操作系統(tǒng)課件第五章3綜述

第五章設(shè)備管理操作系統(tǒng)Page12023/2/3第五章設(shè)備管理I/O系統(tǒng)

I/O控制方式

緩沖管理

設(shè)備分配設(shè)備處理磁盤存儲(chǔ)器管理Page22023/2/3磁盤存儲(chǔ)器管理磁盤存儲(chǔ)器管理的主要任務(wù)磁盤性能簡述磁盤調(diào)度磁盤高速緩存(DiskCache)提高磁盤I/O速度的其它方法廉價(jià)磁盤冗余陣列現(xiàn)代操作系統(tǒng)的重要任務(wù)之一：設(shè)法改善磁盤系統(tǒng)的性能Page32023/2/3磁盤存儲(chǔ)器管理磁盤存儲(chǔ)器管理的主要任務(wù)為文件分配存儲(chǔ)空間合理地組織文件地存儲(chǔ)方式，以提高磁盤的訪問速度提高磁盤存儲(chǔ)空間地利用率提高磁盤I/O速度，改善文件性能確保文件系統(tǒng)的可靠性（備份）Page42023/2/3磁盤存儲(chǔ)器管理磁盤存儲(chǔ)器管理的主要任務(wù)磁盤性能簡述磁盤調(diào)度磁盤高速緩存(DiskCache)提高磁盤I/O速度的其它方法廉價(jià)磁盤冗余陣列Page52023/2/35.6磁盤存儲(chǔ)器管理5.6.1磁盤性能簡述1.數(shù)據(jù)的組織和格式圖5-22磁盤的格式化

磁盤包括一個(gè)或多個(gè)盤片，每片分2面，每面可分成若干條磁道，各磁道之間有間隙，每條磁道上可存儲(chǔ)相同數(shù)目的二進(jìn)制位，磁盤密度即每英寸之中所存儲(chǔ)的位數(shù)。顯然內(nèi)層磁道的密度較外層磁道的密度大。Page62023/2/3磁盤性能簡述盤片扇區(qū)磁頭磁道Page72023/2/3磁盤性能簡述Page82023/2/3磁盤性能簡述Page92023/2/3磁盤性能簡述Page102023/2/3磁盤性能簡述Page112023/2/3磁盤性能簡述Page122023/2/3磁盤性能簡述數(shù)據(jù)的組織和格式盤片（1個(gè)或多個(gè)）、盤面、磁道、扇區(qū)扇區(qū)有標(biāo)識符字段和數(shù)據(jù)字段Gap102031292293FieldGapFieldGapGapFieldGapFieldGap17741515201774151520IDDataIDDataGap1292293FieldGapField1774151520IDDataSectorPhysicalSector0PhysicalSector1PhysicalSector29BytesSynchByteTrack#Head#Sector#Bytes1211CRC3SynchByteDataCRC15122600Bytes/SectorGap存儲(chǔ)相同數(shù)目的二進(jìn)制位間隙定界符段校驗(yàn)Page132023/2/32.磁盤的類型1)固定頭磁盤

這種磁盤在每條磁道上都有一讀/寫磁頭，所有的磁頭都被裝在一剛性磁臂中。通過這些磁頭可訪問所有各磁道，并進(jìn)行并行讀/寫，有效地提高了磁盤的I/O速度。這種結(jié)構(gòu)的磁盤主要用于大容量磁盤上。

2)移動(dòng)頭磁盤

每一個(gè)盤面僅配有一個(gè)磁頭，也被裝入磁臂中。為能訪問該盤面上的所有磁道，該磁頭必須能移動(dòng)以進(jìn)行尋道?？梢?，移動(dòng)磁頭僅能以串行方式讀/寫，致使其I/O速度較慢；但由于其結(jié)構(gòu)簡單，故仍廣泛應(yīng)用于中小型磁盤設(shè)備中。Page142023/2/3磁盤性能簡述訪盤時(shí)間組成尋道時(shí)間旋轉(zhuǎn)延遲時(shí)間傳輸時(shí)間Page152023/2/3磁盤性能簡述磁盤訪問時(shí)間尋道時(shí)間Ts這是指把磁臂(磁頭)移動(dòng)到指定磁道上所經(jīng)歷的時(shí)間。該時(shí)間是啟動(dòng)磁臂的時(shí)間s與磁頭移動(dòng)n條磁道所花費(fèi)的時(shí)間之和，即Ts=m×n+s旋轉(zhuǎn)延遲時(shí)間Tτ這是指定扇區(qū)移動(dòng)到磁頭下面所經(jīng)歷的時(shí)間。如：7200r/min

