细致讲解大容量存储器结构

1、1细致讲解大容量存储器结构细致讲解大容量存储器结构磁盘结构磁盘结构磁盘调度磁盘调度磁盘管理磁盘管理交换空间管理交换空间管理RAID结构结构磁盘附属磁盘附属稳定存储实现稳定存储实现第三级存储结构第三级存储结构2主要问题主要问题 讨论为改善性能而调度磁盘讨论为改善性能而调度磁盘I/O顺序的磁盘调度算法顺序的磁盘调度算法 讨论磁盘格式化以及启动块、坏块和交换空间的管理讨论磁盘格式化以及启动块、坏块和交换空间的管理 简单描述第三级存储设备及操作系统使用第三级存储所引简单描述第三级存储设备及操作系统使用第三级存储所引起的问题起的问题3磁盘结构磁盘结构 磁盘：为现代计算机提供了大容量的磁盘：为现代计算机提

2、供了大容量的次级存储次级存储 磁盘驱动器：一维的磁盘驱动器：一维的逻辑块逻辑块数组数组 逻辑块：最小的传输单位逻辑块：最小的传输单位 映射：一维逻辑块按顺序映射到磁盘的映射：一维逻辑块按顺序映射到磁盘的扇区扇区 映射顺序：磁道内扇区顺序映射顺序：磁道内扇区顺序柱面内磁道顺序柱面内磁道顺序从外到内从外到内的柱面顺序的柱面顺序 实际映射时的困难实际映射时的困难0绝大多数磁盘都有一些缺陷扇区，映射必须用磁盘上绝大多数磁盘都有一些缺陷扇区，映射必须用磁盘上的其他空闲扇区来替代的其他空闲扇区来替代0有些磁盘，每个磁道的扇区数并不是常数有些磁盘，每个磁道的扇区数并不是常数4磁盘调度磁盘调度 磁盘带宽磁盘带

3、宽0所传递的总的字节数除以从服务请求开始到最后传递所传递的总的字节数除以从服务请求开始到最后传递结束时的总时间结束时的总时间 访问时间（访问速度）访问时间（访问速度）0寻道时间：磁臂将磁头移动到包含目标扇区的柱面的寻道时间：磁臂将磁头移动到包含目标扇区的柱面的时间时间通常用来衡量调度算法的性能通常用来衡量调度算法的性能0旋转延迟：磁盘将目标扇区转动到磁头下的时间旋转延迟：磁盘将目标扇区转动到磁头下的时间51、FCFS调度调度 先来先服务（先来先服务（ FCFS ）：按请求到来的顺序进行服务）：按请求到来的顺序进行服务 优点：比较公平优点：比较公平 缺点：通常不能提供最快的服务缺点：通常不能提供

4、最快的服务 例：例：有一个磁盘队列，其有一个磁盘队列，其I/O对各个柱面上块的请求顺序如下：对各个柱面上块的请求顺序如下： 98，183，37，122，14，124，65，67磁头开始位于磁头开始位于536FCFS：总的磁头移动量为总的磁头移动量为640柱面柱面72、SSTF调度调度 最短寻道时间优先算法（最短寻道时间优先算法（shortest-seek-time-first）0从当前磁头位置选择最短寻道时间的请求，即选择与从当前磁头位置选择最短寻道时间的请求，即选择与当前磁头位置最近的待处理请求当前磁头位置最近的待处理请求 优点：较优点：较FCFS大大提高了性能大大提高了性能 缺点：可能会导

5、致一些请求得不到服务，并不是最佳缺点：可能会导致一些请求得不到服务，并不是最佳 例：例：有一个磁盘队列，其有一个磁盘队列，其I/O对各个柱面上块的请求顺序如下：对各个柱面上块的请求顺序如下： 98，183，37，122，14，124，65，67磁头开始位于磁头开始位于538SSTF：总的磁头移动量为总的磁头移动量为236柱面柱面93、SCAN调度调度 SCAN算法又称电梯算法算法又称电梯算法0磁臂从磁盘的一端向另一端移动，同时当磁头移过每磁臂从磁盘的一端向另一端移动，同时当磁头移过每个柱面时，处理位于该柱面上的服务请求。当到达另个柱面时，处理位于该柱面上的服务请求。当到达另一端（一端（磁盘的尽

