第7章 设备管理_2.ppt

第7章设备管理 I O设备管理概述 磁盘管理 I O控制方式 缓冲管理 7 4磁盘管理 速度是影响文件系统性能的主要因素提高磁盘I O速度的主要途径 选择性能好的磁盘采用好的磁盘调度算法设置磁盘高速缓冲区 磁盘性能 影响磁盘性能的因素 数据的结构磁盘的类型磁盘访问时间 磁盘结构和管理 每条磁道上存储相同数目的二进制位 盘片旋转 当磁头位于某个磁道 某个扇区下时 就可将该扇区的内容读出或写入 磁盘结构和管理 磁盘寻址 柱面 磁道 号磁头 盘面 号扇区号 磁盘的格式化 低级格式化 例一个磁道分成30个固定大小的扇区 每个扇区的容量为600个字节 其中512个字节存放数据 88个字节存放控制信息 读写磁盘时的单位 扇区 相当于存储块 扇区大小固定 磁盘的类型 固定头磁盘每条磁道上都有一个读 写磁头 大容量磁盘 移动头磁盘每个盘面仅配一个读 写磁头 即微机上用的硬盘 也叫温切斯特硬盘 磁盘的访问 寻道时间Ts 磁头从当前位置移动到指定磁道上所经历的时间 s 启动磁盘时间 m 常数 0 3 n 磁道数 Ts 随寻道距离的增大而增大 约10ms旋转延迟时间Tr 磁头找到指定的扇区所经历的时间 由磁盘的旋转速度决定 例 旋转速度 r 10000rpm 则Tr 3ms 传输时间Tt 数据从磁盘读出 或向磁盘写入数据所经历的时间 r 磁盘旋转速度N 一条磁道上的字节数b 每次读写的字节数 磁盘访问时间 如何减少磁盘的访问时间 例1 寻道时间是Ts 旋转延迟时间是Tr 设Ts Tr 13ms 磁道的传输速度为2KB ms 1 若要传输1K字节 求磁盘访问时间Ta则传输时间Tt 1 2 0 5msTa 13 0 5 13 5ms 2 若要传输10K字节 求磁盘访问时间Ta则传输时间Tt 10 2 5msTa 13 5 18ms 结论1 适当集中数据传送 有利于提高传输速率 如何减少磁盘的访问时间 例2 磁盘的寻道时间为10ms 旋转时间为10000r min 每个磁道有320个扇区 每个扇区512个字节 假设读取一个包含2560个扇区的文件 文件的大小是1 3MB现在估计磁盘的访问时间 1 若数据顺序组织 读第一个磁道的时间如下 Ts Tr Tt 读320个扇区时间 10ms 3ms 6ms 19ms如果在读其余的磁道时 不需寻道 后面每个磁道的读取时间是3 6 9ms 读取整个文件总时间 19 7 9 82ms 0 082s 2 如果采用随机访问 也就是说 访问随机分布在磁盘上的扇区 对于每个扇区的访问时间为 Ts Tr Tt 读一个扇区时间 10ms 3ms 0 01875ms 13 01875ms 读取整个文件总时间 2560 13 01875 33328ms 33 328s 结论2 减少磁盘访问时间的途径之二 数据尽可能顺序组织 磁盘调度算法 FCFS 先来先服务优点 公平 简单 缺点 未对寻道进行优化 平均寻道时间较长 SSTF 最短寻道时间优先优点 对寻道优化缺点 饥饿 现象发生 FCFS和SSTF 磁盘调度算法 SCAN算法 对SSTF算法进行改造 不仅考虑要访问的磁道与当前磁盘的距离 更优先考虑磁头的当前移动方向 因该算法中磁头的移动规律颇似电梯的运行 故称 电梯调度算法 循环扫描CSCAN 对SCAN进行改造 内 外 扫描算法 磁盘调度算法 SCAN和CSCAN 磁盘调度算法 N step SCAN对于SSTF SCAN CSCAN均有可能出现磁头在某处停留不动的情况 称为磁臂粘着现象 将磁盘请求队列分成若干个长度为N的子队列 用FCFS依此处理这些子队列 在每个队列中用SCAN N越大 所有进程一队 SCANN越小 N 1 FCFS N step SCAN扫描算法 磁盘调度算法 FSCAN将N step SCAN算法简单化为二个队列 一个队列为 当前请求磁盘I O的进程形成的队列 由SCAN处理 另一个队列为 新出现的请求磁盘I O的进程形成的队列 这样一来 新的请求下次扫描时再处理 FSCAN扫描算法 独立磁盘冗余阵列 独立磁盘冗余阵列 ReduntantArrayofIndependentDisks RAID 1987年由美国加利福尼亚大学克莱分校提出 后得到广泛应用 目的 提高可靠性和数据传输率RAID技术有7级 RAID0 