设备管理培训课件 八

第五章设备管理操作系统刘刚1/10/20231第五章设备管理I/O系统

I/O控制方式

缓冲管理

设备分配设备处理磁盘存储器管理1/10/20232磁盘存储器管理磁盘存储器管理的主要任务磁盘性能简述磁盘调度磁盘高速缓存(DiskCache)提高磁盘I/O速度的其它方法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1/10/20233磁盘存储器管理磁盘存储器管理的主要任务为文件分配存储空间合理地组织文件地存储方式，以提高磁盘的访问速度提高磁盘存储空间地利用率提高磁盘I/O速度，改善文件性能确保文件系统的可靠性（备份）1/10/20234磁盘存储器管理磁盘存储器管理的主要任务磁盘性能简述磁盘调度磁盘高速缓存(DiskCache)提高磁盘I/O速度的其它方法廉价磁盘冗余阵列1/10/202355.6磁盘存储器管理5.6.1磁盘性能简述1.数据的组织和格式图5-22磁盘的格式化

磁盘包括一个或多个盘片，每片分2面，每面可分成若干条磁道，各磁道之间有间隙，每条磁道上可存储相同数目的二进制位，磁盘密度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。1/10/20236磁盘性能简述盘片扇区磁头磁道1/10/20237磁盘性能简述1/10/20238磁盘性能简述1/10/20239磁盘性能简述1/10/202310磁盘性性能简简述12/29/202211磁盘性能简简述12/29/202212磁盘性能能简述数据的组组织和格格式盘片（1个或或多个））、盘面面、磁道道、扇区区扇区有标识符字字段和数据字段段Gap102031292293FieldGapFieldGapGapFieldGapFieldGap17741515201774151520IDDataIDDataGap1292293FieldGapField1774151520IDDataSectorPhysicalSector0PhysicalSector1PhysicalSector29BytesSynchByteTrack#Head#Sector#Bytes1211CRC3SynchByteDataCRC15122600Bytes/SectorGap存储相同同数目的的二进制制位间隙定界符段校验12/29/2022132.磁磁盘的类类型1)固固定头磁磁盘这种磁盘盘在每条磁道道上都有有一读/写磁头头，所有的的磁头都都被装在在一刚性性磁臂中中。通过过这些磁磁头可访访问所有有各磁道道，并进进行并行读/写，有效地地提高了磁磁盘的I/O速速度。这种结结构的磁磁盘主要要用于大容量磁磁盘上。2)移移动头磁磁盘每一个盘盘面仅配配有一个个磁头，也被装装入磁臂臂中。为为能访问问该盘面面上的所所有磁道道，该磁磁头必须须能移动动以进行行寻道。。可见，，移动磁磁头仅能能以串行方式式读/写写，致使其其I/O速速度较慢慢；但由于于其结构构简单，，故仍仍广泛应应用于中小型磁磁盘设备中。。12/29/202214磁盘性能简简述访盘时间组组成寻道时间旋转延迟时时间传输时间12/29/202215磁盘性能简简述磁盘访问时时间寻道时间Ts这是指把磁磁臂(磁头头)移动到到指定磁道道上所经历历的时间。。该时间是是启动磁臂臂的时间s与磁头移移动n条磁道所花花费的时间间之和，即即Ts=m×n+s旋转延迟时时间Tτ这是指定扇扇区移动到到磁头下面面所经历的的时间。如如：7200r/min每转=60000ms/7200r=8.33ms平均旋转延延迟=（0+8.33)/2=4.16是一常数，，与磁盘驱驱动器的速速度有关一般：0.2高速：<=0.1启动磁臂时时间2ms12/29/202216磁盘性能简简述传输时间Tt指把数据从从磁盘读出出或向磁盘盘写入数据据所经历的的时间。其其大小与与每次所读读/写的字字节数b和和旋转速度度有关r为磁盘每秒秒钟的转数数；N为一条磁道道上的字节节数Tτ和Tt相同同，，则则访访问问时时间间=Ts+Tτ+Tt如b=N/2，，则则Tτ=1/(2r)=Tt可见见，，寻寻道道时时间间TS和旋旋转转延延迟迟时时间间Tτ基本本上上都都与与所所读读/写写数数据据的的字字节节数数无无关关，，而而且且它它通通常常占占据据了了访访问问时时间间中中的的大大部部分分目前磁盘的传传输速率已达达到80MB/s以上，，数据传输时时间所占的比比例更低。可可见，适当地地集中数据传传输，将有利利于提高传输输效率12/29/2022173.磁磁盘盘访问问时间间寻道时时间:20ms磁盘通通道传传输速速率:1MB/s转速r=3600rpm每扇区区512字字节每磁道道32扇扇区目标：：读128k数数据1.寻寻道时时间TS：TS=m*n+S；；2.旋旋转延延时间间Tr：Tr＝1/2r3.