細(xì)致講解大容量存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)

www.lliner.me1細(xì)致講解大容量存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)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)磁盤附屬穩(wěn)定存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)第三級(jí)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)2主要問(wèn)題討論為改善性能而調(diào)度磁盤I/O順序的磁盤調(diào)度算法討論磁盤格式化以及啟動(dòng)塊、壞塊和交換空間的管理簡(jiǎn)單描述第三級(jí)存儲(chǔ)設(shè)備及操作系統(tǒng)使用第三級(jí)存儲(chǔ)所引起的問(wèn)題3磁盤結(jié)構(gòu)磁盤：為現(xiàn)代計(jì)算機(jī)提供了大容量的次級(jí)存儲(chǔ)磁盤驅(qū)動(dòng)器：一維的邏輯塊數(shù)組邏輯塊：最小的傳輸單位映射：一維邏輯塊按順序映射到磁盤的扇區(qū)映射順序：磁道內(nèi)扇區(qū)順序—柱面內(nèi)磁道順序—從外到內(nèi)的柱面順序?qū)嶋H映射時(shí)的困難絕大多數(shù)磁盤都有一些缺陷扇區(qū)，映射必須用磁盤上的其他空閑扇區(qū)來(lái)替代有些磁盤，每個(gè)磁道的扇區(qū)數(shù)并不是常數(shù)4磁盤調(diào)度磁盤帶寬所傳遞的總的字節(jié)數(shù)除以從服務(wù)請(qǐng)求開(kāi)始到最后傳遞結(jié)束時(shí)的總時(shí)間訪問(wèn)時(shí)間（訪問(wèn)速度）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—通常用來(lái)衡量調(diào)度算法的性能旋轉(zhuǎn)延遲：磁盤將目標(biāo)扇區(qū)轉(zhuǎn)動(dòng)到磁頭下的時(shí)間51、FCFS調(diào)度先來(lái)先服務(wù)（FCFS）：按請(qǐng)求到來(lái)的順序進(jìn)行服務(wù)優(yōu)點(diǎn)：比較公平缺點(diǎn)：通常不能提供最快的服務(wù)例：有一個(gè)磁盤隊(duì)列，其I/O對(duì)各個(gè)柱面上塊的請(qǐng)求順序如下：98，183，37，122，14，124，65，67磁頭開(kāi)始位于536FCFS：總的磁頭移動(dòng)量為640柱面72、SSTF調(diào)度最短尋道時(shí)間優(yōu)先算法（shortest-seek-time-first）從當(dāng)前磁頭位置選擇最短尋道時(shí)間的請(qǐng)求，即選擇與當(dāng)前磁頭位置最近的待處理請(qǐng)求優(yōu)點(diǎn)：較FCFS大大提高了性能缺點(diǎn)：可能會(huì)導(dǎo)致一些請(qǐng)求得不到服務(wù)，并不是最佳例：有一個(gè)磁盤隊(duì)列，其I/O對(duì)各個(gè)柱面上塊的請(qǐng)求順序如下：98，183，37，122，14，124，65，67磁頭開(kāi)始位于538SSTF：總的磁頭移動(dòng)量為236柱面93、SCAN調(diào)度SCAN算法又稱電梯算法磁臂從磁盤的一端向另一端移動(dòng)，同時(shí)當(dāng)磁頭移過(guò)每個(gè)柱面時(shí)，處理位于該柱面上的服務(wù)請(qǐng)求。當(dāng)?shù)竭_(dá)另一端（磁盤的盡頭）時(shí)，磁頭改變方向，處理繼續(xù)。需要知道磁頭的當(dāng)前位置和磁頭移動(dòng)的方向某些請(qǐng)求處理可能不及時(shí)例：有一個(gè)磁盤隊(duì)列，其I/O對(duì)各個(gè)柱面上塊的請(qǐng)求順序如下：98，183，37，122，14，124，65，67磁頭開(kāi)始位于53，向0方向移動(dòng)10SCAN：總的磁頭移動(dòng)量為236柱面114、C-SCAN調(diào)度SCAN調(diào)度的變種將磁頭從磁盤一端移到另一端（磁盤的盡頭），隨著移動(dòng)不斷的處理請(qǐng)求。