操作系統(tǒng)課件：Chapter 12 大容量存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)

1、6.1Silberschatz, Galvin and Gagne 2005Operating System Concepts 7th Edition, Feb 8, 2005n磁盤結(jié)構(gòu)n磁盤調(diào)度n磁盤管理n交換空間管理nRAID結(jié)構(gòu)n磁盤附屬n穩(wěn)定存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)n第三級(jí)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)6.2Silberschatz, Galvin and Gagne 2005Operating System Concepts 7th Edition, Feb 8, 2005n磁盤驅(qū)動(dòng)器：一個(gè)一維的邏輯塊的數(shù)組n邏輯塊：最小的傳輸單位n物理結(jié)構(gòu)：l柱面l道l扇區(qū)l磁臂n磁盤通過I/O總線和計(jì)算機(jī)連接：lEIDE, ATA,

2、 SATA, USB, Fibre Channel, SCSI, SAS, Firewiren磁盤控制器6.3Silberschatz, Galvin and Gagne 2005Operating System Concepts 7th Edition, Feb 8, 20056.4Silberschatz, Galvin and Gagne 2005Operating System Concepts 7th Edition, Feb 8, 2005n邏輯地址：（邏輯塊號(hào)p，塊內(nèi)偏移o）n物理地址：（柱面c，道t，扇區(qū)s，扇區(qū)內(nèi)偏移o）p / 每道扇區(qū)數(shù)Q1sQ1 / 每柱面道數(shù)ct6.5S

3、ilberschatz, Galvin and Gagne 2005Operating System Concepts 7th Edition, Feb 8, 2005n磁盤旋轉(zhuǎn)速度磁盤旋轉(zhuǎn)速度：60 250轉(zhuǎn)/秒n磁盤傳輸速率（磁盤傳輸速率（Transfer rate）：）： 在磁盤和計(jì)算機(jī)間傳輸數(shù)據(jù)的速率。n定位時(shí)間定位時(shí)間/隨機(jī)訪問時(shí)間（隨機(jī)訪問時(shí)間（Positioning time，random-access time)：l 尋道時(shí)間（尋道時(shí)間（seek time）：移動(dòng)磁臂到所需柱面的時(shí)間；l旋轉(zhuǎn)延遲旋轉(zhuǎn)延遲(rotational latency）：等待扇區(qū)移動(dòng)到磁臂下的時(shí)間6.6S

4、ilberschatz, Galvin and Gagne 2005Operating System Concepts 7th Edition, Feb 8, 2005n磁盤半徑：3.5”, 2.5”, 1.8”n磁盤容量：30GB - 3TBn性能l傳輸率（理論）： 6 Gb/sec4傳遞的總的字節(jié)數(shù)除以傳輸時(shí)間l有效傳輸率（真實(shí)）：1Gb/secl尋道時(shí)間：3ms - 12msl平均尋道時(shí)間：1/3 磁道移動(dòng)（1ms-4-ms)l旋轉(zhuǎn)延遲41/(RPM * 60)4平均：1/26.7Silberschatz, Galvin and Gagne 2005Operating System Co

5、ncepts 7th Edition, Feb 8, 2005nAccess Latency = Average access time = average seek time + average latencyl快速磁盤：3ms + 2ms = 5msl慢速磁盤：9ms + 5.56ms = 14.56msnAverage I/O time = average access time + (amount to transfer / transfer rate) + controller overheadn例子：4KB塊， 7200 RPM磁盤， 5ms平均尋道時(shí)間， 1Gb/sec傳輸率，0

6、 .1ms 控制開銷：l5ms + 1/(7200/60)sec + 4KB / 1Gb/sec + 0.1ms =5.1ms + 4.17ms+4 / 131072 sec = 9.27ms + .03ms = 9.3ms6.8Silberschatz, Galvin and Gagne 2005Operating System Concepts 7th Edition, Feb 8, 20051956IBM RAMDAC 計(jì)算機(jī)包括 IBM Model 350 磁盤存儲(chǔ)系統(tǒng)5M (7 bit) characters50 x 24” plattersAccess time = 1 secon

