課件張惠娟副教授Mszhj163com

1、副教授Ms.實(shí)用操作系統(tǒng)概念1內(nèi)容框架 概述 體系結(jié)構(gòu) 進(jìn)程管理 內(nèi)存管理 文件管理 外設(shè)管理2內(nèi)容 Chp 13: Mass storage Structure Chp 11: 3Module 13: Mass storage Structure Disk Structure Disk Scheduling Disk Management S Management Disk Reliability4Disk Structure 外存特點(diǎn) 磁帶 磁盤(pán) 光盤(pán) 使用要求5 特點(diǎn)容量大，斷電后仍可保存信息，速度較慢，成本較低由兩部分組成：驅(qū)動(dòng)部分+存儲(chǔ)介質(zhì)種類(lèi)很多外存空間組織與存取方式非常復(fù)雜I/O

2、過(guò)程方式非常復(fù)雜Disk Structure6Disk Structure 物理塊 存儲(chǔ)設(shè)備常常劃分為若干大小相等的物理塊， 以塊為單位進(jìn)行信息的存儲(chǔ)、傳輸、分配。 7Disk Structure 磁帶 永久保存大容量數(shù)據(jù) 順序存取設(shè)備 存取速度較慢，主要用于后備存儲(chǔ)第i塊 間隙 第i+1塊8磁盤(pán)直接（隨機(jī)）存取設(shè)備信息記錄在磁道上，多個(gè)盤(pán)片，正反兩面都用來(lái)記錄信息，每面一個(gè)磁頭物理地址形式 磁頭號(hào)（盤(pán)面號(hào)） 磁道號(hào)（柱面號(hào)） 扇區(qū)號(hào)Disk Structure9磁道扇區(qū)Disk Structure10柱面扇區(qū)磁臂磁頭11磁盤(pán)系統(tǒng)由磁盤(pán)本身和驅(qū)動(dòng)控制設(shè)備組成，實(shí)際存取讀寫(xiě)的動(dòng)作過(guò)程是由磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)

3、控制設(shè)備按照主機(jī)要求完成的尋道 磁頭移動(dòng)定位到指定磁道旋轉(zhuǎn)延遲 等待指定扇區(qū)從磁頭下旋轉(zhuǎn)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)傳輸 數(shù)據(jù)在磁盤(pán)與內(nèi)存之間的實(shí)際傳輸Disk Structure12硬盤(pán)分為兩種固定頭磁盤(pán) 每個(gè)磁道設(shè)置一個(gè)磁頭，變換磁道時(shí)不需要磁頭的機(jī)械移動(dòng)，速度快但成本高。移動(dòng)頭磁盤(pán) 一個(gè)盤(pán)面只有一個(gè)磁頭，變換磁道時(shí)需要移動(dòng)磁頭，速度慢但成本低。Disk Structure13光盤(pán) 光盤(pán)容量大，速度快，價(jià)格便宜，一般不可寫(xiě)可讀寫(xiě)光盤(pán)驅(qū)動(dòng)器價(jià)格貴，寫(xiě)過(guò)程很麻煩光盤(pán)的空間結(jié)構(gòu)與磁盤(pán)類(lèi)似Disk Structure14用戶(hù)對(duì)外存的要求用戶(hù)對(duì)外存的使用：讀寫(xiě)外存數(shù)據(jù)用戶(hù)對(duì)外存的要求：方便、效率、安全具體來(lái)說(shuō):在讀寫(xiě)外

4、存時(shí)不涉及硬件細(xì)節(jié)，使用邏輯地址和邏輯操作.存取速度盡可能快，容量大且空間利用率高.Disk Structure15存放的信息安全可靠，防止來(lái)自硬件的故障和他人的侵權(quán).可以方便地共享，動(dòng)態(tài)擴(kuò)縮，攜帶拆卸 了解存儲(chǔ)情況和使用情況.以盡可能小的代價(jià)完成上述要求Disk Structure16Disk Scheduling 調(diào)度目的 存取時(shí)間 調(diào)度方法17Disk Scheduling 調(diào)度目的 The operating system is responsible for using hardware efficiently for the disk drives, this means havi

