操作系統(tǒng)概念第十四章 大容量存儲器結構

1、操作系統(tǒng)概念,第十四章：大容量存儲器結構,2,本章主要內容,磁盤結構磁盤調度磁盤管理交換空間管理RAID結構第三級存儲結構,3,14.1 磁盤結構,現(xiàn)代磁盤驅動器可以看做一個一維的邏輯塊的數(shù)組，邏輯塊是最小的傳輸單位一維邏輯塊數(shù)組按順序映射到磁盤的扇區(qū)。扇區(qū)0是最外面柱面的第一個磁道第一個扇區(qū)。該映射是先按磁道內扇區(qū)順序，再按柱面內磁道順序，再按從外到內的柱面順序來排序的。,4,溫徹斯特盤,5,,事實上，執(zhí)行邏輯塊號到老

2、式磁盤地址的轉換并不容易，這有兩個理由：絕大多數(shù)磁盤都有一些缺陷扇區(qū)，因此映射必須用磁盤上的其他空閑扇區(qū)來替代這些缺陷扇區(qū)。對于有些磁盤，每個磁道的扇區(qū)數(shù)并不是常量。常量線性速度（constant linear velocity）磁道的位密度恒定圓角速度（constant angular velocity, CAV）,6,14.2 磁盤調度,OS的任務之一就是有效地使用硬件。對磁盤驅動器，滿足這一要求意味著要有較快的訪問速度和

3、較寬的磁盤帶寬。磁盤帶寬：所傳遞的總字節(jié)數(shù)除以從服務請求開始到最后傳遞結束時的總時間。訪問時間有以下兩個主要部分尋道時間：磁臂將磁頭移動到包含目標扇區(qū)的柱面的時間。旋轉延遲：磁盤需要將目標扇區(qū)轉動到磁頭下的時間。最小化尋道時間尋道時間可以用尋道距離來表示,7,,8,FCFS,9,SSTF（最短尋道時間優(yōu)先算法）,從當前磁頭位置選擇最短尋道時間的請求SSTF（shortest-seek-time-first）基本上是一種最短

4、作業(yè)優(yōu)先（SJF）調度，與SJF調度一樣，它可能導致某些請求的饑餓。,10,SSTF,11,SCAN調度,磁臂從磁盤的一端向另一端移動，同時當磁頭移過每個柱面時，處理位于該柱面上的服務請求。當?shù)竭_另一端時，磁頭改變移動方向，處理繼續(xù)。磁頭在磁盤上來回掃描。有時也叫做“電梯”算法,12,,13,C-SCAN,是SCAN調度的變種，主要提供一個更為均勻的等待時間。與SCAN一樣，C－SCAN將磁頭從磁盤一端移到磁盤的另一端，隨著移動而不

5、斷地處理請求。不過，當磁頭移到另一端時，它會馬上返回到磁盤開始，返回時并不處理請求。C－SCAN調度算法基本上將柱面當做一個環(huán)鏈，以將最后柱面和第一柱面相連。,14,C-SCAN(續(xù)),15,LOOK調度與C-LOOK調度,事實上，SCAN與C－SCAN算法都不是那樣實現(xiàn)的。通常，磁頭只移動到一個方向上最遠的請求為止。接著，它馬上回頭，而不是繼續(xù)到磁盤的盡頭。這種形式的SCAN和C-SCAN稱為LOOK和C-LOOK調度。,16,C-

6、LOOK,17,磁盤調度算法的選擇,SSTF較為普通且很有吸引力SCAN和C-SCAN對磁盤負荷較大的系統(tǒng)會執(zhí)行得更好，這是因為它不可能產生饑餓問題。對于任何調度算法，性能依賴于請求的類型與數(shù)量磁盤服務請求很大程度上受文件分配方法所影響磁盤調度算法應作為一個操作系統(tǒng)的獨立模塊，這樣如果有必要，它可以替換成另一個不同的算法。SSTF或LOOK是比較合理的缺省算法。,18,其它問題,操作系統(tǒng)比較難以調度來改善旋轉等待，這是因為現(xiàn)代

7、磁盤并不透露邏輯塊的物理位置。事實上OS對請求服務順序還有其他限制，如：按需分頁比I/O的優(yōu)先級高有時寫操作比讀操作更重要,19,14.3 磁盤管理,低級格式化或物理格式化 － 將磁盤分成磁盤控制器能讀與寫的扇區(qū)每個扇區(qū)的數(shù)據(jù)結構通常由頭、數(shù)據(jù)區(qū)域和尾部組成。頭部和尾部包含了一些磁盤控制器所使用的信息，如扇區(qū)號碼和糾錯代碼（error-correcting code, ECC）為了讓磁盤能夠存儲文件，OS還必須在磁盤上記錄上一

8、定的數(shù)據(jù)結構分區(qū)邏輯格式化（創(chuàng)建文件系統(tǒng)）引導塊絕大多數(shù)系統(tǒng)只在啟動ROM中保留一個很小的自舉裝入程序，其作用是進一步從磁盤上調入更為完整的自舉程序（保存在磁盤的啟動塊上）。,20,MS-DOS磁盤布局,21,壞塊,磁盤容易出問題。經常遇到的問題是：一個或多個扇區(qū)壞掉。對于簡單磁盤如使用IDE控制器的磁盤，壞扇區(qū)可手工處理。FormatChkdsk更為復雜的磁盤，如用于高端計算機、絕大多數(shù)工作站和服務器上的SCSI磁盤，

