磁盤(pán)存儲(chǔ)管理技術(shù)教程

磁盤(pán)存儲(chǔ)管理技術(shù)教程

1教學(xué)提示：由于磁盤(pán)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中文件的主要載體，因此本章介紹的內(nèi)容與文件管理章節(jié)中的內(nèi)容密切相關(guān)，我們?cè)趯W(xué)習(xí)的過(guò)程中，要注意將這兩部分內(nèi)容融會(huì)貫通。教學(xué)目標(biāo)：本章主要介紹了磁盤(pán)存儲(chǔ)器的概念、驅(qū)動(dòng)調(diào)度算法及磁盤(pán)空間管理等內(nèi)容。

27.1磁盤(pán)存儲(chǔ)器概述磁盤(pán)存儲(chǔ)器是最常用的一種輔助存儲(chǔ)器，用于存放當(dāng)前不需要立即使用的信息，一旦需要，再和主機(jī)成批交換數(shù)據(jù)，它是主存儲(chǔ)器的后備。磁盤(pán)存儲(chǔ)器的最大特點(diǎn)是存儲(chǔ)容量大、可靠性高、價(jià)格低。磁盤(pán)存儲(chǔ)器是將磁性材料涂敷在很薄的塑膠片或非磁性金屬物質(zhì)表面而形成的。磁層的厚度為1～5μm。該磁層就是記錄數(shù)據(jù)的介質(zhì)，它是存儲(chǔ)信息的基礎(chǔ)，通過(guò)磁頭將電脈沖表示的二進(jìn)制代碼轉(zhuǎn)換成磁記錄介質(zhì)上的不同剩磁狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)信息的寫(xiě)入。而介質(zhì)上的磁化單元信息又可通過(guò)磁頭轉(zhuǎn)換成電脈沖，以實(shí)現(xiàn)信息的讀出。磁盤(pán)分為軟盤(pán)和硬盤(pán)兩種。3磁盤(pán)的存儲(chǔ)容量分為非格式化容量和格式化容量?jī)煞N。非格式化容量取決于盤(pán)片本身磁介質(zhì)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(pán)劃分磁道和扇區(qū)。我們一般所說(shuō)的存儲(chǔ)容量指的是格式化容量，它一般低于非格式化容量。磁盤(pán)的非格式化容量為Cn=w×3.14×d×m×n，其中w為位密度，d為最內(nèi)圈直徑(200mm)，m為記錄面數(shù)，n為每面磁道數(shù)。磁盤(pán)格式化后的存儲(chǔ)容量=n×t×s×b，其中n為保存數(shù)據(jù)的總盤(pán)面數(shù)，t為每面磁道數(shù)，s為每道的扇區(qū)數(shù)，b為每個(gè)扇區(qū)存儲(chǔ)的字節(jié)數(shù)。7.1.1軟盤(pán)的組織結(jié)構(gòu)4磁盤(pán)的存取時(shí)間(訪問(wèn)時(shí)間)=尋道時(shí)間

+等待時(shí)間。尋道時(shí)間為磁頭移動(dòng)到目標(biāo)磁道所需的時(shí)間，我們可以通過(guò)降低磁盤(pán)的平均尋道時(shí)間來(lái)降低訪問(wèn)時(shí)間；等待時(shí)間(又稱旋轉(zhuǎn)時(shí)間)為等待讀寫(xiě)的扇區(qū)旋轉(zhuǎn)到磁頭下方所用的時(shí)間。磁盤(pán)的存取時(shí)間一般選用磁道旋轉(zhuǎn)一周所用時(shí)間的一半作為平均等待時(shí)間。磁盤(pán)的數(shù)據(jù)傳輸速率是指磁頭找到地址后，單位時(shí)間寫(xiě)入或讀出的字節(jié)數(shù)(即

