操作系統(tǒng) ch11-磁盤與文件學(xué)習(xí)專業(yè)課件

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軟件學(xué)院教研室

2015.06

操作系統(tǒng)11.1磁盤結(jié)構(gòu)11.2磁盤調(diào)度11.3磁盤編址11.4文件概念及實(shí)現(xiàn)方法主要內(nèi)容第11章磁盤與文件認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī)外設(shè)與計(jì)算機(jī)!PCI總線圖形控制器IDE控制器總線控制器CPU-內(nèi)存總線對(duì)我們來說，磁盤無疑是最重要的設(shè)備，我們下載的電影放在這里，我們寫的論文也放在這里…11.1磁盤結(jié)構(gòu)首先需要了解磁盤!認(rèn)識(shí)一下磁盤認(rèn)識(shí)一下磁盤磁盤面柱面c扇區(qū)s磁道t旋轉(zhuǎn)磁臂轉(zhuǎn)軸機(jī)械臂桿讀寫磁頭認(rèn)識(shí)一下磁盤磁道扇區(qū)盤面畫一個(gè)示意圖:看看俯視圖:磁盤的數(shù)據(jù)單位是扇區(qū)扇區(qū)大?。?12字節(jié)扇區(qū)是磁盤的尋址單位、訪問單位扇區(qū)的大小是傳輸時(shí)間和碎片浪費(fèi)的折衷所以，磁盤被稱為塊設(shè)備!磁盤的I/O總線控制器IDE控制器讓我們仔細(xì)想想磁盤如何讀/寫1一個(gè)字節(jié)?(1)(2)(3)分析磁盤I/O的重點(diǎn)在于第2步!磁道內(nèi)存緩存讀出了一個(gè)字節(jié)寫(修改)一個(gè)字節(jié)磁盤I/O:緩存隊(duì)列

控制器尋道旋轉(zhuǎn)傳輸!磁盤I/O的分析整理磁盤I/O的過程：進(jìn)程請(qǐng)求隊(duì)列磁盤控制器磁盤我們最關(guān)心的磁盤什么時(shí)候讀/寫完?磁盤訪問延遲=隊(duì)列時(shí)間+控制器時(shí)間+

尋道時(shí)間+旋轉(zhuǎn)時(shí)間+傳輸時(shí)間扇區(qū)磁道Head12msto8ms(半周):8msto4ms約0.25ms前兩項(xiàng)可以忽略!關(guān)鍵所在:最小化尋道時(shí)間和旋轉(zhuǎn)延遲!I/O過程是解開許多磁盤問題的鑰匙分析磁盤扇區(qū)尺寸：磁盤訪問延遲=隊(duì)列時(shí)間+控制器時(shí)間+

尋道時(shí)間+旋轉(zhuǎn)時(shí)間+傳輸時(shí)間12~8ms8~4ms約0.25ms前兩項(xiàng)可以忽略!扇區(qū)尺寸=1Byte：沒有碎片；訪問速度≈70B/秒【假定尋道時(shí)間=10ms，旋轉(zhuǎn)時(shí)間=5ms，傳輸時(shí)間≈0ms】扇區(qū)尺寸=1KByte：碎片0.5K；訪問速度≈70KB/秒扇區(qū)尺寸=1MByte：碎片0.5M；訪問速度≈25MB/秒【傳輸時(shí)間不能再忽略≈0.25ms×1000=25ms】扇區(qū)大小空間利用率傳輸速度規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)扇區(qū)尺寸

=512Bytes=0.5KBI/O過程是解開許多磁盤問題的鑰匙磁盤調(diào)度：磁盤訪問延遲=隊(duì)列時(shí)間+控制器時(shí)間+

尋道時(shí)間+旋轉(zhuǎn)時(shí)間+傳輸時(shí)間12msto8ms8msto4ms約0.25ms前兩項(xiàng)可以忽略!多個(gè)磁盤訪問請(qǐng)求出現(xiàn)在請(qǐng)求隊(duì)列怎么辦?調(diào)度!調(diào)度的目標(biāo)是什么?調(diào)度時(shí)主要考察什么?目標(biāo)當(dāng)然是平均訪問延遲最小!①旋轉(zhuǎn)定位：固定速度；②讀寫取決于旋轉(zhuǎn)速度；③傳輸時(shí)間幾乎恒定。因此：尋道時(shí)間是主要矛盾!磁盤調(diào)度：輸入多個(gè)磁道請(qǐng)求，給出服務(wù)順序!11.2磁盤調(diào)度磁盤讀寫請(qǐng)求頻繁發(fā)生，

