操作系統(tǒng)課件第五章3.ppt

1、第五章 設備管理,操作系統(tǒng),Page 1,2020/9/9,第五章 設備管理,I/O系統(tǒng) I/O控制方式 緩沖管理 設備分配 設備處理 磁盤存儲器管理,Page 2,2020/9/9,磁盤存儲器管理,磁盤存儲器管理的主要任務 磁盤性能簡述 磁盤調度 磁盤高速緩存(Disk Cache) 提高磁盤I/O速度的其它方法 廉價磁盤冗余陣列,現代操作系統(tǒng)的重要任務之一：設法改善磁盤系統(tǒng)的性能,Page 3,2020/9/9,磁盤存儲器管理,磁盤存儲器管理的主要任務 為文件分配存儲空間 合理地組織文件地存儲方式，以提高磁盤的訪問速度 提高磁盤存儲空間地利用率 提高磁盤I/O速度，改善文件性能 確保文件系

2、統(tǒng)的可靠性（備份）,Page 4,2020/9/9,磁盤存儲器管理,磁盤存儲器管理的主要任務 磁盤性能簡述 磁盤調度 磁盤高速緩存(Disk Cache) 提高磁盤I/O速度的其它方法 廉價磁盤冗余陣列,Page 5,2020/9/9,5.6 磁盤存儲器管理,5.6.1 磁盤性能簡述,1. 數據的組織和格式,圖 5-22 磁盤的格式化,磁盤包括一個或多個盤片，每片分2面，每面可分成若干條磁道，各磁道之間有間隙，每條磁道上可存儲相同數目的二進制位，磁盤密度即每英寸之中所存儲的位數。顯然內層磁道的密度較外層磁道的密度大。,Page 6,2020/9/9,磁盤性能簡述,盤片,扇區(qū),磁頭,磁道,Pag

3、e 7,2020/9/9,磁盤性能簡述,Page 8,2020/9/9,磁盤性能簡述,Page 9,2020/9/9,磁盤性能簡述,Page 10,2020/9/9,磁盤性能簡述,Page 11,2020/9/9,磁盤性能簡述,Page 12,2020/9/9,磁盤性能簡述,數據的組織和格式 盤片（1個或多個）、盤面、磁道、扇區(qū) 扇區(qū)有標識符字段和數據字段,存儲相同數目的二進制位,間隙,定界符,段校驗,Page 13,2020/9/9,2. 磁盤的類型,1) 固定頭磁盤 這種磁盤在每條磁道上都有一讀/寫磁頭，所有的磁頭都被裝在一剛性磁臂中。通過這些磁頭可訪問所有各磁道，并進行并行讀/寫，有效地

4、提高了磁盤的I/O速度。這種結構的磁盤主要用于大容量磁盤上。 2) 移動頭磁盤 每一個盤面僅配有一個磁頭，也被裝入磁臂中。為能訪問該盤面上的所有磁道，該磁頭必須能移動以進行尋道。可見，移動磁頭僅能以串行方式讀/寫，致使其I/O速度較慢；但由于其結構簡單， 故仍廣泛應用于中小型磁盤設備中。,Page 14,2020/9/9,磁盤性能簡述,訪盤時間組成,尋道時間,旋轉延遲時間,傳輸時間,Page 15,2020/9/9,磁盤性能簡述,磁盤訪問時間 尋道時間Ts 這是指把磁臂(磁頭)移動到指定磁道上所經歷的時間。該時間是啟動磁臂的時間s與磁頭移動n條磁道所花費的時間之和， 即 Ts=mn+s 旋轉延

5、遲時間T 這是指定扇區(qū)移動到磁頭下面所經歷的時間。如：7200r/min 每轉=60000ms/7200r=8.33ms 平均旋轉延遲=（0+8.33)/2=4.16,是一常數，與磁盤驅動器的速度有關,一般：0.2 高速：=0.1,啟動磁臂時間 2ms,Page 16,2020/9/9,磁盤性能簡述,傳輸時間Tt 指把數據從磁盤讀出或向磁盤寫入數據所經歷的時間。 其大小與每次所讀/寫的字節(jié)數b和旋轉速度有關 r為磁盤每秒鐘的轉數；N為一條磁道上的字節(jié)數 T和Tt相同，則訪問時間=Ts + T+ Tt,如b=N/2，則 T=1/(2r)=Tt,可見，尋道時間TS和旋轉延遲時間T基本上都與所讀/寫

