操作系统课件第五章3综述

1、Operating SystemOperating SystemPage 12021-10-15Operating SystemOperating SystemqI/O系统系统 qI/O控制方式控制方式 q缓冲管理缓冲管理 q设备分配设备分配q设备处理设备处理q磁盘存储器管理磁盘存储器管理Page 22021-10-15Operating SystemOperating Systemq磁盘存储器管理的主要任务磁盘存储器管理的主要任务q磁盘性能简述磁盘性能简述q磁盘调度磁盘调度q磁盘高速缓存磁盘高速缓存(Disk Cache)q提高磁盘提高磁盘I/O速度的其它方法速度的其它方法q廉价磁盘冗余阵列

2、廉价磁盘冗余阵列现代操作系统的重要任务之一：设法改善磁盘系统的性能现代操作系统的重要任务之一：设法改善磁盘系统的性能Page 32021-10-15Operating SystemOperating Systemq磁盘存储器管理的主要任务磁盘存储器管理的主要任务v为文件分配存储为文件分配存储空间空间v合理地组织文件地存储方式，以提高磁盘的合理地组织文件地存储方式，以提高磁盘的访问访问速度速度v提高磁盘存储空间地利用率提高磁盘存储空间地利用率v提高磁盘提高磁盘I/O速度，改善文件性能速度，改善文件性能v确保文件系统的确保文件系统的可靠性可靠性（备份）（备份）Page 42021-10-15Ope

3、rating SystemOperating Systemq磁盘存储器管理的主要任务磁盘存储器管理的主要任务q磁盘性能简述磁盘性能简述q磁盘调度磁盘调度q磁盘高速缓存磁盘高速缓存(Disk Cache)q提高磁盘提高磁盘I/O速度的其它方法速度的其它方法q廉价磁盘冗余阵列廉价磁盘冗余阵列Page 52021-10-15Operating SystemOperating System5.6 磁盘存储器管理磁盘存储器管理5.6.1 磁盘性能简述磁盘性能简述 1. 数据的组织和格式数据的组织和格式 图 5-22 磁盘的格式化 包括一个或多个，每片分2面，每面可分成若干条，各磁道之间有间隙，每条磁道上

4、可存储相同数目的二进制位，磁盘即每英寸之中所存储的位数。显然内层磁道的密度较外层磁道的密度大。Page 62021-10-15Operating SystemOperating System盘片盘片扇区扇区磁头磁头磁道磁道Page 72021-10-15Operating SystemOperating SystemPage 82021-10-15Operating SystemOperating SystemPage 92021-10-15Operating SystemOperating SystemPage 102021-10-15Operating SystemOperating Sy

5、stemPage 112021-10-15Operating SystemOperating SystemPage 122021-10-15Operating SystemOperating Systemq数据的组织和格式数据的组织和格式v盘片盘片（1个或多个）、盘面、磁道、扇区个或多个）、盘面、磁道、扇区v扇区有扇区有标识符字段标识符字段和和数据字段数据字段Gap102031292293Field Gap Field Gap Gap Field Gap Field Gap17741515201774151520IDDataIDDataGap1292293Field Gap Field1774

6、151520IDDataSectorPhysical Sector 0Physical Sector 1Physical Sector 29BytesSynchByteTrack#Head#Sector#Bytes 1211CRC3SynchByteDataCRC15122600 Bytes/SectorGap存储相同数存储相同数目的二进制目的二进制位位间隙间隙定界符定界符段校验段校验Page 132021-10-15Operating SystemOperating System2. 磁盘的类型磁盘的类型 这种磁盘在，所有的磁头都被装在一刚性磁臂中。通过这些磁头可访问所有各磁道，并进行，有效

7、地。这种结构的磁盘主要用于上。 ，也被装入磁臂中。为能访问该盘面上的所有磁道，该磁头必须能移动以进行寻道。可见，移动磁头仅能以，致使其；但由于其结构简单， 故仍广泛应用于设备中。 Page 142021-10-15Operating SystemOperating System访盘时间组成访盘时间组成 寻道寻道时间时间旋转旋转延迟延迟时间时间传输传输时间时间Page 152021-10-15Operating SystemOperating Systemq磁盘访问时间磁盘访问时间v寻道时间寻道时间Ts这是指把磁臂这是指把磁臂(磁头磁头)移动到指定磁道上所移动到指定磁道上所经历的时间。该时间是启