如何盡快響應(yīng)？FCFS磁盤調(diào)度最直觀、最公平的調(diào)度：一個(gè)實(shí)例:磁頭開始位置=53；請(qǐng)求隊(duì)列=98,183,37,122,14,124,65,670143753656798122124183199磁頭在長(zhǎng)途奔襲!FCFS:磁頭共移動(dòng)640磁道!在移動(dòng)過程中把經(jīng)過的請(qǐng)求處理了?!183-53=130183-37=146122-37=85122-14=108124-14=110124-65=5967-65=2130+146+85+108+110+59+2=640SSTF磁盤調(diào)度ShortestSeekTimeFirst最短尋道時(shí)間優(yōu)先：繼續(xù)該實(shí)例:磁頭開始位置=53；請(qǐng)求隊(duì)列=98,183,37,122,14,124,65,670143753656798122124183199如果在處理183之前又來一些中間磁道的請(qǐng)求，則…SSTF:磁頭共移動(dòng)236(14+53+169)磁道，比FIFO要少很多!SSTF存在饑餓問題SCAN磁盤調(diào)度(掃描/電梯算法)SSTF+中途不回折：每個(gè)請(qǐng)求都有處理機(jī)會(huì)繼續(xù)該實(shí)例:磁頭開始位置=53；請(qǐng)求隊(duì)列=98,183,37,122,14,124,65,670143753656798122124183199這些請(qǐng)求的等待時(shí)間較長(zhǎng)，只因所在方向不夠幸運(yùn)!根據(jù)其特征，SCAN也被稱為電梯算法!SCAN:磁頭共移動(dòng)53+183=236磁道，和SSTF一樣!SCAN導(dǎo)致延遲不均C-SCAN磁盤調(diào)度SCAN+直接移到另一端：兩端請(qǐng)求都能很快處理繼續(xù)該實(shí)例:磁頭開始位置=53；請(qǐng)求隊(duì)列=98,183,37,122,14,124,65,670143753656798122124183199CSCAN中的Circular是環(huán)的意思!CSCAN:磁頭共移動(dòng)53+199+134磁道!其中199會(huì)較快!14

0(183199)沒有必要C-LOOK磁盤調(diào)度CSCAN+看一看：前面沒有請(qǐng)求就回移繼續(xù)該實(shí)例:磁頭開始位置=53；請(qǐng)求隊(duì)列=98,183,37,122,14,124,65,670143753656798122124183199LOOK和C-LOOK是比較合理的缺省算法操作系統(tǒng)中所有的算法都要因地制宜!11.3磁盤編址如何管理磁盤，

首先對(duì)磁盤的扇區(qū)進(jìn)行編號(hào)！

出廠的磁盤需要低級(jí)格式化(物理格式化)：

將連續(xù)的磁性記錄材料分成物理扇區(qū)

扇區(qū)

=頭+數(shù)據(jù)區(qū)+尾頭、尾中包含只有磁盤控制器能識(shí)別的扇區(qū)號(hào)碼和糾錯(cuò)碼等信息什么是磁盤的邏輯格式化？第12章文件系統(tǒng)！I/O過程是解開許多磁盤問題的鑰匙磁盤尋址：對(duì)于內(nèi)存，我們往往更關(guān)心存放內(nèi)容的地址實(shí)際上就是扇區(qū)怎么編址?顯然這個(gè)地址是(盤面+