6、數據的字節(jié)數無關，而且它通常占據了訪問時間中的大部分,目前磁盤的傳輸速率已達到80MB/s以上，數據傳輸時間所占的比例更低。可見，適當地集中數據傳輸，將有利于提高傳輸效率,Page 17,2020/9/9,3. 磁盤訪問時間,尋道時間: 20ms 磁盤通道傳輸速率: 1MB/s 轉速r=3600rpm 每扇區(qū)512字節(jié) 每磁道32 扇區(qū) 目標：讀 128k 數據,1.尋道時間TS：TS=m*n+S； 2.旋轉延時間Tr：Tr1/2r 3.數據傳輸時間Tt ：Ttb/rN 訪問時間：Ta=Ts+1/2r+b/rN,60*16k=960k1MB/s 順序組織 (208.316.7)(8.316.7

7、)7220(ms) 隨機組織 (208.30.5)2567373(ms),Page 18,2020/9/9,磁盤存儲器管理,磁盤存儲器管理的主要任務 磁盤性能簡述 磁盤調度 磁盤高速緩存(Disk Cache) 提高磁盤I/O速度的其它方法 廉價磁盤冗余陣列,在訪問磁盤的時間中，主要是尋道時間，因此，磁盤調度的目標就是使磁盤的平均尋道時間最少。,Page 19,2020/9/9,磁盤調度,先來先服務FCFS(First-Come, First Served) 根據進程請求訪問磁盤的先后次序進行調度 優(yōu)點：簡單、公平，不會出現請求長期得不到滿足 缺點：未優(yōu)化，平均尋道時間長,平均尋道長度：55.

8、3,146,184,112,38,10,150,70,160,72,90,21,18,19,39,3,58,45,55,移動距離,被訪問的下一個磁道,100道開始,55、58、39、18、90、160、150、38、184,Page 20,2020/9/9,0,38,39,55,58,90,100,150,160,184,18,先來先服務FCFS(First-Come, First Served),磁盤調度,最短尋道時間優(yōu)先SSTF(Shortest Seek Time First) 要求訪問的磁道與當前磁頭所在的磁道距離最近 優(yōu)點：使每次尋道時間最短 缺點：不能保證平均尋道時間最短；可能導致

9、距離遠的進程總也得不到服務,平均尋道長度：27.5,24,184,10,160,132,150,20,18,1,38,16,39,3,55,32,58,10,90,移動距離,被訪問的下一個磁道,100道開始,55、58、39、18、90、160、150、38、184,Page 22,2020/9/9,0,38,39,55,58,90,100,150,160,184,18,最短尋道時間優(yōu)先STF (Shortest Seek Time First),FCFS調度算法 SSTF調度算法,Page 24,2020/9/9,3. 掃描(SCAN)算法,1) 進程“饑餓”現象,SSTF算法雖然能獲得較好

10、的尋道性能，但卻可能導致某個進程發(fā)生“饑餓”(Starvation)現象。因為只要不斷有新進程的請求到達，且其所要訪問的磁道與磁頭當前所在磁道的距離較近，這種新進程的I/O請求必須優(yōu)先滿足。對SSTF算法略加修改后所形成的SCAN算法，即可防止老進程出現“饑餓”現象。,Page 25,2020/9/9,磁盤調度,掃描(SCAN)算法 SSTF算法雖然能獲得較好的尋道性能， 但卻可能導致某個進程發(fā)生“饑餓”(Starvation)現象,0,50,160,Page 26,2020/9/9,磁盤調度,掃描(SCAN)算法 對SSTF算法略加修改后所形成的SCAN算法， 即可防止進程出現“饑餓”現象

11、SCAN算法不僅考慮欲訪問的磁道與當前磁道的距離，更優(yōu)先考慮的是磁頭當前的移動方向 磁頭移動：自里向外自外向里 又稱為 “電梯調度算法”,Page 27,2020/9/9,磁盤調度,掃描(SCAN)算法 對SSTF算法略加修改后所形成的SCAN算法， 即可防止進程出現“饑餓”現象 SCAN算法不僅考慮欲訪問的磁道與當前磁道的距離，更優(yōu)先考慮的是磁頭當前的移動方向 磁頭移動：自里向外自外向里 又稱為 “電梯調度算法”,平均尋道長度：27.8,20,18,1,38,16,39,3,55,32,58,94,90,24,184,10,160,50,150,移動距離,被訪問的下一個磁道,100道開始，增

12、加方向,55、58、39、18、90、160、150、38、184,Page 28,2020/9/9,SCAN調度算法 SSTF調度算法,Page 29,2020/9/9,0,38,39,55,58,90,100,150,160,184,18,磁盤調度,缺點：剛移過的磁道的等待時間長,Page 30,2020/9/9,磁盤調度,循環(huán)掃描(CSCAN)算法 規(guī)定磁頭單向移動 減少剛移過的磁道的等待時間,平均尋道長度：27.5,32,90,3,58,16,55,1,39,20,38,166,18,24,184,10,160,50,150,移動距離,被訪問的下一個磁道,100道開始，增加方向,55、

