第五章設備管理操作系統劉剛1/7/20231第五章設備管理I/O系統

I/O控制方式

緩沖管理

設備分配設備處理磁盤存儲器管理1/7/20232磁盤存儲器管理磁盤存儲器管理的主要任務磁盤性能簡述磁盤調度磁盤高速緩存(DiskCache)提高磁盤I/O速度的其它方法廉價磁盤冗余陣列現代操作系統的重要任務之一：設法改善磁盤系統的性能1/7/20233磁盤存儲器管理磁盤存儲器管理的主要任務為文件分配存儲空間合理地組織文件地存儲方式，以提高磁盤的訪問速度提高磁盤存儲空間地利用率提高磁盤I/O速度，改善文件性能確保文件系統的可靠性（備份）1/7/20234磁盤存儲器管理磁盤存儲器管理的主要任務磁盤性能簡述磁盤調度磁盤高速緩存(DiskCache)提高磁盤I/O速度的其它方法廉價磁盤冗余陣列1/7/202355.6磁盤存儲器管理5.6.1磁盤性能簡述1.數據的組織和格式圖5-22磁盤的格式化

磁盤包括一個或多個盤片，每片分2面，每面可分成若干條磁道，各磁道之間有間隙，每條磁道上可存儲相同數目的二進制位，磁盤密度即每英寸之中所存儲的位數。顯然內層磁道的密度較外層磁道的密度大。1/7/20236磁盤性能簡述盤片扇區磁頭磁道1/7/20237磁盤性能簡述1/7/20238磁盤性能簡述1/7/20239磁盤性能簡述述12/29/202210磁盤性能簡簡述12/29/202211磁盤性能能簡述12/29/202212磁盤性性能簡簡述數據的的組織織和格格式盤片（1個個或多多個））、盤盤面、、磁道道、扇扇區扇區有有標識符符字段段和數據字字段Gap102031292293FieldGapFieldGapGapFieldGapFieldGap17741515201774151520IDDataIDDataGap1292293FieldGapField1774151520IDDataSectorPhysicalSector0PhysicalSector1PhysicalSector29BytesSynchByteTrack#Head#Sector#Bytes1211CRC3SynchByteDataCRC15122600Bytes/SectorGap存儲相相同數數目的的二進進制位位間隙定界符符段校驗驗12/29/2022132.磁磁盤的類類型1)固固定頭磁磁盤這種磁盤盤在每條磁道道上都有有一讀/寫磁頭頭，所有的的磁頭都都被裝在在一剛性性磁臂中中。通過過這些磁磁頭可訪訪問所有有各磁道道，并進進行并行讀/寫，有效地地提高了磁磁盤的I/O速速度。這種結結構的磁磁盤主要要用于大容量磁磁盤上。2)移移動頭磁磁盤每一個盤盤面僅配配有一個個磁頭，也被裝裝入磁臂臂中。為為能訪問問該盤面面上的所所有磁道道，該磁磁頭必須須能移動動以進行行尋道。。可見，，移動磁磁頭僅能能以串行方式式讀/寫寫，致使其其I/O速速度較慢慢；但由于于其結構構簡單，，故仍仍廣泛應應用于中小型磁磁盤設備中。。12/29/202214磁盤性能能簡述訪盤時間間組成尋道時間間旋轉延遲遲時間傳輸時間間12/29/202215磁盤性能能簡述磁盤訪問問時間尋道時間間Ts這是指把把磁臂(磁頭)移動到到指定磁磁道上所所經歷的的時間。。該時間間是啟動動磁臂的的時間s與磁頭頭移動n條磁道所所花費的的時間之之和，即即Ts=m×n+s旋轉延遲遲時間Tτ這是指定定扇區移移動到磁磁頭下面面所經歷歷的時間間。如：：7200r/min每轉=60000ms/7200r=8.33ms平均旋轉轉延遲=（0+8.33)/2=4.16是一常數，，與磁盤驅驅動器的速速度有關一般：0.2高速：<=0.1啟動磁臂時時間2ms12/29/202216磁盤盤性性能能簡簡述述傳輸輸時時間間Tt指把把數數據據從從磁磁盤盤讀讀出出或或向向磁磁盤盤寫寫入入數數據據所所經經歷歷的的時時間間。。