設(shè)備管理培訓(xùn)課件 八

第五章設(shè)備管理操作系統(tǒng)劉剛1/10/20231第五章設(shè)備管理I/O系統(tǒng)

I/O控制方式

緩沖管理

設(shè)備分配設(shè)備處理磁盤存儲器管理1/10/20232磁盤存儲器管理磁盤存儲器管理的主要任務(wù)磁盤性能簡述磁盤調(diào)度磁盤高速緩存(DiskCache)提高磁盤I/O速度的其它方法廉價磁盤冗余陣列現(xiàn)代操作系統(tǒng)的重要任務(wù)之一：設(shè)法改善磁盤系統(tǒng)的性能1/10/20233磁盤存儲器管理磁盤存儲器管理的主要任務(wù)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統(tǒng)的可靠性（備份）1/10/20234磁盤存儲器管理磁盤存儲器管理的主要任務(wù)磁盤性能簡述磁盤調(diào)度磁盤高速緩存(DiskCache)提高磁盤I/O速度的其它方法廉價磁盤冗余陣列1/10/202355.6磁盤存儲器管理5.6.1磁盤性能簡述1.數(shù)據(jù)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(shù)目的二進制位，磁盤密度即每英寸之中所存儲的位數(shù)。顯然內(nèi)層磁道的密度較外層磁道的密度大。1/10/20236磁盤性能簡述盤片扇區(qū)磁頭磁道1/10/20237磁盤性能簡述1/10/20238磁盤性能簡述1/10/20239磁盤性能簡述1/10/202310磁盤性性能簡簡述12/29/202211磁盤性能簡簡述12/29/202212磁盤性能能簡述數(shù)據(jù)的組組織和格格式盤片（1個或或多個））、盤面面、磁道道、扇區(qū)區(qū)扇區(qū)有標識符字字段和數(shù)據(jù)字段段Gap102031292293FieldGapFieldGapGapFieldGapFieldGap17741515201774151520IDDataIDDataGap1292293FieldGapField1774151520IDDataSectorPhysicalSector0PhysicalSector1PhysicalSector29BytesSynchByteTrack#Head#Sector#Bytes1211CRC3SynchByteDataCRC15122600Bytes/SectorGap存儲相同同數(shù)目的的二進制制位間隙定界符段校驗12/29/2022132.磁磁盤的類類型1)固固定頭磁磁盤這種磁盤盤在每條磁道道上都有有一讀/寫磁頭頭，所有的的磁頭都都被裝在在一剛性性磁臂中中。通過過這些磁磁頭可訪訪問所有有各磁道道，并進進行并行讀/寫，有效地地提高了磁磁盤的I/O速速度。這種結(jié)結(jié)構(gòu)的磁磁盤主要要用于大容量磁磁盤上。2)移移動頭磁磁盤每一個盤盤面僅配配有一個個磁頭，也被裝裝入磁臂臂中。為為能訪問問該盤面面上的所所有磁道道，該磁磁頭必須須能移動動以進行行尋道。。可見，，移動磁磁頭僅能能以串行方式式讀/寫寫，致使其其I/O速速度較慢慢；但由于于其結(jié)構(gòu)構(gòu)簡單，，故仍仍廣泛應(yīng)應(yīng)用于中小型磁磁盤設(shè)備中。。12/29/202214磁盤性能簡簡述訪盤時間組組成尋道時間旋轉(zhuǎn)延遲時時間傳輸時間12/29/202215磁盤性能簡簡述磁盤訪問時時間尋道時間Ts這是指把磁磁臂(磁頭頭)移動到到指定磁道道上所經(jīng)歷歷的時間。。該時間是是啟動磁臂臂的時間s與磁頭移移動n條磁道所花花費的時間間之和，即即Ts=m×n+s旋轉(zhuǎn)延遲時時間Tτ這是指定扇扇區(qū)移動到到磁頭下面面所經(jīng)歷的的時間。如如：7200r/min每轉(zhuǎn)=60000ms/7200r=8.33ms平均旋轉(zhuǎn)延延遲=（0+8.33)/2=4.16是一常數(shù)，，與磁盤驅(qū)驅(qū)動器的速速度有關(guān)一般：0.2高速：<=0.1啟動磁臂時時間2ms12/29/202216磁盤性能簡簡述傳輸時間Tt指把數(shù)據(jù)從從磁盤讀出出或向磁盤盤寫入數(shù)據(jù)據(jù)所經(jīng)歷的的時間。