TB/T，TB為一個(gè)磁道上記錄的字節(jié)數(shù)，T為磁道每轉(zhuǎn)一圈所需的時(shí)間)。7.1.1軟盤(pán)的組織結(jié)構(gòu)57.1.2硬盤(pán)硬盤(pán)是將若干盤(pán)片疊起來(lái)固定在一起，繞著同一個(gè)軸旋轉(zhuǎn)。1968年，IBM公司首次提出名為“溫徹斯特(Winchester)”的技術(shù)，“溫徹斯特”技術(shù)的精髓是“密封、固定并高速旋轉(zhuǎn)的鍍磁盤(pán)片，磁頭沿盤(pán)片徑向移動(dòng)，磁頭懸浮在高速轉(zhuǎn)動(dòng)的盤(pán)片上方，而不與盤(pán)片直接接觸”。這就是現(xiàn)代硬盤(pán)的原型。在

20

世紀(jì)

80

年代末，IBM

公司又相繼研發(fā)了MR(MagnetoResistive磁阻)磁頭和GMR(巨磁阻)磁頭，使得盤(pán)片的存儲(chǔ)密度大幅度提高，從而帶動(dòng)了整塊硬盤(pán)容量的增大。67.2驅(qū)動(dòng)調(diào)度算法由于輔存設(shè)備都包含速度相對(duì)較慢的機(jī)械設(shè)備，頻繁地機(jī)械訪問(wèn)操作將會(huì)影響操作系統(tǒng)的執(zhí)行性能。就磁盤(pán)而言，追求的就是有較短的存取時(shí)間(訪問(wèn)時(shí)間)和較高的數(shù)據(jù)傳輸速率，而磁盤(pán)調(diào)度是降低磁盤(pán)平均訪問(wèn)時(shí)間最有效的方法。因此如何有效地對(duì)磁盤(pán)調(diào)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(qū)動(dòng)調(diào)度算法。

77.2.1循環(huán)排序?qū)πD(zhuǎn)型的外設(shè)，記錄具有循環(huán)的特點(diǎn)。當(dāng)某一請(qǐng)求序列來(lái)到時(shí)，進(jìn)行某種排序具有非常的意義?！纠坑幸淮疟P(pán)轉(zhuǎn)速為20ms/轉(zhuǎn)，每一個(gè)磁道保存5個(gè)記錄，如果收到以下4個(gè)I/O請(qǐng)求，并且在一條到該設(shè)備的可用通路，請(qǐng)分析請(qǐng)求序列為4321時(shí)，采用下列哪一些響應(yīng)序列速度最快？(假設(shè)定位時(shí)間為10ms，讀出記錄時(shí)間為5ms，且當(dāng)前記錄為3)(1)4321。(2)1234。(3)4123。實(shí)現(xiàn)這種算法需要一個(gè)位置測(cè)定裝置，然后再安排合適的響應(yīng)序列，才能達(dá)到較快的速度。

87.2.2優(yōu)化分布信息在存儲(chǔ)空間的排列方式也會(huì)影響存取等待。【例】

假設(shè)有10個(gè)邏輯記錄A、B、C、D、…、J被存于旋轉(zhuǎn)型設(shè)備上，每道存放10個(gè)記錄，如果經(jīng)常順序處理這些記錄，旋轉(zhuǎn)速度為

20ms，處理程序讀出每個(gè)記錄后花

4ms進(jìn)行處理，試分析下列兩種排序下處理完10個(gè)記錄的總時(shí)間。(1)ABCDEFGHIJ (2)AHEBIFCJGD97.2.3交替地址把每一個(gè)記錄重復(fù)記錄在這臺(tái)設(shè)備的多個(gè)區(qū)域，可以顯著減少存取時(shí)間，這樣讀相同的數(shù)據(jù)記錄，就有幾個(gè)交替地址，這種方法也被稱為多重副本或折迭?！纠?/p>

若每道有8個(gè)記錄，旋轉(zhuǎn)速度20ms，如果記錄A存于1道，記錄1，則存取記錄A平均時(shí)間為半周，即10ms；如果記錄A的副本存于1道，記錄1和1道，記錄5，則存取記錄A平均時(shí)間降為5ms(存取時(shí)間拆半)。這種技術(shù)要耗用較多的存儲(chǔ)空間。適用于反復(fù)讀取，不需修改的數(shù)據(jù)。

