输入输出系统设备课件

第六章输入输出系统第六节磁盘存放器性能和调度磁盘结构磁盘调度磁盘高速缓存提升磁盘速度方法RAID介绍输入输出系统设备课件第1页输入输出系统设备课件第2页磁盘工作机制和性能参数磁道t磁盘轴磁头组扇区s柱面c盘片磁头读写头读取或写入时，磁头必须被定位在期望磁道，并从所期望柱面和扇区开始■寻道时间■定位到期望磁道所花费时间旋转延迟■从零扇区开始处抵达目标地花费时间平均旋转延迟时间=磁盘旋转一周时间二分之一输入输出系统设备课件第3页寻道时间定位读/写磁头所用时间寻道时间越短，I/O操作越快寻道时间规范

包含全程平均道间磁盘寻道时间由驱动器制造商指定径向移动4模块2：数据中心环境输入输出系统设备课件第4页旋转延迟盘片经过旋转将数据置于读/写磁头下所用时间取决于磁盘轴旋转速度平均旋转延迟旋转一周所用时间二分之一对于“X”rpm，驱动器延迟以毫秒为单位按以下方式计算：

5模块2：数据中心环境输入输出系统设备课件第5页数据传输速度每单位时间驱动器能够向HBA输送平均数据量内部传输速度：数据从盘片表面移至磁盘内部缓冲区时速度外部传输速度：数据经过接口移至HBA时速度接口缓冲区HBA内部传输速度在此测量外部传输速度在此测量磁头磁盘组合磁盘驱动器6模块2：数据中心环境输入输出系统设备课件第6页磁盘I/O传输时间等候设备可用等候通道可用寻道数据传送访问时间设备忙旋转延时输入输出系统设备课件第7页磁盘I/O传输时间寻道时间等候设备可用等候通道可用寻道

数据传送设备忙旋转延时输入输出系统设备课件第8页磁盘I/O传输时间旋转延迟1/r=旋转一周时间等候设备可用等候通道可用寻道

数据传送设备忙旋转延时输入输出系统设备课件第9页磁盘I/O传输时间传输时间b=传输比特数N=磁道上比特数r=磁盘转数等候设备可用等候通道可用寻道

数据传送设备忙旋转延时输入输出系统设备课件第10页磁盘调度算法经过优化磁盘访问请求次序来提升磁盘访问性能■随机处理磁盘访问请求性能表现很差寻道时间是磁盘访问最耗时部分同时会有多个在同一磁盘上I/O请求输入输出系统设备课件第11页先进先出(FIFO)算法按次序处理请求■公平对待全部进程■在有很多进程情况下，靠近随机调度性能■输入输出系统设备课件第12页FIFO算法示例/Faculty/Rainwater/COSC3355/Animations/diskschedulingfcfs.htm累计磁头移动距离=磁盘访问序列=98,183,37,122,14,124,65,67初始磁头位置：53014375365679812212418319945+85+146+85+108+110+59+2=640输入输出系统设备课件第13页最短服务时间优先(SSTF)选择从磁臂当前位置需要移动最少I/O请求■总是选择最短寻道时间■输入输出系统设备课件第14页SSTF算法示例/Faculty/Rainwater/COSC3355/Animations/diskschedulingfcfs.htm累计磁头移动距离=磁盘访问序列=98,183,37,122,14,124,65,67初始磁头位置：53014375365679812212418319912+2+30+23+84+24+2+59=236输入输出系统设备课件第15页扫描算法(SCAN)磁臂在一个方向上移动，访问全部未完成请求，直到磁臂抵达该方向上最终磁道优先考虑磁头当前移动方向■调换方向时机■也称为电梯算法(elevatoralgorithm)■输入输出系统设备课件第16页SCAN算法示例/Faculty/Rainwater/COSC3355/Animations/diskschedulingfcfs.htm累计磁头移动距离=磁盘访问序列=98,183,37,122,14,124,65,67初始磁头位置：53014375365679812212418319916+23+14+65+2+31+24+2=236+59输入输出系统设备课件第17页算法是与移动臂方向相关，所以，应分两种情况来讨论。（1）移动臂是向外移。

当前正在53号柱面，在这种情况下为等候访问者服务次序是：37，14，65，67，98，122，124，183。总臂移动量为：(53–14）+（183–14）=208cyl.（2）移动臂是向里移。

