HYZ-OS-2013-磁盘设备管理.ppt

1,2019年9月17日星期二,北京交通大学计算机学院何永忠,操作系统（A）,北京交通大学计算机学院 何永忠 副教授,第五章：设备管理,第五章 设备管理,5.1 I/O系统组成 5.2 I/O控制方式 5.3 设备管理目标、功能及结构 5.4 缓冲管理 5.5 设备分配 5.6 设备处理 5.7 磁盘存储器管理,5.7 磁盘存储器管理,5.7.1 磁盘性能简述 5.7.2 磁盘调度 5.7.3 磁盘高速缓冲 5.7.4 提高磁盘I/O速度的其它方法 5.7.5 廉价磁盘冗余阵列,Hard Disk Drives (HDDs),IBM/Hitachi Microdrive,Western Digital Drive /guide/,Read/Write Head Side View,IBM Personal Computer/AT (1986) 30 MB hard disk - $500 30-40ms seek time 0.7-1 MB/s (est.),磁盘的类型,硬盘和软盘、单片盘和多片盘 固定头磁盘 在每条磁道上都有一个读写磁头，所有磁头装在一刚性磁臂上，通过这些磁臂可访问所有的磁道，并进行并行读写，能有效提高磁盘I/O速度，这种结构主要用于大容量磁盘 活动头（移动头）磁盘 每个盘面仅配有一个读写磁头，也被装入磁臂中，为了能访问该盘面上的所有磁道，该磁头必须能够移动和进行寻道；移动头磁盘结构简单，但只能进行串行读写故而I/O速度较慢，多用于中小型磁盘设备中,Properties of a Magnetic Hard Disk,Properties Independently addressable element: sector OS always transfers groups of sectors together“blocks” A disk can access directly any given block either sequentially or randomly. Typical numbers (depending on the disk size): 500 to more than 20,000 tracks per surface 32 to 800 sectors per track Zoned bit recording Constant bit density: more bits (sectors) on outer tracks Apple gs/old Macs: speed varies with track location,数据的组织和格式,基本数据组织层次 盘片（盘面）：磁道：扇区（盘块）,Magnetic Disk Characteristic,Cylinder: all the tracks under the head at a given point on all surfaces Read/write: three-stage process: Seek time: position the head/arm over the proper track (into proper cylinder) Rotational latency: wait for the desired sector to rotate under the read/write head Transfer time: transfer a block of bits (sector) under the read-write head Disk Latency = Queuing Time + Controller time + Seek Time + Rotation Time + Xfer Time Highest Bandwidth: Transfer large group of blocks sequentially from one track,Sector,Track,Platter,移动头磁盘访问时间构成,寻道时间Ts 把磁臂（磁头）从当前位置移动到指定磁道上所经历的时间 Ts = mn + s 旋转延迟时间Tr 指定扇区旋转到磁头下面所经历的时间Tr= 1/2r 数据传输时间Tt 把数据从磁盘读出或向磁盘写入数据所经历的时间 Tt = bytes/(rbytesPerTrack) 访问时间中，数据传输时间所占比例相当小，而寻道时间和旋转延迟时间基本上均与所读写的数据量无关，所以适当地集中数据传输（不要太零散）将有利于提高传输效率,Typical Numbers of a Magnetic Disk,磁盘存储器管理任务,磁盘存储器 容量大、存取速度快，且可实现随机存取 磁盘存储器管理的主要任务 提高磁盘I/O速度，以改善磁盘读写性能 采取必要的冗余措施，确保文件系统的可靠性,5.7 磁盘存储器管理,5.7.1 磁盘性能简述 5.7.2 磁盘调度 5.7.3 磁盘高速缓冲 5.7.4 提高磁盘I/O速度的其它方法 5.7.5 廉价磁盘冗余阵列,磁盘调度目标及算法,磁盘调度目标 磁盘是可被多个进程共享的设备，当有多个进程请求访问磁盘时，应采用一种适当的调度算法，使各进程对磁盘的平均访问时间（主要是寻道时间）最小 常用的磁盘调度算法 先来先服务调度算法FCFS 最短寻道时间优先调度算法SSTF 扫描算法、循环扫描算法,先来先服务调度算法,先来先服务调度算法FCFS 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：请求访问的磁道可能是随机分布，寻道时间就会较长 例如：请求访问磁道序列：1，6，2，5；当前，磁头位置6。