8、动磁臂的时间经历的时间。该时间是启动磁臂的时间s与与磁头移动磁头移动n条磁道所花费的时间之和，条磁道所花费的时间之和， 即即Ts=mn+sv旋转延迟时间旋转延迟时间T这是指定扇区移动到磁头下面所经历的时这是指定扇区移动到磁头下面所经历的时间。如：间。如：7200r/min 每转每转=60000ms/7200r=8.33ms 平均旋转延迟平均旋转延迟=（0+8.33)/2=4.16是一常数，是一常数，与磁盘驱动与磁盘驱动器的速度有器的速度有关关一般：一般：0.2高速：高速：=0.1启动磁臂时间启动磁臂时间2msPage 162021-10-15Operating SystemOperating

9、Systemv传输时间传输时间Tt指把数据从磁盘读出或向磁盘写入数据所指把数据从磁盘读出或向磁盘写入数据所经历的时间。经历的时间。 其大小与每次所读其大小与每次所读/写的字写的字节数节数b和旋转速度有关和旋转速度有关r为磁盘每秒钟的转数；为磁盘每秒钟的转数；N为一条磁道上为一条磁道上的字节数的字节数vT和和Tt相同，则访问时间相同，则访问时间=Ts + T+ Tt rNbTt12asbTTrrN如如b=N/2，则，则T=1/(2r)=Tt可见，寻道时间可见，寻道时间TS和旋转和旋转延迟时间延迟时间T基本上都与所基本上都与所读读/写数据的字节数无关，写数据的字节数无关，而且它通常占据了访问时而且

10、它通常占据了访问时间中的大部分间中的大部分目前磁盘的传输速率已达到目前磁盘的传输速率已达到80MB/s以上，数据传输时间所占以上，数据传输时间所占的比例更低。可见，适当地集中数据传输，将有利于提高传输的比例更低。可见，适当地集中数据传输，将有利于提高传输效率效率Page 172021-10-15Operating SystemOperating System3. 磁盘访问时间磁盘访问时间 ：TS=m*n+S；：Tr1/2r：Ttb/rN Ta=Ts+1/2r+b/rNPage 182021-10-15Operating SystemOperating Systemq磁盘存储器管理的主要任务磁盘

11、存储器管理的主要任务q磁盘性能简述磁盘性能简述q磁盘调度磁盘调度q磁盘高速缓存磁盘高速缓存(Disk Cache)q提高磁盘提高磁盘I/O速度的其它方法速度的其它方法q廉价磁盘冗余阵列廉价磁盘冗余阵列在访问磁盘的时间中，主要是寻道时间，因此，磁在访问磁盘的时间中，主要是寻道时间，因此，磁盘调度的目标就是使磁盘的平均寻道时间最少。盘调度的目标就是使磁盘的平均寻道时间最少。Page 192021-10-15Operating SystemOperating Systemq 先来先服务先来先服务FCFS(First-Come, First Served)v根据进程请求访问磁盘根据进程请求访问磁盘的先

12、后次序进行调度的先后次序进行调度v优点：简单、公平，不优点：简单、公平，不会出现请求长期得不到会出现请求长期得不到满足满足v缺点：未优化，平均寻缺点：未优化，平均寻道时间长道时间长平均寻道长度：平均寻道长度：55.31461841123810150701607290211819393584555移动距离移动距离被访问的下一个被访问的下一个磁道磁道100道开始道开始55、58、39、18、90、160、150、38、184Page 202021-10-15Operating SystemOperating System0383955589010015016018418先来先服务先来先服务FCFS