7、d6.9Silberschatz, Galvin and Gagne 2005Operating System Concepts 7th Edition, Feb 8, 2005n磁盤存儲(chǔ)有兩種方式：1.通過I/O端口，主機(jī)附屬存儲(chǔ)2.通過網(wǎng)絡(luò)連接，網(wǎng)絡(luò)附屬存儲(chǔ)6.10Silberschatz, Galvin and Gagne 2005Operating System Concepts 7th Edition, Feb 8, 20056.11Silberschatz, Galvin and Gagne 2005Operating System Concepts 7th Edition, Fe

8、b 8, 20056.12Silberschatz, Galvin and Gagne 2005Operating System Concepts 7th Edition, Feb 8, 2005n操作系統(tǒng)的職責(zé)之一就是有效的使用硬件。n對(duì)磁盤驅(qū)動(dòng)器，要保證較快的訪問速度n訪問時(shí)間包括：l尋道時(shí)間尋道時(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。l旋轉(zhuǎn)延遲旋轉(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。n將尋道時(shí)間減到最小n尋道時(shí)間 尋道距離6.13Silberschatz, Galvin and Gagne 2005Operating System Concepts 7th Edition

9、, Feb 8, 2005n有幾種磁盤I/O請(qǐng)求的服務(wù)調(diào)度算法。n假定我們有一個(gè)請(qǐng)求序列(0-199).：98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67磁頭當(dāng)前位置在536.14Silberschatz, Galvin and Gagne 2005Operating System Concepts 7th Edition, Feb 8, 2005總的磁頭移動(dòng)為640柱面。6.15Silberschatz, Galvin and Gagne 2005Operating System Concepts 7th Edition, Feb 8, 2005n從當(dāng)前磁頭位置選擇最短尋道

10、時(shí)間的請(qǐng)求。nSSTF調(diào)度基本上是一種最短作業(yè)優(yōu)先（SJF）調(diào)度，可能導(dǎo)致一些請(qǐng)求得不到服務(wù)。6.16Silberschatz, Galvin and Gagne 2005Operating System Concepts 7th Edition, Feb 8, 2005總的磁頭移動(dòng)為236柱面6.17Silberschatz, Galvin and Gagne 2005Operating System Concepts 7th Edition, Feb 8, 2005n磁臂從磁盤的一端向另一段移動(dòng)，沿途響應(yīng)服務(wù)請(qǐng)求。當(dāng)?shù)竭_(dá)另一端時(shí)，磁頭改變移動(dòng)方向，繼續(xù)處理。磁頭在磁盤上來回掃描。n有時(shí)被稱

11、為電梯算法。6.18Silberschatz, Galvin and Gagne 2005Operating System Concepts 7th Edition, Feb 8, 2005總的磁頭移動(dòng)為208柱面6.19Silberschatz, Galvin and Gagne 2005Operating System Concepts 7th Edition, Feb 8, 2005n提供比SCAN算法更為均勻的等待時(shí)間。n磁頭從磁盤一段移到另一端，隨著移動(dòng)不斷的處理請(qǐng)求。不過，當(dāng)磁頭移到另一端時(shí)，馬上返回到磁盤開始，返回時(shí)并不處理請(qǐng)求。n將柱面當(dāng)作一個(gè)環(huán)鏈，將最后柱面和第一柱面相連。6

12、.20Silberschatz, Galvin and Gagne 2005Operating System Concepts 7th Edition, Feb 8, 2005總的磁頭移動(dòng)為383柱面6.21Silberschatz, Galvin and Gagne 2005Operating System Concepts 7th Edition, Feb 8, 2005nC-SCAN的一種形式。n磁頭只移動(dòng)到一個(gè)方向上最遠(yuǎn)的請(qǐng)求為止。接著，它馬上回頭，而不是繼續(xù)到磁盤的盡頭。6.22Silberschatz, Galvin and Gagne 2005Operating System C