数数据传传输时时间Tt：Tt＝b/rN访问时时间：：Ta=Ts+1/2r+b/rN60*16k=960k<1MB/s顺序组组织(20＋8.3＋16.7)＋(8.3＋＋16.7)××7＝＝220(ms)随机组组织(20＋8.3＋0.5)××256＝＝7373(ms)12/29/202218磁盘存储储器管理理磁盘存储储器管理理的主要要任务磁盘性能能简述磁盘调度度磁盘高速速缓存(DiskCache)提高磁盘盘I/O速度的的其它方方法廉价磁盘盘冗余阵阵列在访问磁磁盘的时时间中，，主要是是寻道时时间，因因此，磁磁盘调度度的目标标就是使使磁盘的的平均寻寻道时间间最少。。12/29/202219磁盘调度先来先服务FCFS(First-Come,FirstServed)根据进程请求求访问磁盘的的先后次序进进行调度优点：简单、、公平，不会会出现请求长长期得不到满满足缺点：未优化化，平均寻道道时间长平均寻道长度度：55.31461841123810150701607290211819393584555移动距离被访问的下一一个磁道100道开始始55、58、、39、18、90、160、150、38、、18412/29/2022200383955589010015016018418先来先服务务FCFS(First-Come,FirstServed)12/29/202221磁盘调度最短寻道时时间优先SSTF(ShortestSeekTimeFirst)要求访问的的磁道与当当前磁头所所在的磁道道距离最近近优点：使每每次寻道时时间最短缺点：不能能保证平均均寻道时间间最短；可可能导致距距离远的进进程总也得得不到服务务平均寻道长长度：27.524184101601321502018138163935532581090移动距离被访问的下下一个磁道道100道开开始55、58、39、、18、90、160、150、38、18412/29/2022220383955589010015016018418最短寻道道时间优优先STF(ShortestSeekTimeFirst)12/29/202223FCFS调度算算法SSTF调度算算法100道开始被访问的下一个磁道移动距离5545583391918219072160701501038112184146平均寻道长度：55.3100道开始被访问的下一个磁道移动距离90105832553391638118201501321601018424平均寻道长度：27.512/29/2022243.扫扫描(SCAN)算法法1)进进程“饥饥饿”现现象SSTF算法虽虽然能获获得较好好的寻道道性能，，但却可可能导致致某个进进程发生生“饥饿饿”(Starvation)现象象。因为为只要不不断有新新进程的的请求到到达，且且其所要要访问的的磁道与与磁头当当前所在在磁道的的距离较较近，这这种新进进程的I/O请请求必须须优先满满足。对对SSTF算法法略加修修改后所所形成的的SCAN算法法，即可可防止老老进程出出现“饥饥饿”现现象。12/29/202225磁盘调调度扫描(SCAN)算算法SSTF算算法虽虽然能能获得得较好好的寻寻道性性能，，但但却可可能导导致某某个进进程发发生““饥饿”(Starvation)现象05016012/29/202226磁盘调调度扫描(SCAN)算算法对SSTF算法法略加加修改改后所所形成成的SCAN算算法，，即即可防防止进进程出出现““饥饿饿”现现象SCAN算算法不不仅考考虑欲欲访问问的磁磁道与与当前前磁道道的距距离，，更优优先考考虑的的是磁磁头当当前的的移动动方向向磁头移移动：：自里里向外外自外向向里又称为““电梯调度算算法”12/29/202227磁盘调度扫描(SCAN)算算法对SSTF算法略加加修改后所所形成的SCAN算算法，即即可防止进进程出现““饥饿”现现象SCAN算算法不仅考考虑欲访问问的磁道与与当前磁道道的距离，，更优先考考虑的是磁磁头当前的的移动方向向磁头移动动：自里里向外自外向里里又称为““电梯调度度算法”平均寻道道长度：：27.82018138163935532589490241841016050150移动距离离被访问的的下一个个磁道100道道开始，，增加方方向55、58、39、18、90、160、、150、38、18412/29/202228SCAN调度算算法SSTF调度算算法100道开始被访问的下一个磁道移动距离90105832553391638118201501321601018424平均寻道长度：27.5100道开始，增加方向被访问的下一个磁道移动距离1505016010184249094583255339163811820平均寻道长度：27.812/29/2022290383955589010015016018418磁盘调度缺点：刚移过的磁道道的等待时间间长12/29/202230