13、58、39、18、90、160、150、38、184,Page 31,2020/9/9,0,38,39,55,58,90,100,150,160,184,18,磁盤調度,Page 32,2020/9/9,SCAN調度算法 CSCAN調度算法,Page 33,2020/9/9,SSTF調度算法 CSCAN調度算法,Page 34,2020/9/9,磁盤調度,N-Step-SCAN和FSCAN調度算法 N-Step-SCAN算法 在SSTF、 SCAN及CSCAN幾種調度算法中， 都可能出現磁臂停留在某處不動的情況，稱為“磁臂粘著”(Armstickiness) N步SCAN算法是將磁盤請求隊列分

14、成若干個長度為N的子隊列，磁盤調度將按FCFS算法依次處理這些子隊列。 而每處理一個隊列時又是按SCAN算法，對一個隊列處理完后，再處理其他隊列 FSCAN算法 FSCAN算法是N步SCAN算法的簡化， 即其只將磁盤請求隊列分成兩個子隊列。一是由當前所有請求I/O的進程形成的隊列，由磁盤調度按SCAN算法進行處理。在掃描期間，新出現的所有請求I/O的進程， 則放入另一個等待處理的請求隊列,當N值很大時，N步掃描性能接近于SCAN性能；N=1， N步掃描性能便退化為FCFS,Page 35,2020/9/9,磁盤存儲器管理,磁盤存儲器管理的主要任務 磁盤性能簡述 磁盤調度 磁盤高速緩存(Disk

15、 Cache) 提高磁盤I/O速度的其它方法 廉價磁盤冗余陣列,Page 36,2020/9/9,磁盤高速緩存(Disk Cache),磁盤高速緩存的形式 利用內存中的存儲空間，來暫存從磁盤中讀出的一系列盤塊中的信息 高速緩存是一組在邏輯上屬于磁盤， 而物理上是駐留在內存中的盤塊 高速緩存在內存中可分成兩種形式 在內存中開辟一個單獨的存儲空間來作為磁盤高速緩存，其大小是固定的 把所有未利用的內存空間變?yōu)橐粋€緩沖池，供請求分頁系統(tǒng)和磁盤I/O時(作為磁盤高速緩存)共享,不受應用程序多少的限制,應用程序多時緩存可能很小,Page 37,2020/9/9,磁盤高速緩存(Disk Cache),數據交

16、付方式 數據交付（Data Delivery）是指將磁盤高速緩存中的數據傳送給請求者進程 當有進程請求訪問某個盤塊時，先查看磁盤高速緩存 有兩種方式交付數據給請求進程 數據交付。這是直接將高速緩存中的數據， 傳送到請求者進程的內存工作區(qū)中 指針交付。只將指向高速緩存中某區(qū)域的指針，交付給請求者進程,所傳送的數據量少，節(jié)省了數據從磁盤高速緩存存儲空間到進程的內存工作區(qū)的時間,Page 38,2020/9/9,磁盤高速緩存(Disk Cache),置換算法 將磁盤中的盤塊寫入高速緩存時，會出現因為高速緩存中已裝滿盤塊而需要將高速緩存中的數據先換出的問題，常用算法有LRU、NRU、LFU等 除了考慮

17、LRU外，還需考慮以下幾點 訪問頻率 可預見性，如正在寫數據的未滿盤塊 數據的一致性 內存中已修改數據要寫回磁盤,可將高速緩存中的所有盤塊數據構成一個LRU鏈，將會影響到數據一致性的盤塊和很久都不可能再用的盤塊放在LRU鏈的鏈頭，使其優(yōu)先被寫回磁盤，不久后還要再使用的盤塊放到鏈尾,最近最久未使用算法LRU 最近未使用算法NRU 最少使用算法LFU,Page 39,2020/9/9,磁盤高速緩存(Disk Cache),周期性寫回磁盤 在LRU算法中，經常被訪問的盤塊數據可能一直保留在高速緩存中，長期不被寫回磁盤 在UNIX系統(tǒng)中專門增設了一個修改(update)程序， 使之在后臺運行，該程序周