5、ng a fast access time and disk bandwidth. 公平：一個(gè)I/O請(qǐng)求在有限時(shí)間內(nèi)滿(mǎn)足 高效：減少設(shè)備機(jī)械運(yùn)動(dòng)所帶來(lái)的時(shí)間浪費(fèi)18Disk Scheduling 存取時(shí)間 一次訪(fǎng)盤(pán)時(shí)間 = 尋道時(shí)間+旋轉(zhuǎn)延遲時(shí)間+存取時(shí)間減少尋道時(shí)間減少延遲時(shí)間19Disk Scheduling 調(diào)度方法先來(lái)先服務(wù)最短尋道時(shí)間優(yōu)先掃描算法（電梯算法）單向掃描算法調(diào)度方法比較20Disk Scheduling先來(lái)先服務(wù)（FCFS）按訪(fǎng)問(wèn)請(qǐng)求到達(dá)的先后次序服務(wù)優(yōu)點(diǎn) 簡(jiǎn)單，公平缺點(diǎn) 效率不高，相鄰兩次請(qǐng)求可能會(huì)造成最內(nèi)到最外 的柱面尋道，使磁頭反復(fù)移動(dòng)，增加了服務(wù)時(shí)間， 對(duì)機(jī)械也不

6、利。2122最短尋道時(shí)間優(yōu)先(SSTF) 優(yōu)先選擇距當(dāng)前磁頭最近的訪(fǎng)問(wèn)請(qǐng)求進(jìn)行服務(wù)，主要考慮尋道優(yōu)先。優(yōu)點(diǎn) 改善了磁盤(pán)平均服務(wù)時(shí)間缺點(diǎn) 造成某些訪(fǎng)問(wèn)請(qǐng)求長(zhǎng)期等待得不到服務(wù)Disk Scheduling2324掃描算法（SCAN） 既考慮了距離，同時(shí)又考慮了方向，克服了最短尋道優(yōu)先的缺點(diǎn)。當(dāng)設(shè)備無(wú)訪(fǎng)問(wèn)請(qǐng)求時(shí)，磁頭不動(dòng)；當(dāng)有訪(fǎng)問(wèn)請(qǐng)求時(shí)，磁頭按一個(gè)方向移動(dòng)，在移動(dòng)過(guò)程中對(duì)遇到的訪(fǎng)問(wèn)請(qǐng)求進(jìn)行服務(wù)，然后判斷該方向上是否還有訪(fǎng)問(wèn)請(qǐng)求，如果有則繼續(xù)掃描；否則改變移動(dòng)方向，并為經(jīng)過(guò)的訪(fǎng)問(wèn)請(qǐng)求服務(wù)，如此反復(fù)Disk Scheduling2526單向掃描調(diào)度算法 總是從0號(hào)柱面開(kāi)始向里掃描；按照各自所要訪(fǎng)問(wèn)的柱面

7、位置的次序去選擇訪(fǎng)問(wèn)者；移動(dòng)臂到達(dá)最后個(gè)一個(gè)柱面后，立即帶動(dòng)讀寫(xiě)磁頭快速返回到0號(hào)柱面；返回時(shí)不為任何的等待訪(fǎng)問(wèn)者服務(wù)；返回后可再次進(jìn)行掃描 Disk Scheduling272829調(diào)度方法比較SSTF is common and has a natural appealSCAN and C-SCAN perform better for systems that place a heavy load on the disk.Either SSTF or LOOK is a reasonable choice for the default algorithmDisk Scheduling3

8、0 格式化 物理塊 Boot Block bad BlockDisk Management31Disk Management格式化 Low-level formatting, or physical formatting Dividing a disk into sectors that the disk controller can read and write.A sector : header、trailer 、dataECC 磁盤(pán)出廠(chǎng)的時(shí)候就做好了32高級(jí)格式化To use a disk to hold files, the operating system still needs t

9、o record its own data structures on the disk.Partition the disk into one or more groups of cylinders.Logical formatting or “making a ”.Disk Management33物理塊存儲(chǔ)設(shè)備常常劃分為若干大小相等的物理塊,所有塊統(tǒng)一編號(hào)。以塊為單位進(jìn)行信息的存儲(chǔ)、傳輸，分配Disk Management34 Boot blockBoot block initializes system.The bootstrap is stored in ROM. 缺點(diǎn)：修改困難Bo

10、otstrap loader program in boot ROM.The full bootstrap is stored in a partion called Boot block,a fixed location on the disk.Disk Management35 Bad blocksIDE，bad block are handled manually. 如，F(xiàn)ormat。SCSI，sector sparingSector slippingDisk Management36 S use S location S managementS Management37S Manage

11、mentS use Virtual memory uses disk space as an extension of main memory. used in various ways by different os,depending on the implemented memory-management algorithms. some os allow the use of multiple s.38S locationcan be carved out of the normal inefficient external fragmentationmore commonly, it

12、 can be in a separate disk partition.For speed, rathe than for stoage efficiency.Internal fragmentationS Management39S management 4.3BSD allocates s when process starts; holds text segment (the program) and data segment.Kernel uses s to track s use.S Management40Solaris 2 allocates s only when a pag