每轉(zhuǎn)=60000ms/7200r=8.33ms

平均旋轉(zhuǎn)延遲=（0+8.33)/2=4.16是一常數(shù)，與磁盤驅(qū)動(dòng)器的速度有關(guān)一般：0.2高速：<=0.1啟動(dòng)磁臂時(shí)間2msPage162023/2/3磁盤性能簡述傳輸時(shí)間Tt指把數(shù)據(jù)從磁盤讀出或向磁盤寫入數(shù)據(jù)所經(jīng)歷的時(shí)間。其大小與每次所讀/寫的字節(jié)數(shù)b和旋轉(zhuǎn)速度有關(guān)r為磁盤每秒鐘的轉(zhuǎn)數(shù)；N為一條磁道上的字節(jié)數(shù)Tτ和Tt相同，則訪問時(shí)間=Ts+Tτ+Tt

如b=N/2，則Tτ=1/(2r)=Tt可見，尋道時(shí)間TS和旋轉(zhuǎn)延遲時(shí)間Tτ基本上都與所讀/寫數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)無關(guān)，而且它通常占據(jù)了訪問時(shí)間中的大部分目前磁盤的傳輸速率已達(dá)到80MB/s以上，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間所占的比例更低?？梢姡m當(dāng)?shù)丶袛?shù)據(jù)傳輸，將有利于提高傳輸效率Page172023/2/33.磁盤訪問時(shí)間尋道時(shí)間:20ms磁盤通道傳輸速率:1MB/s轉(zhuǎn)速r=3600rpm每扇區(qū)512字節(jié)每磁道32扇區(qū)目標(biāo)：讀128k數(shù)據(jù)1.尋道時(shí)間TS：TS=m*n+S；2.旋轉(zhuǎn)延時(shí)間Tr：Tr＝1/2r3.數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間Tt：Tt＝b/rN

訪問時(shí)間：Ta=Ts+1/2r+b/rN60*16k=960k<1MB/s順序組織(20＋8.3＋16.7)＋(8.3＋16.7)×7＝220(ms)隨機(jī)組織(20＋8.3＋0.5)×256＝7373(ms)Page182023/2/3磁盤存儲(chǔ)器管理磁盤存儲(chǔ)器管理的主要任務(wù)磁盤性能簡述磁盤調(diào)度磁盤高速緩存(DiskCache)提高磁盤I/O速度的其它方法廉價(jià)磁盤冗余陣列在訪問磁盤的時(shí)間中，主要是尋道時(shí)間，因此，磁盤調(diào)度的目標(biāo)就是使磁盤的平均尋道時(shí)間最少。Page192023/2/3磁盤調(diào)度先來先服務(wù)FCFS(First-Come,FirstServed)根據(jù)進(jìn)程請求訪問磁盤的先后次序進(jìn)行調(diào)度優(yōu)點(diǎn)：簡單、公平，不會(huì)出現(xiàn)請求長期得不到滿足缺點(diǎn)：未優(yōu)化，平均尋道時(shí)間長平均尋道長度：55.31461841123810150701607290211819393584555移動(dòng)距離被訪問的下一個(gè)磁道100道開始55、58、39、18、90、160、150、38、184Page202023/2/30383955589010015016018418先來先服務(wù)FCFS(First-Come,FirstServed)磁盤調(diào)度最短尋道時(shí)間優(yōu)先SSTF(ShortestSeekTimeFirst)要求訪問的磁道與當(dāng)前磁頭所在的磁道距離最近優(yōu)點(diǎn)：使每次尋道時(shí)間最短缺點(diǎn)：不能保證平均尋道時(shí)間最短；可能導(dǎo)致距離遠(yuǎn)的進(jìn)程總也得不到服務(wù)平均尋道長度：27.524184101601321502018138163935532581090移動(dòng)距離被訪問的下一個(gè)磁道100道開始55、58、39、18、90、160、150、38、184Page222023/2/30383955589010015016018418最短尋道時(shí)間優(yōu)先STF(ShortestSeekTimeFirst)FCFS調(diào)度算法SSTF調(diào)度算法Page242023/2/33.掃描(SCAN)算法1)進(jìn)程“饑餓”現(xiàn)象SSTF算法雖然能獲得較好的尋道性能，但卻可能導(dǎo)致某個(gè)進(jìn)程發(fā)生“饑餓”(Starvation)現(xiàn)象。因?yàn)橹灰粩嘤行逻M(jìn)程的請求到達(dá)，且其所要訪問的磁道與磁頭當(dāng)前所在磁道的距離較近，這種新進(jìn)程的I/O請求必須優(yōu)先滿足。對SSTF算法略加修改后所形成的SCAN算法，即可防止老進(jìn)程出現(xiàn)“饑餓”現(xiàn)象。Page252023/2/3磁盤調(diào)度掃描(SCAN)算法

