輸入輸出系統(tǒng)設(shè)備課件

第六章輸入輸出系統(tǒng)第六節(jié)磁盤存儲器的性能和調(diào)度磁盤的結(jié)構(gòu)磁盤調(diào)度磁盤高速緩存提高磁盤速度的方法RAID介紹磁盤工作機(jī)制和性能參數(shù)磁道t磁盤軸磁頭組扇區(qū)s柱面c盤片磁頭讀寫頭讀取或?qū)懭霑r，磁頭必須被定位在期望的磁道，并從所期望的柱面和扇區(qū)的開始■尋道時間■定位到期望的磁道所花費(fèi)的時間旋轉(zhuǎn)延遲■從零扇區(qū)開始處到達(dá)目的地花費(fèi)的時間平均旋轉(zhuǎn)延遲時間=磁盤旋轉(zhuǎn)一周時間的一半尋道時間定位讀/寫磁頭所用的時間尋道時間越短，I/O操作越快尋道時間規(guī)范

包括全程平均道間磁盤的尋道時間由驅(qū)動器制造商指定4徑向移動旋轉(zhuǎn)延遲盤片通過旋轉(zhuǎn)將數(shù)據(jù)置于讀/寫磁頭下所用的時間取決于磁盤軸的旋轉(zhuǎn)速度平均旋轉(zhuǎn)延遲旋轉(zhuǎn)一周所用的時間的一半對于“X”rpm，驅(qū)動器延遲以毫秒為單位按以下方式計算：

5數(shù)據(jù)傳輸速度每單位時間驅(qū)動器可以向HBA輸送的平均數(shù)據(jù)量內(nèi)部傳輸速度：數(shù)據(jù)從盤片表面移至磁盤內(nèi)部緩沖區(qū)時的速度外部傳輸速度：數(shù)據(jù)通過接口移至HBA時的速度6接口緩沖區(qū)HBA內(nèi)部傳輸速度在此測量外部傳輸速度在此測量磁頭磁盤組合磁盤驅(qū)動器磁盤I/O傳輸時間等待設(shè)備可用等待通道可用尋道數(shù)據(jù)傳送訪問時間設(shè)備忙旋轉(zhuǎn)延時磁盤I/O傳輸時間尋道時間等待設(shè)備可用等待通道可用尋道

數(shù)據(jù)傳送設(shè)備忙旋轉(zhuǎn)延時磁盤I/O傳輸時間旋轉(zhuǎn)延遲1/r=旋轉(zhuǎn)一周的時間等待設(shè)備可用等待通道可用尋道

數(shù)據(jù)傳送設(shè)備忙旋轉(zhuǎn)延時磁盤I/O傳輸時間傳輸時間b=傳輸?shù)谋忍財?shù)N=磁道上的比特數(shù)r=磁盤轉(zhuǎn)數(shù)等待設(shè)備可用等待通道可用尋道

數(shù)據(jù)傳送設(shè)備忙旋轉(zhuǎn)延時磁盤調(diào)度算算法通過優(yōu)化磁盤訪問請求順序來提高磁盤訪問性能■隨機(jī)處理磁盤訪問請求的性能表現(xiàn)很差尋道時間是磁盤訪問最耗時的部分同時會有多個在同一磁盤上的I/O請求先進(jìn)先出(FIFO)算法按順序處理請求■公平對待所有進(jìn)程■在有很多進(jìn)程的情況下，接近隨機(jī)調(diào)度的性能■FIFO算算法示例/Faculty/Rainwater/COSC3355/Animations/diskschedulingfcfs.htm合計磁頭移移動距離=磁盤訪問序列=98,183,37,122,14,124,65,67初始磁頭位置：53014375365679812212418319945+85+146+85+108+110+59+2=640最短服務(wù)時時間優(yōu)先(SSTF)選擇從磁臂當(dāng)前位置需要移動最少的I/O請求■總是選擇最短尋道時間■SSTF算法示例/Faculty/Rainwater/COSC3355/Animations/diskschedulingfcfs.htm合計磁頭移移動距離=磁盤訪問序列=98,183,37,122,14,124,65,67初始磁頭位置：53014375365679812212418319912+2+30+23+84+24+2+59=236掃描算法(SCAN)磁臂在一個方向上移動，訪