磁盤存儲管理技術教程

1、第第1 1頁頁磁盤存儲管理技術教程磁盤存儲管理技術教程 第第2 2頁頁教學提示：教學提示：由于磁盤是計算機系統(tǒng)中文件的主要載體，因此本由于磁盤是計算機系統(tǒng)中文件的主要載體，因此本章介紹的內容與文件管理章節(jié)中的內容密切相關，我們在學習章介紹的內容與文件管理章節(jié)中的內容密切相關，我們在學習的過程中，要注意將這兩部分內容融會貫通。的過程中，要注意將這兩部分內容融會貫通。教學目標：教學目標：本章主要介紹了磁盤存儲器的概念、驅動調度算法本章主要介紹了磁盤存儲器的概念、驅動調度算法及磁盤空間管理等內容。及磁盤空間管理等內容。 第第3 3頁頁7.1 磁盤存儲器概述磁盤存儲器概述磁盤存儲器是最常用的一種輔助存

2、儲器，用于存放當磁盤存儲器是最常用的一種輔助存儲器，用于存放當前不需要立即使用的信息，一旦需要，再和主機成批前不需要立即使用的信息，一旦需要，再和主機成批交換數(shù)據(jù)，它是主存儲器的后備。磁盤存儲器的最大交換數(shù)據(jù)，它是主存儲器的后備。磁盤存儲器的最大特點是存儲容量大、可靠性高、價格低。特點是存儲容量大、可靠性高、價格低。磁盤存儲器是將磁性材料涂敷在很薄的塑膠片或非磁磁盤存儲器是將磁性材料涂敷在很薄的塑膠片或非磁性金屬物質表面而形成的。磁層的厚度為性金屬物質表面而形成的。磁層的厚度為1 15m5m。該磁層就是記錄數(shù)據(jù)的介質，它是存儲信息的基礎，該磁層就是記錄數(shù)據(jù)的介質，它是存儲信息的基礎，通過磁頭將

3、電脈沖表示的二進制代碼轉換成磁記錄介通過磁頭將電脈沖表示的二進制代碼轉換成磁記錄介質上的不同剩磁狀態(tài)來實現(xiàn)信息的寫入。而介質上的質上的不同剩磁狀態(tài)來實現(xiàn)信息的寫入。而介質上的磁化單元信息又可通過磁頭轉換成電脈沖，以實現(xiàn)信磁化單元信息又可通過磁頭轉換成電脈沖，以實現(xiàn)信息的讀出。磁盤分為軟盤和硬盤兩種。息的讀出。磁盤分為軟盤和硬盤兩種。第第4 4頁頁磁盤的存儲容量分為非格式化容量和格式化容量兩種。非格式化磁盤的存儲容量分為非格式化容量和格式化容量兩種。非格式化容量取決于盤片本身磁介質所允許的記錄密度，格式化容量取容量取決于盤片本身磁介質所允許的記錄密度，格式化容量取決于操作系統(tǒng)如何為磁盤劃分磁道和

4、扇區(qū)。我們一般所說的存決于操作系統(tǒng)如何為磁盤劃分磁道和扇區(qū)。我們一般所說的存儲容量指的是格式化容量，它一般低于非格式化容量。儲容量指的是格式化容量，它一般低于非格式化容量。磁盤的非格式化容量為磁盤的非格式化容量為Cn=wCn=w3.143.14d dm mn n，其中，其中w w為位密度，為位密度，d d為最內圈直徑為最內圈直徑(200mm)(200mm)，m m為記錄面數(shù)，為記錄面數(shù)，n n為每面磁道數(shù)。為每面磁道數(shù)。磁盤格式化后的存儲容量磁盤格式化后的存儲容量=n=nt ts sb b，其中，其中n n為保存數(shù)據(jù)的總盤為保存數(shù)據(jù)的總盤面數(shù)，面數(shù)，t t為每面磁道數(shù)，為每面磁道數(shù)，s s為每

5、道的扇區(qū)數(shù)，為每道的扇區(qū)數(shù)，b b為每個扇區(qū)存儲為每個扇區(qū)存儲的字節(jié)數(shù)。的字節(jié)數(shù)。7.1.1 7.1.1 軟盤的組織結構軟盤的組織結構 第第5 5頁頁磁盤的存取時間磁盤的存取時間( (訪問時間訪問時間)=)=尋道時間尋道時間 + + 等待時間。等待時間。尋道時間為磁頭移動到目標磁道所需的時間，我們尋道時間為磁頭移動到目標磁道所需的時間，我們可以通過降低磁盤的平均尋道時間來降低訪問時間；可以通過降低磁盤的平均尋道時間來降低訪問時間；等待時間等待時間( (又稱旋轉時間又稱旋轉時間) )為等待讀寫的扇區(qū)旋轉到為等待讀寫的扇區(qū)旋轉到磁頭下方所用的時間。磁盤的存取時間一般選用磁磁頭下方所用的時間。磁盤的