其其大大小小與與每每次次所所讀讀/寫寫的的字字節節數數b和和旋旋轉轉速速度度有有關關r為磁磁盤盤每每秒秒鐘鐘的的轉轉數數；；N為一一條條磁磁道道上上的的字字節節數數Tτ和Tt相同同，，則則訪訪問問時時間間=Ts+Tτ+Tt如b=N/2，，則則Tτ=1/(2r)=Tt可見見，，尋尋道道時時間間TS和旋旋轉轉延延遲遲時時間間Tτ基本本上上都都與與所所讀讀/寫寫數數據據的的字字節節數數無無關關，，而而且且它它通通常常占占據據了了訪訪問問時時間間中中的的大大部部分分目前磁盤的傳傳輸速率已達達到80MB/s以上，，數據傳輸時時間所占的比比例更低。可可見，適當地地集中數據傳傳輸，將有利利于提高傳輸輸效率12/29/2022173.磁磁盤盤訪問問時間間尋道時時間:20ms磁盤通通道傳傳輸速速率:1MB/s轉速r=3600rpm每扇區區512字字節每磁道道32扇扇區目標：：讀128k數數據1.尋尋道時時間TS：TS=m*n+S；；2.旋旋轉延延時間間Tr：Tr＝1/2r3.數數據傳傳輸時時間Tt：Tt＝b/rN訪問時時間：：Ta=Ts+1/2r+b/rN60*16k=960k<1MB/s順序組組織(20＋8.3＋16.7)＋(8.3＋＋16.7)××7＝＝220(ms)隨機組組織(20＋8.3＋0.5)××256＝＝7373(ms)12/29/202218磁盤存儲器器管理磁盤存儲器器管理的主主要任務磁盤性能簡簡述磁盤調度磁盤高速緩緩存(DiskCache)提高磁盤I/O速度度的其它方方法廉價磁盤冗冗余陣列在訪問磁盤盤的時間中中，主要是是尋道時間間，因此，，磁盤調度度的目標就就是使磁盤盤的平均尋尋道時間最最少。12/29/202219磁盤調度先來先服務FCFS(First-Come,FirstServed)根據進程請求求訪問磁盤的的先后次序進進行調度優點：簡單、、公平，不會會出現請求長長期得不到滿滿足缺點：未優化化，平均尋道道時間長平均尋道長度度：55.31461841123810150701607290211819393584555移動距離被訪問的下一一個磁道100道開始始55、58、、39、18、90、160、150、38、、18412/29/2022200383955589010015016018418先來先服務務FCFS(First-Come,FirstServed)12/29/202221磁盤調度最短尋道時時間優先SSTF(ShortestSeekTimeFirst)要求訪問的的磁道與當當前磁頭所所在的磁道道距離最近近優點：使每每次尋道時時間最短缺點：不能能保證平均均尋道時間間最短；可可能導致距距離遠的進進程總也得得不到服務務平均尋道長長度：27.524184101601321502018138163935532581090移動距離被訪問的下下一個磁道道100道開開始55、58、39、、18、90、160、150、38、18412/29/2022220383955589010015016018418最短短尋尋道道時時間間優優先先STF(ShortestSeekTimeFirst)12/29/202223FCFS調調度算法SSTF調度度算法100道開始被訪問的下一個磁道移動距離5545583391918219072160701501038112184146平均尋道長度：55.3100道開始被訪問的下一個磁道移動距離90105832553391638118201501321601018424平均尋道長度：27.512/29/2022243.掃描描(SCAN)算法法1)進程程“饑餓””現象SSTF算算法雖然能能獲得較好好的尋道性性能，但卻卻可能導致致某個進程程發生“饑饑餓”(Starvation)現象象。因為只只要不斷有有新進程的的請求到達達，且其所所要訪問的的磁道與磁磁頭當前所所在磁道的的距離較近近，這種新新進程的I/O請求求必須優先先滿足。