9、對壞塊的處理更為聰明扇區(qū)備用或轉寄,22,14.4 交換空間管理,交換空間概念 － 虛擬內存使用磁盤空間作為主存的擴展（會嚴重影響系統(tǒng)性能）交換空間的使用Swap：保存整個進程映像，包括代碼段和數(shù)據(jù)段Switch：存儲換出內存的頁交換空間太小容易造成死機現(xiàn)象交換空間的位置交換空間在普通文件系統(tǒng)上加以創(chuàng)建。通常是文件系統(tǒng)內的一個簡單大件（如Windows）。這種方式實現(xiàn)簡單但效率較低。（外部碎片）交換空間創(chuàng)建在獨立的磁盤分

10、區(qū)上（如Unix/Linux）。（內部碎片）有些OS較為靈活，可以由系統(tǒng)管理員來選擇使用以上哪種方式。交換空間管理4.3 BSD在進程啟動的時候分配交換空間，用來保存文本段（代碼段）和數(shù)據(jù)段內核使用交換映射來跟蹤交換空間的使用Solaris 2當頁被強制換出內存的時候分配交換空間。,23,4.3 BSD系統(tǒng)的代碼段交換表,24,4.3 BSD數(shù)據(jù)段的交換表,25,14.5 RAID結構,RAID (Redundant Arra

11、y of Independent Disks) － 多個磁盤通過冗余實現(xiàn)可靠性通過冗余改善可靠性假設單個磁盤出錯的概率為α，則n個磁盤出錯的概率為α/n。如果只存儲數(shù)據(jù)的一個拷貝，只要n個磁盤中的一個磁盤出錯，數(shù)據(jù)就出現(xiàn)錯誤。因此n個磁盤的出錯率大于1個磁盤的出錯率?？煽啃詥栴}的解決方法是引入冗余。鏡像通過并行處理改善性能數(shù)據(jù)分散：通過在多個磁盤上分散數(shù)據(jù)，能夠改善傳輸率。位級分散塊級分散,26,RAID級別,27,RA

12、ID 0 + 1 和 1 + 0,28,14.8 第三級存儲結構,第三級存儲設備可移動磁盤軟盤磁光盤（激光與磁場同時作用于盤面上的磁性材料）光盤：相位變化盤（CD-RW、DVD-RW），讀寫盤（read-write disk）、一次寫多次讀的盤（Write-once, read-many-times, WORM， 如CD-R和DVD-R）、一次寫盤（如CD-ROM、DVD）磁帶容量大，但隨機訪問要比磁盤尋道時間慢很多未來技

13、術全息照相存儲器另一種熱門研究的存儲技術是基于微電子機械系統(tǒng),29,操作系統(tǒng)作業(yè),操作系統(tǒng)的兩個主要任務是管理物理設備和為應用程序提供一個虛擬機器的抽象。對于磁盤，OS提供了兩種抽象生設備（raw device）文件系統(tǒng)應用接口對磁盤，基本操作為read、write、seek對磁帶，則沒有seek, 有l(wèi)ocate操作絕大多數(shù)磁帶驅動器有一個read position操作以返回磁頭所處的邏輯塊號絕大多數(shù)磁帶驅動器，寫

14、一塊具有副作用：即會刪除寫位置之后的所有內容。,30,,文件命名有些類型的可移動介質已經標準化，以致于所有計算機按同樣方式進行使用。如CD，音樂CD具有統(tǒng)一格式，可為任何驅動器所使用。,31,,層次存儲管理自動光盤塔（robotic jukebox）：切換磁帶或光盤驅動器內有可移動盤，而無需人工干預層次存儲系統(tǒng)擴展了存儲層次，使其不但包括內存和外存還包括可移動存儲。雖然虛擬內存系統(tǒng)可直接擴展到第三層次存儲器，但是事實上這種擴展很

15、少實現(xiàn)。可移動存儲通常用來擴展文件系統(tǒng)。,32,性能（速度、可靠性、價格）,速度帶寬持續(xù)帶寬：一個大傳輸?shù)钠骄俾?，即字?jié)數(shù)量被傳輸時間所除有效帶寬：計算整個時間內（包括尋道或定位時間、盤片切換時間等）的平均值。驅動器的帶寬通常指持續(xù)帶寬延遲磁盤比磁帶快，磁帶的隨機訪問要比磁盤的隨機訪問慢數(shù)千倍。光盤塔的延遲就更大了。切換盤片耗時,33,,可靠性可移動磁盤與固定磁盤相比，其可靠性要差，因為它更容易受到外界環(huán)境的影響。

16、光盤毗磁盤或磁帶更為可靠。價格主存的價格比磁盤存儲的價格高很多硬磁盤每兆字節(jié)的價格比磁帶的價格更有競爭力。（如果一個磁帶驅動器上只用一盒磁帶的話）以往，最便宜的磁帶驅動器與最便宜的磁盤驅動器具有相近的存儲能力。,34,1981年到2000年DRAM價格,,35,1981年到2000年硬磁盤價格（每兆字節(jié)）,36,1984年到2000年磁帶價格,,37,作業(yè),14.114.214.1014.1514.2714.2914