13、oncepts 7th Edition, Feb 8, 2005總的磁頭移動(dòng)為323柱面6.23Silberschatz, Galvin and Gagne 2005Operating System Concepts 7th Edition, Feb 8, 2005nSSTF較為普遍且很有吸引力。nSCAN和C-SCAN對(duì)于磁盤負(fù)荷較大的系統(tǒng)會(huì)執(zhí)行的更好。n性能主要依賴于請(qǐng)求的數(shù)量和類型。n磁盤服務(wù)請(qǐng)求很大程度上受文件分配方法所影響。n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，如果有必要，可以替換成另一個(gè)不同的算法。nSSTF或LOOK是比較合理的缺省算法。6.24Silberschatz,

14、Galvin and Gagne 2005Operating System Concepts 7th Edition, Feb 8, 2005n低級(jí)格式化（或物理格式化） 將磁盤分成扇區(qū)以便磁盤控制器能讀和寫。n為了使磁盤能保存文件，操作系統(tǒng)還需要在磁盤上記錄它自己的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。l將磁盤分成由一個(gè)或多個(gè)柱面組成的分區(qū)。l邏輯格式化，或稱為“創(chuàng)建文件系統(tǒng)”。n引導(dǎo)塊初始化系統(tǒng)。l自舉程序保存在ROM中。l自舉程序裝載程序。n使用諸如扇區(qū)備用的方法來處理壞塊。6.25Silberschatz, Galvin and Gagne 2005Operating System Concepts 7th Ed

15、ition, Feb 8, 20056.26Silberschatz, Galvin and Gagne 2005Operating System Concepts 7th Edition, Feb 8, 2005Gap1IDField0Gap2DataField0Gap3Gap1IDField1Gap2DataField1Gap3Gap1IDField29Gap2DataField29Gap3177415152017741515201774151520SynchByteDataCRC15122SynchByteTrack#Head#Sector# CRC12113BytesSectorPhy

16、sical Sector 0Physical Sector 1Physical Sector 29Bytes600Bytes/Sector6.27Silberschatz, Galvin and Gagne 2005Operating System Concepts 7th Edition, Feb 8, 20056.28Silberschatz, Galvin and Gagne 2005Operating System Concepts 7th Edition, Feb 8, 20056.29Silberschatz, Galvin and Gagne 2005Operating Syst

17、em Concepts 7th Edition, Feb 8, 20056.30Silberschatz, Galvin and Gagne 2005Operating System Concepts 7th Edition, Feb 8, 20056.31Silberschatz, Galvin and Gagne 2005Operating System Concepts 7th Edition, Feb 8, 2005n交換空間 虛擬內(nèi)存使用磁盤空間作為內(nèi)存的擴(kuò)充。n交換空間在普通文件系統(tǒng)上加以創(chuàng)建，或在一個(gè)獨(dú)立的磁盤上進(jìn)行分區(qū)。n交換空間管理l在文件上創(chuàng)建4Windowsl分區(qū)4Lin

18、ux6.32Silberschatz, Galvin and Gagne 2005Operating System Concepts 7th Edition, Feb 8, 2005nRAID Redundant Arrays of Inexpensive Disksn可靠性考慮l磁盤可靠性l引入冗余n性能考慮（數(shù)據(jù)分散）l位級(jí)分散：數(shù)據(jù)的各個(gè)位分散在多個(gè)磁盤上l塊級(jí)分散：數(shù)據(jù)以塊為單位分散在多個(gè)磁盤上nRAID被分成了多個(gè)不同級(jí)別lRAID0-RAID7lRAID01，RAID10， RAID5E， RAID5EE， RAID506.33Silberschatz, Galvin and Ga

19、gne 2005Operating System Concepts 7th Edition, Feb 8, 20056.34Silberschatz, Galvin and Gagne 2005Operating System Concepts 7th Edition, Feb 8, 20056.35Silberschatz, Galvin and Gagne 2005Operating System Concepts 7th Edition, Feb 8, 2005n低價(jià)格是三級(jí)存儲(chǔ)的主要特征。n通常，三級(jí)存儲(chǔ)是用可移動(dòng)媒介制造的。n最為普通的可移動(dòng)媒介有軟盤、CD-ROM和磁帶，還有其他類

