第23讲 设备管理之磁盘存储器管理.doc

第二十三讲 设备管理之磁盘存储器管理1 磁盘性能简述 了解1.1 存储器系统的层次结构存储器系统的层次结构如下图所示：注意：磁盘是随机存取、磁带是顺序存取。1.2 存储器主要技术指标存储密度 单位长度（磁带）或单位面积（磁盘）磁层表面所存储的二进制信息量存储容量 磁表面存储器所能存储的二进制信息的总量，以字节为单位寻址时间、数据传输率、误码率、价格1.3 磁盘介绍目的： 长期存储、断电后存储 容量大、价格低廉，但速度慢 可用在层次存储器的最底层两种主要类型： 软盘、硬盘特点： 使用旋转托盘上的表面磁颗粒来存储数据 可移动的读/写头来访问磁盘硬盘、软盘比较： 硬质托盘（金属铝），面积可以比较大； 由于可被精确控制，密度可以更高 旋转速度快，传输率高 可以多个盘片组合磁盘结构，如图1.4 磁盘性能简述 看一下了解数据组织：磁盘结构、磁道、柱面、扇区、磁盘格式化磁盘物理块的地址： 柱面号 磁头号 扇区号磁盘类型：固定头磁盘、移动头磁盘访问时间：由三部分组成：寻道时间、旋转延迟时间、传输时间。寻道时间：将磁头从当前位置移到指定磁道所经历时间旋转延迟时间：指定扇区移动到磁头下面所经历时间传输时间：将扇区上的数据从磁盘读出/向磁盘写入数据所经历的时间。磁盘的格式化：2 磁盘调度磁盘可供多个进程共享，当有多个进程要求访问磁盘，应采用一种最佳的调度算法，使得各进程对磁盘的平均访问量最小。 在访问磁盘的时间中，主要是寻道时间。因此，磁盘调度的目标是使平均寻道时间最小。2.1 先来先服务FIFS思路：按进程请求访问磁盘的先后次序进行调度。平均寻道长度移动距离/访问的磁道数特点：简单、较合理，但未对寻道进行优化。2.2 最短寻道时间优先SSTF思路：选择从当前磁头位置所需寻道时间最短的请求。饥饿现象（Starvation）：在最短寻道时间优先算法中，只要不断有新进程的请求到达，且其所要访问的磁道与磁头当前位置的距离较近，则这个新进程的I/O请求必然优先满足。造成另一个进程的请求始终不能满足。称为饥饿现象。特点：寻道性能比FCFS好，但不能保证寻道时间最短，且有可能引起某些请求的饥饿。2.3 扫描算法（SCAN）采用扫描算法，可防止进程出现“饥饿”现象。思路：磁头从磁盘的一端开始向另一端移动，沿途响应访问请求，直到到达了磁盘的另一端，此时磁头反向移动并继续响应服务请求。有时也称为电梯算法。其实就是增加了方向啦特点：寻道性能较好，避免了饥饿，但不利于远离磁头一端的访问请求。2.4 循环扫描算法思路：规定磁头单向移动 示例见课本图5-26 P175特点：消除了对两端磁道请求的不公平。2.5 N-STEP-SCAN调度算法1 SSTF、SCAN及CSCAN存在的问题-磁臂粘着 在SSTF、SCAN及CSCAN几种调度算法中，可能出现磁臂停留在某处的情况，即一个进程或某几个进程反复请求某一磁道，从而垄断了整个磁盘设备，这种现象称为磁臂粘着。2 N-STEP-SCAN调度算法 将磁盘请求队列分成若干个长度为N的子队列（N是对列中进程的数目），磁盘调度将按FCFS算法依次处理这些子队列，而每一子队列按SCAN算法处理。 N=1 FCFS算法 N很大 SCAN算法 N取半长度 FSCAN算法3 磁盘高速缓存（Disk Cache）3.1 引入目前，由于磁盘的I/O速度远低内存的访问速度，而致使磁盘的I/O成为计算机系统的瓶颈。为提高磁盘的I/O速度，便采用磁盘高速缓存。3.2 磁盘高速缓存的形式概念：指内存中的一部分存储空间，用来暂存从磁盘读出的一系列盘块中的信息。所以它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。