磁道+

扇區(qū))尋道和旋轉(zhuǎn)費(fèi)時(shí)多花最少時(shí)間訪問最多扇區(qū)的方案：磁臂不動(dòng)、磁盤旋轉(zhuǎn)一周，訪問磁頭遇到的所有扇區(qū)。磁臂讓這些扇區(qū)的編址鄰近:因?yàn)榫植啃?柱面!扇區(qū)編址(1)：CHS(Cylinder/Head/Sector)扇區(qū)編址(2)：扇區(qū)編號(hào)已知A，則s=A%S；h=[A/S]%H；c=[A/(H*S)]扇區(qū)編號(hào)—現(xiàn)代磁盤的常見尋址方式磁臂扇區(qū)編號(hào)，按照(C,H,S)將扇區(qū)形成一維扇區(qū)數(shù)組，數(shù)組索引就是扇區(qū)編號(hào)柱面0柱面1柱面C-1…整個(gè)磁盤磁道0磁道1磁道H-1…一個(gè)柱面扇區(qū)0扇區(qū)1扇區(qū)S-1…一個(gè)磁道磁盤扇區(qū)總數(shù)

=C*H*S某扇區(qū)編號(hào)A=c*H*S+h*S+s體現(xiàn)了局部性!柱面編號(hào)c(0≤c≤C-1)柱面內(nèi)磁道(磁頭)編號(hào)h(0≤h≤H-1)磁道內(nèi)扇區(qū)編號(hào)s(0≤s≤S-1)想一想……磁盤驅(qū)動(dòng)應(yīng)如何實(shí)現(xiàn)？Linux0.11下實(shí)現(xiàn)磁盤讀寫驅(qū)動(dòng)片段進(jìn)程I/O整個(gè)過程貫穿第1步：得到要訪問的扇區(qū)編號(hào)；

得到讀盤的目標(biāo)(或?qū)懕P的源)內(nèi)存地址算法輸入!第2步：將扇區(qū)編號(hào)和內(nèi)存地址寫給DMA；然后阻塞進(jìn)程查手冊(cè)、寫端口!第3步：DMA處理完成后中斷CPU；中斷處理程序喚醒阻塞進(jìn)程編寫中斷處理程序!第4步：進(jìn)程繼續(xù)…獲得編號(hào)是使用磁盤的關(guān)鍵!Exampleharddisklayout硬盤布局Exampleharddisklayout

物理盤以扇區(qū)(一般為512字節(jié))為單位

進(jìn)行編址，它是硬盤讀寫的基本單位一塊硬盤從邏輯上可以理解為連續(xù)的一

維扇區(qū)序列硬盤布局Exampleharddisklayout

整個(gè)硬盤的第1個(gè)扇區(qū)存儲(chǔ)著“主引導(dǎo)記錄（MBR）”：

<1>引導(dǎo)可執(zhí)行代碼

<2>硬盤基本分區(qū)表

最多包含4個(gè)基本分區(qū)位置信息

硬盤布局Exampleharddisklayout

除了第1個(gè)扇區(qū)之外，其余扇區(qū)可以

劃分為至多4個(gè)基本分區(qū)每個(gè)分區(qū)的第1個(gè)扇區(qū)預(yù)留，可以作

為引導(dǎo)扇區(qū)硬盤布局Exampleharddisklayout

每個(gè)分區(qū)除第1個(gè)扇區(qū)外的其他部分還

可以看做一個(gè)硬盤，繼續(xù)分區(qū)

這樣的分區(qū)可以無限制地重復(fù)進(jìn)行，直

到硬盤劃分完成為止硬盤布局Exampleharddisklayout

概念

扇區(qū)－物理盤存儲(chǔ)空間基本編址單位，一般為512字節(jié)

主引導(dǎo)記錄MBR

－硬盤的第1個(gè)扇區(qū)的內(nèi)容，含引導(dǎo)代碼和主分區(qū)表

分區(qū)－硬盤中可以作為邏輯盤管理的一組扇區(qū)集合

可擴(kuò)展分區(qū)－可以繼續(xù)劃分成“分區(qū)”的硬盤分區(qū)