問所有未完成的請求，直到磁臂到達(dá)該方向上最后的磁道優(yōu)先考慮磁頭當(dāng)前的移動方向■調(diào)換方向時機(jī)■也稱為電梯算法(elevatoralgorithm)■SCAN算算法示例/Faculty/Rainwater/COSC3355/Animations/diskschedulingfcfs.htm合計磁頭移移動距離=磁盤訪問序列=98,183,37,122,14,124,65,67初始磁頭位置：53014375365679812212418319916+23+14+65+2+31+24+2=236+59算法是與移移動臂的方方向有關(guān)，，所以，應(yīng)應(yīng)分兩種情情況來討論論。（1）移動臂是是向外移的的。當(dāng)前正在53號柱面，，在這種情情況下為等等待訪問者者服務(wù)的次次序是：37，14，65，67，98，122，124，183?？偟谋垡苿觿恿繛椋?53––14）+（183––14）=208cyl.（2）移動臂是是向里移的的。當(dāng)前正在53號柱面，，在這種情情況下為等等待訪問者者服務(wù)的次次序是：65，67，98，122，124，183，37，14?？偟谋垡苿觿恿繛椋海ǎ?83––53）+（183––14）=299cyl.循環(huán)掃描算算法(C-SCAN)限制了僅在一個方向上掃描時，才響應(yīng)進(jìn)程請求■當(dāng)最后一個磁道也被訪問過了后，磁臂返回到磁盤的另外一端再次進(jìn)行■N步掃描(N-step-SCAN)算法磁頭粘著(Arm

Stickiness)現(xiàn)象■SSTF、SCAN及CSCAN等算法中，可能出現(xiàn)磁頭停留在某處不動的情況如：進(jìn)程反復(fù)請求對某一磁道的I/O操作N步掃描算法■將磁盤請求隊(duì)列分成長度為N的子隊(duì)列按FIFO算法依次處理所有子隊(duì)列掃描算法處理每個隊(duì)列雙隊(duì)列掃描描(FSCAN)算法FSCAN算法是N步掃描算法的簡化■FSCAN只將磁盤請求隊(duì)列分成兩個子隊(duì)列FSCAN算法■把磁盤I/O請求分成兩個隊(duì)列交替使用掃描算法處理一個隊(duì)列新生成的磁盤I/O請求放入另一隊(duì)列中所有的新請求都將被推遲到下一次掃描時處理對于這些調(diào)調(diào)度算法的的優(yōu)劣比較較：1。先來先服服務(wù)（FIFS）：算法簡簡單，但效效率差。2。最短尋找找時間優(yōu)先先調(diào)度算法法：效率比比較高，但但會出現(xiàn)有有的請求很長時時間得不到到響應(yīng)。3。單向掃描描調(diào)度算法法：效率比比較高，但但有一個空空行程。4。電梯調(diào)度度算法：是是一個比較較合理、優(yōu)優(yōu)化的算法法。5.NStepSCAN和FSCAN：防止磁臂臂粘著。5.6磁盤的驅(qū)動動調(diào)度一、磁盤的的結(jié)構(gòu)每個盤片有有正反兩面面，若干張張盤片可以以組成一個個盤組。一個盤組中中的盤片都都被固定在在一個軸上上，沿著一一個方向高高速旋轉(zhuǎn)。。每個盤面有有一個讀寫寫磁頭，所有的讀寫寫磁頭被固固定在惟一一的移動臂臂上同時移移動，把所所有的讀寫寫磁頭按從從上到下的的次序從0開始進(jìn)行編編號，稱為為“磁頭號”。每個盤面上上有許多磁磁道，從0開始按由外外向里的次次序順序編編號，不同盤面上上具有相同同編號的磁磁道在同一一個柱面上上，把盤面上上的磁道號號稱為“柱面號”。移動臂可可以帶動讀讀寫磁頭訪訪問所有的的磁道，磁盤的結(jié)構(gòu)構(gòu)在磁盤初始始化時把每個盤面面劃分成相相等數(shù)量的的扇區(qū)，按磁盤旋旋轉(zhuǎn)的反向向從0開始給各扇扇區(qū)編號，，稱為扇區(qū)號。