13、e is forced out of physical memory, not when the virtual memory page is first created.S Management41Disk Reliability 容錯(cuò)技術(shù) SFT-I技術(shù) SFT-II技術(shù) SFT-III技術(shù)42 磁盤(pán)容錯(cuò)技術(shù)通過(guò)增加冗余的磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器、磁盤(pán)控制器等來(lái)提高磁盤(pán)系統(tǒng)的可靠性，也稱(chēng)作系統(tǒng)容錯(cuò)技術(shù)（SFT）。分為三個(gè)級(jí)別：SFT-I 低級(jí)磁盤(pán)容錯(cuò)技術(shù)，主要用于防止磁盤(pán)表 面發(fā)生缺陷所引起的數(shù)據(jù)丟失。Disk Reliability43SFT-II 中級(jí)磁盤(pán)容錯(cuò)技術(shù)，主要用于防止磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器和磁盤(pán)控制器

14、故障引起的系統(tǒng)不能正常工作。SFT-III 高級(jí)磁盤(pán)容錯(cuò)技術(shù)Disk Reliability44SFT-I技術(shù)最早出現(xiàn)的，最基本的一種磁盤(pán)容錯(cuò)技術(shù)，現(xiàn)在仍然在使用。容錯(cuò)特點(diǎn) 只能用于防止由磁盤(pán)表面部分故障造成的數(shù)據(jù)丟失。主要措施雙份目錄和雙份文件分配表 比如Windows中的FAT表就是雙份的。Disk Reliability45熱修復(fù)重定向系統(tǒng)將一定的磁盤(pán)容量(例如23)作為熱修復(fù)重定向區(qū)，用于存放當(dāng)發(fā)現(xiàn)盤(pán)塊有缺陷時(shí)寫(xiě)數(shù)據(jù)，并對(duì)寫(xiě)入該區(qū)的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行登記，以便于以后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn).具體工作過(guò)程： 寫(xiě)后讀校驗(yàn)方式，其目的：保證所有寫(xiě)入磁盤(pán)的數(shù)據(jù)都能寫(xiě)入到完好的盤(pán)塊中。Disk Reliabil

15、ity46 每次從緩沖區(qū)向磁盤(pán)中寫(xiě)入一個(gè)數(shù)據(jù)塊后，又立即從磁盤(pán)上讀出該數(shù)據(jù)塊，送至另一緩沖區(qū)中； 再將該緩沖區(qū)中內(nèi)容與內(nèi)存中寫(xiě)后的數(shù)據(jù)比較； 若兩者一致，便認(rèn)為比次寫(xiě)入成功，可繼續(xù)寫(xiě)下一個(gè)盤(pán)塊；否則，再重寫(xiě)。 若重寫(xiě)后兩者仍不一致，則認(rèn)為該盤(pán)塊有缺陷，此時(shí)，便將應(yīng)寫(xiě)入該盤(pán)塊的數(shù)據(jù)寫(xiě)入熱修復(fù)重定向區(qū)中，并將該損壞盤(pán)塊的地址，記錄在壞盤(pán)塊表中。Disk Reliability47 SFT-II技術(shù)磁盤(pán)鏡像磁盤(pán)雙工 Disk Reliability48磁盤(pán)鏡像在同一磁盤(pán)控制器下，增設(shè)一個(gè)完全相同的磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器。采用磁盤(pán)鏡像工作方式時(shí)，每次向文件服務(wù)器的主磁盤(pán)寫(xiě)入數(shù)據(jù)后，采用寫(xiě)后讀校驗(yàn)方式，將數(shù)據(jù)再同樣地寫(xiě)到備份磁盤(pán)上。磁盤(pán)鏡像實(shí)現(xiàn)了容錯(cuò)功能，但并未能使服務(wù)器的磁盤(pán)I/O速度得到提高，磁盤(pán)利用率僅為50。有效解決在一臺(tái)磁盤(pán)機(jī)故障時(shí)的數(shù)據(jù)保護(hù)問(wèn)題Disk Reliability49磁盤(pán)雙工磁盤(pán)雙工，是指將兩臺(tái)磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器分別接到兩個(gè)磁盤(pán)控制器上，這兩臺(tái)磁盤(pán)機(jī)鏡像成對(duì)。文件服務(wù)器同時(shí)將數(shù)據(jù)寫(xiě)到兩個(gè)處于不同控制器下的磁盤(pán)上，使兩者有著完全相同的位像圖。如果某個(gè)通道或控制器發(fā)生故障時(shí)，另一通道上的磁盤(pán)仍能正常工作，這樣便不會(huì)造成數(shù)據(jù)的丟失，同時(shí)須立即發(fā)出警告，以便盡早恢復(fù)磁盤(pán)雙工功能。Disk Reliability5