引導(dǎo)分區(qū)－標(biāo)記有可引導(dǎo)標(biāo)記的硬盤分區(qū)，這種分區(qū)有引

導(dǎo)扇區(qū)和引導(dǎo)文件

引導(dǎo)扇區(qū)－引導(dǎo)分區(qū)的第1個(gè)扇區(qū)

可擴(kuò)展分區(qū)引導(dǎo)記錄－可擴(kuò)展分區(qū)中第2個(gè)扇區(qū)中的內(nèi)容問題：硬盤中每個(gè)分區(qū)都有引導(dǎo)扇區(qū)嗎？硬盤布局直接使用扇區(qū)編號(hào)尋址磁盤嗎?磁盤頁表物理內(nèi)存請(qǐng)求調(diào)頁—頁面置換load[addr]i頁錯(cuò)誤處理程序(1)(2)(3)(4)(5)(6)交換出去的頁面放在哪里?交換出去交換分區(qū)問題的關(guān)鍵是寫到磁盤的什么位置?交換出去的頁面顯然要寫到磁盤上如果是代碼段和數(shù)據(jù)段，直接寫到可執(zhí)行文件中如果是堆棧段呢?創(chuàng)建一個(gè)文件嗎?變成了頁面文件扇區(qū)映射關(guān)系，顯然是低效的應(yīng)該是直接“頁面扇區(qū)”PTEP=0換出地址為提高效率，這部分磁盤不存文件，直接用扇區(qū)號(hào)尋址。(交換分區(qū))這樣使用的磁盤稱為生磁盤(rawdisk)Linux交換分區(qū)安裝Linux時(shí)，需創(chuàng)建一硬盤分區(qū)作為交換分區(qū)fdisk命令可以查看分區(qū)信息因?yàn)榻粨Q分區(qū)要和內(nèi)存不斷交換，所以是動(dòng)態(tài)變化的swap分區(qū)的大小通常是內(nèi)存大小的2倍為什么引入文件?

—“烹調(diào)”磁盤11.4文件概念及實(shí)現(xiàn)方法為什么引入文件?讓普通用戶使用rawdisk:

許多人連扇區(qū)都不知道是什么?要求他們根據(jù)扇區(qū)編號(hào)來訪問磁盤…需要在扇區(qū)上引入更高一層次的抽象概念!文件首先想一想用戶眼里的文件是什么樣子?字符序列(字符流)磁盤上的文件是什么樣子?扇區(qū)集合文件:建立字符流到扇區(qū)集合的映射關(guān)系文件概念建立字符流到盤塊集合的映射關(guān)系看一個(gè)例子intmain(){…

test.c將2-12字符刪去test.c中的2-12字符對(duì)應(yīng)盤塊789讀入、修改、讀出文件:按用戶邏輯地址連續(xù)“排列”的盤塊集合為增加靈活性，OS又將多個(gè)連續(xù)扇區(qū)定義為盤塊文件的實(shí)現(xiàn)文件抽象概念的實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵：描述這一映射關(guān)系文件實(shí)現(xiàn)1:物理盤塊連續(xù)分配intmain(){…

test.c012345678910111213141516171819202122232425262728293031test.cftrmaillist需存放什么信息?起始盤塊和盤塊個(gè)數(shù)存放在哪里?文件描述信息節(jié)點(diǎn)中名字很多:FCB,FileHeader等文件名始址塊數(shù)test.c04test.c的FileHeader優(yōu)點(diǎn)簡(jiǎn)單快速，缺點(diǎn)碎片多文件f的起始?jí)K=？塊數(shù)=？文件實(shí)現(xiàn)2:鏈?zhǔn)椒峙鋓ntmain(){…

test.c文件名始址test.c1test.c的FileHeader優(yōu)點(diǎn):文件長(zhǎng)度增減容易01234567891011121314151617181920212223242526272829303110-1917test.cNullFileHeader缺點(diǎn):順序訪問、可靠性差文件實(shí)現(xiàn)3:索引分配intmain(){…

test.c優(yōu)點(diǎn):是連續(xù)和鏈?zhǔn)椒峙涞挠行д壑?12