不過(guò)，當(dāng)磁頭移到另一端時(shí)，馬上返回到磁盤開(kāi)始（磁盤的盡頭），返回時(shí)不處理請(qǐng)求。例：有一個(gè)磁盤隊(duì)列，其I/O對(duì)各個(gè)柱面上塊的請(qǐng)求順序如下：98，183，37，122，14，124，65，67磁頭開(kāi)始位于53，向199方向移動(dòng)12C-SCAN：總的磁頭移動(dòng)量為382柱面135、LOOK與C-LOOK調(diào)度SCAN和C-SCAN的變種磁頭只移動(dòng)到一個(gè)方向上最遠(yuǎn)的請(qǐng)求為止，然后馬上回頭，而不是繼續(xù)到磁盤的盡頭例：有一個(gè)磁盤隊(duì)列，其I/O對(duì)各個(gè)柱面上塊的請(qǐng)求順序如下：98，183，37，122，14，124，65，67磁頭開(kāi)始位于53，向199方向移動(dòng)14C-LOOK：總的磁頭移動(dòng)量為322柱面15LOOK：總的磁頭移動(dòng)量為299柱面16調(diào)度算法練習(xí)假設(shè)移動(dòng)頭磁盤有200個(gè)磁道（0－199）。目前正在處理143號(hào)磁道上的請(qǐng)求，而剛剛處理結(jié)束的請(qǐng)求是125號(hào)，如果下面給出的順序是按FIFO算法排成的等待服務(wù)隊(duì)列順序：86，147，91，177，94，150，102，175，130那么，用下列各種磁盤調(diào)度算法來(lái)滿足這些請(qǐng)求所需的總磁頭移動(dòng)量是多少？（1）FCFS（2）SSTF（3）SCAN（4）C-SCAN（5）LOOK（6）C-LOOK17（1）FCFS：565086919410213014314715017517719918（2）SSTF：162086919410213014314715017517719919（3）SCAN：169086919410213014314715017517719920（4）C_SCAN：385086919410213014314715017517719921（5）LOOK：125086919410213014314715017517719922（6）C_LOOK：1690869194102130143147150175177199236、磁盤調(diào)度算法的選擇比較SSTF較為普遍且很有吸引力，比FCFS性能好SCAN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，他們不會(huì)產(chǎn)生餓死問(wèn)題SSTF和LOOK是比較合理的缺省算法選擇依據(jù)請(qǐng)求的數(shù)量請(qǐng)求的類型文件分配方法目錄和索引塊的位置2414.3磁盤管理磁盤格式化低級(jí)格式化（物理格式化）：在磁盤能存儲(chǔ)數(shù)據(jù)之前，將其分成扇區(qū)以便磁盤控制器能讀和寫的過(guò)程為了使用磁盤存儲(chǔ)文件，操作系統(tǒng)需要將自己的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)記錄在磁盤上將磁盤分為由一個(gè)或多個(gè)柱面組成的分區(qū)—操作系統(tǒng)將每個(gè)分區(qū)作為一個(gè)獨(dú)立的磁盤邏輯格式化—操作系統(tǒng)將初始的文件系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)到磁盤上磁盤使用前的三個(gè)步驟252、引導(dǎo)塊初始化自舉程序：初始化系統(tǒng)的各個(gè)方面，以使計(jì)算機(jī)開(kāi)始運(yùn)行自舉程序的保存通常保存在只讀存儲(chǔ)器（ROM）中—修改麻煩很多系統(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—可以容易的進(jìn)行修改263、壞塊磁盤有移動(dòng)部件且容錯(cuò)能力小，所以出現(xiàn)壞扇區(qū)簡(jiǎn)單磁盤壞扇區(qū)手工處理復(fù)雜磁盤壞扇區(qū)扇區(qū)備用或轉(zhuǎn)寄扇區(qū)滑動(dòng)一個(gè)有壞扇區(qū)