SSTF算法雖然能獲得較好的尋道性能，但卻可能導(dǎo)致某個(gè)進(jìn)程發(fā)生“饑餓”(Starvation)現(xiàn)象050160Page262023/2/3磁盤調(diào)度掃描(SCAN)算法對SSTF算法略加修改后所形成的SCAN算法，即可防止進(jìn)程出現(xiàn)“饑餓”現(xiàn)象SCAN算法不僅考慮欲訪問的磁道與當(dāng)前磁道的距離，更優(yōu)先考慮的是磁頭當(dāng)前的移動(dòng)方向磁頭移動(dòng)：自里向外自外向里又稱為“電梯調(diào)度算法”Page272023/2/3磁盤調(diào)度掃描(SCAN)算法對SSTF算法略加修改后所形成的SCAN算法，即可防止進(jìn)程出現(xiàn)“饑餓”現(xiàn)象SCAN算法不僅考慮欲訪問的磁道與當(dāng)前磁道的距離，更優(yōu)先考慮的是磁頭當(dāng)前的移動(dòng)方向磁頭移動(dòng)：自里向外自外向里又稱為“電梯調(diào)度算法”平均尋道長度：27.82018138163935532589490241841016050150移動(dòng)距離被訪問的下一個(gè)磁道100道開始，增加方向55、58、39、18、90、160、150、38、184Page282023/2/3SCAN調(diào)度算法 SSTF調(diào)度算法Page292023/2/30383955589010015016018418磁盤調(diào)度缺點(diǎn)：剛移過的磁道的等待時(shí)間長Page302023/2/3磁盤調(diào)度循環(huán)掃描(CSCAN)算法

規(guī)定磁頭單向移動(dòng)減少剛移過的磁道的等待時(shí)間平均尋道長度：27.532903581655139203816618241841016050150移動(dòng)距離被訪問的下一個(gè)磁道100道開始，增加方向55、58、39、18、90、160、150、38、184Page312023/2/30383955589010015016018418磁盤調(diào)度Page322023/2/3SCAN調(diào)度算法CSCAN調(diào)度算法Page332023/2/3SSTF調(diào)度算法 CSCAN調(diào)度算法Page342023/2/3磁盤調(diào)度N-Step-SCAN和FSCAN調(diào)度算法

