細(xì)致講解大容量存儲器結(jié)構(gòu)

www.lliner.me1細(xì)致講解大容量存儲器結(jié)構(gòu)磁盤結(jié)構(gòu)磁盤調(diào)度磁盤管理交換空間管理RAID結(jié)構(gòu)磁盤附屬穩(wěn)定存儲實(shí)現(xiàn)第三級存儲結(jié)構(gòu)2主要問題討論為改善性能而調(diào)度磁盤I/O順序的磁盤調(diào)度算法討論磁盤格式化以及啟動塊、壞塊和交換空間的管理簡單描述第三級存儲設(shè)備及操作系統(tǒng)使用第三級存儲所引起的問題3磁盤結(jié)構(gòu)磁盤：為現(xiàn)代計算機(jī)提供了大容量的次級存儲磁盤驅(qū)動器：一維的邏輯塊數(shù)組邏輯塊：最小的傳輸單位映射：一維邏輯塊按順序映射到磁盤的扇區(qū)映射順序：磁道內(nèi)扇區(qū)順序—柱面內(nèi)磁道順序—從外到內(nèi)的柱面順序?qū)嶋H映射時的困難絕大多數(shù)磁盤都有一些缺陷扇區(qū)，映射必須用磁盤上的其他空閑扇區(qū)來替代有些磁盤，每個磁道的扇區(qū)數(shù)并不是常數(shù)4磁盤調(diào)度磁盤帶寬所傳遞的總的字節(jié)數(shù)除以從服務(wù)請求開始到最后傳遞結(jié)束時的總時間訪問時間（訪問速度）尋道時間：磁臂將磁頭移動到包含目標(biāo)扇區(qū)的柱面的時間—通常用來衡量調(diào)度算法的性能旋轉(zhuǎn)延遲：磁盤將目標(biāo)扇區(qū)轉(zhuǎn)動到磁頭下的時間51、FCFS調(diào)度先來先服務(wù)（FCFS）：按請求到來的順序進(jìn)行服務(wù)優(yōu)點(diǎn)：比較公平缺點(diǎn)：通常不能提供最快的服務(wù)例：有一個磁盤隊列，其I/O對各個柱面上塊的請求順序如下：98，183，37，122，14，124，65，67磁頭開始位于536FCFS：總的磁頭移動量為640柱面72、SSTF調(diào)度最短尋道時間優(yōu)先算法（shortest-seek-time-first）從當(dāng)前磁頭位置選擇最短尋道時間的請求，即選擇與當(dāng)前磁頭位置最近的待處理請求優(yōu)點(diǎn)：較FCFS大大提高了性能缺點(diǎn)：可能會導(dǎo)致一些請求得不到服務(wù)，并不是最佳例：有一個磁盤隊列，其I/O對各個柱面上塊的請求順序如下：98，183，37，122，14，124，65，67磁頭開始位于538SSTF：總的磁頭移動量為236柱面93、SCAN調(diào)度SCAN算法又稱電梯算法磁臂從磁盤的一端向另一端移動，同時當(dāng)磁頭移過每個柱面時，處理位于該柱面上的服務(wù)請求。當(dāng)?shù)竭_(dá)另一端（磁盤的盡頭）時，磁頭改變方向，處理繼續(xù)。需要知道磁頭的當(dāng)前位置和磁頭移動的方向某些請求處理可能不及時例：有一個磁盤隊列，其I/O對各個柱面上塊的請求順序如下：98，183，37，122，14，124，65，67磁頭開始位于53，向0方向移動10SCAN：總的磁頭移動量為236柱面114、C-SCAN調(diào)度SCAN調(diào)度的變種將磁頭從磁盤一端移到另一端（磁盤的盡頭），隨著移動不斷的處理請求。不過，當(dāng)磁頭移到另一端時，馬上返回到磁盤開始（磁盤的盡頭），返回時不處理請求。例：有一個磁盤隊列，其I/O對各個柱面上塊的請求順序如下：98，183，37，122，14，124，65，67磁頭開始位于53，向199方向移動12C-SCAN：總的磁頭移動量為382柱面135、LOOK與C-LOOK調(diào)度SCAN和C-SCAN的變種磁頭只移動到一個方向上最遠(yuǎn)的請求為止，然后馬上回頭，而不是繼續(xù)到磁盤的盡頭例：有一個磁盤隊列，其I/O對各個柱面上塊的請求順序如下：98，183，37，122，14，124，65，67磁頭開始位于53，向199方向移動14C-LOOK：總的磁頭移動量為322柱面15LOOK：總的磁頭移動量為299柱面16調(diào)度算法練習(xí)假設(shè)移動頭磁盤有200個磁道（0－199）。目前正在處理143號磁道上的請求，而剛剛處理結(jié)束的請求是125號，如果下面給出的順序是按FIFO算法排成的等待服務(wù)隊列順序：86，147，91，177，94，150，102，175，130那么，用下列各種磁盤調(diào)度算法來滿足這些請求所需的總磁頭移動量是多少？