的磁道用備用扇區(qū)替代壞扇區(qū)滑動(dòng)所有扇區(qū)來(lái)

略過(guò)壞扇區(qū)2714.4交換空間管理交換空間設(shè)計(jì)和使用的目的是為虛擬內(nèi)存提供最佳吞吐量交換空間的使用系統(tǒng)所需交換空間的量受以下因素影響物理內(nèi)存的多少所支持虛擬內(nèi)存的多少內(nèi)存使用方式對(duì)交換空間數(shù)量的高估比低估更為安全低估——若系統(tǒng)用完了交換空間，可能會(huì)中斷進(jìn)程或使整個(gè)系統(tǒng)癱瘓高估——浪費(fèi)一些空間，但并不會(huì)造成損害交換空間位置在普通文件系統(tǒng)上加以創(chuàng)建（簡(jiǎn)單但低效）在獨(dú)立的磁盤分區(qū)上創(chuàng)建（無(wú)需文件系統(tǒng)和目錄結(jié)構(gòu)，優(yōu)化速度）283、交換空間管理（UNIX例）4.3BSD：創(chuàng)建進(jìn)程時(shí)，預(yù)先分配交換空間，用于保存代碼段和數(shù)據(jù)段，內(nèi)核對(duì)每個(gè)進(jìn)程使用兩個(gè)交換表來(lái)跟蹤交換空間的使用。Solaris1(SunOS4)：當(dāng)頁(yè)需要換出時(shí)丟棄－從文件系統(tǒng)中再讀入一頁(yè)比將其保存在交換空間中再?gòu)闹凶x入更為高效。Solaris2：只有在一頁(yè)被強(qiáng)制換出物理內(nèi)存時(shí)才分配交換空間。4.3BSD代碼段交換表4.3BSD數(shù)據(jù)段交換表(數(shù)據(jù)段會(huì)增長(zhǎng))2914.5RAID結(jié)構(gòu)RAID技術(shù)：多種磁盤的組織技術(shù)，用于提高性能和可靠性RAID：獨(dú)立磁盤冗余陣列R：redundancy冗余A：array陣列I：independent獨(dú)立D：disk磁盤301、通過(guò)冗余改善可靠性——復(fù)制每個(gè)磁盤（鏡像，簡(jiǎn)單但昂貴）2、通過(guò)并行處理改善性能——在多個(gè)磁盤上分散數(shù)據(jù)位級(jí)分散：在多個(gè)磁盤上分散每個(gè)字節(jié)的各個(gè)位塊級(jí)分散：一個(gè)文件的塊可分散在各個(gè)磁盤上其它分散級(jí)別扇區(qū)字節(jié)塊的扇區(qū)磁盤系統(tǒng)并行訪問(wèn)的兩個(gè)主要目的通過(guò)負(fù)荷平衡，增加了多個(gè)小訪問(wèn)的吞吐量降低大訪問(wèn)的響應(yīng)時(shí)間313、RAID級(jí)別分析：鏡像提供高可靠性，但很昂貴；分散提供了高數(shù)據(jù)傳輸率，但并未改善可靠性RAID級(jí)別：通過(guò)磁盤分散和“奇偶”位可以提供多種方案，以在低價(jià)下提供冗余RAID0：按塊級(jí)別分散的磁盤陣列，但沒(méi)有冗余323）RAID2：內(nèi)存方式的差錯(cuò)糾正代碼結(jié)構(gòu)（4個(gè)存儲(chǔ)，3個(gè)糾錯(cuò)）2）RAID1：磁盤鏡像（4個(gè)存儲(chǔ)，4個(gè)鏡像）Hamming校驗(yàn)碼334）RAID3：基于位交織奇偶結(jié)構(gòu)（4個(gè)存儲(chǔ)，1個(gè)糾錯(cuò)）5）RAID4：基于塊交織奇偶結(jié)構(gòu)（4個(gè)存儲(chǔ)，1個(gè)糾錯(cuò)）奇偶校驗(yàn)位346）RAID5：塊交織分布式奇偶結(jié)構(gòu)（5個(gè)都有數(shù)據(jù)和奇偶?jí)K）7）RAID6：P+Q冗余方案（差錯(cuò)糾正碼＋Reed-Solomon碼）Strip12Strip8Strip4Strip0P(12-15)Strip9Strip5Strip1Q(12-15)P(8-11)Strip6Strip2Strip13Q(8-11)P(4-7)Strip3Strip14Strip10Q(4-7)P(0-3)Strip15Strip11Strip7Q(0-3)兩種校驗(yàn)碼：P&Q358）RAID0＋1：0和1的組合，先分散再鏡像9）RAID1＋0：0