学习操作系统ch12disk os

第12章磁盘管理

（DiskManagement）主讲教师:庞俊彪

邮件：junbiao_pang@办公室:信息楼南412内容回顾：磁盘块的分配方法连续分配链式分配索引分配柱面扇区磁臂磁头012345678910111213141516171819202122232425262728293031test.cftrmaillist如何管理这些磁盘块？本章教学目标磁盘结构磁盘调度磁盘管理1.1磁盘的结构1.2磁盘的调度磁盘管理1.1磁盘的结构1.2磁盘的调度首先需要了解磁盘!直接（随机）存取设备：存取磁盘上任一物理块的时间不依赖于该物理块所处的位置磁盘固定头磁盘：每个磁道设置一个磁头，变换磁道时不需要磁头的机械移动，速度快但成本高移动头磁盘：一个盘面只有一个磁头，变换磁道时需要移动磁头，速度慢但成本低顺序存取设备：只有在前面的物理块被访问过之后，才能存取后续的物理块的内容磁带磁盘结构认识一下磁盘磁道扇区盘面画一个示意图:看看俯视图:磁盘的数据单位是扇区扇区大小：512字节扇区是磁盘的寻址单位、访问单位扇区的大小是传输时间和碎片浪费的折衷所以，磁盘被称为块设备!柱面扇区磁臂磁头寻道时间：磁头定位磁道所需时间（或者称柱面定位时间：磁头移动到指定柱面的机械运动时间）；旋转延迟时间：磁盘旋转到指定扇区的机械运动时间；它与磁盘转速相关，如：软盘转速可为600rpm(每分钟转速)，硬盘可为5400-10000r/m传送时间：从指定扇区读写数据的时间。排队延迟时间：发出I/O请求的进程须首先在队列中等待该设备可用磁盘结构-几个名词磁盘的I/O总线控制器IDE控制器让我们仔细想想磁盘如何读/写1一个字节?(1)(2)(3)分析磁盘I/O的重点在于第2步!磁道内存缓存读出了一个字节写(修改)一个字节磁盘I/O:缓存队列控制器寻道旋转传输!旋转型存储设备上信息的优化分布能减少I/O服务的总时间。例如，有10个记录A，B，C，…,J在某磁盘的磁道上，假定这个磁道划分为10个扇区，每个扇区存放一个记录（如图）。现在要从磁道上顺序将记录A，B，C，…,J读出，如果磁盘转速为20ms转1周，处理程序每读出一个记录后花4ms进行处理。试问处理完10个记录的总时间是多少（从找到A记录开始计算）？如何优化存储？扇区记录ABCDEFGHIJ12345678910答：已知磁盘转速为20ms转1周，故读取一个记录花2ms，处理一个记录为4ms。在读取和处理记录A时，由于磁盘已转到记录D的位置，为了顺序处理记录B，必让磁盘再转过8个记录才能到达记录B的开始位置。

定位记录B花8x2ms=16ms,读出记录B花2ms，处理记录B花4ms，总共22ms。这种情况对于B-J均出现，故读取和处理B-J总时间=22msx9=198ms,再加上读取和处理记录A的时间6ms，总计为204ms。例题扇区记录AHEBIFCJGD12345678910优化后的存储位置，只需要6msX10=60ms磁盘管理1.1磁盘的结构1.2磁盘的调度磁盘I/O的分析可以整理磁盘I/O的过程：进程请求队列磁盘控制器磁盘我们最关心的磁盘什么时候读/写完?磁盘访问延迟=队列时间+控制器时间+

寻道时间+旋转时间+传输时间扇区磁道Head12msto8ms(半周):8msto4ms50M/秒约0.25ms前两项可以忽略!关键所在:最小化寻道时间和旋转延迟!I/O过程是解开许多磁盘问题的钥匙分析磁盘扇区尺寸：磁盘访问延迟=队列时间+控制器时间+

寻道时间+旋转时间+传输时间12msto8ms8msto4ms约0.25ms前两项可以忽略!扇区尺寸为1byte：没有碎片；传输速度100byte/秒(寻道时间10ms)扇区尺寸1KByte：碎片0.5K；传输100KByte/秒扇区尺寸1MByte：碎片0.5M；传输4Mbyte/秒扇区大小空间利用率传输速度I/O过程是解开许多磁盘问题的钥匙磁盘调度：磁盘访问延迟=队列时间+控制器时间+

