磁盘存储管理技术教程

1、第第1 1页页磁盘存储管理技术教程磁盘存储管理技术教程 第第2 2页页教学提示：教学提示：由于磁盘是计算机系统中文件的主要载体，因此本由于磁盘是计算机系统中文件的主要载体，因此本章介绍的内容与文件管理章节中的内容密切相关，我们在学习章介绍的内容与文件管理章节中的内容密切相关，我们在学习的过程中，要注意将这两部分内容融会贯通。的过程中，要注意将这两部分内容融会贯通。教学目标：教学目标：本章主要介绍了磁盘存储器的概念、驱动调度算法本章主要介绍了磁盘存储器的概念、驱动调度算法及磁盘空间管理等内容。及磁盘空间管理等内容。 第第3 3页页7.1 磁盘存储器概述磁盘存储器概述磁盘存储器是最常用的一种辅助存

2、储器，用于存放当磁盘存储器是最常用的一种辅助存储器，用于存放当前不需要立即使用的信息，一旦需要，再和主机成批前不需要立即使用的信息，一旦需要，再和主机成批交换数据，它是主存储器的后备。磁盘存储器的最大交换数据，它是主存储器的后备。磁盘存储器的最大特点是存储容量大、可靠性高、价格低。特点是存储容量大、可靠性高、价格低。磁盘存储器是将磁性材料涂敷在很薄的塑胶片或非磁磁盘存储器是将磁性材料涂敷在很薄的塑胶片或非磁性金属物质表面而形成的。磁层的厚度为性金属物质表面而形成的。磁层的厚度为1 15m5m。该磁层就是记录数据的介质，它是存储信息的基础，该磁层就是记录数据的介质，它是存储信息的基础，通过磁头将

3、电脉冲表示的二进制代码转换成磁记录介通过磁头将电脉冲表示的二进制代码转换成磁记录介质上的不同剩磁状态来实现信息的写入。而介质上的质上的不同剩磁状态来实现信息的写入。而介质上的磁化单元信息又可通过磁头转换成电脉冲，以实现信磁化单元信息又可通过磁头转换成电脉冲，以实现信息的读出。磁盘分为软盘和硬盘两种。息的读出。磁盘分为软盘和硬盘两种。第第4 4页页磁盘的存储容量分为非格式化容量和格式化容量两种。非格式化磁盘的存储容量分为非格式化容量和格式化容量两种。非格式化容量取决于盘片本身磁介质所允许的记录密度，格式化容量取容量取决于盘片本身磁介质所允许的记录密度，格式化容量取决于操作系统如何为磁盘划分磁道和

4、扇区。我们一般所说的存决于操作系统如何为磁盘划分磁道和扇区。我们一般所说的存储容量指的是格式化容量，它一般低于非格式化容量。储容量指的是格式化容量，它一般低于非格式化容量。磁盘的非格式化容量为磁盘的非格式化容量为Cn=wCn=w3.143.14d dm mn n，其中，其中w w为位密度，为位密度，d d为最内圈直径为最内圈直径(200mm)(200mm)，m m为记录面数，为记录面数，n n为每面磁道数。为每面磁道数。磁盘格式化后的存储容量磁盘格式化后的存储容量=n=nt ts sb b，其中，其中n n为保存数据的总盘为保存数据的总盘面数，面数，t t为每面磁道数，为每面磁道数，s s为每

5、道的扇区数，为每道的扇区数，b b为每个扇区存储为每个扇区存储的字节数。的字节数。7.1.1 7.1.1 软盘的组织结构软盘的组织结构 第第5 5页页磁盘的存取时间磁盘的存取时间( (访问时间访问时间)=)=寻道时间寻道时间 + + 等待时间。等待时间。寻道时间为磁头移动到目标磁道所需的时间，我们寻道时间为磁头移动到目标磁道所需的时间，我们可以通过降低磁盘的平均寻道时间来降低访问时间；可以通过降低磁盘的平均寻道时间来降低访问时间；等待时间等待时间( (又称旋转时间又称旋转时间) )为等待读写的扇区旋转到为等待读写的扇区旋转到磁头下方所用的时间。磁盘的存取时间一般选用磁磁头下方所用的时间。磁盘的

6、存取时间一般选用磁道旋转一周所用时间的一半作为平均等待时间。道旋转一周所用时间的一半作为平均等待时间。磁盘的数据传输速率是指磁头找到地址后，单位时间磁盘的数据传输速率是指磁头找到地址后，单位时间写入或读出的字节数写入或读出的字节数( (即即 TB/T TB/T，TBTB为一个磁道上记为一个磁道上记录的字节数，录的字节数，T T为磁道每转一圈所需的时间为磁道每转一圈所需的时间) )。7.1.1 7.1.1 软盘的组织结构软盘的组织结构 第第6 6页页7.1.2 7.1.2 硬盘硬盘 硬盘是将若干盘片叠起来固定在一起，绕着同一个轴硬盘是将若干盘片叠起来固定在一起，绕着同一个轴旋转。旋转。19681