對對SSTF算法略加加修改后所所形成的SCAN算算法，即可可防止老進進程出現““饑餓”現現象。12/29/202225磁盤盤調調度度掃描描(SCAN)算算法法SSTF算算法法雖雖然然能能獲獲得得較較好好的的尋尋道道性性能能，，但但卻卻可可能能導導致致某某個個進進程程發發生生““饑餓餓”(Starvation)現象象05016012/29/202226磁盤盤調調度度掃描描(SCAN)算算法法對SSTF算算法法略略加加修修改改后后所所形形成成的的SCAN算算法法，，即即可可防防止止進進程程出出現現““饑饑餓餓””現現象象SCAN算算法法不不僅僅考考慮慮欲欲訪訪問問的的磁磁道道與與當當前前磁磁道道的的距距離離，，更更優優先先考考慮慮的的是是磁磁頭頭當當前前的的移移動動方方向向磁頭頭移移動動：：自自里里向向外外自外外向向里里又稱稱為為““電梯梯調調度度算算法法”12/29/202227磁盤調調度掃描(SCAN)算算法對SSTF算法法略加加修改改后所所形成成的SCAN算算法，，即即可防防止進進程出出現““饑餓餓”現現象SCAN算算法不不僅考考慮欲欲訪問問的磁磁道與與當前前磁道道的距距離，，更優優先考考慮的的是磁磁頭當當前的的移動動方向向磁頭移移動：：自里里向外外自外向向里又稱為為““電梯調調度算算法”平均尋尋道長長度：：27.82018138163935532589490241841016050150移動距距離被訪問問的下下一個個磁道道100道開開始，，增加加方向向55、、58、39、、18、90、、160、、150、、38、18412/29/202228SCAN調調度算算法SSTF調調度算算法100道開始被訪問的下一個磁道移動距離90105832553391638118201501321601018424平均尋道長度：27.5100道開始，增加方向被訪問的下一個磁道移動距離1505016010184249094583255339163811820平均尋道長度：27.812/29/2022290383955589010015016018418磁盤調度缺點：剛移過的磁磁道的等待待時間長12/29/202230磁盤調度循環掃描(CSCAN)算法法規定磁頭單單向移動減少剛移過過的磁道的的等待時間間平均尋道長長度：27.532903581655139203816618241841016050150移動距離被訪問的下下一個磁道道100道開開始，增加加方向55、58、39、、18、90、160、150、38、18412/29/2022310383955589010015016018418磁盤調度12/29/202232SCAN調調度度算算法法CSCAN調調度度算算法法100道開始，增加方向被訪問的下一個磁道移動距離1505016010184249094583255339163811820平均尋道長度：27.8100道開始，增加方向被訪問的下一個磁道移動距離15050160101842418166382039155165839032平均尋道長度：27.512/29/202233SSTF調度算算法CSCAN調度度算法100道開始，增加方向被訪問的下一個磁道移動距離15050160101842418166382039155165839032平均尋道長度：27.5100道開始被訪問的下一個磁道移動距離90105832553391638118201501321601018424平均尋道長度：27.512/29/202234磁盤調調度N-Step-SCAN和FSCAN調度度算法法N-Step-SCAN算法法在SSTF、SCAN及CSCAN幾種種調度度算法法中，，都都可能能出現現磁臂臂停留留在某某處不不動的的情況況，稱稱為““磁臂粘粘著”(Armstickiness)N步SCAN算算法是是將磁磁盤請請求隊隊列分分成若若干個個長度度為N的子子隊列列，磁磁盤調調度將將按FCFS算算法依依次處處理這這些子子隊列列。