每個扇扇區(qū)的各磁磁道上均可可存放相等等數(shù)量的字字符，我們們稱它為“塊”，塊是信息息讀寫的最最小單位。。要確定一一個塊所在在的位置必必須給出三三個參數(shù)：：柱面號、磁磁頭號、扇扇區(qū)號。啟動磁盤執(zhí)執(zhí)行輸入輸輸出操作時時，要把移移動臂移動動到指定的的柱面，再等待指定定的扇區(qū)旋旋轉(zhuǎn)到磁頭頭位置下，，然后讓指指定的磁頭頭進(jìn)行讀寫，完成成信息傳送送。因此，，執(zhí)行一次次輸入輸出出所花的時時間有：尋找時間——磁頭在移動動臂帶動下下移動到指指定柱面所所花的時間間。（Seek）延遲時間(Delay)——指定扇區(qū)旋旋轉(zhuǎn)到磁頭頭下所需的的時間。傳送時間——由磁頭進(jìn)行行讀寫完成成信息傳送送的時間。。其中傳送信信息所花的的時間是硬硬件設(shè)計就就固定的，，而尋找時時間和延遲時間是是與信息在在磁盤上的的位置有關(guān)關(guān)。是訪問問磁盤的操作時間間示意。磁盤訪問時時間磁盤訪問時時間尋道時間Ts=mXn+s：n為磁道數(shù)s：啟動磁臂臂時間，約約2ms;m:與磁盤速度度相關(guān)，約約為0.1——0.2大體體為為5~30ms旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)延延遲遲時時間間:與磁磁盤盤轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速速相相關(guān)關(guān),約為為2~5ms傳輸輸時時間間：：與每每次次讀讀寫寫字字節(jié)節(jié)數(shù)數(shù)和和旋旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速速度度有有關(guān)關(guān)訪問問時時間間Ta=Ts+1/2r+b/rN尋道道時時間間和和旋旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)延延遲遲時時間間是是主主要要部部分分為了了減少少移移動動臂臂進(jìn)進(jìn)行行移移動動花花費(fèi)費(fèi)的的時時間間，每每個個文文件件的的信信息息不不是是按按盤盤面面上的的磁磁道道順順序序存存放放滿滿一一個個盤盤面面后后，，再再放放到到下下一一個個盤盤面面上上，，而而是是按柱面面存存放放。同同一一柱柱面面上上的的各各磁磁道道被被放放滿滿信信息息后后，，再再放放到到下下一一個個柱柱面面上。。所所以以，，各各磁磁盤盤塊塊的的編編號號按按柱柱面面順順序序（（從從0號柱柱面面開開始始）），，每每個個柱面面按按磁磁道道順順序序，，每每個個磁磁道道又又按按扇扇區(qū)區(qū)順順序序進(jìn)進(jìn)行行排排序序。。假假定定用用t表示每個柱面面上的磁磁道數(shù)，，用s表示每個個盤面上上的扇區(qū)區(qū)數(shù)，則則第i柱面，，j磁頭，，k扇區(qū)所所對應(yīng)應(yīng)的塊塊號b可有如如下公公式確確定：：b=k＋SX（j＋iXt）同樣地地，根根據(jù)塊塊號也也可確確定該該塊在在磁盤盤上的的位置置。在在上述述的假假定下，每每個柱柱面上上有sXt個磁盤盤塊，，為了了計算算第P塊在磁磁盤上上的位位置，可以以令D=sXt，設(shè)M＝[P／D]，N=PmodD。于是是，第第P塊在磁盤盤上的的位置置為柱面號號=M磁頭號號=[N／S]扇區(qū)號號。NmodS在微型型計算算機(jī)中中，對對軟盤盤片來來說，，每個個柱面面只包包含兩兩個磁磁道。。文件信信息也也是按按柱面面順序序、磁磁道順順序和和扇區(qū)區(qū)順序序依次次存放放。