13、(First-Come, First Served)Operating SystemOperating Systemq 最短寻道时间优先最短寻道时间优先SSTF(Shortest Seek Time First) v要求访问的磁道与当前要求访问的磁道与当前磁头所在的磁道距离最磁头所在的磁道距离最近近v优点：使每次寻道时间优点：使每次寻道时间最短最短v缺点：不能保证平均寻缺点：不能保证平均寻道时间最短；可能导致道时间最短；可能导致距离远的进程总也得不距离远的进程总也得不到服务到服务平均寻道长度：平均寻道长度：27.524184101601321502018138163935532581090移动

14、距离移动距离被访问的下一个被访问的下一个磁道磁道100道开始道开始55、58、39、18、90、160、150、38、184Page 222021-10-15Operating SystemOperating System0383955589010015016018418最短寻道时间优先最短寻道时间优先STF(Shortest Seek Time First)Operating SystemOperating SystemPage 242021-10-15Operating SystemOperating System3. 扫描扫描(SCAN)算法算法 1) 进程“饥饿”现象 SSTF算法虽然

15、能获得较好的寻道性能，但却可能导致某个进程发生“饥饿”(Starvation)现象。因为只要不断有新进程的请求到达，且其所要访问的磁道与磁头当前所在磁道的距离较近，这种新进程的I/O请求必须优先满足。对SSTF算法略加修改后所形成的SCAN算法，即可防止老进程出现“饥饿”现象。 Page 252021-10-15Operating SystemOperating Systemq扫描扫描(SCAN)算法算法 vSSTF算法虽然能获得较好的寻道性能，算法虽然能获得较好的寻道性能， 但但却可能导致某个进程发生却可能导致某个进程发生“饥饥饿饿”(Starvation)现象现象050160Page 26

16、2021-10-15Operating SystemOperating Systemq扫描扫描(SCAN)算法算法v对对SSTF算法略加修改后所形成的算法略加修改后所形成的SCAN算法，算法， 即可防止进程出现即可防止进程出现“饥饿饥饿”现象现象vSCAN算法不仅考虑欲访问的磁道与当前磁算法不仅考虑欲访问的磁道与当前磁道的距离，更优先考虑的是磁头当前的移动道的距离，更优先考虑的是磁头当前的移动方向方向v磁头移动：自里向外磁头移动：自里向外自外向里自外向里v又称为又称为 “电梯调度算法电梯调度算法”Page 272021-10-15Operating SystemOperating System

17、q 扫描扫描(SCAN)算法算法v对对SSTF算法略加修改算法略加修改后所形成的后所形成的SCAN算法，算法， 即可防止进程出现即可防止进程出现“饥饥饿饿”现象现象vSCAN算法不仅考虑欲算法不仅考虑欲访问的磁道与当前磁道访问的磁道与当前磁道的距离，更优先考虑的的距离，更优先考虑的是磁头当前的移动方向是磁头当前的移动方向v磁头移动：自里向外磁头移动：自里向外自外向里自外向里v又称为又称为 “电梯调度算电梯调度算法法”平均寻道长度：平均寻道长度：27.82018138163935532589490241841016050150移动距离移动距离被访问的下一个被访问的下一个磁道磁道100道开始，增加

18、方向道开始，增加方向55、58、39、18、90、160、150、38、184Page 282021-10-15Operating SystemOperating SystemPage 292021-10-15Operating SystemOperating System0383955589010015016018418v缺点：缺点：刚移过刚移过的磁道的等待时的磁道的等待时间长间长Page 302021-10-15Operating SystemOperating Systemq 循环扫描循环扫描(CSCAN)算法算法 v规定磁头单向移动规定磁头单向移动v减少刚移过的磁道的等减少刚移过的磁道

19、的等待时间待时间平均寻道长度：平均寻道长度：27.532903581655139203816618241841016050150移动距离移动距离被访问的下一个被访问的下一个磁道磁道100道开始，增加方向道开始，增加方向55、58、39、18、90、160、150、38、184Page 312021-10-15Operating SystemOperating System0383955589010015016018418Page 322021-10-15Operating SystemOperating SystemPage 332021-10-15Operating SystemOperat