RAID6 不同的级别代表了不同的设计结构 独立磁盘冗余阵列RAID0 RAID0级 并行交叉存取系统中有多台磁盘驱动器 每个磁盘被划分成多个条带 当要读取磁盘上的数据时 采取并行传输方式 将各个磁盘条带中的数据同时向内存中传输 从而使传输时间大大减少 独立磁盘冗余阵列RAID1 RAID1级 磁盘镜像具有磁盘镜像功能 但磁盘利用率只有50 独立磁盘冗余阵列RAID2 RAID2级 位校验冗余磁盘存放校验位把磁盘每个字节的位都计算一个差错校验位 并将它存储在多个错误校验盘的相应位中 奇偶校验盘个数 数据盘的个数 独立磁盘冗余阵列RAID3 RAID3级 位校验 单独校验盘具有并行传输功能的磁盘阵列 用一台奇偶校验盘完成容错 比RAID1 磁盘利用率高 常用于科学计算和图像处理 假设磁盘驱动器X1出现故障 给上面等式的两边都加上 则有 校验数据 独立磁盘冗余阵列RAID4 RAID4级 块校验 单独校验盘数据条带的大小比较大 通常为一个数据块 独立磁盘冗余阵列RAID5 RAID5级 奇偶校验条带分散在所有磁盘中典型分配方案 循环分配 避免RAID4可能出现的校验盘成为I O瓶颈 独立磁盘冗余阵列RAID6 RAID6级 两种奇偶校验方法采用了两种不同的奇偶校验计算方法 并保存在两个不同磁盘的不同块中 这就使得即使有两个包含用户数据的磁盘出现故障 也可以重新生成数据 RAID的优点 可靠性高除RAID0级外 其余各级均采用了容错技术 当阵列中某一磁盘损坏时 并不会造成数据的丢失 所以可以根据未损坏磁盘中的信息 来恢复已损坏的盘中的信息 以牺牲1 N的容量为代价 来换取高可靠性 磁盘I O速度高由于磁盘阵列可采取并行交叉存取方式 故可将磁盘I O速度提高N 1倍 N为磁盘数目 性能 价格比高 7 5缓冲管理 缓冲的引入缓和CPU与I O设备间速度不匹配的矛盾减少对CPU的中断频率提高CPU和I O设备之间的并行性 缓冲是在通信问题中 为了使通信双方的速度匹配而引入的一个中间层次 这个层次的速度比通信双方中较慢的一方快 而与较快的一方更匹配 缓冲的定义 缓冲的设置 CACHEI O设备或控制器内部的纯硬件缓冲区内存开辟的缓冲区脱机I O技术和SPOOLing技术 本节重点研究的内容 内存中的缓冲区 单缓冲 若没有缓冲区 系统对整块数据的处理时间为T C T与C串行 提供缓冲区系统对整块数据的处理时间为max C T M 通常M远小于T或C T与C并行 双缓冲 先将数据输入到第一个缓冲区 在向第二个缓冲区送数据的同时 CPU对第一个缓冲区中数据进行计算 双缓冲的情况下 系统处理一块数据的时间为max C T 如果CT CPU就不必等待设备输入 循环缓冲 多个缓冲组织成循环缓冲形式 输入进程 不断向空缓冲区输入数据 计算进程 不断从中提取数据进行计算 缓冲池 以上的缓冲只能用于某一进程 他们属于专用缓冲 为了提高缓冲区的利用率 可采用公用缓冲池 三个缓冲区链组成的队列 空缓冲区队列emq 输入队列inq 输出队列outq 四种工作缓冲区 用于收容输入数据的工作缓冲区hin用于提取输入数据的工作缓冲区sin用于收容输出数据的工作缓冲区hout用于提取输出数据的工作缓冲区sout 缓冲池管理的两个过程GetBuf和PutBuf 对三个队列的操作是类似的 主要有两个操作 GetBuf Type 从Type指示的某个队列上 摘下一个缓冲区 PutBuf Type number 将由number指向的缓冲区挂在某个队列Type实现互斥和同步 系统设置两个过程 GetBuf和PutBuf 缓冲池管理的工作方式 空缓冲区队列emq 输入队列inq 输出队列outq 磁盘高速缓存 磁盘高速缓存的形式 磁盘的速度比内存低4 6数量级 内存单独开辟一存储空间 内存空间变成缓冲池 供请页系统和磁盘I O 高速缓存 共享 数据交付 是指将磁盘高速缓存中的数据传送给请求者进程 当有一进程请求访问某个盘块中的数据时 操作系统先去查看缓存 若其中有进程所需访问的盘块数据的拷贝 便直接读出 数据交付方式数据交付指针交付 置换算法 在设计置换算法时 除考虑 最近最久未使用 这一原则 还考虑 访问频率可预见性数据的一致性将高速缓存中的所有盘块拉成LRU链 链头放严重影响数据一致性的盘块和很久不用的数