二、磁磁盤的的驅(qū)動動調(diào)度度磁盤是是一種種可共共享的的設(shè)備備，在在多道道程序序設(shè)計計的系系統(tǒng)中中，同同時會會有若干個個訪問問者請請求磁磁盤執(zhí)執(zhí)行輸輸入輸輸出操操作。。但是是，為為了保保證信信息的安全全，系系統(tǒng)在在每一一時刻刻只允允許一一個訪訪問者者啟動動磁盤盤執(zhí)行行輸入入輸出操操作，，其余余的訪訪問者者必須須等待待，一一次輸輸入輸輸出操操作結(jié)結(jié)束后后才可讓等等待中中的一一個訪訪問者者啟動動磁盤盤。顯然，，應(yīng)根據(jù)據(jù)移動動臂的的當(dāng)前前位置置使尋找時時間和延遲時時間盡可能能小的的那個個訪問問者優(yōu)優(yōu)先得得到服服務(wù)。系統(tǒng)往往往采采用一一定的的調(diào)度度策略略來決決定各各等待待訪問問者的的執(zhí)行行次序序，這這項(xiàng)工工作稱稱磁盤盤的““驅(qū)動調(diào)調(diào)度”，采采用的的調(diào)度度策略略稱““驅(qū)動動調(diào)度度算法法”。。對磁盤盤來說說，驅(qū)驅(qū)動調(diào)調(diào)度有有“移臂調(diào)調(diào)度”和““旋轉(zhuǎn)調(diào)調(diào)度”兩部部分組組成。。根據(jù)訪訪問者者指定定的柱柱面位位置來來決定定執(zhí)行行次序序的調(diào)調(diào)度稱稱“移臂調(diào)調(diào)度”，移臂調(diào)調(diào)度的的目的的是盡盡可能能地減減少輸輸入輸輸出操操作中中的尋尋找時時間。。常用用的移移臂調(diào)調(diào)度算算法有有先來先先服務(wù)務(wù)算法法、最最短尋尋找時時間優(yōu)優(yōu)先算算法、、電梯梯調(diào)度度算法法和單單向掃掃描算算法（－））移臂臂調(diào)度度。1．先來來先服服務(wù)調(diào)調(diào)度算算法最簡單單的移移臂調(diào)調(diào)度算算法是是“先來先服務(wù)務(wù)”調(diào)度算法，，這個算法法實(shí)際上不考慮訪問問者要求訪訪問的物理理位置，而而只是考慮慮訪問者提出訪問請請求的先后后次序。例如，現(xiàn)在在讀寫磁頭頭正在53號柱面上執(zhí)執(zhí)行輸入輸輸出操作，，而等待訪訪問者依次次要訪問的的柱面為98，183，37，122，14，124，65，67。當(dāng)53號柱面上的的操作結(jié)束束后，移動動臂將按請請求的先后后次序先移移到98號往面，最最后到達(dá)67號柱面，如如下頁圖所所示。其相應(yīng)的臂臂的總移動動量為：（98-53）+（183-98）+（183-37）+（122-37）+（122-14）+（124-14）+（124-65）+（67-65）=45+85+146+85+108+110+59+2=496+144=640cyl.98，183，37，122，14，124，65，67從圖圖中中可可以以看看到到采采用用先先來來先先服服務(wù)務(wù)算算法法決決定定等等待待訪訪問問者者執(zhí)執(zhí)行行輸輸入入輸輸出出操操作作的的次次序序時時，，移移動動臂臂將將來來回回地地移移動動，，讀讀寫寫磁磁頭頭總總共共移移動動了了640個柱面的距離離。先來先服務(wù)算算法花費(fèi)的尋尋找時間較長長，于是，執(zhí)執(zhí)行輸入輸出出操作的總時時間也很長。。2．最短尋道時時間優(yōu)先調(diào)度度算法（SSTF）總是從等待訪訪問者中挑選選尋找時間最最短的那個請請求先執(zhí)行，，而不管訪問問者到來的先先后次序。用同一個例子子來討論，現(xiàn)現(xiàn)在當(dāng)53號柱面的操作作結(jié)束后，應(yīng)該先處理65號柱面的請求求，然后到達(dá)達(dá)67號柱面執(zhí)行操操作。