调度次序6，5，2，1时平均寻道最短。,最短寻道时间优先调度算法,最短寻道时间优先调度算法SSTF 每次选择访问的磁道与磁头当前所在磁道距离最近的进程优先调度。 例如：请求2, 1, 3, 6, 2, 5；当前磁头位置5道。 调度次序： 5, 6, 3, 2, 2, 1 优点：具较好的寻道性能 可能导致进程饥饿现象 例如：当前磁头在5道，请求序列5,1,5,6,6,5,7,;,扫描算法,扫描算法（电梯调度算法）SCAN 当磁头向外（磁道号大）移动时，优先访问更外面的且寻道最短的磁道，直到没有更外的磁道访问请求时磁头向里移动。 当磁头向里（磁道号小）移动时，优先访问更里面的且寻道最短的磁道。直到没有更里的磁道访问请求时磁头向外移动。 优点：既能获得较好的寻道性，又能防止进程饥饿,扫描算法与循环扫描算法,循环扫描算法CSCAN SCAN的问题 如果磁道数为100个，当前磁头位置为2号磁道，正向外移动，这时请求访问1号磁道，那么该请求最坏情况下，需要等待磁头向外扫描99个磁道，向内扫描100个磁道的时间。 改进算法CSCAN：规定磁头单向向外扫描，当扫描到最外请求磁道后，立刻返回最里面请求的磁道。 最坏等待时间：是SCAN的1/2+移回时间,N-步扫描算法,N-步扫描算法（N-Step-SCAN） SCAN,CSCAN的问题： 磁臂粘着现象：磁臂停留在某处不动的情况（特别是高密度磁盘） 例如：多个进程一直不停请求对5号磁道进行读写访问。 N-步扫描 将磁盘请求队列分成若干个子队列，每个队列长度为N 按先来先服务算法依次处理这些子队列 各队列内部的N个请求以扫描算法处理 新请求到达时编入后面队列或者新的子队列,FSCAN算法,FSCAN算法 实质为N-步扫描算法的简化版本。 分为两个子队列。 1）当前所有请求磁盘访问的进程形成一个当前队列，并且按扫描算法处理各个请求； 2）在处理当前队列期间，新磁盘I/O请求排入等待队列。 3）本次扫描结束后，等待队列变为当前队列，按照 1）处理。,5.7 磁盘存储器管理,5.7.1 磁盘性能简述 5.7.2 磁盘调度 5.7.3 磁盘高速缓冲 5.7.4 提高磁盘I/O速度的其它方法 5.7.5 廉价磁盘冗余阵列,磁盘高速缓冲的形式,磁盘高速缓冲的概念 利用内存中的存储空间来暂存可能会被经常访问的磁盘中盘块内容（不是CPU与内存之间的cache） 进程读写磁盘时，首先查看磁盘高速缓冲是否有访问的数据（命中），没有时（不命中）才访问物理磁盘。 磁盘高速缓冲在内存的形式 开辟单独的固定大小的空间 与虚拟存储器共享内存缓冲池,磁盘高速缓冲关键环节,置换算法（同页面置换算法相比较） 最近最久未使用置换算法LRU 考虑访问频率、可预见性及数据一致性原则 LRU链的链头与链尾策略 周期性写回磁盘 防止经常被访问的盘块数据一直存放在高速缓冲不被写回磁盘而可能随故障发生丢失 写穿透高速缓存Write-Through Cache 只要修改就立刻写回磁盘。 不丢失数据，但导致频繁写,5.7 磁盘存储器管理,5.7.1 磁盘性能简述 5.7.2 磁盘调度 5.7.3 磁盘高速缓冲 5.7.4 提高磁盘I/O速度的其它方法 5.7.5 廉价磁盘冗余阵列,磁盘I/O速度提高的其它方法,提前读 用户（进程）对文件访问常采用顺序访问方式，即顺序地访问文件各盘块的数据，所以在读入当前块的同时，可将下一盘块数据提前读入缓冲区 延迟写 指缓冲区中的数据本应立即写回磁盘，但考虑到它们不久之后可能还会再被本进程或其它进程访问，因而并不立即将其写入磁盘，而是将它挂在空闲缓冲区队列的末尾 虚拟盘（RAM盘） 指利用内存空间仿真磁盘，常用于存放临时文件 与磁盘高速缓冲区别：内容由用户/OS控制,5.7 磁盘存储器管理,5.7.1 磁盘性能简述 5.7.2 磁盘调度 5.7.3 磁盘高速缓冲 5.7.4 提高磁盘I/O速度的其它方法 5.7.5 廉价磁盘冗余阵列,廉价磁盘冗余阵列RAID,Redundant Array of Inexpensive Disks 把多个（几台几十台）廉价的磁盘采用一定的方式组合起来，利用一台磁盘阵列控制器来统一管理和控制，组合成一个大容量、高可靠、高性能的逻辑磁盘。 美国加州大学伯克利分校D.A. Patterson教授在1988年提出的，得到了广泛的应用。 根据组织方式不同，得到的可靠性、读写性能、空间利用率等也不同，从而可分为多个级别，包括07级，10级，01级等组合级别,RAID0级-并行交叉存取,并行交叉存取 每一盘块数据分为N个子盘块数据，并把每个子盘块数据分别存储到各个不同磁盘中的相同位置；以后一个盘块数据向内存传送时采用并行传输方式。 性能高（比单个磁盘读写速度提高N倍） 无空间浪费，无冗余保护,廉价磁盘冗余阵列RAID分级,RAID1级 工作盘和镜像盘，可靠性高 只有50%的空间利用率 RAID2级 海明校验，2N磁盘作为校验盘，其他是数据盘 RAID3级 一个盘做奇偶校验盘 其他盘采用交叉存取,5.7 磁盘存储器管理,5.7.1 磁盘性能简述 5.7.2 磁盘调度 5.7.3 磁盘高速缓冲 5.7.4 提高磁盘I/O速度的其它方法 5.7.5 廉价磁盘冗余阵列,第五章 设备管理,5.1 I/O系统组成 5.2 I/O控制方式 5.3 设备管理目标、功能及结构 5.4 缓冲管