107.2.4搜索定序?qū)τ诖疟P(pán)設(shè)備，除了旋轉(zhuǎn)位置外，還有搜查定位的問(wèn)題。輸入輸出請(qǐng)求需要3部分地址：柱面號(hào)、道號(hào)和記錄號(hào)。117.2.5算法選擇在眾多的磁盤(pán)調(diào)度算法中，要選擇一個(gè)最適合系統(tǒng)的算法相當(dāng)困難。先來(lái)先服務(wù)算法確實(shí)能夠給予相當(dāng)?shù)墓叫?，但卻無(wú)法獲得較佳的效果。最短查找時(shí)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(fù)載較大的情況，但實(shí)際上在大多數(shù)的操作系統(tǒng)中并未被實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樾枰布闹С帧４送?，磁盤(pán)服務(wù)的要求也會(huì)受文件分配方式的影響。連續(xù)分配將會(huì)產(chǎn)生許多鄰近塊的磁盤(pán)要求，而減少磁頭的移動(dòng)；而鏈表或索引結(jié)構(gòu)，則可能會(huì)訪問(wèn)包含幾個(gè)散布于磁盤(pán)各處的塊，這將會(huì)產(chǎn)生較多的磁頭移動(dòng)。由此可見(jiàn)，由于涉及諸多因素，使得我們很難評(píng)估各種算法的優(yōu)劣。127.3磁盤(pán)存儲(chǔ)空間管理

為了實(shí)現(xiàn)能對(duì)外存空間的有效利用，并提高對(duì)文件的訪問(wèn)效率，需要系統(tǒng)對(duì)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(pán)來(lái)存放文件。因此本節(jié)就基于磁盤(pán)文件介紹幾種常用的磁盤(pán)空閑塊管理技術(shù)：空閑空間表法、空閑塊鏈接法、成組鏈接法及位示圖法。137.3.1空閑空間表法2.空閑塊分配在建立新文件時(shí)，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(xiàng)。如果對(duì)應(yīng)空閑區(qū)的大小恰好等于所申請(qǐng)值，就把該項(xiàng)從表中清除。如果該區(qū)大于所需數(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。(1)優(yōu)先適應(yīng)算法。每次分配時(shí)，總是順序查找未分配表，找到第一個(gè)能滿足長(zhǎng)度要求的空閑塊為止。(2)最佳適應(yīng)算法。從空閑區(qū)中挑選出一個(gè)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(wú)法使用。(3)最壞適應(yīng)算法?？偸翘暨x一個(gè)最大的空閑區(qū)分割給作業(yè)使用。這種做法能保證剩下的空閑區(qū)不至于太小，對(duì)小作業(yè)有利。143.空閑塊回收當(dāng)用戶刪除一個(gè)文件時(shí)，系統(tǒng)就回收該文件占用的塊，并把相應(yīng)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(gè)大的空閑區(qū)，記在一個(gè)表項(xiàng)中。隨著文件不斷地被創(chuàng)建和被刪除，如同內(nèi)存動(dòng)態(tài)分配一樣會(huì)產(chǎn)生碎片，這些碎片可以采用緊縮法進(jìn)行處理。157.3.2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(gè)指針指向第一個(gè)自由塊，每一個(gè)自由塊包含指向下一個(gè)自由塊的指針。申請(qǐng)一塊時(shí)，從鏈頭取一塊并修改系統(tǒng)指針。刪除時(shí)釋放占用塊使其成為空閑并將它掛到空閑鏈頭上

167.3.3空閑塊成組鏈接法這種方法是對(duì)空閑塊鏈接法的改進(jìn)。辦法是：把所有空閑盤(pán)塊按固定數(shù)量分組，組與組之間形成鏈接關(guān)系。每組第一塊登記下一組空閑塊的物理塊號(hào)和空閑塊總數(shù)，最后不足規(guī)定數(shù)量那一部分的物理塊號(hào)及總數(shù)記入專用塊中。177.3.4字位映象表法(位示圖法)用若干個(gè)字節(jié)構(gòu)成一張表，每一位對(duì)應(yīng)一個(gè)物理塊?！?”表示該塊已占用，“0”表示該塊空閑。二進(jìn)制