余的检、纠错信息均匀地分布在所有磁盘上。–每次写入数据都要访问一个数据盘和两个校验盘，可容忍双盘出错。⑥RAID7级–采用Cache和异步技术的RAID6，提高响应速度和传输速率(可达每秒几十兆字节)，是目前最高档次的磁盘阵列。SLIDE31SchoolofManagementTianjinUniversity磁盘存储器管理•RAID的优点–容量大–速度快–可靠性高–性价比高SLIDE32SchoolofManagementTianjinUniversity本章小节•本章小节－了解操作系统处理用户I/O请求的基本过程–I/O控制方式：？？？–缓冲管理–设备独立性，称设备无关性，如何分配独享设备–虚拟设备和SPOOLing技术–设备驱动程序–磁盘管理：调度算法和廉价磁盘冗余阵列RAID