6、存取時間一般選用磁道旋轉一周所用時間的一半作為平均等待時間。道旋轉一周所用時間的一半作為平均等待時間。磁盤的數(shù)據(jù)傳輸速率是指磁頭找到地址后，單位時間磁盤的數(shù)據(jù)傳輸速率是指磁頭找到地址后，單位時間寫入或讀出的字節(jié)數(shù)寫入或讀出的字節(jié)數(shù)( (即即 TB/T TB/T，TBTB為一個磁道上記為一個磁道上記錄的字節(jié)數(shù)，錄的字節(jié)數(shù)，T T為磁道每轉一圈所需的時間為磁道每轉一圈所需的時間) )。7.1.1 7.1.1 軟盤的組織結構軟盤的組織結構 第第6 6頁頁7.1.2 7.1.2 硬盤硬盤 硬盤是將若干盤片疊起來固定在一起，繞著同一個軸硬盤是將若干盤片疊起來固定在一起，繞著同一個軸旋轉。旋轉。19681

7、968年，年，IBMIBM公司首次提出名為公司首次提出名為“溫徹斯特溫徹斯特(Winchester)(Winchester)”的技術，的技術，“溫徹斯特溫徹斯特”技術的精髓技術的精髓是是“密封、固定并高速旋轉的鍍磁盤片，磁頭沿盤密封、固定并高速旋轉的鍍磁盤片，磁頭沿盤片徑向移動，磁頭懸浮在高速轉動的盤片上方，而片徑向移動，磁頭懸浮在高速轉動的盤片上方，而不與盤片直接接觸不與盤片直接接觸”。這就是現(xiàn)代硬盤的原型。這就是現(xiàn)代硬盤的原型。在在 20 20 世紀世紀 80 80 年代末，年代末，IBMIBM 公司又相繼研發(fā)了公司又相繼研發(fā)了MR(Magneto ResistiveMR(Magneto

8、Resistive磁阻磁阻) )磁頭和磁頭和GMR(GMR(巨磁阻巨磁阻) )磁磁頭，使得盤片的存儲密度大幅度提高，從而帶動了頭，使得盤片的存儲密度大幅度提高，從而帶動了整塊硬盤容量的增大。整塊硬盤容量的增大。第第7 7頁頁7.2 7.2 驅動調度算法驅動調度算法 由于輔存設備都包含速度相對較慢的機械由于輔存設備都包含速度相對較慢的機械設備，頻繁地機械訪問操作將會影響操作系設備，頻繁地機械訪問操作將會影響操作系統(tǒng)的執(zhí)行性能。就磁盤而言，追求的就是有統(tǒng)的執(zhí)行性能。就磁盤而言，追求的就是有較短的存取時間較短的存取時間(訪問時間訪問時間)和較高的數(shù)據(jù)傳和較高的數(shù)據(jù)傳輸速率，而磁盤調度是降低磁盤平均訪

9、問時輸速率，而磁盤調度是降低磁盤平均訪問時間最有效的方法。因此如何有效地對磁盤調間最有效的方法。因此如何有效地對磁盤調度，是操作系統(tǒng)必須考慮的主要因素之一。度，是操作系統(tǒng)必須考慮的主要因素之一。下面介紹幾種驅動調度算法。下面介紹幾種驅動調度算法。 第第8 8頁頁7.2.1 循環(huán)排序循環(huán)排序對旋轉型的外設，記錄具有循環(huán)的特點。當某一請求序列來到對旋轉型的外設，記錄具有循環(huán)的特點。當某一請求序列來到時，進行某種排序具有非常的意義。時，進行某種排序具有非常的意義?！纠俊纠?有一磁盤轉速為有一磁盤轉速為20ms/轉，每一個磁道保存轉，每一個磁道保存5個記錄，如個記錄，如果收到以下果收到以下4個個I