隨后應(yīng)處理37號柱面的請求求（它與67號柱面相距30個柱面）而不不是98號柱面的請求求（它與67號柱面相距31個柱面），后后繼操作的次次序應(yīng)該是14，98，122，124，183。如下頁圖所所示。采用最短尋找找時間優(yōu)先算算法決定等待待訪問者執(zhí)行行輸入輸出操操作的次序時，讀寫寫磁頭總共移移動了236個柱面的距離離。與先來先先服務(wù)算法比比較，大幅度地減少少了尋找時間間。因而縮短了了為各請求訪訪問者服務(wù)的的平均時間，，也就提高了了系統(tǒng)效率。?，F(xiàn)對需要存取取得磁筒進(jìn)行行排序：14，37，65，6798，122，124，183。相對于53最近的磁筒為為65。余下的問題是是在到達(dá)67后，下一個目目標(biāo)是？37，67，98其差為30與31，所以下一個個目標(biāo)為37。3．掃描算法，，SCAN算法（（電梯梯調(diào)度度算法法）“電梯調(diào)調(diào)度”算法總總是從從移動動臂當(dāng)當(dāng)前位位置開開始沿沿著臂臂的移移動方方向去選擇擇離當(dāng)當(dāng)前移移動臂臂最近近的那那個柱柱面的的訪問問者，，如果沿沿臂的的移動動方向無無請求求訪問問時，，就改改變臂臂的移移動方方向再再選擇擇。這好好比乘乘電梯梯，如果電電梯已已向上上運(yùn)動動到4層時，，依次次有3位乘客客A，B，C，他們們的要求是是：A在2層等待待去10層；B在5層等待待去底底層；；C在8層等待待上15層。電電梯管管理員員不是是按照照乘客客來到到的先先后次次序服服務(wù)，，而是是考慮慮電梯的的效率率。在在這種種情況況下，，沿電電梯運(yùn)運(yùn)動方方向總總是先先把乘乘客C帶到15層，然然后把把乘客客B帶到到底底層層，，最最后后再再把把乘乘客客A送到到10層。。我們們?nèi)匀杂糜猛灰焕幼觼韥碛懹懻撜摬刹捎糜谩啊半婋娞萏菡{(diào)調(diào)度度””算算法法的的情情況況，，由由于于該該算法法是是與與移移動動臂臂的的方方向向有有關(guān)關(guān)，，所所以以，，應(yīng)應(yīng)分分兩兩種種情情況況來來討討論論。。（1）移移動動臂臂是是向向外外移移的的。。當(dāng)前前正正在在53號柱面，，在這這種情況況下為等等待訪問問者服務(wù)務(wù)的次序序是：37，14，65，67，98，122，124，183?？偟谋垡埔苿恿繛闉椋?53––14）+（183––14）=208cyl.（2）移動臂臂是向里里移的。。當(dāng)前正在在53號柱面，，在這這種情況況下為等等待訪問問者服務(wù)務(wù)的次序序是：65，67，98，122，124，183，37，14。總的臂移移動量為為：（（183––53）+（183––14）=299cyl.怎樣知道道磁頭當(dāng)當(dāng)前移動動方向？？當(dāng)前磁頭頭所在磁磁道，剛剛剛訪問問完的磁磁道。4．循環(huán)掃掃描（CSCAN）調(diào)度算算法“單向掃掃描”調(diào)調(diào)度算法法：不管等待待訪問者者的先后后次序，總是從0號柱面開始始向里掃掃描，按照各各訪問者者所要訪訪問的柱柱面位置置的次序序去選擇訪問問者。移移動臂到達(dá)最后后一個柱柱面后，，立即帶帶動讀寫寫磁頭快速返回回到0號柱面，返回時時不為任任何的等等待訪問問者服務(wù)務(wù)，返回回后可再次次從外向向內(nèi)掃描描。對相同的的例子采采用單向向掃描調(diào)調(diào)度算法法的執(zhí)行行次序?yàn)闉椋?5，67,98，122，124，183，此時移動動臂繼續(xù)續(xù)向里移移動，直直到最內(nèi)內(nèi)的柱面面（圖中中為199號柱面）后，再返回到到0號柱面，重新新掃描時依次次為14，37柱面的訪問者者服務(wù)。