（1）FCFS（2）SSTF（3）SCAN（4）C-SCAN（5）LOOK（6）C-LOOK17（1）FCFS：565086919410213014314715017517719918（2）SSTF：162086919410213014314715017517719919（3）SCAN：169086919410213014314715017517719920（4）C_SCAN：385086919410213014314715017517719921（5）LOOK：125086919410213014314715017517719922（6）C_LOOK：1690869194102130143147150175177199236、磁盤調(diào)度算法的選擇比較SSTF較為普遍且很有吸引力，比FCFS性能好SCAN和C-SCAN對于磁盤負(fù)荷較大的系統(tǒng)會執(zhí)行的更好，他們不會產(chǎn)生餓死問題SSTF和LOOK是比較合理的缺省算法選擇依據(jù)請求的數(shù)量請求的類型文件分配方法目錄和索引塊的位置2414.3磁盤管理磁盤格式化低級格式化（物理格式化）：在磁盤能存儲數(shù)據(jù)之前，將其分成扇區(qū)以便磁盤控制器能讀和寫的過程為了使用磁盤存儲文件，操作系統(tǒng)需要將自己的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)記錄在磁盤上將磁盤分為由一個或多個柱面組成的分區(qū)—操作系統(tǒng)將每個分區(qū)作為一個獨(dú)立的磁盤邏輯格式化—操作系統(tǒng)將初始的文件系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲到磁盤上磁盤使用前的三個步驟252、引導(dǎo)塊初始化自舉程序：初始化系統(tǒng)的各個方面，以使計算機(jī)開始運(yùn)行自舉程序的保存通常保存在只讀存儲器（ROM）中—修改麻煩很多系統(tǒng)只在啟動ROM中保留一個很小的自舉裝入程序，其作用是進(jìn)一步從磁盤上調(diào)入更為完整的自舉程序—可以容易的進(jìn)行修改263、壞塊磁盤有移動部件且容錯能力小，所以出現(xiàn)壞扇區(qū)簡單磁盤壞扇區(qū)手工處理復(fù)雜磁盤壞扇區(qū)扇區(qū)備用或轉(zhuǎn)寄扇區(qū)滑動一個有壞扇區(qū)

的磁道用備用扇區(qū)替代壞扇區(qū)滑動所有扇區(qū)來

略過壞扇區(qū)2714.4交換空間管理交換空間設(shè)計和使用的目的是為虛擬內(nèi)存提供最佳吞吐量交換空間的使用系統(tǒng)所需交換空間的量受以下因素影響物理內(nèi)存的多少所支持虛擬內(nèi)存的多少內(nèi)存使用方式對交換空間數(shù)量的高估比低估更為安全低估——若系統(tǒng)用完了交換空間，可能會中斷進(jìn)程或使整個系統(tǒng)癱瘓高估——浪費(fèi)一些空間，但并不會造成損害交換空間位置在普通文件系統(tǒng)上加以創(chuàng)建（簡單但低效）在獨(dú)立的磁盤分區(qū)上創(chuàng)建（無需文件系統(tǒng)和目錄結(jié)構(gòu)，優(yōu)化速度）283、交換空間管理（UNIX例）4.3BSD：創(chuàng)建進(jìn)程時，預(yù)先分配交換空間，用于保存代碼段和數(shù)據(jù)段，內(nèi)核對每個進(jìn)程使用兩個交換表來跟蹤交換空間的使用。Solaris1(SunOS4)：當(dāng)頁需要換出時丟棄－從文件系統(tǒng)中再讀入一頁比將其保存在交換空間中再從中讀入更為高效。Solaris2：只有在一頁被強(qiáng)制換出物理內(nèi)存時才分配交換空間。4.3BSD代碼段交換表4.3BSD數(shù)據(jù)段交換表(數(shù)據(jù)段會增長)2914.5RAID結(jié)構(gòu)RAID技術(shù)：多種磁盤的組織技術(shù)，用于提高性能和可靠性RAID：獨(dú)立磁盤冗余陣列R：redundancy冗余A：array陣列I：independent獨(dú)立D：disk磁盤301、通過冗余改善可靠性——復(fù)制每個磁盤（鏡像，簡單但昂貴）2、通過并行處理改善性能——在多個磁盤上分散數(shù)據(jù)位級分散：在多個磁盤上分散每個字節(jié)的各個位塊級分散：一個文件的塊可分散在各個磁盤上其它分散級別扇區(qū)字節(jié)塊的扇區(qū)磁盤系統(tǒng)并行訪問的兩個主要目的通過負(fù)荷平衡，增加了多個小訪問的吞吐量降低大訪問的響應(yīng)時間313、RAID級別分析：鏡像提供高可靠性，但很昂貴；分散提供了高數(shù