10、/O請求，并且在一條到該設備的可用通路，請請求，并且在一條到該設備的可用通路，請分析請求序列為分析請求序列為4321時，采用下列哪一些響應序列速度最快？時，采用下列哪一些響應序列速度最快？(假設定位時間為假設定位時間為10ms，讀出記錄時間為，讀出記錄時間為5ms，且當前記錄為，且當前記錄為3)(1) 4 3 2 1。(2) 1 2 3 4。(3) 4 1 2 3。實現(xiàn)這種算法需要一個位置測定裝置，然后再安排合適的響應實現(xiàn)這種算法需要一個位置測定裝置，然后再安排合適的響應序列，才能達到較快的速度。序列，才能達到較快的速度。 第第9 9頁頁7.2.2 優(yōu)化分布優(yōu)化分布信息在存儲空間的排列方式也會

11、影響存取等待。信息在存儲空間的排列方式也會影響存取等待?！纠俊纠?假設有假設有10個邏輯記錄個邏輯記錄A、B、C、D、J被存于旋被存于旋轉型設備上，每道存放轉型設備上，每道存放10個記錄，如果經常順序處理這些個記錄，如果經常順序處理這些記錄，旋轉速度為記錄，旋轉速度為 20ms，處理程序讀出每個記錄后花，處理程序讀出每個記錄后花 4ms進行處理，試分析下列兩種排序下處理完進行處理，試分析下列兩種排序下處理完10個記錄的總時個記錄的總時間。間。(1) A B C D E F G H I J (2) A H E B I F C J G D 第第1010頁頁7.2.3 交替地址交替地址把每一個記

12、錄重復記錄在這臺設備的多個區(qū)域，可以顯著減少存把每一個記錄重復記錄在這臺設備的多個區(qū)域，可以顯著減少存取時間，這樣讀相同的數(shù)據(jù)記錄，就有幾個交替地址，這種方法取時間，這樣讀相同的數(shù)據(jù)記錄，就有幾個交替地址，這種方法也被稱為多重副本或折迭。也被稱為多重副本或折迭?！纠俊纠?若每道有若每道有8個記錄，旋轉速度個記錄，旋轉速度20ms，如果記錄，如果記錄A存于存于1道道，記錄，記錄1，則存取記錄，則存取記錄A平均時間為半周，即平均時間為半周，即10ms；如果記錄；如果記錄A的副本存于的副本存于1道，記錄道，記錄1和和1道，記錄道，記錄5，則存取記錄，則存取記錄A平均時間降平均時間降為為5ms (

13、存取時間拆半存取時間拆半)。這種技術要耗用較多的存儲空間。適用于反復讀取，不需修改的這種技術要耗用較多的存儲空間。適用于反復讀取，不需修改的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)。 第第1111頁頁7.2.4 搜索定序搜索定序對于磁盤設備，除了旋轉位置外，還有搜查定位的問題。輸對于磁盤設備，除了旋轉位置外，還有搜查定位的問題。輸入輸出請求需要入輸出請求需要3部分地址：柱面號、道號和記錄號。部分地址：柱面號、道號和記錄號。第第1212頁頁7.2.5 算法選擇算法選擇在眾多的磁盤調度算法中，要選擇一個最適合系統(tǒng)的算法在眾多的磁盤調度算法中，要選擇一個最適合系統(tǒng)的算法相當困難。先來先服務算法確實能夠給予相當?shù)墓叫?，相當困難。

14、先來先服務算法確實能夠給予相當?shù)墓叫?，但卻無法獲得較佳的效果。最短查找時間優(yōu)先算法算是一但卻無法獲得較佳的效果。最短查找時間優(yōu)先算法算是一般且普遍的算法。雙向掃描算法和單向掃描算法適合負載般且普遍的算法。雙向掃描算法和單向掃描算法適合負載較大的情況，但實際上在大多數(shù)的操作系統(tǒng)中并未被實現(xiàn)較大的情況，但實際上在大多數(shù)的操作系統(tǒng)中并未被實現(xiàn)，因為需要硬件的支持。，因為需要硬件的支持。此外，磁盤服務的要求也會受文件分配方式的影響。連續(xù)此外，磁盤服務的要求也會受文件分配方式的影響。連續(xù)分配將會產生許多鄰近塊的磁盤要求，而減少磁頭的移動分配將會產生許多鄰近塊的磁盤要求，而減少磁頭的移動；而鏈表或索引結