20、型的三級(jí)存儲(chǔ)設(shè)備。6.36Silberschatz, Galvin and Gagne 2005Operating System Concepts 7th Edition, Feb 8, 2005n軟盤 由薄而靈活的盤片加上磁性涂料和保護(hù)性塑料盒所制成。l大多數(shù)軟盤只能存儲(chǔ)約1MB，但相似技術(shù)可用于制造可容納1GB的可移動(dòng)磁盤。l可移動(dòng)磁盤與硬盤幾乎一樣，但其記錄層更容易因刮擦而受損。6.37Silberschatz, Galvin and Gagne 2005Operating System Concepts 7th Edition, Feb 8, 2005n磁光盤將數(shù)據(jù)記錄在涂有磁性材料的

21、硬盤片上。l激光被用來使大而弱的磁場(chǎng)就能記錄一位。l采用一種稱為Kerr效應(yīng)的方法來讀取數(shù)據(jù)。l與磁頭相比，磁光頭飛行時(shí)離表面更高，而且磁材料上加蓋了較厚的塑料或玻璃的保護(hù)層，使磁光盤更能抵抗磁頭碰撞。n光盤根本不使用磁。它們使用特殊材料，可以被激光所改變。6.38Silberschatz, Galvin and Gagne 2005Operating System Concepts 7th Edition, Feb 8, 2005n讀寫盤上的數(shù)據(jù)可以多次被修改。nWORM盤只能被寫一次。n鋁薄膜盤片夾在兩個(gè)玻璃或塑料盤片間。n當(dāng)寫一位時(shí)，驅(qū)動(dòng)器使用激光在鋁薄膜上燒一小孔。信息可以被刪除但不能

22、被修改。nWORM盤是可靠的、經(jīng)久的。n只讀盤，如CD-ROM和DVD，從生產(chǎn)廠家出來時(shí)就有數(shù)據(jù)了。6.39Silberschatz, Galvin and Gagne 2005Operating System Concepts 7th Edition, Feb 8, 2005n相比磁盤，磁帶更便宜且能存儲(chǔ)更多的數(shù)據(jù)，但磁帶的隨機(jī)訪問要比磁盤慢很多。n對(duì)于不需要快速隨機(jī)訪問的情況，如磁盤數(shù)據(jù)的備份、存儲(chǔ)海量數(shù)據(jù)，磁帶更為經(jīng)濟(jì)。n大型磁帶裝置通常使用磁帶機(jī)器人以在磁帶驅(qū)動(dòng)器和磁帶庫的存儲(chǔ)位之間移動(dòng)磁帶。l棧式存儲(chǔ)器 保存一些磁帶的庫。l隊(duì)式存儲(chǔ)器 保存數(shù)以千計(jì)的磁帶的庫。n一個(gè)磁盤駐留文件可以存

23、檔到磁帶上，以節(jié)省存儲(chǔ)成本；當(dāng)需要該文件時(shí)，計(jì)算機(jī)可將它調(diào)回到磁盤以便經(jīng)常使用。6.40Silberschatz, Galvin and Gagne 2005Operating System Concepts 7th Edition, Feb 8, 2005n層次存儲(chǔ)系統(tǒng)擴(kuò)展了存儲(chǔ)層次，使其不僅包括內(nèi)存和外存，還包括可移動(dòng)存儲(chǔ) 通常采用磁帶或可移動(dòng)盤塔來實(shí)現(xiàn)。n可移動(dòng)存儲(chǔ)通常用來擴(kuò)展文件系統(tǒng)。l小且經(jīng)常使用的文件保留在磁盤上。l大而舊且不常使用的文件可以備份到塔。nHSM通常用于超級(jí)計(jì)算機(jī)中心和其他大型企業(yè)，以處理海量數(shù)據(jù)。6.41Silberschatz, Galvin and Gagne 2005Operating System Concepts 7th Edition, Feb 8, 2005n第三級(jí)存儲(chǔ)的速度表現(xiàn)在兩個(gè)方面：帶寬和延遲。n帶寬按照每秒多少字節(jié)來測(cè)量。l持續(xù)帶寬 一個(gè)大傳輸?shù)钠骄鶖?shù)據(jù)速率，即字節(jié)數(shù)量/傳輸時(shí)間。是數(shù)據(jù)真正流動(dòng)時(shí)的數(shù)據(jù)速率。l有