7、968年，年，IBMIBM公司首次提出名为公司首次提出名为“温彻斯特温彻斯特(Winchester)(Winchester)”的技术，的技术，“温彻斯特温彻斯特”技术的精髓技术的精髓是是“密封、固定并高速旋转的镀磁盘片，磁头沿盘密封、固定并高速旋转的镀磁盘片，磁头沿盘片径向移动，磁头悬浮在高速转动的盘片上方，而片径向移动，磁头悬浮在高速转动的盘片上方，而不与盘片直接接触不与盘片直接接触”。这就是现代硬盘的原型。这就是现代硬盘的原型。在在 20 20 世纪世纪 80 80 年代末，年代末，IBMIBM 公司又相继研发了公司又相继研发了MR(Magneto ResistiveMR(Magneto

8、Resistive磁阻磁阻) )磁头和磁头和GMR(GMR(巨磁阻巨磁阻) )磁磁头，使得盘片的存储密度大幅度提高，从而带动了头，使得盘片的存储密度大幅度提高，从而带动了整块硬盘容量的增大。整块硬盘容量的增大。第第7 7页页7.2 7.2 驱动调度算法驱动调度算法 由于辅存设备都包含速度相对较慢的机械由于辅存设备都包含速度相对较慢的机械设备，频繁地机械访问操作将会影响操作系设备，频繁地机械访问操作将会影响操作系统的执行性能。就磁盘而言，追求的就是有统的执行性能。就磁盘而言，追求的就是有较短的存取时间较短的存取时间(访问时间访问时间)和较高的数据传和较高的数据传输速率，而磁盘调度是降低磁盘平均访

9、问时输速率，而磁盘调度是降低磁盘平均访问时间最有效的方法。因此如何有效地对磁盘调间最有效的方法。因此如何有效地对磁盘调度，是操作系统必须考虑的主要因素之一。度，是操作系统必须考虑的主要因素之一。下面介绍几种驱动调度算法。下面介绍几种驱动调度算法。 第第8 8页页7.2.1 循环排序循环排序对旋转型的外设，记录具有循环的特点。当某一请求序列来到对旋转型的外设，记录具有循环的特点。当某一请求序列来到时，进行某种排序具有非常的意义。时，进行某种排序具有非常的意义。【例】【例】 有一磁盘转速为有一磁盘转速为20ms/转，每一个磁道保存转，每一个磁道保存5个记录，如个记录，如果收到以下果收到以下4个个I

10、/O请求，并且在一条到该设备的可用通路，请请求，并且在一条到该设备的可用通路，请分析请求序列为分析请求序列为4321时，采用下列哪一些响应序列速度最快？时，采用下列哪一些响应序列速度最快？(假设定位时间为假设定位时间为10ms，读出记录时间为，读出记录时间为5ms，且当前记录为，且当前记录为3)(1) 4 3 2 1。(2) 1 2 3 4。(3) 4 1 2 3。实现这种算法需要一个位置测定装置，然后再安排合适的响应实现这种算法需要一个位置测定装置，然后再安排合适的响应序列，才能达到较快的速度。序列，才能达到较快的速度。 第第9 9页页7.2.2 优化分布优化分布信息在存储空间的排列方式也会

11、影响存取等待。信息在存储空间的排列方式也会影响存取等待。【例】【例】 假设有假设有10个逻辑记录个逻辑记录A、B、C、D、J被存于旋被存于旋转型设备上，每道存放转型设备上，每道存放10个记录，如果经常顺序处理这些个记录，如果经常顺序处理这些记录，旋转速度为记录，旋转速度为 20ms，处理程序读出每个记录后花，处理程序读出每个记录后花 4ms进行处理，试分析下列两种排序下处理完进行处理，试分析下列两种排序下处理完10个记录的总时个记录的总时间。间。(1) A B C D E F G H I J (2) A H E B I F C J G D 第第1010页页7.2.3 交替地址交替地址把每一个记

12、录重复记录在这台设备的多个区域，可以显著减少存把每一个记录重复记录在这台设备的多个区域，可以显著减少存取时间，这样读相同的数据记录，就有几个交替地址，这种方法取时间，这样读相同的数据记录，就有几个交替地址，这种方法也被称为多重副本或折迭。也被称为多重副本或折迭。【例】【例】 若每道有若每道有8个记录，旋转速度个记录，旋转速度20ms，如果记录，如果记录A存于存于1道道，记录，记录1，则存取记录，则存取记录A平均时间为半周，即平均时间为半周，即10ms；如果记录；如果记录A的副本存于的副本存于1道，记录道，记录1和和1道，记录道，记录5，则存取记录，则存取记录A平均时间降平均时间降为为5ms (

13、存取时间拆半存取时间拆半)。这种技术要耗用较多的存储空间。适用于反复读取，不需修改的这种技术要耗用较多的存储空间。适用于反复读取，不需修改的数据。数据。 第第1111页页7.2.4 搜索定序搜索定序对于磁盘设备，除了旋转位置外，还有搜查定位的问题。输对于磁盘设备，除了旋转位置外，还有搜查定位的问题。输入输出请求需要入输出请求需要3部分地址：柱面号、道号和记录号。部分地址：柱面号、道号和记录号。第第1212页页7.2.5 算法选择算法选择在众多的磁盘调度算法中，要选择一个最适合系统的算法在众多的磁盘调度算法中，要选择一个最适合系统的算法相当困难。先来先服务算法确实能够给予相当的公平性，相当困难。