其其大小與與每次所讀讀/寫的字字節(jié)數(shù)b和和旋轉(zhuǎn)速度度有關(guān)r為磁盤每秒秒鐘的轉(zhuǎn)數(shù)數(shù)；N為一條磁道道上的字節(jié)節(jié)數(shù)Tτ和Tt相同同，，則則訪訪問問時時間間=Ts+Tτ+Tt如b=N/2，，則則Tτ=1/(2r)=Tt可見見，，尋尋道道時時間間TS和旋旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)延延遲遲時時間間Tτ基本本上上都都與與所所讀讀/寫寫數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)的的字字節(jié)節(jié)數(shù)數(shù)無無關(guān)關(guān)，，而而且且它它通通常常占占據(jù)據(jù)了了訪訪問問時時間間中中的的大大部部分分目前磁盤的傳傳輸速率已達達到80MB/s以上，，數(shù)據(jù)傳輸時時間所占的比比例更低?？煽梢?，適當?shù)氐丶袛?shù)據(jù)傳傳輸，將有利利于提高傳輸輸效率12/29/2022173.磁磁盤盤訪問問時間間尋道時時間:20ms磁盤通通道傳傳輸速速率:1MB/s轉(zhuǎn)速r=3600rpm每扇區(qū)區(qū)512字字節(jié)每磁道道32扇扇區(qū)目標：：讀128k數(shù)數(shù)據(jù)1.尋尋道時時間TS：TS=m*n+S；；2.旋旋轉(zhuǎn)延延時間間Tr：Tr＝1/2r3.數(shù)數(shù)據(jù)傳傳輸時時間Tt：Tt＝b/rN訪問時時間：：Ta=Ts+1/2r+b/rN60*16k=960k<1MB/s順序組組織(20＋8.3＋16.7)＋(8.3＋＋16.7)××7＝＝220(ms)隨機組組織(20＋8.3＋0.5)××256＝＝7373(ms)12/29/202218磁盤存儲儲器管理理磁盤存儲儲器管理理的主要要任務(wù)磁盤性能能簡述磁盤調(diào)度度磁盤高速速緩存(DiskCache)提高磁盤盤I/O速度的的其它方方法廉價磁盤盤冗余陣陣列在訪問磁磁盤的時時間中，，主要是是尋道時時間，因因此，磁磁盤調(diào)度度的目標標就是使使磁盤的的平均尋尋道時間間最少。。12/29/202219磁盤調(diào)度先來先服務(wù)FCFS(First-Come,FirstServed)根據(jù)進程請求求訪問磁盤的的先后次序進進行調(diào)度優(yōu)點：簡單、、公平，不會會出現(xiàn)請求長長期得不到滿滿足缺點：未優(yōu)化化，平均尋道道時間長平均尋道長度度：55.31461841123810150701607290211819393584555移動距離被訪問的下一一個磁道100道開始始55、58、、39、18、90、160、150、38、、18412/29/2022200383955589010015016018418先來先服務(wù)務(wù)FCFS(First-Come,FirstServed)12/29/202221磁盤調(diào)度最短尋道時時間優(yōu)先SSTF(ShortestSeekTimeFirst)要求訪問的的磁道與當當前磁頭所所在的磁道道距離最近近優(yōu)點：使每每次尋道時時間最短缺點：不能能保證平均均尋道時間間最短；可可能導(dǎo)致距距離遠的進進程總也得得不到服務(wù)務(wù)平均尋道長長度：27.524184101601321502018138163935532581090移動距離被訪問的下下一個磁道道100道開開始55、58、39、、18、90、160、150、38、18412/29/2022220383955589010015016018418最短尋道道時間優(yōu)優(yōu)先STF(ShortestSeekTimeFirst)12/29/202223FCFS調(diào)度算算法SSTF調(diào)度算算法100道開始被訪問的下一個磁道移動距離5545583391918219072160701501038112184146平均尋道長度：55.3100道開始被訪問的下一個磁道移動距離90105832553391638118201501321601018424平均尋道長度：27.512/29/2022243.掃掃描(SCAN)算法法1)進進程“饑饑餓”現(xiàn)現(xiàn)象SSTF算法雖雖然能獲獲得較好好的尋道道性能，，但卻可可能導(dǎo)致致某個進進程發(fā)生生“饑餓餓”(Starvation)現(xiàn)象象。因為為只要不不斷有新新進程的的請求到到達，且且其所要要訪問的的磁道與與磁頭當當前所在在磁道的的距離較較近，這這種新進進程的I/O請請求必須須優(yōu)先滿滿足。