N-Step-SCAN算法在SSTF、SCAN及CSCAN幾種調(diào)度算法中，都可能出現(xiàn)磁臂停留在某處不動(dòng)的情況，稱為“磁臂粘著”(Armstickiness)N步SCAN算法是將磁盤請求隊(duì)列分成若干個(gè)長度為N的子隊(duì)列，磁盤調(diào)度將按FCFS算法依次處理這些子隊(duì)列。而每處理一個(gè)隊(duì)列時(shí)又是按SCAN算法，對一個(gè)隊(duì)列處理完后，再處理其他隊(duì)列FSCAN算法FSCAN算法是N步SCAN算法的簡化，即其只將磁盤請求隊(duì)列分成兩個(gè)子隊(duì)列。一是由當(dāng)前所有請求I/O的進(jìn)程形成的隊(duì)列，由磁盤調(diào)度按SCAN算法進(jìn)行處理。在掃描期間，新出現(xiàn)的所有請求I/O的進(jìn)程，則放入另一個(gè)等待處理的請求隊(duì)列當(dāng)N值很大時(shí)，N步掃描性能接近于SCAN性能；N=1，N步掃描性能便退化為FCFSPage352023/2/3磁盤存儲(chǔ)器管理磁盤存儲(chǔ)器管理的主要任務(wù)磁盤性能簡述磁盤調(diào)度磁盤高速緩存(DiskCache)提高磁盤I/O速度的其它方法廉價(jià)磁盤冗余陣列Page362023/2/3磁盤高速緩存(DiskCache)磁盤高速緩存的形式利用內(nèi)存中的存儲(chǔ)空間，來暫存從磁盤中讀出的一系列盤塊中的信息高速緩存是一組在邏輯上屬于磁盤，而物理上是駐留在內(nèi)存中的盤塊高速緩存在內(nèi)存中可分成兩種形式在內(nèi)存中開辟一個(gè)單獨(dú)的存儲(chǔ)空間來作為磁盤高速緩存，其大小是固定的把所有未利用的內(nèi)存空間變?yōu)橐粋€(gè)緩沖池，供請求分頁系統(tǒng)和磁盤I/O時(shí)(作為磁盤高速緩存)共享不受應(yīng)用程序多少的限制應(yīng)用程序多時(shí)緩存可能很小Page372023/2/3磁盤高速緩存(DiskCache)數(shù)據(jù)交付方式數(shù)據(jù)交付（DataDelivery）是指將磁盤高速緩存中的數(shù)據(jù)傳送給請求者進(jìn)程當(dāng)有進(jìn)程請求訪問某個(gè)盤塊時(shí)，先查看磁盤高速緩存有兩種方式交付數(shù)據(jù)給請求進(jìn)程數(shù)據(jù)交付。這是直接將高速緩存中的數(shù)據(jù)，傳送到請求者進(jìn)程的內(nèi)存工作區(qū)中指針交付。只將指向高速緩存中某區(qū)域的指針，交付給請求者進(jìn)程所傳送的數(shù)據(jù)量少，節(jié)省了數(shù)據(jù)從磁盤高速緩存存儲(chǔ)空間到進(jìn)程的內(nèi)存工作區(qū)的時(shí)間Page382023/2/3磁盤高速緩存(DiskCache)置換算法將磁盤中的盤塊寫入高速緩存時(shí)，會(huì)出現(xiàn)因?yàn)楦咚倬彺嬷幸蜒b滿盤塊而需要將高速緩存中的數(shù)據(jù)先換出的問題，常用算法有LRU、NRU、LFU等除了考慮LRU外，還需考慮以下幾點(diǎn)訪問頻率可預(yù)見性，如正在寫數(shù)據(jù)的未滿盤塊數(shù)據(jù)的一致性內(nèi)存中已修改數(shù)據(jù)要寫回磁盤可將高速緩存中的所有盤塊數(shù)據(jù)構(gòu)成一個(gè)LRU鏈，將會(huì)影響到數(shù)據(jù)一致性的盤塊和很久都不可能再用的盤塊放在LRU鏈的鏈頭，使其優(yōu)先被寫回磁盤，不久后還要再使用的盤塊放到鏈尾最近最久未使用算法LRU最近未使用算法NRU最少使用算法LFUPage392023/2/3磁盤高速緩存(DiskCache)周期性寫回磁盤在LRU算法中，經(jīng)常被訪問的盤塊數(shù)據(jù)可能一直保留在高速緩存中，長期不被寫回磁盤在UNIX系統(tǒng)中專門增設(shè)了一個(gè)修改(update)程序，使之在后臺運(yùn)行，該程序周期性地調(diào)用一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用SYNC。