和1的組合，先鏡像再分散一個(gè)磁盤故障一個(gè)磁盤故障36RAID級(jí)別的選擇RAID系統(tǒng)的重建性能可靠性磁盤數(shù)量每個(gè)奇偶位所能保護(hù)的位數(shù)37磁盤附屬計(jì)算機(jī)訪問(wèn)磁盤存儲(chǔ)的方式主機(jī)附屬存儲(chǔ)：通過(guò)本地I/O端口訪問(wèn)的存儲(chǔ)可用于主機(jī)附屬存儲(chǔ)的存儲(chǔ)設(shè)備：硬盤驅(qū)動(dòng)器、RAID陣列、CD、DVD、磁帶驅(qū)動(dòng)器等網(wǎng)絡(luò)附屬存儲(chǔ)：通過(guò)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)的專用存儲(chǔ)系統(tǒng)缺陷：需要使用數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)帶寬，增加了網(wǎng)絡(luò)通信延遲存儲(chǔ)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（SAN）：服務(wù)器與存儲(chǔ)單元之間的專門網(wǎng)絡(luò)，多個(gè)主機(jī)和多個(gè)存儲(chǔ)陣列可以附加在同一SAN上，存儲(chǔ)可動(dòng)態(tài)的附加在主機(jī)上381穩(wěn)定存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定存儲(chǔ)：存儲(chǔ)在穩(wěn)定存儲(chǔ)上的數(shù)據(jù)永遠(yuǎn)不會(huì)丟失實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定存儲(chǔ)的條件需要在多個(gè)具有獨(dú)立出錯(cuò)模式的存儲(chǔ)設(shè)備上重復(fù)所需信息需要協(xié)調(diào)用于更新的寫操作，以確保更新時(shí)所發(fā)生的差錯(cuò)不會(huì)使所有拷貝處于損壞狀態(tài)，當(dāng)恢復(fù)數(shù)據(jù)時(shí)，能強(qiáng)制使得所有數(shù)據(jù)處于一致和正確狀態(tài)磁盤寫的三種可能情況成功完成部分差錯(cuò)完全差錯(cuò)39具體實(shí)現(xiàn)（系統(tǒng)為每個(gè)邏輯塊維護(hù)兩個(gè)物理拷貝）輸出操作將信息寫到第一個(gè)物理塊上當(dāng)?shù)谝淮螌懗晒ν瓿蓵r(shí)，再將同樣信息寫到第二個(gè)物理塊上只有在第二次寫成功完成時(shí)，才聲明操作完成恢復(fù)程序（從差錯(cuò)中恢復(fù)時(shí)，每塊物理塊都要檢查）若兩個(gè)塊相同且沒(méi)有檢測(cè)到差錯(cuò)，無(wú)需采取任何動(dòng)作若一塊有檢測(cè)差錯(cuò)，那么用另一塊的值來(lái)替代若兩塊沒(méi)有檢測(cè)差錯(cuò)但內(nèi)容不同，用第二塊的內(nèi)容代替第一塊的內(nèi)容40第三級(jí)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)第三級(jí)存儲(chǔ)設(shè)備可移動(dòng)磁盤軟盤、優(yōu)盤、可移動(dòng)硬盤磁光盤光盤磁帶與磁盤相比，價(jià)格便宜，容量大，但隨機(jī)訪問(wèn)較慢通常用于保存磁盤數(shù)據(jù)的備份未來(lái)技術(shù)全息照相存儲(chǔ)器基于微電子機(jī)械系統(tǒng)，將電子芯片制造技術(shù)應(yīng)用于制造小的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)機(jī)器412、操作系統(tǒng)作業(yè)操作系統(tǒng)對(duì)磁盤提供了兩種抽象生設(shè)備（rawdevice）：只是數(shù)據(jù)塊的陣列文件系統(tǒng)操作系統(tǒng)如何處理可移動(dòng)存儲(chǔ)介質(zhì)應(yīng)用接口大多數(shù)OS如固定盤一樣處理可移動(dòng)磁盤每個(gè)應(yīng)用程序自己決定如何組織磁帶，裝滿數(shù)據(jù)的磁