6、头磁盘的尽头）时，磁头改变方向，处理继续。）时，磁头改变方向，处理继续。 需要知道磁头的当前位置和磁头移动的方向需要知道磁头的当前位置和磁头移动的方向 某些请求处理可能不及时某些请求处理可能不及时 例：例：有一个磁盘队列，其有一个磁盘队列，其I/O对各个柱面上块的请求顺序如下：对各个柱面上块的请求顺序如下： 98，183，37，122，14，124，65，67磁头开始位于磁头开始位于53，向，向0方向移动方向移动10SCAN：总的磁头移动量为总的磁头移动量为236柱面柱面114、C-SCAN调度调度 SCAN调度的变种调度的变种0将磁头从磁盘一端移到另一端（将磁头从磁盘一端移到另一端（磁盘的尽

7、头磁盘的尽头），随着），随着移动不断的处理请求。不过，当磁头移到另一端时，移动不断的处理请求。不过，当磁头移到另一端时，马上返回到磁盘开始（马上返回到磁盘开始（磁盘的尽头磁盘的尽头） ，返回时不处理，返回时不处理请求。请求。 例：例：有一个磁盘队列，其有一个磁盘队列，其I/O对各个柱面上块的请求顺序如下：对各个柱面上块的请求顺序如下： 98，183，37，122，14，124，65，67磁头开始位于磁头开始位于53，向，向199方向移动方向移动12C-SCAN：总的磁头移动量为总的磁头移动量为382柱面柱面135、LOOK与与C-LOOK调度调度 SCAN和和C-SCAN的变种的变种0磁头只移

8、动到一个方向上最远的请求为止，然后马上磁头只移动到一个方向上最远的请求为止，然后马上回头，而不是继续到磁盘的尽头回头，而不是继续到磁盘的尽头 例：例：有一个磁盘队列，其有一个磁盘队列，其I/O对各个柱面上块的请求顺序如下：对各个柱面上块的请求顺序如下： 98，183，37，122，14，124，65，67磁头开始位于磁头开始位于53，向，向199方向移动方向移动14C-LOOK：总的磁头移动量为总的磁头移动量为322柱面柱面15LOOK：总的磁头移动量为总的磁头移动量为299柱面柱面16调度算法练习调度算法练习 假设移动头磁盘有假设移动头磁盘有200个磁道（个磁道（0199）。目前正在处理）。

9、目前正在处理143号磁道上的请求，而刚刚处理结束的请求是号磁道上的请求，而刚刚处理结束的请求是125号，号，如果下面给出的顺序是按如果下面给出的顺序是按FIFO算法排成的等待服务队列算法排成的等待服务队列顺序：顺序：86，147，91，177，94，150，102，175，130那么，用下列各种磁盘调度算法来满足这些请求所需的总那么，用下列各种磁盘调度算法来满足这些请求所需的总磁头移动量是多少？（磁头移动量是多少？（1）FCFS（2）SSTF（3）SCAN（4）C-SCAN（5）LOOK（6）C-LOOK17（1）FCFS：5650 86 91 94 102 130 143 147 150 1

10、75 177 19918（2）SSTF：1620 86 91 94 102 130 143 147 150 175 177 19919（3）SCAN：1690 86 91 94 102 130 143 147 150 175 177 19920（4）C_SCAN：3850 86 91 94 102 130 143 147 150 175 177 19921（5）LOOK：1250 86 91 94 102 130 143 147 150 175 177 19922（6）C_LOOK：1690 86 91 94 102 130 143 147 150 175 177 199236、磁盘调度算法的