磁盘调度循环扫描(CSCAN)算法规定磁头单向向移动减少刚移过的的磁道的等待待时间平均寻道长度度：27.532903581655139203816618241841016050150移动距离被访问的下一一个磁道100道开始始，增加方向向55、58、、39、18、90、160、150、38、、18412/29/2022310383955589010015016018418磁盘调度12/29/202232SCAN调度度算法CSCAN调调度算法100道开始，增加方向被访问的下一个磁道移动距离1505016010184249094583255339163811820平均寻道长度：27.8100道开始，增加方向被访问的下一个磁道移动距离15050160101842418166382039155165839032平均寻道长度：27.512/29/202233SSTF调调度算算法CSCAN调调度算算法100道开始，增加方向被访问的下一个磁道移动距离15050160101842418166382039155165839032平均寻道长度：27.5100道开始被访问的下一个磁道移动距离90105832553391638118201501321601018424平均寻道长度：27.512/29/202234磁盘调调度N-Step-SCAN和FSCAN调度度算法法N-Step-SCAN算法法在SSTF、SCAN及CSCAN几种种调度度算法法中，，都都可能能出现现磁臂臂停留留在某某处不不动的的情况况，称称为““磁臂粘粘着”(Armstickiness)N步SCAN算算法是是将磁磁盘请请求队队列分分成若若干个个长度度为N的子子队列列，磁磁盘调调度将将按FCFS算算法依依次处处理这这些子子队列列。而而每每处理理一个个队列列时又又是按按SCAN算法法，对对一个个队列列处理理完后后，再再处理理其他他队列列FSCAN算法法FSCAN算法法是N步SCAN算算法的的简化化，即即其其只将将磁盘盘请求求队列列分成成两个个子队队列。。一是是由当当前所所有请请求I/O的进进程形形成的的队列列，由由磁盘盘调度度按SCAN算算法进进行处处理。。在扫扫描期期间，，新出出现的的所有有请求求I/O的的进程程，则则放放入另另一个个等待待处理理的请请求队队列当N值值很大大时，，N步步扫描描性能能接近近于SCAN性性能；；N=1，，N步扫扫描性性能便便退化化为FCFS12/29/202235磁盘盘存存储储器器管管理理磁盘盘存存储储器器管管理理的的主主要要任任务务磁盘盘性性能能简简述述磁盘盘调调度度磁盘盘高高速速缓缓存存(DiskCache)提高高磁磁盘盘I/O速速度度的的其其它它方方法法廉价价磁磁盘盘冗冗余余阵阵列列12/29/202236磁盘盘高高速速缓缓存存(DiskCache)磁盘盘高高速速缓缓存存的的形形式式利用用内存存中的的存存储储空空间间，，来来暂暂存存从从磁盘盘中读读出出的的一一系系列列盘盘块块中中的的信信息息高速速缓缓存存是是一一组组在在逻逻辑辑上上属属于于磁磁盘盘，，而而物物理理上上是是驻驻留留在在内内存存中中的的盘盘块块高速速缓缓存存在在内内存存中中可可分分成成两两种种形形式式在内内存存中中开开辟辟一一个个单独独的的存存储储空空间间来作作为为磁磁盘盘高高速速缓缓存存，，其其大大小小是是固固定定的的把所所有有未利利用用的的内内存存空空间间变变为为一一个个缓缓冲冲池池，供供请请求求分分页页系系统统和和磁磁盘盘I/O时时(作作为为磁磁盘盘高高速速缓缓存存)共共享享不受受应应用用程程序序多多少少的的限限制制应用用程程序序多多时时缓缓存存可可能能很很小小12/29/202237磁盘高速速缓存(DiskCache)数据交付付方式数据交付付（DataDelivery））是指将磁磁盘高速速缓存中中的数据据传送给给请求者者进程当有进程程请求访访问某个个盘块时时，先查查看磁盘盘高速缓缓存有两种方方式交付付数据给给请求进进程数据交付付。这是直直接将高高速缓存存中的数数据，传传送到到请求者者进程的的内存工工作区中中指针交付付。只将指指向高速速缓存中中某区域域的指针针，交付付给请求求者进程程所传送的的数据量量少，节节省了数数据从磁磁盘高速速缓存存存储空间间到进程程的内存存工作区区的时间间12/29/202238磁盘高速速缓存(DiskCache)置换算法法将磁盘中的的盘块写入入高速缓存存时，会出出现因为高高速缓存中中已装满盘盘块而需要要将高速缓缓存中的数数据先换出出的问题，，常用算法法有LRU、NRU、LFU等除了考虑LRU外，，还需考虑虑以下几点点访问频率可预见性，，如正在写写数据的未未满盘块数据的一致致性内存中已修修改数据要要写回磁盘盘可将高速缓缓存中的所所有盘块数数据构成一一个LRU链，将会会影响到数数据一致性性的盘块和和很久都不可可能再用的盘块放在在LRU链链的链头，，使其优先先被写回磁磁盘，不久久后还要再再使用的盘盘块放到链链尾最近最久未未使用算法法LRU最近未使用用算法NRU最少使用算算法LFU12/29/202239磁盘高速缓缓存(DiskCache)周期性写回回磁盘在LRU算算法中，经经常被访问问的盘块数数据可能一一直保留在在高速缓存存中，长期期不被写回回磁盘在UNIX系统中专专门增设了了一个修改(update)程序，使使之在后台台运行，该该程序周期期性地调用用一个系统统调用SYNC。