当前正在53号柱面，在这种情况下为等候访问者服务次序是：65，67，98，122，124，183，37，14。总臂移动量为：（183–53）+（183–14）=299cyl.输入输出系统设备课件第18页输入输出系统设备课件第19页循环扫描算法(C-SCAN)限制了仅在一个方向上扫描时，才响应进程请求■当最终一个磁道也被访问过了后，磁臂返回到磁盘另外一端再次进行■输入输出系统设备课件第20页输入输出系统设备课件第21页N步扫描(N-step-SCAN)算法磁头粘着(Arm

Stickiness)现象■SSTF、SCAN及CSCAN等算法中，可能出现磁头停留在某处不动情况如：进程重复请求对某一磁道I/O操作N步扫描算法■将磁盘请求队列分成长度为N子队列按FIFO算法依次处理全部子队列扫描算法处理每个队列输入输出系统设备课件第22页双队列扫描(FSCAN)算法FSCAN算法是N步扫描算法简化■FSCAN只将磁盘请求队列分成两个子队列FSCAN算法■把磁盘I/O请求分成两个队列交替使用扫描算法处理一个队列新生成磁盘I/O请求放入另一队列中全部新请求都将被推迟到下一次扫描时处理输入输出系统设备课件第23页对于这些调度算法优劣比较：1。先来先服务（FIFS）：算法简单，但效率差。2。最短寻找时间优先调度算法：效率比较高，但会出现有请求很长时间得不到响应。3。单向扫描调度算法：效率比较高，但有一个空行程。4。电梯调度算法：是一个比较合理、优化算法。5.NStepSCAN和FSCAN：预防磁臂粘着。输入输出系统设备课件第24页5.6磁盘驱动调度一、磁盘结构每个盘片有正反两面，若干张盘片能够组成一个盘组。一个盘组中盘片都被固定在一个轴上，沿着一个方向高速旋转。每个盘面有一个读写磁头，全部读写磁头被固定在惟一移动臂上同时移动，把全部读写磁头按从上到下次序从0开始进行编号，称为“磁头号”。每个盘面上有许多磁道，从0开始按由外向里次序次序编号，不一样盘面上含有相同编号磁道在同一个柱面上，把盘面上磁道号称为“柱面号”。移动臂能够带动读写磁头访问全部磁道，输入输出系统设备课件第25页磁盘结构在磁盘初始化时把每个盘面划分成相等数量扇区，按磁盘旋转反向从0开始给各扇区编号，称为扇区号。每个扇区各磁道上均可存放相等数量字符，我们称它为“块”，块是信息读写最小单位。要确定一个块所在位置必须给出三个参数：柱面号、磁头号、扇区号。输入输出系统设备课件第26页开启磁盘执行输入输出操作时，要把移动臂移动到指定柱面，再等候指定扇区旋转到磁头位置下，然后让指定磁头进行读写，完成信息传送。所以，执行一次输入输出所花时间有：

寻找时间——磁头在移动臂带动下移动到指定柱面所花时间。（Seek）

延迟时间(Delay)——指定扇区旋转到磁头下所需时间。

传送时间——由磁头进行读写完成信息传送时间。其中传送信息所花时间是硬件设计就固定，而寻找时间和延迟时间是与信息在磁盘上位置相关。是访问磁盘操作时间示意。磁盘访问时间输入输出系统设备课件第27页输入输出系统设备课件第28页磁盘访问时间寻道时间Ts=mXn+s：n为磁道数s：开启磁臂时间，约2ms;m:与磁盘速度相关，约为0.1—0.2大致为5~30ms旋转延迟时间:与磁盘转速相关,约为2~5ms传输时间：与每次读写字节数和旋转速度相关访问时间Ta=Ts+1/2r+b/rN寻道时间和旋转延迟时间是主要部分输入输出系统设备课件第29页为了降低移动臂进行移动花费时间，每个文件信息不是按盘面上磁道次序存放满一个盘面后，再放到下一个盘面上，而是按柱面存放。同一柱面上各磁道被放满信息后，再放到下一个柱面上。所以，各磁盘块编号按柱面次序（从0号柱面开始），每个柱面按磁道次序，每个磁道又按扇区次序进行排序。假定用t表示每个柱面上磁道数，用s表示每个盘面上扇区数，则第i柱面，j磁头，k扇区所对应块号b可有以下公式确定：

b=k＋SX（j＋iXt）一样地，依据块号也可确定该块在磁盘上位置。在上述假定下，每个柱面上有sXt个磁盘块，为了计算第P块在磁盘上位置，能够令D=sXt，设M＝[P／D]，N=PmodD。于是，第P块在磁盘上位置为柱面号=M