11、选择、磁盘调度算法的选择 比较比较0SSTF较为普遍且很有吸引力，比较为普遍且很有吸引力，比FCFS性能好性能好0SCAN和和C-SCAN对于磁盘负荷较大的系统会执行的对于磁盘负荷较大的系统会执行的更好，他们不会产生饿死问题更好，他们不会产生饿死问题0SSTF和和LOOK是比较合理的缺省算法是比较合理的缺省算法 选择依据选择依据0请求的数量请求的数量0请求的类型请求的类型0文件分配方法文件分配方法0目录和索引块的位置目录和索引块的位置2414.3 磁盘管理磁盘管理1. 磁盘格式化磁盘格式化低级格式化低级格式化（物理格式化）：在磁盘能存储数据之前，（物理格式化）：在磁盘能存储数据之前，将其分成扇

12、区以便磁盘控制器能读和写的过程将其分成扇区以便磁盘控制器能读和写的过程为了使用磁盘存储文件，操作系统需要将自己的数据结为了使用磁盘存储文件，操作系统需要将自己的数据结构记录在磁盘上构记录在磁盘上0 将磁盘分为由一个或多个柱面组成的将磁盘分为由一个或多个柱面组成的分区分区操作系统操作系统将每个分区作为一个独立的磁盘将每个分区作为一个独立的磁盘0 逻辑格式化逻辑格式化操作系统将初始的文件系统数据结构存操作系统将初始的文件系统数据结构存储到磁盘上储到磁盘上磁盘使用前的三个步骤磁盘使用前的三个步骤252、引导块、引导块 初始化自举程序：初始化系统的各个方面，以使计算机开初始化自举程序：初始化系统的各个

13、方面，以使计算机开始运行始运行 自举程序的保存自举程序的保存0通常保存在只读存储器（通常保存在只读存储器（ROM）中中修改麻烦修改麻烦0很多系统只在启动很多系统只在启动ROM中保留一个很小的自举装入程中保留一个很小的自举装入程序，其作用是进一步从磁盘上调入更为完整的自举程序，其作用是进一步从磁盘上调入更为完整的自举程序序可以容易的进行修改可以容易的进行修改263、坏块、坏块磁盘有移动部件且容错能力小，所以出现坏扇区磁盘有移动部件且容错能力小，所以出现坏扇区简单磁盘坏扇区简单磁盘坏扇区0手工处理手工处理复杂磁盘坏扇区复杂磁盘坏扇区0扇区备用或转寄扇区备用或转寄0扇区滑动扇区滑动一个有坏扇区一个有

14、坏扇区的磁道的磁道用备用扇区替代坏扇用备用扇区替代坏扇区区滑动所有扇区来滑动所有扇区来略过坏扇区略过坏扇区2714.4 交换空间管理交换空间管理交换空间设计和使用的目的是为虚拟内存提供最佳吞吐量交换空间设计和使用的目的是为虚拟内存提供最佳吞吐量1.交换空间的使用交换空间的使用系统所需交换空间的量受以下因素影响系统所需交换空间的量受以下因素影响0 物理内存的多少物理内存的多少0 所支持虚拟内存的多少所支持虚拟内存的多少0 内存使用方式内存使用方式对交换空间数量的高估比低估更为安全对交换空间数量的高估比低估更为安全0 低估低估若系统用完了交换空间，可能会中断进程或使整个系若系统用完了交换空间，可能

15、会中断进程或使整个系统瘫痪统瘫痪0 高估高估浪费一些空间，但并不会造成损害浪费一些空间，但并不会造成损害2.交换空间位置交换空间位置在普通文件系统上加以创建（简单但低效）在普通文件系统上加以创建（简单但低效）在独立的磁盘分区上创建（无需文件系统和目录结构，优化速度）在独立的磁盘分区上创建（无需文件系统和目录结构，优化速度）283、交换空间管理（、交换空间管理（UNIX例）例）4.3BSD：创建进程时，预先分配交换空间，用于保存代码段和数据创建进程时，预先分配交换空间，用于保存代码段和数据段，内核对每个进程使用两个交换表来跟踪交换空间的使用。段，内核对每个进程使用两个交换表来跟踪交换空间的使用。