20、ing SystemPage 342021-10-15Operating SystemOperating Systemq N-Step-SCAN和和FSCAN调度算法调度算法 vN-Step-SCAN算法算法在在SSTF、 SCAN及及CSCAN几种调度算法中，几种调度算法中， 都都可能出现磁臂停留在某处不动的情况，称为可能出现磁臂停留在某处不动的情况，称为“磁磁臂粘着臂粘着”(Armstickiness)N步步SCAN算法是将磁盘请求队列分成若干个长度算法是将磁盘请求队列分成若干个长度为为N的子队列，磁盘调度将按的子队列，磁盘调度将按FCFS算法依次处理算法依次处理这些子队列。这些子队列。

21、而每处理一个队列时又是按而每处理一个队列时又是按SCAN算法，对一个队列处理完后，再处理其他队列算法，对一个队列处理完后，再处理其他队列vFSCAN算法算法FSCAN算法是算法是N步步SCAN算法的简化，算法的简化， 即其只将即其只将磁盘请求队列分成两个子队列。一是由当前所有磁盘请求队列分成两个子队列。一是由当前所有请求请求I/O的进程形成的队列，由磁盘调度按的进程形成的队列，由磁盘调度按SCAN算法进行处理。在扫描期间，新出现的所有请求算法进行处理。在扫描期间，新出现的所有请求I/O的进程，的进程， 则放入另一个等待处理的请求队列则放入另一个等待处理的请求队列当当N值很大时，值很大时，N步扫

22、步扫描性能接近于描性能接近于SCAN性性能；能；N=1， N步扫描步扫描性能便退化为性能便退化为FCFSPage 352021-10-15Operating SystemOperating Systemq磁盘存储器管理的主要任务磁盘存储器管理的主要任务q磁盘性能简述磁盘性能简述q磁盘调度磁盘调度q磁盘高速缓存磁盘高速缓存(Disk Cache)q提高磁盘提高磁盘I/O速度的其它方法速度的其它方法q廉价磁盘冗余阵列廉价磁盘冗余阵列Page 362021-10-15Operating SystemOperating System磁磁盘盘高高速速缓缓存存(Disk Cachq磁盘高速缓存的形式磁盘高

23、速缓存的形式v利用利用内存内存中的存储空间，来暂存从中的存储空间，来暂存从磁盘磁盘中读中读出的一系列盘块中的信息出的一系列盘块中的信息v高速缓存是一组在逻辑上属于磁盘，高速缓存是一组在逻辑上属于磁盘， 而物理而物理上是驻留在内存中的盘块上是驻留在内存中的盘块v高速缓存在内存中可分成两种形式高速缓存在内存中可分成两种形式在内存中开辟一个在内存中开辟一个单独的存储空间单独的存储空间来作为来作为磁盘高速缓存，其大小是固定的磁盘高速缓存，其大小是固定的把所有把所有未利用的内存空间变为一个缓冲池未利用的内存空间变为一个缓冲池，供请求分页系统和磁盘供请求分页系统和磁盘I/O时时(作为磁盘高作为磁盘高速缓存

24、速缓存)共享共享不受应用程序不受应用程序多少的限制多少的限制应用程序多时应用程序多时缓存可能很小缓存可能很小Page 372021-10-15Operating SystemOperating System磁磁盘盘高高速速缓缓存存(Disk Cachq数据交付方式数据交付方式v数据交付（数据交付（Data Delivery）是指将磁盘高是指将磁盘高速缓存中的数据传送给请求者进程速缓存中的数据传送给请求者进程v当有进程请求访问某个盘块时，先查看磁盘当有进程请求访问某个盘块时，先查看磁盘高速缓存高速缓存v有两种方式交付数据给请求进程有两种方式交付数据给请求进程数据交付数据交付。这是直接将高速缓存中

25、的数据，。这是直接将高速缓存中的数据， 传送到请求者进程的内存工作区中传送到请求者进程的内存工作区中指针交付指针交付。只将指向高速缓存中某区域的。只将指向高速缓存中某区域的指针，交付给请求者进程指针，交付给请求者进程所传送的数据量少，所传送的数据量少，节省了数据从磁盘节省了数据从磁盘高速缓存存储空间高速缓存存储空间到进程的内存工作到进程的内存工作区的时间区的时间Page 382021-10-15Operating SystemOperating System磁磁盘盘高高速速缓缓存存(Disk Cachq置换算法置换算法v将磁盘中的盘块写入高速缓存时，会出现因将磁盘中的盘块写入高速缓存时，会出现

