操作系統(tǒng)概念第十四章 大容量存儲器結(jié)構(gòu)

1、操作系統(tǒng)概念,第十四章：大容量存儲器結(jié)構(gòu),2,本章主要內(nèi)容,磁盤結(jié)構(gòu)磁盤調(diào)度磁盤管理交換空間管理RAID結(jié)構(gòu)第三級存儲結(jié)構(gòu),3,14.1 磁盤結(jié)構(gòu),現(xiàn)代磁盤驅(qū)動(dòng)器可以看做一個(gè)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(gè)磁道第一個(gè)扇區(qū)。該映射是先按磁道內(nèi)扇區(qū)順序，再按柱面內(nèi)磁道順序，再按從外到內(nèi)的柱面順序來排序的。,4,溫徹斯特盤,5,,事實(shí)上，執(zhí)行邏輯塊號到老

2、式磁盤地址的轉(zhuǎn)換并不容易，這有兩個(gè)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(gè)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(diào)度,OS的任務(wù)之一就是有效地使用硬件。對磁盤驅(qū)動(dòng)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(wù)請求開始到最后傳遞結(jié)束時(shí)的總時(shí)間。訪問時(shí)間有以下兩個(gè)主要部分尋道時(shí)間：磁臂將磁頭移動(dòng)到包含目標(biāo)扇區(qū)的柱面的時(shí)間。旋轉(zhuǎn)延遲：磁盤需要將目標(biāo)扇區(qū)轉(zhuǎn)動(dòng)到磁頭下的時(shí)間。最小化尋道時(shí)間尋道時(shí)間可以用尋道距離來表示,7,,8,FCFS,9,SSTF（最短尋道時(shí)間優(yōu)先算法）,從當(dāng)前磁頭位置選擇最短尋道時(shí)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(diào)度，與SJF調(diào)度一樣，它可能導(dǎo)致某些請求的饑餓。,10,SSTF,11,SCAN調(diào)度,磁臂從磁盤的一端向另一端移動(dòng)，同時(shí)當(dāng)磁頭移過每個(gè)柱面時(shí)，處理位于該柱面上的服務(wù)請求。當(dāng)?shù)竭_(dá)另一端時(shí)，磁頭改變移動(dòng)方向，處理繼續(xù)。磁頭在磁盤上來回掃描。有時(shí)也叫做“電梯”算法,12,,13,C-SCAN,是SCAN調(diào)度的變種，主要提供一個(gè)更為均勻的等待時(shí)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(dòng)而不

5、斷地處理請求。不過，當(dāng)磁頭移到另一端時(shí)，它會馬上返回到磁盤開始，返回時(shí)并不處理請求。C－SCAN調(diào)度算法基本上將柱面當(dāng)做一個(gè)環(huán)鏈，以將最后柱面和第一柱面相連。,14,C-SCAN(續(xù)),15,LOOK調(diào)度與C-LOOK調(diào)度,事實(shí)上，SCAN與C－SCAN算法都不是那樣實(shí)現(xiàn)的。通常，磁頭只移動(dòng)到一個(gè)方向上最遠(yuǎn)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(diào)度。,16,C-

6、LOOK,17,磁盤調(diào)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(fù)荷較大的系統(tǒng)會執(zhí)行得更好，這是因?yàn)樗豢赡墚a(chǎn)生饑餓問題。對于任何調(diào)度算法，性能依賴于請求的類型與數(shù)量磁盤服務(wù)請求很大程度上受文件分配方法所影響磁盤調(diào)度算法應(yīng)作為一個(gè)操作系統(tǒng)的獨(dú)立模塊，這樣如果有必要，它可以替換成另一個(gè)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(diào)度來改善旋轉(zhuǎn)等待，這是因?yàn)楝F(xiàn)代

7、磁盤并不透露邏輯塊的物理位置。事實(shí)上OS對請求服務(wù)順序還有其他限制，如：按需分頁比I/O的優(yōu)先級高有時(shí)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(gè)扇區(qū)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)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(cuò)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(jié)構(gòu)分區(qū)邏輯格式化（創(chuàng)建文件系統(tǒng)）引導(dǎo)塊絕大多數(shù)系統(tǒng)只在啟動(dòng)ROM中保留一個(gè)很小的自舉裝入程序，其作用是進(jìn)一步從磁盤上調(diào)入更為完整的自舉程序（保存在磁盤的啟動(dòng)塊上）。,20,MS-DOS磁盤布局,21,壞塊,磁盤容易出問題。經(jīng)常遇到的問題是：一個(gè)或多個(gè)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(fù)雜的磁盤，如用于高端計(jì)算機(jī)、絕大多數(shù)工作站和服務(wù)器上的SCSI磁盤，