15、構，則可能會訪問包含幾個散布于磁盤；而鏈表或索引結構，則可能會訪問包含幾個散布于磁盤各處的塊，這將會產生較多的磁頭移動。由此可見，由于各處的塊，這將會產生較多的磁頭移動。由此可見，由于涉及諸多因素，使得我們很難評估各種算法的優(yōu)劣。涉及諸多因素，使得我們很難評估各種算法的優(yōu)劣。第第1313頁頁7.3 磁盤存儲空間管理磁盤存儲空間管理 為了實現(xiàn)能對外存空間的有效利用，并提高對文件的訪問效率為了實現(xiàn)能對外存空間的有效利用，并提高對文件的訪問效率，需要系統(tǒng)對外存中的空閑塊資源妥善管理。在大多數(shù)情況下，需要系統(tǒng)對外存中的空閑塊資源妥善管理。在大多數(shù)情況下，都是利用磁盤來存放文件。因此本節(jié)就基于磁盤文件介

16、紹幾，都是利用磁盤來存放文件。因此本節(jié)就基于磁盤文件介紹幾種常用的磁盤空閑塊管理技術：空閑空間表法、空閑塊鏈接法種常用的磁盤空閑塊管理技術：空閑空間表法、空閑塊鏈接法、成組鏈接法及位示圖法。、成組鏈接法及位示圖法。第第1414頁頁7.3.1 空閑空間表法空閑空間表法2. 空閑塊分配空閑塊分配在建立新文件時，要為它分配空間，為此，系統(tǒng)檢索空閑空間在建立新文件時，要為它分配空間，為此，系統(tǒng)檢索空閑空間表，尋找合適的表項。如果對應空閑區(qū)的大小恰好等于所申請表，尋找合適的表項。如果對應空閑區(qū)的大小恰好等于所申請值，就把該項從表中清除。如果該區(qū)大于所需數(shù)量，則把分配值，就把該項從表中清除。如果該區(qū)大于所

17、需數(shù)量，則把分配后剩余的部分記錄在表中。常用的分配算法有以下幾種。后剩余的部分記錄在表中。常用的分配算法有以下幾種。(1) 優(yōu)先適應算法。每次分配時，總是順序查找未分配表，找優(yōu)先適應算法。每次分配時，總是順序查找未分配表，找到第一個能滿足長度要求的空閑塊為止。到第一個能滿足長度要求的空閑塊為止。(2) 最佳適應算法。從空閑區(qū)中挑選出一個能滿足作業(yè)要求的最佳適應算法。從空閑區(qū)中挑選出一個能滿足作業(yè)要求的最小分區(qū)。容易造成剩下空閑區(qū)太小以致無法使用。最小分區(qū)。容易造成剩下空閑區(qū)太小以致無法使用。(3) 最壞適應算法?？偸翘暨x一個最大的空閑區(qū)分割給作業(yè)使最壞適應算法?？偸翘暨x一個最大的空閑區(qū)分割給作

18、業(yè)使用。這種做法能保證剩下的空閑區(qū)不至于太小，對小作業(yè)有利用。這種做法能保證剩下的空閑區(qū)不至于太小，對小作業(yè)有利。第第1515頁頁3. 空閑塊回收空閑塊回收當用戶刪除一個文件時，系統(tǒng)就回收該文件占用的塊，并把相當用戶刪除一個文件時，系統(tǒng)就回收該文件占用的塊，并把相應的空閑塊信息填回到空閑空間表中。如果釋放的塊和原有空應的空閑塊信息填回到空閑空間表中。如果釋放的塊和原有空閑塊相鄰，則把它們合并成一個大的空閑區(qū)，記在一個表項中閑塊相鄰，則把它們合并成一個大的空閑區(qū)，記在一個表項中。隨著文件不斷地被創(chuàng)建和被刪除，如同內存動態(tài)分配一樣會產隨著文件不斷地被創(chuàng)建和被刪除，如同內存動態(tài)分配一樣會產生碎片，這些碎片可以采用緊縮法進行處理。生碎片，這些碎片可以采用緊縮法進行處理。第第1616頁頁7.3.2 空閑塊鏈接法空閑塊鏈接法把所有的空閑塊連接在一起，系統(tǒng)保持有一個指針指向第一把所有的空閑塊連接在一起，系統(tǒng)保持有一個指針指向第一個自由塊，每一個自由塊包含指向下一個自由塊的指針。申個自由塊，每一個自由塊包含指向下一個自由塊的指針。申請一塊時，從鏈頭取一塊并修改系統(tǒng)指針。刪除時釋放占用請一塊時，從鏈頭取一塊并修改系統(tǒng)指針。刪除時釋放占用塊使其成為空閑并將它掛到空閑鏈頭上塊使其成為空閑并將它掛到空閑鏈頭上 第第1717頁頁7.3.3 空閑塊成組鏈接法空閑