细致讲解大容量存储器结构

www.lliner.me1细致讲解大容量存储器结构磁盘结构磁盘调度磁盘管理交换空间管理RAID结构磁盘附属稳定存储实现第三级存储结构2主要问题讨论为改善性能而调度磁盘I/O顺序的磁盘调度算法讨论磁盘格式化以及启动块、坏块和交换空间的管理简单描述第三级存储设备及操作系统使用第三级存储所引起的问题3磁盘结构磁盘：为现代计算机提供了大容量的次级存储磁盘驱动器：一维的逻辑块数组逻辑块：最小的传输单位映射：一维逻辑块按顺序映射到磁盘的扇区映射顺序：磁道内扇区顺序—柱面内磁道顺序—从外到内的柱面顺序实际映射时的困难绝大多数磁盘都有一些缺陷扇区，映射必须用磁盘上的其他空闲扇区来替代有些磁盘，每个磁道的扇区数并不是常数4磁盘调度磁盘带宽所传递的总的字节数除以从服务请求开始到最后传递结束时的总时间访问时间（访问速度）寻道时间：磁臂将磁头移动到包含目标扇区的柱面的时间—通常用来衡量调度算法的性能旋转延迟：磁盘将目标扇区转动到磁头下的时间51、FCFS调度先来先服务（FCFS）：按请求到来的顺序进行服务优点：比较公平缺点：通常不能提供最快的服务例：有一个磁盘队列，其I/O对各个柱面上块的请求顺序如下：98，183，37，122，14，124，65，67磁头开始位于536FCFS：总的磁头移动量为640柱面72、SSTF调度最短寻道时间优先算法（shortest-seek-time-first）从当前磁头位置选择最短寻道时间的请求，即选择与当前磁头位置最近的待处理请求优点：较FCFS大大提高了性能缺点：可能会导致一些请求得不到服务，并不是最佳例：有一个磁盘队列，其I/O对各个柱面上块的请求顺序如下：98，183，37，122，14，124，65，67磁头开始位于538SSTF：总的磁头移动量为236柱面93、SCAN调度SCAN算法又称电梯算法磁臂从磁盘的一端向另一端移动，同时当磁头移过每个柱面时，处理位于该柱面上的服务请求。当到达另一端（磁盘的尽头）时，磁头改变方向，处理继续。需要知道磁头的当前位置和磁头移动的方向某些请求处理可能不及时例：有一个磁盘队列，其I/O对各个柱面上块的请求顺序如下：98，183，37，122，14，124，65，67磁头开始位于53，向0方向移动10SCAN：总的磁头移动量为236柱面114、C-SCAN调度SCAN调度的变种将磁头从磁盘一端移到另一端（磁盘的尽头），随着移动不断的处理请求。不过，当磁头移到另一端时，马上返回到磁盘开始（磁盘的尽头），返回时不处理请求。例：有一个磁盘队列，其I/O对各个柱面上块的请求顺序如下：98，183，37，122，14，124，65，67磁头开始位于53，向199方向移动12C-SCAN：总的磁头移动量为382柱面135、LOOK与C-LOOK调度SCAN和C-SCAN的变种磁头只移动到一个方向上最远的请求为止，然后马上回头，而不是继续到磁盘的尽头例：有一个磁盘队列，其I/O对各个柱面上块的请求顺序如下：98，183，37，122，14，124，65，67磁头开始位于53，向199方向移动14C-LOOK：总的磁头移动量为322柱面15LOOK：总的磁头移动量为299柱面16调度算法练习假设移动头磁盘有200个磁道（0－199）。目前正在处理143号磁道上的请求，而刚刚处理结束的请求是125号，如果下面给出的顺序是按FIFO算法排成的等待服务队列顺序：86，147，91，177，94，150，102，175，130那么，用下列各种磁盘调度算法来满足这些请求所需的总磁头移动量是多少？（1）FCFS（2）SSTF（3）SCAN（4）C-SCAN（5）LOOK（6）C-LOOK17（1）FCFS：565086919410213014314715017517719918（2）SSTF：162086919410213014314715017517719919（3）SCAN：169086919410213014314715017517719920（4）C_SCAN：385086919410213014314715017517719921（5）LOOK：125086919410213014314715017517719922（6）C_LOOK：1690869194102130143147150175177199236、磁盘调度算法的选择比较SSTF较为普遍且很有吸引力，比FCFS性能好SCAN和C-SCAN对于磁盘负荷较大的系统会执行的更好，他们不会产生饿死问题SSTF和LOOK是比较合理的缺省算法选择依据请求的数量请求的类型文件分配方法目录和索引块的位置2414.3磁盘管理磁盘格式化低级格式化（物理格式化）：在磁盘能存储数据之前，将其分成扇区以便磁盘控制器能读和写的过程为了使用磁盘存储文件，操作系统需要将自己的数据结构记录在磁盘上将磁盘分为由一个或多个柱面组成的分区—操作系统将每个分区作为一个独立的磁盘逻辑格式化—操作系统将初始的文件系统数据结构存储到磁盘上磁盘使用前的三个步骤252、引导块初始化自举程序：初始化系统的各个方面，以使计算机开始运行自举程序的保存通常保存在只读存储器（ROM）中—修改麻烦很多系统只在启动ROM中保留一个很小的自举装入程序，其作用是进一步从磁盘上调入更为完整的自举程序—可以容易的进行修改263、坏块磁盘有移动部件且容错能力小，所以出现坏扇区简单磁盘坏扇区手工处理复杂磁盘坏扇区扇区备用或转寄扇区滑动一个有坏扇区