9、對壞塊的處理更為聰明扇區(qū)備用或轉(zhuǎn)寄,22,14.4 交換空間管理,交換空間概念 － 虛擬內(nèi)存使用磁盤空間作為主存的擴(kuò)展（會嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能）交換空間的使用Swap：保存整個(gè)進(jìn)程映像，包括代碼段和數(shù)據(jù)段Switch：存儲換出內(nèi)存的頁交換空間太小容易造成死機(jī)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(nèi)的一個(gè)簡單大件（如Windows）。這種方式實(shí)現(xiàn)簡單但效率較低。（外部碎片）交換空間創(chuàng)建在獨(dú)立的磁盤分

10、區(qū)上（如Unix/Linux）。（內(nèi)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(jìn)程啟動(dòng)的時(shí)候分配交換空間，用來保存文本段（代碼段）和數(shù)據(jù)段內(nèi)核使用交換映射來跟蹤交換空間的使用Solaris 2當(dāng)頁被強(qiáng)制換出內(nèi)存的時(shí)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(jié)構(gòu),RAID (Redundant Arra

11、y of Independent Disks) － 多個(gè)磁盤通過冗余實(shí)現(xiàn)可靠性通過冗余改善可靠性假設(shè)單個(gè)磁盤出錯(cuò)的概率為α，則n個(gè)磁盤出錯(cuò)的概率為α/n。如果只存儲數(shù)據(jù)的一個(gè)拷貝，只要n個(gè)磁盤中的一個(gè)磁盤出錯(cuò)，數(shù)據(jù)就出現(xiàn)錯(cuò)誤。因此n個(gè)磁盤的出錯(cuò)率大于1個(gè)磁盤的出錯(cuò)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(gè)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(jié)構(gòu),第三級存儲設(shè)備可移動(dòng)磁盤軟盤磁光盤（激光與磁場同時(shí)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(jī)訪問要比磁盤尋道時(shí)間慢很多未來技

13、術(shù)全息照相存儲器另一種熱門研究的存儲技術(shù)是基于微電子機(jī)械系統(tǒng),29,操作系統(tǒng)作業(yè),操作系統(tǒng)的兩個(gè)主要任務(wù)是管理物理設(shè)備和為應(yīng)用程序提供一個(gè)虛擬機(jī)器的抽象。對于磁盤，OS提供了兩種抽象生設(shè)備（raw device）文件系統(tǒng)應(yīng)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(qū)動(dòng)器有一個(gè)read position操作以返回磁頭所處的邏輯塊號絕大多數(shù)磁帶驅(qū)動(dòng)器，寫

14、一塊具有副作用：即會刪除寫位置之后的所有內(nèi)容。,30,,文件命名有些類型的可移動(dòng)介質(zhì)已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，以致于所有計(jì)算機(jī)按同樣方式進(jìn)行使用。如CD，音樂CD具有統(tǒng)一格式，可為任何驅(qū)動(dòng)器所使用。,31,,層次存儲管理自動(dòng)光盤塔（robotic jukebox）：切換磁帶或光盤驅(qū)動(dòng)器內(nèi)有可移動(dòng)盤，而無需人工干預(yù)層次存儲系統(tǒng)擴(kuò)展了存儲層次，使其不但包括內(nèi)存和外存還包括可移動(dòng)存儲。雖然虛擬內(nèi)存系統(tǒng)可直接擴(kuò)展到第三層次存儲器，但是事實(shí)上這種擴(kuò)展很

15、少實(shí)現(xiàn)。可移動(dòng)存儲通常用來擴(kuò)展文件系統(tǒng)。,32,性能（速度、可靠性、價(jià)格）,速度帶寬持續(xù)帶寬：一個(gè)大傳輸?shù)钠骄俾?，即字?jié)數(shù)量被傳輸時(shí)間所除有效帶寬：計(jì)算整個(gè)時(shí)間內(nèi)（包括尋道或定位時(shí)間、盤片切換時(shí)間等）的平均值。驅(qū)動(dòng)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(jī)訪問要比磁盤的隨機(jī)訪問慢數(shù)千倍。光盤塔的延遲就更大了。切換盤片耗時(shí),33,,可靠性可移動(dòng)磁盤與固定磁盤相比，其可靠性要差，因?yàn)樗菀资艿酵饨绛h(huán)境的影響。

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