對對SSTF算法法略加修修改后所所形成的的SCAN算法法，即可可防止老老進程出出現(xiàn)“饑饑餓”現(xiàn)現(xiàn)象。12/29/202225磁盤調(diào)調(diào)度掃描(SCAN)算算法SSTF算算法雖雖然能能獲得得較好好的尋尋道性性能，，但但卻可可能導(dǎo)導(dǎo)致某某個進進程發(fā)發(fā)生““饑餓”(Starvation)現(xiàn)象05016012/29/202226磁盤調(diào)調(diào)度掃描(SCAN)算算法對SSTF算法法略加加修改改后所所形成成的SCAN算算法，，即即可防防止進進程出出現(xiàn)““饑餓餓”現(xiàn)現(xiàn)象SCAN算算法不不僅考考慮欲欲訪問問的磁磁道與與當前前磁道道的距距離，，更優(yōu)優(yōu)先考考慮的的是磁磁頭當當前的的移動動方向向磁頭移移動：：自里里向外外自外向向里又稱為““電梯調(diào)度算算法”12/29/202227磁盤調(diào)度掃描(SCAN)算算法對SSTF算法略加加修改后所所形成的SCAN算算法，即即可防止進進程出現(xiàn)““饑餓”現(xiàn)現(xiàn)象SCAN算算法不僅考考慮欲訪問問的磁道與與當前磁道道的距離，，更優(yōu)先考考慮的是磁磁頭當前的的移動方向向磁頭移動動：自里里向外自外向里里又稱為““電梯調(diào)度度算法”平均尋道道長度：：27.82018138163935532589490241841016050150移動距離離被訪問的的下一個個磁道100道道開始，，增加方方向55、58、39、18、90、160、、150、38、18412/29/202228SCAN調(diào)度算算法SSTF調(diào)度算算法100道開始被訪問的下一個磁道移動距離90105832553391638118201501321601018424平均尋道長度：27.5100道開始，增加方向被訪問的下一個磁道移動距離1505016010184249094583255339163811820平均尋道長度：27.812/29/2022290383955589010015016018418磁盤調(diào)度缺點：剛移過的磁道道的等待時間間長12/29/202230磁盤調(diào)度循環(huán)掃描(CSCAN)算法規(guī)定磁頭單向向移動減少剛移過的的磁道的等待待時間平均尋道長度度：27.532903581655139203816618241841016050150移動距離被訪問的下一一個磁道100道開始始，增加方向向55、58、、39、18、90、160、150、38、、18412/29/2022310383955589010015016018418磁盤調(diào)度12/29/202232SCAN調(diào)度度算法CSCAN調(diào)調(diào)度算法100道開始，增加方向被訪問的下一個磁道移動距離1505016010184249094583255339163811820平均尋道長度：27.8100道開始，增加方向被訪問的下一個磁道移動距離15050160101842418166382039155165839032平均尋道長度：27.512/29/202233SSTF調(diào)調(diào)度算算法CSCAN調(diào)調(diào)度算算法100道開始，增加方向被訪問的下一個磁道移動距離15050160101842418166382039155165839032平均尋道長度：27.5100道開始被訪問的下一個磁道移動距離90105832553391638118201501321601018424平均尋道長度：27.512/29/202234磁盤調(diào)調(diào)度N-Step-SCAN和FSCAN調(diào)度度算法法N-Step-SCAN算法法在SSTF、SCAN及CSCAN幾種種調(diào)度度算法法中，，都都可能能出現(xiàn)現(xiàn)磁臂臂停留留在某某處不不動的的情況況，稱稱為““磁臂粘粘著”(Armstickiness)N步SCAN算算法是是將磁磁盤請請求隊隊列分分成若若干個個長度度為N的子子隊列列，磁磁盤調(diào)調(diào)度將將按FCFS算算法依依次處處理這這些子子隊列列。而而每每處理理一個個隊列列時又又是按按SCAN算法法，對對一個個隊列列處理理完后后，再再處理理其他他隊列列FSCAN算法法FSCAN算法法是N步SCAN算算法的的簡化化，即即其其只將將磁盤盤請求求隊列列分成成兩個個子隊隊列。。一是是由當當前所所有請請求I/O的進進程形形成的的隊列列，由由磁盤盤調(diào)度度按SCAN算算法進進行處處理。。