14、先来先服务算法确实能够给予相当的公平性，但却无法获得较佳的效果。最短查找时间优先算法算是一但却无法获得较佳的效果。最短查找时间优先算法算是一般且普遍的算法。双向扫描算法和单向扫描算法适合负载般且普遍的算法。双向扫描算法和单向扫描算法适合负载较大的情况，但实际上在大多数的操作系统中并未被实现较大的情况，但实际上在大多数的操作系统中并未被实现，因为需要硬件的支持。，因为需要硬件的支持。此外，磁盘服务的要求也会受文件分配方式的影响。连续此外，磁盘服务的要求也会受文件分配方式的影响。连续分配将会产生许多邻近块的磁盘要求，而减少磁头的移动分配将会产生许多邻近块的磁盘要求，而减少磁头的移动；而链表或索引结

15、构，则可能会访问包含几个散布于磁盘；而链表或索引结构，则可能会访问包含几个散布于磁盘各处的块，这将会产生较多的磁头移动。由此可见，由于各处的块，这将会产生较多的磁头移动。由此可见，由于涉及诸多因素，使得我们很难评估各种算法的优劣。涉及诸多因素，使得我们很难评估各种算法的优劣。第第1313页页7.3 磁盘存储空间管理磁盘存储空间管理 为了实现能对外存空间的有效利用，并提高对文件的访问效率为了实现能对外存空间的有效利用，并提高对文件的访问效率，需要系统对外存中的空闲块资源妥善管理。在大多数情况下，需要系统对外存中的空闲块资源妥善管理。在大多数情况下，都是利用磁盘来存放文件。因此本节就基于磁盘文件介

16、绍几，都是利用磁盘来存放文件。因此本节就基于磁盘文件介绍几种常用的磁盘空闲块管理技术：空闲空间表法、空闲块链接法种常用的磁盘空闲块管理技术：空闲空间表法、空闲块链接法、成组链接法及位示图法。、成组链接法及位示图法。第第1414页页7.3.1 空闲空间表法空闲空间表法2. 空闲块分配空闲块分配在建立新文件时，要为它分配空间，为此，系统检索空闲空间在建立新文件时，要为它分配空间，为此，系统检索空闲空间表，寻找合适的表项。如果对应空闲区的大小恰好等于所申请表，寻找合适的表项。如果对应空闲区的大小恰好等于所申请值，就把该项从表中清除。如果该区大于所需数量，则把分配值，就把该项从表中清除。如果该区大于所

17、需数量，则把分配后剩余的部分记录在表中。常用的分配算法有以下几种。后剩余的部分记录在表中。常用的分配算法有以下几种。(1) 优先适应算法。每次分配时，总是顺序查找未分配表，找优先适应算法。每次分配时，总是顺序查找未分配表，找到第一个能满足长度要求的空闲块为止。到第一个能满足长度要求的空闲块为止。(2) 最佳适应算法。从空闲区中挑选出一个能满足作业要求的最佳适应算法。从空闲区中挑选出一个能满足作业要求的最小分区。容易造成剩下空闲区太小以致无法使用。最小分区。容易造成剩下空闲区太小以致无法使用。(3) 最坏适应算法。总是挑选一个最大的空闲区分割给作业使最坏适应算法。总是挑选一个最大的空闲区分割给作

18、业使用。这种做法能保证剩下的空闲区不至于太小，对小作业有利用。这种做法能保证剩下的空闲区不至于太小，对小作业有利。第第1515页页3. 空闲块回收空闲块回收当用户删除一个文件时，系统就回收该文件占用的块，并把相当用户删除一个文件时，系统就回收该文件占用的块，并把相应的空闲块信息填回到空闲空间表中。如果释放的块和原有空应的空闲块信息填回到空闲空间表中。如果释放的块和原有空闲块相邻，则把它们合并成一个大的空闲区，记在一个表项中闲块相邻，则把它们合并成一个大的空闲区，记在一个表项中。随着文件不断地被创建和被删除，如同内存动态分配一样会产随着文件不断地被创建和被删除，如同内存动态分配一样会产生碎片，这些碎片可以采用紧缩法进行处理。生碎片，这些碎片可以采用紧缩法进行处理。第第1616页页7.3.2 空闲块链接法空闲块链接法把所有的空闲块连接在一起，系统保持有一个指针指向第一把所有的空闲块连接在一起，系统保持有一个指针指向第一个自由块，每一个自由块包含指向下一个自由块的指针。申个自由块，每一个自由块包含指向下一个自由块的指针。申请一块时，从链头取一块并修改系统指针。删除时释放占用请一块时，从链头取一块并修改系统指针。删除时释放占用块使其成为空闲并将它挂到空闲链头上块使其成为空闲并将它挂到空闲链头上 第第1717页页7.3.3 空闲块成组链接法空闲