的磁道用备用扇区替代坏扇区滑动所有扇区来

略过坏扇区2714.4交换空间管理交换空间设计和使用的目的是为虚拟内存提供最佳吞吐量交换空间的使用系统所需交换空间的量受以下因素影响物理内存的多少所支持虚拟内存的多少内存使用方式对交换空间数量的高估比低估更为安全低估——若系统用完了交换空间，可能会中断进程或使整个系统瘫痪高估——浪费一些空间，但并不会造成损害交换空间位置在普通文件系统上加以创建（简单但低效）在独立的磁盘分区上创建（无需文件系统和目录结构，优化速度）283、交换空间管理（UNIX例）4.3BSD：创建进程时，预先分配交换空间，用于保存代码段和数据段，内核对每个进程使用两个交换表来跟踪交换空间的使用。Solaris1(SunOS4)：当页需要换出时丢弃－从文件系统中再读入一页比将其保存在交换空间中再从中读入更为高效。Solaris2：只有在一页被强制换出物理内存时才分配交换空间。4.3BSD代码段交换表4.3BSD数据段交换表(数据段会增长)2914.5RAID结构RAID技术：多种磁盘的组织技术，用于提高性能和可靠性RAID：独立磁盘冗余阵列R：redundancy冗余A：array阵列I：independent独立D：disk磁盘301、通过冗余改善可靠性——复制每个磁盘（镜像，简单但昂贵）2、通过并行处理改善性能——在多个磁盘上分散数据位级分散：在多个磁盘上分散每个字节的各个位块级分散：一个文件的块可分散在各个磁盘上其它分散级别扇区字节块的扇区磁盘系统并行访问的两个主要目的通过负荷平衡，增加了多个小访问的吞吐量降低大访问的响应时间313、RAID级别分析：镜像提供高可靠性，但很昂贵；分散提供了高数据传输率，但并未改善可靠性RAID级别：通过磁盘分散和“奇偶”位可以提供多种方案，以在低价下提供冗余RAID0：按块级别分散的磁盘阵列，但没有冗余323）RAID2：内存方式的差错纠正代码结构（4个存储，3个纠错）2）RAID1：磁盘镜像（4个存储，4个镜像）Hamming校验码334）RAID3：基于位交织奇偶结构（4个存储，1个纠错）5）RAID4：基于块交织奇偶结构（4个存储，1个纠错）奇偶校验位346）RAID5：块交织分布式奇偶结构（5个都有数据和奇偶块）7）RAID6：P+Q冗余方案（差错纠正码＋Reed-Solomon码）Strip12Strip8Strip4Strip0P(12-15)Strip9Strip5Strip1Q(12-15)P(8-11)Strip6Strip2Strip13Q(8-11)P(4-7)Strip3Strip14Strip10Q(4-7)P(0-3)Strip15Strip11Strip7Q(0-3)两种校验码：P&Q358）RAID0＋1：0和1的组合，先分散再镜像9）RAID1＋0：0和1的组合，先镜像再分散一个磁盘故障一个磁盘故障36RAID级别的选择RAID系统的重建性能可靠性磁盘数量每个奇偶位所能保护的位数37磁盘附属计算机访问磁盘存储的方式主机附属存储：通过本地I/O端口访问的存储可用于主机附属存储的存储设备：硬盘驱动器、RAID阵列、CD、DVD、磁带驱动器等网络附属存储：通过数据网络访问的专用存储系统缺陷：需要使用数据网络带宽，增加了网络通信延迟存储区域网络（SAN）：服务器与存储单元之间的专门网络，多个主机和多个存储阵列可以附加在同一SAN上，存储可动态的附加在主机上381稳定存储实现稳定存储：存储在稳定存储上的数据永远不会丢失实现稳定存储的条件需要在多个具有独立出错模式的存储设备上重复所需信息需要协调用于更新的写操作，以确保更新时所发生的差错不会使所有拷贝处于损坏状态，当恢复数据时，能强制使得所有数据处于一致和正确状态磁盘写的三种可能情况成功完成部分差错完全差错39具体实现（系统为每个逻辑块维护两个物理拷贝）输出操作将信息写到第一个物理块上当第一次写成功完成时，再将同样信息写到第二个物理块上只有在第二次写成功完成时，才声明操作完成恢复程序（从差错中恢复时，每块物理块都要检查）若两个块相同且没有检测到差错，无需采取任何动作若一块有检测差错，那么用另一块的值来替代若两块没有检测差错但内容不同，用第二块的内容代替第一块的内容40第三级存储结构第三级存储设备可移动磁盘软盘、优盘、可移动硬盘磁光盘光盘磁带与磁盘相比，价格便宜，容量大，但随机访问较慢通常用于保存磁盘数据的备份未来技术全息照相存储器基于微电子机械系统，将电子芯片制造技术应用于制造小的数据存储机器412、操作系统作业操作系统对磁盘提供了两种抽象生设备（rawdevice）：只是数据块的阵列文件系统操作系统如何处理可移动存储介质应用接口大多数OS如固定盘一样处理可移动磁盘每个应用程序自己决定如何组织磁带，装满数据的磁