磁头号=[N／S]

扇区号。NmodS

在微型计算机中，对软盘片来说，每个柱面只包含两个磁道。文件信息也是按柱面次序、磁道次序和扇区次序依次存放。输入输出系统设备课件第30页二、磁盘驱动调度磁盘是一个可共享设备，在多道程序设计系统中，同时会有若干个访问者请求磁盘执行输入输出操作。不过，为了确保信息安全，系统在每一时刻只允许一个访问者开启磁盘执行输入输出操作，其余访问者必须等候，一次输入输出操作结束后才可让等候中一个访问者开启磁盘。显然，应依据移动臂当前位置使寻找时间和延迟时间尽可能小那个访问者优先得到服务。输入输出系统设备课件第31页系统往往采取一定调度策略来决定各等候访问者执行次序，这项工作称磁盘“驱动调度”，采取调度策略称“驱动调度算法”。对磁盘来说，驱动调度有“移臂调度”和“旋转调度”两部分组成。依据访问者指定柱面位置来决定执行次序调度称“移臂调度”，移臂调度目标是尽可能地降低输入输出操作中寻找时间。惯用移臂调度算法有先来先服务算法、最短寻找时间优先算法、电梯调度算法和单向扫描算法输入输出系统设备课件第32页（－）移臂调度。1．先来先服务调度算法最简单移臂调度算法是“先来先服务”调度算法，这个算法实际上不考虑访问者要求访问物理位置，而只是考虑访问者提出访问请求先后次序。比如，现在读写磁头正在53号柱面上执行输入输出操作，而等候访问者依次要访问柱面为98，183，37，122，14，124，65，67。当53号柱面上操作结束后，移动臂将按请求先后次序先移到98号往面，最终抵达67号柱面，以下页图所表示。其对应臂总移动量为：（98-53）+（183-98）+（183-37）+（122-37）+（122-14）+（124-14）+（124-65）+（67-65）=45+85+146+85+108+110+59+2=496+144=640cyl.输入输出系统设备课件第33页98，183，37，122，14，124，65，67输入输出系统设备课件第34页从图中能够看到采取先来先服务算法决定等候访问者执行输入输出操作次序时，移动臂未往返地移动，读写磁头总共移动了640个柱面距离。先来先服务算法花费寻找时间较长，于是，执行输入输出操作总时间也很长。输入输出系统设备课件第35页2．最短寻道时间优先调度算法（SSTF）

总是从等候访问者中挑选寻找时间最短那个请求先执行，而不论访问者到来先后次序。用同一个例子来讨论，现在当53号柱面操作结束后，应该先处理65号柱面请求，然后抵达67号柱面执行操作。随即应处理37号柱面请求（它与67号柱面相距30个柱面）而不是98号柱面请求（它与67号柱面相距31个柱面），后继操作次序应该是14，98，122，124，183。以下页图所表示。采取最短寻找时间优先算法决定等候访问者执行输入输出操作次序时，读写磁头总共移动了236个柱面距离。与先来先服务算法比较，大幅度地降低了寻找时间。因而缩短了为各请求访问者服务平均时间，也就提升了系统效率。输入输出系统设备课件第36页现对需要存取得磁筒进行排序：14，37，65，6798，122，124，183。相对于53最近磁筒为65。余下问题是在抵达67后，下一个目标是？37，67，98其差为30与31，所以下一个目标为37。输入输出系统设备课件第37页3．扫描算法，SCAN算法（电梯调度算法）

“电梯调度”算法总是从移动臂当前位置开始沿着臂移动方向去选择离当前移动臂最近那个柱面访问者，假如沿臂移动方向无请求访问时，就改变臂移动方向再选择。这好比乘电梯，假如电梯已向上运动到4层时，依次有3位乘客A，B，C，他们要求是：A在2层等候去10层；B在5层等候去底层；C在8层等候上15层。电梯管理员不是按照乘客来到先后次序服务，而是考虑电梯效率。在这种情况下，沿电梯运动方向总是先把乘客C带到15层，然后把乘客B带到底层，最终再把乘客A送到10层。输入输出系统设备课件第38页我们仍用同一例子来讨论采取“电梯调度”算法情况，因为该算法是与移动臂方向相关，所以，应分两种情况来讨论。（1）移动臂是向外移。