)據(jù)傳輸率，但并未改善可靠性RAID級別：通過磁盤分散和“奇偶”位可以提供多種方案，以在低價下提供冗余RAID0：按塊級別分散的磁盤陣列，但沒有冗余323）RAID2：內(nèi)存方式的差錯糾正代碼結(jié)構(gòu)（4個存儲，3個糾錯）2）RAID1：磁盤鏡像（4個存儲，4個鏡像）Hamming校驗碼334）RAID3：基于位交織奇偶結(jié)構(gòu)（4個存儲，1個糾錯）5）RAID4：基于塊交織奇偶結(jié)構(gòu)（4個存儲，1個糾錯）奇偶校驗位346）RAID5：塊交織分布式奇偶結(jié)構(gòu)（5個都有數(shù)據(jù)和奇偶塊）7）RAID6：P+Q冗余方案（差錯糾正碼＋Reed-Solomon碼）Strip12Strip8Strip4Strip0P(12-15)Strip9Strip5Strip1Q(12-15)P(8-11)Strip6Strip2Strip13Q(8-11)P(4-7)Strip3Strip14Strip10Q(4-7)P(0-3)Strip15Strip11Strip7Q(0-3)兩種校驗碼：P&Q358）RAID0＋1：0和1的組合，先分散再鏡像9）RAID1＋0：0和1的組合，先鏡像再分散一個磁盤故障一個磁盤故障36RAID級別的選擇RAID系統(tǒng)的重建性能可靠性磁盤數(shù)量每個奇偶位所能保護(hù)的位數(shù)37磁盤附屬計算機(jī)訪問磁盤存儲的方式主機(jī)附屬存儲：通過本地I/O端口訪問的存儲可用于主機(jī)附屬存儲的存儲設(shè)備：硬盤驅(qū)動器、RAID陣列、CD、DVD、磁帶驅(qū)動器等網(wǎng)絡(luò)附屬存儲：通過數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)訪問的專用存儲系統(tǒng)缺陷：需要使用數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)帶寬，增加了網(wǎng)絡(luò)通信延遲存儲區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（SAN）：服務(wù)器與存儲單元之間的專門網(wǎng)絡(luò)，多個主機(jī)和多個存儲陣列可以附加在同一SAN上，存儲可動態(tài)的附加在主機(jī)上381穩(wěn)定存儲實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定存儲：存儲在穩(wěn)定存儲上的數(shù)據(jù)永遠(yuǎn)不會丟失實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定存儲的條件需要在多個具有獨(dú)立出錯模式的存儲設(shè)備上重復(fù)所需信息需要協(xié)調(diào)用于更新的寫操作，以確保更新時所發(fā)生的差錯不會使所有拷貝處于損壞狀態(tài)，當(dāng)恢復(fù)數(shù)據(jù)時，能強(qiáng)制使得所有數(shù)據(jù)處于一致和正確狀態(tài)磁盤寫的三種可能情況成功完成部分差錯完全差錯39具體實(shí)現(xiàn)（系統(tǒng)為每個邏輯塊維護(hù)兩個物理拷貝）輸出操作將信息寫到第一個物理塊上當(dāng)?shù)谝淮螌懗晒ν瓿蓵r，再將同樣信息寫到第二個物理塊上只有在第二次寫成功完成時，才聲明操作完成恢復(fù)程序（從差錯中恢復(fù)時，每塊物理塊都要檢查）若兩個塊相同且沒有檢測到差錯，無需采取任何動作若一塊有檢測差錯，那么用另一塊的值來替代若兩塊沒有檢測差錯但內(nèi)容不同，用第二塊的內(nèi)容代替第一塊的內(nèi)容40第三級存儲結(jié)構(gòu)第三級存儲設(shè)備可移動磁盤軟盤、優(yōu)盤、可移動硬盤磁光盤光盤磁帶與磁盤相比，價格便宜，容量大，但隨機(jī)訪問較慢通常用于保存磁盤數(shù)據(jù)的備份未來技術(shù)全息照相存儲器基于微電子機(jī)械系統(tǒng)，將電子芯片制造技術(shù)應(yīng)用于制造小的數(shù)據(jù)存儲機(jī)器412、操作系統(tǒng)作業(yè)操作系統(tǒng)對磁盤提供了兩種抽象生設(shè)備（rawdevice）：只是數(shù)據(jù)塊的陣列文件系統(tǒng)操作系統(tǒng)如何處理可移動存儲介質(zhì)應(yīng)用接口大多數(shù)OS如固定盤一樣處理可移動磁盤每個應(yīng)用程序自己決定如何組織磁帶，裝滿數(shù)據(jù)的磁