26、因为高速缓存中已装满盘块而需要将高速缓存为高速缓存中已装满盘块而需要将高速缓存中的数据先换出的问题，常用算法有中的数据先换出的问题，常用算法有LRU、NRU、LFU等等v除了考虑除了考虑LRU外，还需考虑以下几点外，还需考虑以下几点访问频率访问频率可预见性，如正在写数据的未满盘块可预见性，如正在写数据的未满盘块数据的一致性数据的一致性 内存中已修改数据要写回内存中已修改数据要写回磁盘磁盘可将高速缓存中的所有盘块数据构成一个可将高速缓存中的所有盘块数据构成一个LRU链，将会影链，将会影响到数据一致性的盘块和响到数据一致性的盘块和很久都不可能再用很久都不可能再用的盘块放在的盘块放在LRU链的链头，

27、使其优先被写回磁盘，不久后还要再使用链的链头，使其优先被写回磁盘，不久后还要再使用的盘块放到链尾的盘块放到链尾最近最久未使用算法最近最久未使用算法LRU最近未使用算法最近未使用算法NRU最少使用算法最少使用算法LFUPage 392021-10-15Operating SystemOperating System磁磁盘盘高高速速缓缓存存(Disk Cachq周期性写回磁盘周期性写回磁盘v在在LRU算法中，经常被访问的盘块数据可能算法中，经常被访问的盘块数据可能一直保留在高速缓存中，长期不被写回磁盘一直保留在高速缓存中，长期不被写回磁盘v在在UNIX系统中专门增设了一个系统中专门增设了一个修改修

28、改(update)程序，程序， 使之在后台运行，该程序周期性地调使之在后台运行，该程序周期性地调用一个系统调用用一个系统调用SYNC。该调用的主要功能。该调用的主要功能是强制性地将所有在高速缓存中已修改的盘是强制性地将所有在高速缓存中已修改的盘块数据写回磁盘块数据写回磁盘v在在MS-DOS中所采用的方法是：只要高速缓中所采用的方法是：只要高速缓存中的某盘块数据被修改，便立即将它写回存中的某盘块数据被修改，便立即将它写回磁盘，并将这种高速缓存称为磁盘，并将这种高速缓存称为“写穿透、高写穿透、高速缓存速缓存”(write-through cache)Page 402021-10-15Operati

29、ng SystemOperating Systemq磁盘存储器管理的主要任务磁盘存储器管理的主要任务q磁盘性能简述磁盘性能简述q磁盘调度磁盘调度q磁盘高速缓存磁盘高速缓存(Disk Cache)q提高磁盘提高磁盘I/O速度的其它方法速度的其它方法q廉价磁盘冗余阵列廉价磁盘冗余阵列Page 412021-10-15Operating SystemOperating Systemq提前读（提前读（Read-Ahead）v在读当前块的同时，将下一盘块读入缓冲区在读当前块的同时，将下一盘块读入缓冲区q延迟写延迟写v缓冲区中的数据不立即写回磁盘，而挂在队尾缓冲区中的数据不立即写回磁盘，而挂在队尾q优化物

30、理块分布优化物理块分布v使文件的物理块集中，减小磁头移动距离使文件的物理块集中，减小磁头移动距离v分配时以簇（若干个盘块分配时以簇（若干个盘块 ）为单位）为单位v磁盘碎片整理磁盘碎片整理q虚拟盘虚拟盘v利用内存空间仿真磁盘，又称为利用内存空间仿真磁盘，又称为RAM盘盘Page 422021-10-15Operating SystemOperating Systemq磁盘存储器管理的主要任务磁盘存储器管理的主要任务q磁盘性能简述磁盘性能简述q磁盘调度磁盘调度q磁盘高速缓存磁盘高速缓存(Disk Cache)q提高磁盘提高磁盘I/O速度的其它方法速度的其它方法q廉价磁盘冗余阵列廉价磁盘冗余阵列Pa