该该调用的主主要功能是是强制性地地将所有在在高速缓存存中已修改改的盘块数数据写回磁磁盘在MS-DOS中所所采用的方方法是：只只要高速缓缓存中的某某盘块数据据被修改，，便立即将将它写回磁磁盘，并将将这种高速速缓存称为为“写穿透、高高速缓存””(write-throughcache)12/29/202240磁盘存储器器管理磁盘存储器器管理的主主要任务磁盘性能简简述磁盘调度磁盘高速缓缓存(DiskCache)提高磁盘I/O速度度的其它方方法廉价磁盘冗冗余阵列12/29/202241提高磁盘盘I/O速度的的其它方方法提前读（（Read-Ahead）在读当前前块的同同时，将将下一盘盘块读入入缓冲区区延迟写缓冲区中中的数据据不立即即写回磁磁盘，而而挂在队队尾优化物理理块分布布使文件的的物理块块集中，，减小磁磁头移动动距离分配时以以簇（若若干个盘盘块））为单位位磁盘碎片片整理虚拟盘利用内存存空间仿仿真磁盘盘，又称称为RAM盘12/29/202242磁盘存储储器管理理磁盘存储储器管理理的主要要任务磁盘性能能简述磁盘调度度磁盘高速速缓存(DiskCache)提高磁盘盘I/O速度的的其它方方法廉价磁盘盘冗余阵阵列12/29/202243廉价磁盘冗余余阵列廉价磁盘冗余余阵列RAID(RedundantArrayofInexpensiveDisk)，1987年年由美国加州州大学提出过去RAID是由许多小小的便宜磁盘盘组成的，可可作为大的昂昂贵磁盘的有有效替代品现在RAID的使用主要要是因为其高高可靠性和高高数据传输率率，而不是经经济原因利用一台磁盘盘阵列控制器器统一管理和和控制一组磁磁盘驱动器，，组成一个可可靠的、快速速的大容量磁磁盘系统12/29/202244廉价磁盘冗余余阵列磁盘冗余———改善可靠性性复制每个磁盘盘，这种技术术称为镜像12/29/202245廉价价磁磁盘盘冗冗余余阵阵列列并行行交交叉叉存存取取————提提高高数数据据传传输输速速度度将一一个个盘盘块块中中的的数数据据分分成成若若干干个个子子盘盘块块数数据据，，分分别别存存储储在在不不同同磁磁盘盘的的相相同同位位置置上上。。数数据据传传送送时时采采用用并并行行传传输输方方式式主要要目目的的：：通通过过负负载载平平衡衡，，增增加加了了多多个个小小访访问问（（即即页页访访问问））的的吞吞吐吐量量，，降降低低大大访访问问的的响响应应时时间间12/29/202246廉价磁盘盘冗余阵阵列镜像提高高可靠性性，但很很昂贵，，分散提提供了高高数据传传输率，，但并未未改善可可靠性，，通过磁磁盘分散散和“奇奇偶”位位可以提提供多种种方案以以在低代代价下提提供冗余余，这些些方案有有不同的的性价折折中，可可分成不不同级别别，称为为RAID级别12/29/2022472.RAID的分分级(RedundantArrayofInexpensiveDisk)RAID0级级。RAID1级级。(3)RAID2级级。(4)RAID3级级。(5)RAID4级级。(6)RAID5级级。(7)RAID6级级和RAID7级级。12/29/202248RAID0(不不冗余余）12/29/202249RAID012/29/202250RAID0不冗冗余余不校校验验分布布式式存存储储低可可靠靠性性低价价格格并行行I/O访访问问12/29/2022512.RAID的分级RAID0级。RAID1级。(3)RAID2级级。(4)RAID3级级。(5)RAID4级级。(6)RAID5级级。(7)RAID6级级和RAID7级。12/29/202252RAID1(镜像)分布存放镜像冗余不校验12/29/202253RAID1读性能能比RAID0好(选选择寻寻道时时间小小的磁磁盘访访问)写性能能比RAID0差存储开开销大大可靠性性高12/29/2022542.RAID的分分级RAID0级级。RAID1级级。(3)RAID2级级。(4)RAID3级级。(5)RAID4级级。(6)RAID5级级。(7)RAID6级级和RAID7级级。12/29/202255RAID2(汉汉明码码校验验冗余余)12/29/2022562.RAID的的分分级级RAID0级级。。RAID1级级。。(3)RAID2级级。。(4)RAID3级级。。(5)RAID4级。(6)RAID5级。(7)RAID6级和RAID7级