在掃掃描期期間，，新出出現(xiàn)的的所有有請求求I/O的的進程程，則則放放入另另一個個等待待處理理的請請求隊隊列當N值值很大大時，，N步步掃描描性能能接近近于SCAN性性能；；N=1，，N步掃掃描性性能便便退化化為FCFS12/29/202235磁盤盤存存儲儲器器管管理理磁盤盤存存儲儲器器管管理理的的主主要要任任務(wù)務(wù)磁盤盤性性能能簡簡述述磁盤盤調(diào)調(diào)度度磁盤盤高高速速緩緩存存(DiskCache)提高高磁磁盤盤I/O速速度度的的其其它它方方法法廉價價磁磁盤盤冗冗余余陣陣列列12/29/202236磁盤盤高高速速緩緩存存(DiskCache)磁盤盤高高速速緩緩存存的的形形式式利用用內(nèi)存存中的的存存儲儲空空間間，，來來暫暫存存從從磁盤盤中讀讀出出的的一一系系列列盤盤塊塊中中的的信信息息高速速緩緩存存是是一一組組在在邏邏輯輯上上屬屬于于磁磁盤盤，，而而物物理理上上是是駐駐留留在在內(nèi)內(nèi)存存中中的的盤盤塊塊高速速緩緩存存在在內(nèi)內(nèi)存存中中可可分分成成兩兩種種形形式式在內(nèi)內(nèi)存存中中開開辟辟一一個個單獨獨的的存存儲儲空空間間來作作為為磁磁盤盤高高速速緩緩存存，，其其大大小小是是固固定定的的把所所有有未利利用用的的內(nèi)內(nèi)存存空空間間變變?yōu)闉橐灰粋€個緩緩沖沖池池，供供請請求求分分頁頁系系統(tǒng)統(tǒng)和和磁磁盤盤I/O時時(作作為為磁磁盤盤高高速速緩緩存存)共共享享不受受應(yīng)應(yīng)用用程程序序多多少少的的限限制制應(yīng)用用程程序序多多時時緩緩存存可可能能很很小小12/29/202237磁盤高速速緩存(DiskCache)數(shù)據(jù)交付付方式數(shù)據(jù)交付付（DataDelivery））是指將磁磁盤高速速緩存中中的數(shù)據(jù)據(jù)傳送給給請求者者進程當有進程程請求訪訪問某個個盤塊時時，先查查看磁盤盤高速緩緩存有兩種方方式交付付數(shù)據(jù)給給請求進進程數(shù)據(jù)交付付。這是直直接將高高速緩存存中的數(shù)數(shù)據(jù)，傳傳送到到請求者者進程的的內(nèi)存工工作區(qū)中中指針交付付。只將指指向高速速緩存中中某區(qū)域域的指針針，交付付給請求求者進程程所傳送的的數(shù)據(jù)量量少，節(jié)節(jié)省了數(shù)數(shù)據(jù)從磁磁盤高速速緩存存存儲空間間到進程程的內(nèi)存存工作區(qū)區(qū)的時間間12/29/202238磁盤高速速緩存(DiskCache)置換算法法將磁盤中的的盤塊寫入入高速緩存存時，會出出現(xiàn)因為高高速緩存中中已裝滿盤盤塊而需要要將高速緩緩存中的數(shù)數(shù)據(jù)先換出出的問題，，常用算法法有LRU、NRU、LFU等除了考慮LRU外，，還需考慮慮以下幾點點訪問頻率可預(yù)見性，，如正在寫寫數(shù)據(jù)的未未滿盤塊數(shù)據(jù)的一致致性內(nèi)存中已修修改數(shù)據(jù)要要寫回磁盤盤可將高速緩緩存中的所所有盤塊數(shù)數(shù)據(jù)構(gòu)成一一個LRU鏈，將會會影響到數(shù)數(shù)據(jù)一致性性的盤塊和和很久都不可可能再用的盤塊放在在LRU鏈鏈的鏈頭，，使其優(yōu)先先被寫回磁磁盤，不久久后還要再再使用的盤盤塊放到鏈鏈尾最近最久未未使用算法法LRU最近未使用用算法NRU最少使用算算法LFU12/29/202239磁盤高速緩緩存(DiskCache)周期性寫回回磁盤在LRU算算法中，經(jīng)經(jīng)常被訪問問的盤塊數(shù)數(shù)據(jù)可能一一直保留在在高速緩存存中，長期期不被寫回回磁盤在UNIX系統(tǒng)中專專門增設(shè)了了一個修改(update)程序，使使之在后臺臺運行，該該程序周期期性地調(diào)用用一個系統(tǒng)統(tǒng)調(diào)用SYNC。