而而每每處理理一個個隊列列時又又是按按SCAN算法法，對對一個個隊列列處理理完后后，再再處理理其他他隊列列FSCAN算法法FSCAN算法法是N步SCAN算算法的的簡化化，即即其其只將將磁盤盤請求求隊列列分成成兩個個子隊隊列。。一是是由當當前所所有請請求I/O的進進程形形成的的隊列列，由由磁盤盤調度度按SCAN算算法進進行處處理。。在掃掃描期期間，，新出出現的的所有有請求求I/O的的進程程，則則放放入另另一個個等待待處理理的請請求隊隊列當N值值很大大時，，N步步掃描描性能能接近近于SCAN性性能；；N=1，，N步掃掃描性性能便便退化化為FCFS12/29/202235磁盤存儲器器管理磁盤存儲器器管理的主主要任務磁盤性能簡簡述磁盤調度磁盤高速緩緩存(DiskCache)提高高磁磁盤盤I/O速速度度的的其其它它方方法法廉價價磁磁盤盤冗冗余余陣陣列列12/29/202236磁盤高高速緩緩存(DiskCache)磁盤高高速緩緩存的的形式式利用內存中的存存儲空空間，，來暫暫存從從磁盤中讀出出的一一系列列盤塊塊中的的信息息高速緩緩存是是一組組在邏邏輯上上屬于于磁盤盤，而而物物理上上是駐駐留在在內存存中的的盤塊塊高速緩緩存在在內存存中可可分成成兩種種形式式在內存存中開開辟一一個單獨的的存儲儲空間間來作為為磁盤盤高速速緩存存，其其大小小是固固定的的把所有有未利用用的內內存空空間變變為一一個緩緩沖池池，供請請求分分頁系系統和和磁盤盤I/O時時(作作為磁磁盤高高速緩緩存)共享享不受應用程程序多少的的限制應用程序多多時緩存可可能很小12/29/202237磁盤高速緩緩存(DiskCache)數據交付方方式數據交付（（DataDelivery）是指將磁盤盤高速緩存存中的數據據傳送給請請求者進程程當有進程請請求訪問某某個盤塊時時，先查看看磁盤高速速緩存有兩種方式式交付數據據給請求進進程數據交付。這是直接接將高速緩緩存中的數數據，傳傳送到請求求者進程的的內存工作作區中指針交付。只將指向向高速緩存存中某區域域的指針，，交付給請請求者進程程所傳送的數數據量少，，節省了數數據從磁盤盤高速緩存存存儲空間間到進程的的內存工作作區的時間間12/29/202238磁盤高速緩存存(DiskCache)置換算法將磁盤中的盤盤塊寫入高速速緩存時，會會出現因為高高速緩存中已已裝滿盤塊而而需要將高速速緩存中的數數據先換出的的問題，常用用算法有LRU、NRU、LFU等除了考慮LRU外，還需需考慮以下幾幾點訪問頻率可預見性，如如正在寫數據據的未滿盤塊塊數據的一致性性內存中已修改改數據要寫回回磁盤可將高速緩存存中的所有盤盤塊數據構成成一個LRU鏈，將會影影響到數據一一致性的盤塊塊和很久都不可能能再用的盤塊放在LRU鏈的鏈鏈頭，使其優優先被寫回磁磁盤，不久后后還要再使用用的盤塊放到到鏈尾最近最久未使使用算法LRU最近未使用算算法NRU最少使用算法法LFU12/29/202239磁盤高速緩緩存(DiskCache)周期性寫回回磁盤在LRU算算法中，經經常被訪問問的盤塊數數據可能一一直保留在在高速緩存存中，長期期不被寫回回磁盤在UNIX系統中專專門增設了了一個修改(update)程序，使使之在后臺臺運行，該該程序周期期性地調用用一個系統統調用SYNC。