總的臂移動量量為：（199-53）+200+37=383cyl。5.NstepSCAN和FSCAN調(diào)度算法磁臂粘著NStepSCAN：將磁盤請求隊(duì)隊(duì)列分成若干干個長度為N的子隊(duì)列，按FCFS依次處理子隊(duì)隊(duì)列，每處理理一個子隊(duì)列列時按SCAN算法。FSCAN：簡化：只將磁盤請求求隊(duì)列分成兩兩個子隊(duì)列：：掃描期間新新出現(xiàn)的磁盤盤請求放入第第二個隊(duì)列。。除了“先來先服務(wù)”調(diào)度算法外，，其余三種調(diào)調(diào)度算法都是是根據(jù)欲訪問問的柱面位置置來進(jìn)行調(diào)度度的。在調(diào)度度過程中可能能有新的請求求訪問者加入入，這些新的的請求訪問者者加入時，如如果讀寫磁頭頭已經(jīng)超過了了它們所要訪訪問的柱面位位置，則只能能在以后的調(diào)調(diào)度中被選擇擇執(zhí)行。所以以，在處理過過程中，除了了先來先服務(wù)務(wù)算法外，其其他的算法一般都需要對對需要存取得得磁筒進(jìn)行排排序，以便進(jìn)進(jìn)行判斷，而且不會漏漏掉。對于這些調(diào)度度算法的優(yōu)劣劣比較：1。先來先服務(wù)務(wù)（FIFS）：算法簡單單，但效率差差。2。最短尋找時時間優(yōu)先調(diào)度度算法：效率率比較高，但但會出現(xiàn)有的的請求很長時間間得不到響應(yīng)應(yīng)。3。單向掃描調(diào)調(diào)度算法：效效率比較高，，但有一個空空行程。4。電梯調(diào)度算算法：是一個個比較合理、、優(yōu)化的算法法。5.NStepSCAN和FSCAN：防止磁臂粘粘著。在多道程序設(shè)設(shè)計系統(tǒng)中，，在等待訪問問磁盤的若干干請求訪問者者中，有些請求訪問問者可能要求求訪問的柱面面號相同，但但各自要求訪訪問同一柱面上的的不同磁道，，或訪問同一一柱面同一磁磁道上的不同同扇區(qū)。所以，在進(jìn)行行移臂調(diào)度時時，按照某種種算法把移動動臂定位到某某個柱面后，應(yīng)讓等待訪問問這個柱面的的各個訪問者者的輸入輸出出操作都完成后再改改變移動臂的的位置。（二）旋轉(zhuǎn)調(diào)調(diào)度當(dāng)移動臂定位位后，有多個個訪問者等待待訪問該柱面面時，應(yīng)怎樣樣決定這些等等待訪問者的的執(zhí)行次序？？從減少輸入入輸出操作總總時間為目標(biāo)標(biāo)考慮，顯然然應(yīng)該優(yōu)先選選擇延遲時間間最短的訪問問者去執(zhí)行。。根據(jù)延遲時時間來決定定執(zhí)行次序序的調(diào)度稱稱為“旋轉(zhuǎn)調(diào)度”。進(jìn)行旋轉(zhuǎn)調(diào)調(diào)度時應(yīng)分分析下列情情況：（1）若干等待待訪問者請請求訪問同同一磁道上上的不同扇扇區(qū)。（2）若干等待待訪問者請請求訪問不不同磁道上上的不同編編號的扇區(qū)區(qū)。（3）若干等待待訪問者請請求訪問不不同磁道上上具有相同同編號的扇扇區(qū)。三、磁盤高高速緩存利用內(nèi)存中中的存儲空空間來暫存存從磁盤中中讀出的盤盤塊中的信信息。四、提高磁磁盤I/O速度的方法法提前讀延遲寫優(yōu)化物理塊塊的分布虛擬盤五、廉價磁磁盤冗余陣陣列RAID分級并行交叉存存取磁盤鏡像3級，并行傳傳輸?shù)拇疟P盤陣列，1個奇偶校驗(yàn)驗(yàn)盤RAID優(yōu)點(diǎn)六傳傳統(tǒng)機(jī)械械硬盤和SSDIBM305RAMAC機(jī)械硬盤SSD硬盤盤SSD硬盤盤對比機(jī)械械硬盤SSD