磁盘高速缓存的形式：1 固定大小：在内存中开辟一个单独的存储空间来作为磁盘高速缓存。2 可变大小：将所有未利用的空间作为一个缓冲池。3.3 数据交付方式概念：是指磁盘高速缓存中的数据传送给请求者进程。两种方式：系统采取两种方式，将数据交付给请求进程：1数据交付：系统直接将磁盘高速缓存中的数据传送到请求者进程的内存工作区。2指针交付：只将指向磁盘高速缓存中该数据的指针，交付给请求者进程。3.4 置换算法引入：在将磁盘中的盘块读入到磁盘高速缓存中时，若因磁盘高速缓存已满，则采用常用的算法进行置换：最近最久未使用算法LRU 、最近未使用算法NRU、最少使用算法LFU置换时除算法外还应考虑的问题：（除了考虑最近最久未使用原则外）访问频率、可预见性、数据的一致性 解决方法将系统中所有盘块数据，拉成一条LRU链，对将会严重影响到数据一致性的数据和很久都可能不再使用的盘块数据， 放在LRU头部，到时优先写回磁盘。3.5 周期性的写回磁盘问题引入：系统中所有盘块数据，拉成一条LRU链，对将会严重影响到数据一致性的数据和很久都可能不再使用的盘块数据， 放在LRU头部，到时优先写回磁盘。若经常访问的数据将一直保留磁盘高速缓存中，长期不会被写回磁盘，若系统出故障，则存在磁盘高速缓存中的数据将丢失。问题解决n 周期性地将磁盘高速缓存中的数据写回磁盘。UNIXn 磁盘高速缓存中的数据若修改，则立即写回磁盘。4 提高磁盘I/O速度的其它方法 1提前读（Read_Ahead） 由于用户对文件的访问常用顺序方式，在读当前块时，可预知下一次要读的盘块，所以，可采用预先读方式，即在读当前块的同时，连同将下一块提前读入缓冲。当访问下一块数据时，其已在缓冲中，而不需去启动磁盘I/O。2延迟写 在缓存中的数据,本应立即写回磁盘,考虑不久之后可能会再用,故不立即写回磁盘。3优化物理块的分布 使磁头移动的距离最小（优化物理块的分布、优化索引结点的分布）。4虚拟盘 利用内存去仿真磁盘，又称为RAM盘。（与磁盘高速缓存的区别：RAM盘中的内容由用户控制，而缓存中的内容则由OS控制）5 廉价磁盘冗余阵列（RAID）是1987年由美国加利福尼来大学伯克利分校提出的，1988年问世思路：即利用一台磁盘陈列控制器，来统一管理和控制一组磁盘驱动器，组成一个高度可靠的、快速的大容量磁盘系统。5.1 并行交叉存取为提高磁盘的访问速度而在大、中型机中采用的交叉存取技术，即在一个配置多台磁盘驱动器的系统中，如图所示。说明：系统将每一盘块的数据分成若干个子盘块数据，再把每一个子盘块的数据分别存储到各个不同磁盘中的相同位置上，在以后，当要将一个盘块的数据传送到内存时，采取并行传输方式，将该盘块中的各个子盘块数据同时向内存传输，从而使传输时间大大减少。其实就是把一个文件分成若干个数据块存在不同盘的同一位置，将来并行传输。5.2 RAID的分类v RAID 0级 本级仅提供了并行存取技术，无冗余校验功能，至使磁盘系统的可靠性不好，故较少使用。v RAID 1级 本级具有磁盘锁像功能，即每次访问磁盘时，采用并行技术将数据同时主盘（数据盘）和磁盘镜像盘中。磁盘系统的可靠性好，但磁盘利用率不高。v RAID 3级 本级采用并行存取技术，增加了冗余校验功能，即用一个盘作校验盘，常用科学计算和图像处理。v RAID 5级 本级具有独立传送功能，各磁盘驱动器可独立读、写，校验信息在所有盘上，常用于I/O较频繁的事务处理中。v RAID 6级 本级设置了一个专用的、可快速访问的异步校验盘，该盘具有独立的数据访问通路。v RAID 7级 本级是对RAID 6级的改进，所有磁盘均具有较高