該該調用的主主要功能是是強制性地地將所有在在高速緩存存中已修改改的盤塊數數據寫回磁磁盤在MS-DOS中所所采用的方方法是：只只要高速緩緩存中的某某盤塊數據據被修改，，便立即將將它寫回磁磁盤，并將將這種高速速緩存稱為為“寫穿透、高高速緩存””(write-throughcache)12/29/202240磁盤盤存存儲儲器器管管理理磁盤盤存存儲儲器器管管理理的的主主要要任任務務磁盤盤性性能能簡簡述述磁盤盤調調度度磁盤盤高高速速緩緩存存(DiskCache)提高高磁磁盤盤I/O速速度度的的其其它它方方法法廉價價磁磁盤盤冗冗余余陣陣列列12/29/202241提高高磁磁盤盤I/O速速度度的的其其它它方方法法提前前讀讀（（Read-Ahead））在讀讀當當前前塊塊的的同同時時，，將將下下一一盤盤塊塊讀讀入入緩緩沖沖區區延遲遲寫寫緩沖沖區區中中的的數數據據不不立立即即寫寫回回磁磁盤盤，，而而掛掛在在隊隊尾尾優化化物物理理塊塊分分布布使文文件件的的物物理理塊塊集集中中，，減減小小磁磁頭頭移移動動距距離離分配配時時以以簇簇（（若若干干個個盤盤塊塊））為為單單位位磁盤盤碎碎片片整整理理虛擬擬盤盤利用用內內存存空空間間仿仿真真磁磁盤盤，，又又稱稱為為RAM盤盤12/29/202242磁盤存存儲器器管理理磁盤存存儲器器管理理的主主要任任務磁盤性性能簡簡述磁盤調調度磁盤高高速緩緩存(DiskCache)提高磁磁盤I/O速度度的其其它方方法廉價磁磁盤冗冗余陣陣列12/29/202243廉價磁磁盤冗冗余陣陣列廉價磁磁盤冗冗余陣陣列RAID(RedundantArrayofInexpensiveDisk)，1987年由由美國國加州州大學學提出出過去RAID是是由許許多小小的便便宜磁磁盤組組成的的，可可作為為大的的昂貴貴磁盤盤的有有效替替代品品現在RAID的的使用用主要要是因因為其其高可可靠性性和高高數據據傳輸輸率，，而不不是經經濟原原因利用一一臺磁磁盤陣陣列控控制器器統一一管理理和控控制一一組磁磁盤驅驅動器器，組組成一一個可可靠的的、快快速的的大容容量磁磁盤系系統12/29/202244廉價磁盤盤冗余陣陣列磁盤冗余余——改改善可靠靠性復制每個個磁盤，，這種技技術稱為為鏡像12/29/202245廉價磁盤冗余余陣列并行交叉存取取——提高數數據傳輸速度度將一個盤塊中中的數據分成成若干個子盤盤塊數據，分分別存儲在不不同磁盤的相相同位置上。。數據傳送時時采用并行傳傳輸方式主要目的：通通過負載平衡衡，增加了多多個小訪問（（即頁訪問））的吞吐量，，降低大訪問問的響應時間間12/29/202246廉價磁盤冗冗余陣列鏡像提高可可靠性，但但很昂貴，，分散提供供了高數據據傳輸率，，但并未改改善可靠性性，通過磁磁盤分散和和“奇偶””位可以提提供多種方方案以在低低代價下提提供冗余，，這些方案案有不同的的性價折中中，可分成成不同級別別，稱為RAID級級別12/29/2022472.RAID的分分級(RedundantArrayofInexpensiveDisk)RAID0級。RAID1級。(3)RAID2級。(4)RAID3級。(5)RAID4級。(6)RAID5級。(7)RAID6級和RAID7級。12/29/202248RAID0(不冗余余）12/29/202249RAID012/29/202250RAID0不冗余余不校驗驗分布式式存儲儲低可靠靠性低價格格并行I/O訪訪問問12/29/2022512.RAID的分分級RAID0級。RAID1級。(3)RAID2級。(4)RAID3級。(5)RAID4級。(6)RAID5級。(7)RAID6級和RAID7級。12/29/202252RAID1(鏡鏡像)分布存存放鏡像冗冗余不校驗驗12/29/202253RAID1讀性性能能比比RAID0好好(選選擇擇尋尋道道時時間間小小的的磁磁盤盤訪訪問問)寫性性能能比比RAID0差差存儲儲開開銷銷大大可靠靠性性高高12/29/2022542.RAID的分級級RAID0級級。RAID1級級。(3)RAID2級。(4)RAID3級。(5)RAID4級。(6)RAID5級。(7)RAID6級和RAID7級級。12/29/202255RAID2(漢明明碼校驗驗冗余)1