該該調(diào)用的主主要功能是是強制性地地將所有在在高速緩存存中已修改改的盤塊數(shù)數(shù)據(jù)寫回磁磁盤在MS-DOS中所所采用的方方法是：只只要高速緩緩存中的某某盤塊數(shù)據(jù)據(jù)被修改，，便立即將將它寫回磁磁盤，并將將這種高速速緩存稱為為“寫穿透、高高速緩存””(write-throughcache)12/29/202240磁盤存儲器器管理磁盤存儲器器管理的主主要任務(wù)磁盤性能簡簡述磁盤調(diào)度磁盤高速緩緩存(DiskCache)提高磁盤I/O速度度的其它方方法廉價磁盤冗冗余陣列12/29/202241提高磁盤盤I/O速度的的其它方方法提前讀（（Read-Ahead）在讀當前前塊的同同時，將將下一盤盤塊讀入入緩沖區(qū)區(qū)延遲寫緩沖區(qū)中中的數(shù)據(jù)據(jù)不立即即寫回磁磁盤，而而掛在隊隊尾優(yōu)化物理理塊分布布使文件的的物理塊塊集中，，減小磁磁頭移動動距離分配時以以簇（若若干個盤盤塊））為單位位磁盤碎片片整理虛擬盤利用內(nèi)存存空間仿仿真磁盤盤，又稱稱為RAM盤12/29/202242磁盤存儲儲器管理理磁盤存儲儲器管理理的主要要任務(wù)磁盤性能能簡述磁盤調(diào)度度磁盤高速速緩存(DiskCache)提高磁盤盤I/O速度的的其它方方法廉價磁盤盤冗余陣陣列12/29/202243廉價磁盤冗余余陣列廉價磁盤冗余余陣列RAID(RedundantArrayofInexpensiveDisk)，1987年年由美國加州州大學(xué)提出過去RAID是由許多小小的便宜磁盤盤組成的，可可作為大的昂昂貴磁盤的有有效替代品現(xiàn)在RAID的使用主要要是因為其高高可靠性和高高數(shù)據(jù)傳輸率率，而不是經(jīng)經(jīng)濟原因利用一臺磁盤盤陣列控制器器統(tǒng)一管理和和控制一組磁磁盤驅(qū)動器，，組成一個可可靠的、快速速的大容量磁磁盤系統(tǒng)12/29/202244廉價磁盤冗余余陣列磁盤冗余———改善可靠性性復(fù)制每個磁盤盤，這種技術(shù)術(shù)稱為鏡像12/29/202245廉價價磁磁盤盤冗冗余余陣陣列列并行行交交叉叉存存取取————提提高高數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)傳傳輸輸速速度度將一一個個盤盤塊塊中中的的數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)分分成成若若干干個個子子盤盤塊塊數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)，，分分別別存存儲儲在在不不同同磁磁盤盤的的相相同同位位置置上上。。數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)傳傳送送時時采采用用并并行行傳傳輸輸方方式式主要要目目的的：：通通過過負負載載平平衡衡，，增增加加了了多多個個小小訪訪問問（（即即頁頁訪訪問問））的的吞吞吐吐量量，，降降低低大大訪訪問問的的響響應(yīng)應(yīng)時時間間12/29/202246廉價磁盤盤冗余陣陣列鏡像提高高可靠性性，但很很昂貴，，分散提提供了高高數(shù)據(jù)傳傳輸率，，但并未未改善可可靠性，，通過磁磁盤分散散和“奇奇偶”位位可以提提供多種種方案以以在低代代價下提提供冗余余，這些些方案有有不同的的性價折折中，可可分成不不同級別別，稱為為RAID級別12/29/2022472.RAID的分分級(RedundantArrayofInexpensiveDisk)RAID0級級。RAID1級級。(3)RAID2級級。(4)RAID3級級。(5)RAID4級級。(6)RAID5級級。(7)RAID6級級和RAID7級級。12/29/202248RAID0(不不冗余余）12/29/202249RAID012/29/202250RAID0不冗冗余余不校校驗驗分布布式式存存儲儲低可可靠靠性性低價價格格并行行I/O訪訪問問12/29/2022512.RAID的分級RAID0級。RAID1級。(3)RAID2級級。(4)RAID3級級。(5)RAID4級級。(6)RAID5級級。(7)RAID6級級和RAID7級。12/29/202252RAID1(鏡像)分布存放鏡像冗余不校驗12/29/202253RAID1讀性能能比RAID0好(選選擇尋尋道時時間小小的磁磁盤訪訪問)寫性能能比RAID0差存儲開開銷大大可靠性性高12/29/2022542.RAID的分分級RAID0級級。RAID1級級。(3)RAID2級級。(4)RAID3級級。(5)RAID4級級。(6)RAID5級級。(7)RAID6級級和RAID7級級。12/29/202255RAID2(漢漢明碼碼校驗驗冗余余)12/29/2022562.RAID的的分分級級RAID0級級。。RAID1級級。。(3)RAID2級級。。(4)RAID3級級。。(5)RAID4級。(6)RAID5級。(7)RAID6級和RAID7級