該調(diào)用的主要功能是強(qiáng)制性地將所有在高速緩存中已修改的盤塊數(shù)據(jù)寫回磁盤在MS-DOS中所采用的方法是：只要高速緩存中的某盤塊數(shù)據(jù)被修改，便立即將它寫回磁盤，并將這種高速緩存稱為“寫穿透、高速緩存”(write-throughcache)Page402023/2/3磁盤存儲(chǔ)器管理磁盤存儲(chǔ)器管理的主要任務(wù)磁盤性能簡述磁盤調(diào)度磁盤高速緩存(DiskCache)提高磁盤I/O速度的其它方法廉價(jià)磁盤冗余陣列Page412023/2/3提高磁盤I/O速度的其它方法提前讀（Read-Ahead）在讀當(dāng)前塊的同時(shí)，將下一盤塊讀入緩沖區(qū)延遲寫緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)不立即寫回磁盤，而掛在隊(duì)尾優(yōu)化物理塊分布使文件的物理塊集中，減小磁頭移動(dòng)距離分配時(shí)以簇（若干個(gè)盤塊）為單位磁盤碎片整理虛擬盤利用內(nèi)存空間仿真磁盤，又稱為RAM盤Page422023/2/3磁盤存儲(chǔ)器管理磁盤存儲(chǔ)器管理的主要任務(wù)磁盤性能簡述磁盤調(diào)度磁盤高速緩存(DiskCache)提高磁盤I/O速度的其它方法廉價(jià)磁盤冗余陣列Page432023/2/3廉價(jià)磁盤冗余陣列廉價(jià)磁盤冗余陣列RAID(RedundantArrayofInexpensiveDisk)，1987年由美國加州大學(xué)提出過去RAID是由許多小的便宜磁盤組成的，可作為大的昂貴磁盤的有效替代品現(xiàn)在RAID的使用主要是因?yàn)槠涓呖煽啃院透邤?shù)據(jù)傳輸率，而不是經(jīng)濟(jì)原因利用一臺磁盤陣列控制器統(tǒng)一管理和控制一組磁盤驅(qū)動(dòng)器，組成一個(gè)可靠的、快速的大容量磁盤系統(tǒng)Page442023/2/3廉價(jià)磁盤冗余陣列磁盤冗余——改善可靠性復(fù)制每個(gè)磁盤，這種技術(shù)稱為鏡像Page452023/2/3廉價(jià)磁盤冗余陣列并行交叉存取——提高數(shù)據(jù)傳輸速度將一個(gè)盤塊中的數(shù)據(jù)分成若干個(gè)子盤塊數(shù)據(jù)，分別存儲(chǔ)在不同磁盤的相同位置上。數(shù)據(jù)傳送時(shí)采用并行傳輸方式主要目的：通過負(fù)載平衡，增加了多個(gè)小訪問（即頁訪問）的吞吐量，降低大訪問的響應(yīng)時(shí)間Page462023/2/3廉價(jià)磁盤冗余陣列鏡像提高可靠性，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，通過磁盤分散和“奇偶”位可以提供多種方案以在低代價(jià)下提供冗余，這些方案有不同的性價(jià)折中，可分成不同級別，稱為RAID級別Page472023/2/32.RAID的分級(RedundantArrayofInexpensiveDisk)RAID0級。RAID1級。(3)RAID2級。(4)RAID3級。(5)RAID4級。(6)RAID5級。(7)RAID6級和RAID7級。Page482023/2/3RAID0(不冗余）Page492023/2/3RAID0Page502023/2/3RAID0不冗余不校驗(yàn)分布式存儲(chǔ)低可靠性低價(jià)格并行I/O訪問Page512023/2/32.RAID的分級RAID0級。RAID1級。

(3)RAID2級。(4)RAID3級。(5)RAID4級。(6)RAID5級。(7)RAID6級和RAID7級。Page522023/2/3RAID1(鏡像)分布存放鏡像冗余不校驗(yàn)Page532023/2/3RAID1讀性能比RAID0好(選擇尋道時(shí)間小的磁盤訪問)寫性能比RAID0差存儲(chǔ)開銷大可靠性高Page542023/2/32.RAID的分級RAID0級。RAID1級。(3)RAID2級。

(4)RAID3級。(5)RAID4級。(6)RAID5級。(7)RAID6級和RAID7級。Page552023/2/3RAID2(漢明碼校驗(yàn)冗余)Page562023/2/32.RAID的分級RAID0級。RAID1級。(3)RAID2級。(4)RAID3級。(5)RAID4級。(6)RAID5級。(7)RAID6級和RAID7級。Page572023/2/3RAID3用一個(gè)校驗(yàn)盤Page582023/2/32.RAID的分級RAID0級。RAID1級。(3)RAID2級