18、期性地調用一個系統(tǒng)調用SYNC。該調用的主要功能是強制性地將所有在高速緩存中已修改的盤塊數據寫回磁盤 在MS-DOS中所采用的方法是：只要高速緩存中的某盤塊數據被修改，便立即將它寫回磁盤，并將這種高速緩存稱為“寫穿透、高速緩存”(write-through cache),Page 40,2020/9/9,磁盤存儲器管理,磁盤存儲器管理的主要任務 磁盤性能簡述 磁盤調度 磁盤高速緩存(Disk Cache) 提高磁盤I/O速度的其它方法 廉價磁盤冗余陣列,Page 41,2020/9/9,提高磁盤I/O速度的其它方法,提前讀（Read-Ahead） 在讀當前塊的同時，將下一盤塊讀入緩沖區(qū) 延遲寫

19、 緩沖區(qū)中的數據不立即寫回磁盤，而掛在隊尾 優(yōu)化物理塊分布 使文件的物理塊集中，減小磁頭移動距離 分配時以簇（若干個盤塊 ）為單位 磁盤碎片整理 虛擬盤 利用內存空間仿真磁盤，又稱為RAM盤,Page 42,2020/9/9,磁盤存儲器管理,磁盤存儲器管理的主要任務 磁盤性能簡述 磁盤調度 磁盤高速緩存(Disk Cache) 提高磁盤I/O速度的其它方法 廉價磁盤冗余陣列,Page 43,2020/9/9,廉價磁盤冗余陣列,廉價磁盤冗余陣列RAID(Redundant Array of Inexpensive Disk)，1987年由美國加州大學提出 過去RAID是由許多小的便宜磁盤組成的，

20、可作為大的昂貴磁盤的有效替代品 現在RAID的使用主要是因為其高可靠性和高數據傳輸率，而不是經濟原因 利用一臺磁盤陣列控制器統(tǒng)一管理和控制一組磁盤驅動器，組成一個可靠的、快速的大容量磁盤系統(tǒng),Page 44,2020/9/9,廉價磁盤冗余陣列,磁盤冗余改善可靠性 復制每個磁盤，這種技術稱為鏡像,Page 45,2020/9/9,廉價磁盤冗余陣列,并行交叉存取提高數據傳輸速度 將一個盤塊中的數據分成若干個子盤塊數據，分別存儲在不同磁盤的相同位置上。數據傳送時采用并行傳輸方式,主要目的：通過負載平衡，增加了多個小訪問（即頁訪問）的吞吐量，降低大訪問的響應時間,Page 46,2020/9/9,廉價

21、磁盤冗余陣列,鏡像提高可靠性，但很昂貴，分散提供了高數據傳輸率，但并未改善可靠性，通過磁盤分散和“奇偶”位可以提供多種方案以在低代價下提供冗余，這些方案有不同的性價折中，可分成不同級別，稱為RAID級別,Page 47,2020/9/9,2. RAID的分級(Redundant Array of Inexpensive Disk),RAID 0級。 RAID 1級。 (3) RAID 2級。 (4) RAID 3級。 (5) RAID 4級。 (6) RAID 5級。 (7) RAID 6級和RAID 7級。,Page 48,2020/9/9,RAID 0 (不冗余）,Page 49,2020

22、/9/9,RAID 0,Page 50,2020/9/9,RAID 0,不冗余 不校驗 分布式存儲 低可靠性 低價格 并行 I/O 訪問,Page 51,2020/9/9,2. RAID的分級,RAID 0級。 RAID 1級。 (3) RAID 2級。 (4) RAID 3級。 (5) RAID 4級。 (6) RAID 5級。 (7) RAID 6級和RAID 7級。,Page 52,2020/9/9,RAID 1 (鏡像),分布存放 鏡像冗余 不校驗,Page 53,2020/9/9,RAID 1,讀性能比 RAID 0好 (選擇尋道時間小的磁盤訪問) 寫性能比 RAID 0差 存儲開銷

23、大 可靠性高,Page 54,2020/9/9,2. RAID的分級,RAID 0級。 RAID 1級。 (3) RAID 2級。 (4) RAID 3級。 (5) RAID 4級。 (6) RAID 5級。 (7) RAID 6級和RAID 7級。,Page 55,2020/9/9,RAID 2 (漢明碼校驗冗余),Page 56,2020/9/9,2. RAID的分級,RAID 0級。 RAID 1級。 (3) RAID 2級。 (4) RAID 3級。 (5) RAID 4級。 (6) RAID 5級。 (7) RAID 6級和RAID 7級。,Page 57,2020/9/9,RAID 3,用一個校驗盤,Page 58,2020/9/9,2. RAID的分級,RAID 0級。 RAID 1級。 (3) RAID 2級。 (4) RAID 3級。 (5) RAID 4級。 (6) RAID 5級。 (7)