当前正在53号柱面，在这种情况下为等候访问者服务次序是：37，14，65，67，98，122，124，183。总臂移动量为：(53–14）+（183–14）=208cyl.（2）移动臂是向里移。

当前正在53号柱面，在这种情况下为等候访问者服务次序是：65，67，98，122，124，183，37，14。总臂移动量为：（183–53）+（183–14）=299cyl.输入输出系统设备课件第39页输入输出系统设备课件第40页怎样知道磁头当前移动方向？当前磁头所在磁道，刚才访问完磁道。输入输出系统设备课件第41页4．循环扫描（CSCAN）调度算法“单向扫描”调度算法：不论等候访问者先后次序，总是从0号柱面开始向里扫描，按照各访问者所要访问柱面位置次序去选择访问者。移动臂抵达最终一个柱面后，马上带动读写磁头快速返回到0号柱面，返回时不为任何等候访问者服务，返回后可再次从外向内扫描。对相同例子采取单向扫描调度算法执行次序为：65，67,98，122，124，183，此时移动臂继续向里移动，直到最内柱面（图中为199号柱面）后，再返回到0号柱面，重新扫描时依次为14，37柱面访问者服务。总臂移动量为：（199-53）+200+37=383cyl。输入输出系统设备课件第42页输入输出系统设备课件第43页5.NstepSCAN和FSCAN调度算法磁臂粘着NStepSCAN：将磁盘请求队列分成若干个长度为N子队列，按FCFS依次处理子队列，每处理一个子队列时按SCAN算法。FSCAN：简化：只将磁盘请求队列分成两个子队列：扫描期间新出现磁盘请求放入第二个队列。输入输出系统设备课件第44页除了“先来先服务”调度算法外，其余三种调度算法都是依据欲访问柱面位置来进行调度。在调度过程中可能有新请求访问者加入，这些新请求访问者加入时，假如读写磁头已经超出了它们所要访问柱面位置，则只能在以后调度中被选择执行。所以，在处理过程中，除了先来先服务算法外，其它算法普通都需要对需要存取得磁筒进行排序，方便进行判断，而且不会遗漏。对于这些调度算法优劣比较：1。先来先服务（FIFS）：算法简单，但效率差。2。最短寻找时间优先调度算法：效率比较高，但会出现有请求很长时间得不到响应。3。单向扫描调度算法：效率比较高，但有一个空行程。4。电梯调度算法：是一个比较合理、优化算法。5.NStepSCAN和FSCAN：预防磁臂粘着。输入输出系统设备课件第45页在多道程序设计系统中，在等候访问磁盘若干请求访问者中，有些请求访问者可能要求访问柱面号相同，但各自要求访问同一柱面上不一样磁道，或访问同一柱面同一磁道上不一样扇区。所以，在进行移臂调度时，按照某种算法把移动臂定位到某个柱面后，应让等候访问这个柱面各个访问者输入输出操作都完成后再改变移动臂位置。输入输出系统设备课件第46页（二）旋转调度

当移动臂定位后，有多个访问者等候访问该柱面时，应怎样决定这些等候访问者执行次序？从降低输入输出操作总时间为目标考虑，显然应该优先选择延迟时间最短访问者去执行。依据延迟时间来决定执行次序调度称为“旋转调度”。进行旋转调度时应分析以下情况：（1）若干等候访问者请求访问同一磁道上不一样扇区。（2）若干等候访问者请求访问不一样磁道上不一样编号扇区。（3）若干等候访问者请求访问不一样磁道上含有相同编号扇区。输入输出系统设备课件第47页三、磁盘高速缓存利用内存中存放空间来暂存从磁盘中读出盘块中信息。输入输出系统设备课件第48页四、提升磁盘I/O速度方法提前读延迟写优化物理块分布虚拟盘输入输出系统设备课件第49页五、廉价磁盘冗余阵列RAID分级并行交叉存取磁盘镜像3级，并行传输磁盘阵列，1个奇偶校验盘RAID优点输入输出系统设备课件第50页六传统机械硬盘和SSDIBM305RAMAC机械硬盘输入输出系统设备课件第51页SSD硬盘输入输出系统设备课件第52页SSD硬盘对比机械硬盘输入输出系统设备课件第53页SSD硬盘结构固态硬盘内主体其实就是一块PC