寻道时间+旋转时间+传输时间12msto8ms8msto4ms约0.25ms前两项可以忽略!多个磁盘访问请求出现在请求队列怎么办?调度调度的目标是什么?调度时主要考察什么?目标当然是平均访问延迟小!寻道时间是主要矛盾!磁盘调度:输入多个磁道请求，给出服务顺序!所以，磁盘调度策略当多个访盘请求在等待时，采用一定的策略，对这些请求的服务顺序调整安排，旨在降低平均磁盘服务时间，达到公平、高效：公平：一个I/O请求在有限时间内满足高效：减少设备机械运动所带来的时间浪费磁盘调度考虑的问题：一次访盘时间=寻道时间+旋转延迟时间+传送时间(1)减少寻道时间（活动头磁盘）(2)减少延迟时间（固定头磁盘）磁盘调度策略－减少寻道时间由于寻道(柱面定位时间）时间占主要部分，合理组织磁盘数据的存储位置可提高磁盘I/O性能。磁盘系统通常以柱面为单位供用户记录文件信息（磁盘空间是以“柱面”划分和使用的）若将信息连续地存储在一个“柱面”上，则针对一次I/O请求只需移动一次磁头，定位相应柱面，然后根据不同盘面上的读/写磁头进行连续读/写。OS可通过合理调度它们对磁盘的使用顺序，达到减少磁盘平均服务时间的目的。磁盘调度策略例子：读一个128KB大小的文件：(1)文件由8个连续磁道(每个磁道32个扇区)上的256个扇区构成：20ms+(7.3ms+16.7ms)*8=220ms;其中，柱面定位时间为20ms，旋转延迟时间为7.3ms，32扇区数据传送时间为16.7ms；(2)文件由256个随机分布的扇区构成：(20ms+7.3ms+0.5ms)*256=7373ms;其中，1扇区数据传送时间为0.5ms；随机分布时的访问时间为连续分布时的33.5倍。磁盘调度策略OS为每个I/O设备维护一条请求队列。对于磁盘，队列中可能有来自多个进程的许多I/O请求（读或写）。调度方法如下：随机调度RSS:性能差，可以用来评估其它技术先来先服务（FCFS）短查找时间优先算法（SSTF）扫描(SCAN)算法循环扫描(C-SCAN)算法LOOK算法FCFS磁盘调度（先来先服务）最直观、最公平的调度：一个实例:磁头开始位置=53；请求队列=98,183,37,122,14,124,65,670143753656798122124183199磁头在长途奔袭!FCFS:磁头共移动640磁道!在移动过程中把经过的请求处理了!SSTF磁盘调度

（选择距当前磁头位置最短寻道时间的请求）Shortest-seek-timeFirst：继续该实例:磁头开始位置=53；请求队列=98,183,37,122,14,124,65,670143753656798122124183199如果在处理183之前又来一些中间磁道的请求，则…SSTF:磁头共移动236(4+53+169)磁道，要少很多!SSTF存在饥饿问题SCAN磁盘调度

（磁盘一端向另一端移动，当移动过每个柱面时，处理位于该柱面上的服务请求）SSTF+中途不回折：每个请求都有处理机会继续该实例:磁头开始位置=53；请求队列=98,183,37,122,14,124,65,670143753656798122124183199这些请求的等待时间较长，只因所在方向不够幸运!根据其特征，SCAN也被称为电梯算法!SCAN:磁头共移动53+183=236磁道，和SSTF一样!SCAN导致延迟不均C-SCAN磁盘调度

（SCAN+将柱面当做一个环链）SCAN+直接移到另一端：两端请求都能很快处理继续该实例:磁头开始位置=53；请求队列=98,183,37,122,14,124,65,670143753656798122124183199CSCAN中的C是环的意思!CSCAN:磁头共移动188+200磁道!其中200会较快!140(183199)没有必要C-LOOK磁盘调度

SCAN（C-SCAN）+磁头只移动到一个方向上的最远的请求为止。接着马上回头，而不是继续到磁盘的尽头。继续该实例:磁头开始位置=53；请求队列=98,183,37,122,14,124,65,670143753656798122124183199LOOK和C-LOOK是比较合理的缺省算法操作系统中所有的算法都要因地制宜!I/O过程是解开许多磁盘问题的钥匙磁盘寻址：对于内存，我们往往更关心存放内容的地址实际上就是扇区怎么编址?显然这个地址是(盘面?,磁道?,扇区?)寻道和旋转费时多花最少时间访问最多扇区的方案:磁臂不动、磁盘旋转一周，访问磁头遇到的所有扇区。磁臂让这些扇区的编址邻近:因为局部性!柱面!扇区编址(1):CHS(Cylinder/Head/Sector)扇区编址(2):扇区编号扇区编号—现代磁盘的常见寻址方式磁臂扇区编号，按照(C,H,S)将扇区形成一维扇区数组，数组索引就是扇区编号柱面1柱面2柱面n…整个磁盘磁道1磁道2磁道k…一个柱面扇区1扇区2扇区p…一个磁道0kp(k+1)p(k+2)p…体现了局部性!将整个过程贯穿在一起第1步：得到要访问的扇区的编号；得到读的源(或写的目标)内存地址算法输入!第