16、Solaris 1(SunOS 4)：当页需要换出时丢弃从文件系统中再读入一当页需要换出时丢弃从文件系统中再读入一页比将其保存在交换空间中再从中读入更为高效。页比将其保存在交换空间中再从中读入更为高效。Solaris 2：只有在一页被强制换出物理内存时才分配交换空间。只有在一页被强制换出物理内存时才分配交换空间。 4.3 4.3 BSD BSD 代码段交换表代码段交换表 4.3 4.3 BSD BSD 数据段交换表数据段交换表( (数据段会增长数据段会增长) )2914.5 RAID结构结构RAID技术：多种磁盘的组织技术，用于提高性能和可靠技术：多种磁盘的组织技术，用于提高性能和可靠性性RA

17、ID：独立磁盘冗余阵列独立磁盘冗余阵列0 R：redundancy 冗余冗余0 A：array 阵列阵列0 I：independent 独立独立0 D：disk 磁盘磁盘301、通过通过冗余冗余改善改善可靠性可靠性复制每个磁盘（镜像，简单但复制每个磁盘（镜像，简单但昂贵）昂贵）2、通过通过并行并行处理改善处理改善性能性能在多个磁盘上分散数据在多个磁盘上分散数据0 位级分散：在多个磁盘上分散每个字节的各个位位级分散：在多个磁盘上分散每个字节的各个位0 块级分散：一个文件的块可分散在各个磁盘上块级分散：一个文件的块可分散在各个磁盘上0 其它分散级别其它分散级别x 扇区字节扇区字节x 块的扇区块的扇

18、区 磁盘系统并行访问的两个主要目的磁盘系统并行访问的两个主要目的x 通过负荷平衡，增加了多个小访问的吞吐量通过负荷平衡，增加了多个小访问的吞吐量x 降低大访问的响应时间降低大访问的响应时间313、RAID级别级别分析：镜像提供高可靠性，但很昂贵；分散提供了高数分析：镜像提供高可靠性，但很昂贵；分散提供了高数据传输率，但并未改善可靠性据传输率，但并未改善可靠性RAID级别：通过磁盘分散和级别：通过磁盘分散和“奇偶奇偶”位可以提供多种方位可以提供多种方案，以在低价下提供冗余案，以在低价下提供冗余1) RAID 0：按块级别分散的磁盘阵列，但没有冗余：按块级别分散的磁盘阵列，但没有冗余323）RAI

19、D 2：内存方式的差错纠正代码结构（：内存方式的差错纠正代码结构（4个存储，个存储，3个个纠错）纠错）2）RAID 1：磁盘镜像（：磁盘镜像（4个存储，个存储，4个镜像）个镜像）HammingHamming校验码校验码334）RAID 3：基于位交织奇偶结构（：基于位交织奇偶结构（4个存储，个存储，1个纠错）个纠错）5）RAID 4：基于块交织奇偶结构（：基于块交织奇偶结构（4个存储，个存储，1个纠错）个纠错）奇偶校验位奇偶校验位346） RAID 5：块交织分布式奇偶结构（：块交织分布式奇偶结构（5个都有数据和奇偶块）个都有数据和奇偶块）7）RAID 6：P+Q冗余方案（差错纠正码冗余方案（