31、ge 432021-10-15Operating SystemOperating Systemq廉价磁盘冗余阵列廉价磁盘冗余阵列RAID(Redundant Array of Inexpensive Disk)，1987年由美国加州大学年由美国加州大学提出提出q过去过去RAID是由许多小的便宜磁盘组成的，可作是由许多小的便宜磁盘组成的，可作为大的昂贵磁盘的有效替代品为大的昂贵磁盘的有效替代品q现在现在RAID的使用主要是因为其高可靠性和高数的使用主要是因为其高可靠性和高数据传输率，而不是经济原因据传输率，而不是经济原因q利用一台磁盘阵列控制器统一管理和控制一组磁利用一台磁盘阵列控制器统一管理和

32、控制一组磁盘驱动器，组成一个可靠的、快速的大容量磁盘盘驱动器，组成一个可靠的、快速的大容量磁盘系统系统Page 442021-10-15Operating SystemOperating Systemq磁盘冗余磁盘冗余改善可靠性改善可靠性v复制每个磁盘，这种技术称为镜像复制每个磁盘，这种技术称为镜像Page 452021-10-15Operating SystemOperating Systemq并行交叉存取并行交叉存取提高数据传输速度提高数据传输速度v将一个盘块中的数据分成若干个子盘块数据，将一个盘块中的数据分成若干个子盘块数据，分别存储在不同磁盘的相同位置上。数据传分别存储在不同磁盘的相同

33、位置上。数据传送时采用并行传输方式送时采用并行传输方式123Nv主要目的：通过负载平衡，增加了多个小访问主要目的：通过负载平衡，增加了多个小访问（即页访问）的吞吐量，降低大访问的响应时间（即页访问）的吞吐量，降低大访问的响应时间Page 462021-10-15Operating SystemOperating Systemq镜像提高可靠性，但很昂贵，分散提供了高数镜像提高可靠性，但很昂贵，分散提供了高数据传输率，但并未改善可靠性，通过磁盘分散据传输率，但并未改善可靠性，通过磁盘分散和和“奇偶奇偶”位可以提供多种方案以在低代价下位可以提供多种方案以在低代价下提供冗余，这些方案有不同的性价折中，

34、可分提供冗余，这些方案有不同的性价折中，可分成不同级别，称为成不同级别，称为RAID级别级别Page 472021-10-15Operating SystemOperating System2. RAID的分级的分级(Redundant Array of Inexpensive Disk)RAID 1级。 (3) RAID 2级。 (4) RAID 3级。(5) RAID 4级。(6) RAID 5级。 (7) RAID 6级和RAID 7级。 Page 482021-10-15Operating SystemOperating SystemPage 492021-10-15Operating

35、 SystemOperating SystemPage 502021-10-15Operating SystemOperating SystemPage 512021-10-15Operating SystemOperating System2. RAID的分级的分级 RAID 0级。 (3) RAID 2级。 (4) RAID 3级。(5) RAID 4级。(6) RAID 5级。 (7) RAID 6级和RAID 7级。 Page 522021-10-15Operating SystemOperating SystemPage 532021-10-15Operating SystemOpe

36、rating System磁盘访问)q 写性能比RAID 0差q 存储开销大q 可靠性高Page 542021-10-15Operating SystemOperating System2. RAID的分级的分级 RAID 0级。RAID 1级。 (4) RAID 3级。(5) RAID 4级。(6) RAID 5级。 (7) RAID 6级和RAID 7级。 Page 552021-10-15Operating SystemOperating SystemPage 562021-10-15Operating SystemOperating System2. RAID的分级的分级 RAID 0级。RAID 1级。 (3) RAID 2级。 (5) RAID 4级。(6) RAID 5级。 (7) RAID 6级和RAID 7级。 Page 572021-10-15Operating SystemOperating SystemPage 582021-10-15Operating SystemOperating Sy