20、差错纠正码Reed-Solomon码）码）Strip 12Strip 8Strip 4Strip 0P(12-15)Strip 9Strip 5Strip 1Q(12-15)P(8-11)Strip 6Strip 2Strip 13Q(8-11)P(4-7)Strip 3Strip 14Strip 10Q(4-7)P(0-3)Strip 15Strip 11Strip 7Q(0-3)两种校验码：两种校验码：P&Q358） RAID 01：0和和1的组合，先分散再镜像的组合，先分散再镜像9） RAID 10：0和和1的组合，先镜像再分散的组合，先镜像再分散一个磁盘一个磁盘故障故障一个磁盘一个磁盘

21、故障故障364.RAID级别的选择级别的选择 RAID系统的重建性能系统的重建性能 可靠性可靠性 磁盘数量磁盘数量 每个奇偶位所能保护的位数每个奇偶位所能保护的位数37磁盘附属磁盘附属 计算机访问磁盘存储的方式计算机访问磁盘存储的方式 主机附属存储：通过本地主机附属存储：通过本地I/O端口访问的存储端口访问的存储0可用于主机附属存储的存储设备：硬盘驱动器、可用于主机附属存储的存储设备：硬盘驱动器、 RAID阵列、阵列、CD、DVD、磁带驱动器等磁带驱动器等 网络附属存储：通过数据网络访问的专用存储系统网络附属存储：通过数据网络访问的专用存储系统0缺陷：需要使用数据网络带宽，增加了网络通信延迟缺

22、陷：需要使用数据网络带宽，增加了网络通信延迟 存储区域网络（存储区域网络（SAN）：）：服务器与存储单元之间的专门服务器与存储单元之间的专门网络，多个主机和多个存储阵列可以附加在同一网络，多个主机和多个存储阵列可以附加在同一SAN上上，存储可动态的附加在主机上，存储可动态的附加在主机上381稳定存储实现稳定存储实现 稳定存储：存储在稳定存储上的数据永远不会丢失稳定存储：存储在稳定存储上的数据永远不会丢失 实现稳定存储的条件实现稳定存储的条件0需要在多个具有独立出错模式的存储设备上重复所需需要在多个具有独立出错模式的存储设备上重复所需信息信息0需要协调用于更新的写操作，以确保更新时所发生的需要协

23、调用于更新的写操作，以确保更新时所发生的差错不会使所有拷贝处于损坏状态，当恢复数据时，差错不会使所有拷贝处于损坏状态，当恢复数据时，能强制使得所有数据处于一致和正确状态能强制使得所有数据处于一致和正确状态 磁盘写的三种可能情况磁盘写的三种可能情况0成功完成成功完成0部分差错部分差错0完全差错完全差错39具体实现（系统为每个逻辑块维护两个物理拷贝）具体实现（系统为每个逻辑块维护两个物理拷贝）输出操作输出操作0将信息写到第一个物理块上将信息写到第一个物理块上0当第一次写成功完成时，再将同样信息写到第二个物理块上当第一次写成功完成时，再将同样信息写到第二个物理块上0只有在第二次写成功完成时，才声明操

24、作完成只有在第二次写成功完成时，才声明操作完成恢复程序（从差错中恢复时，每块物理块都要检查）恢复程序（从差错中恢复时，每块物理块都要检查）0若两个块相同且没有检测到差错，无需采取任何动作若两个块相同且没有检测到差错，无需采取任何动作0若一块有检测差错，那么用另一块的值来替代若一块有检测差错，那么用另一块的值来替代0若两块没有检测差错但内容不同，用第二块的内容代替第一块若两块没有检测差错但内容不同，用第二块的内容代替第一块的内容的内容40第三级存储结构第三级存储结构1. 第三级存储设备第三级存储设备可移动磁盘可移动磁盘0 软盘、优盘、可移动硬盘软盘、优盘、可移动硬盘0 磁光盘磁光盘0 光盘光盘磁带磁带0 与磁盘相比，价格便宜，容量大，但随机访问较慢与磁盘相比，价格便宜，容量大，但随机访问较慢0 通常用于保存磁盘数据的备份通常用于保存