操作系统课件第五章3.ppt

1、第五章 设备管理,操作系统,Page 1,2020/9/9,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,Page 2,2020/9/9,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(Disk Cache) 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,Page 3,2020/9/9,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

2、统的可靠性（备份）,Page 4,2020/9/9,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(Disk Cache) 提高磁盘I/O速度的其它方法 廉价磁盘冗余阵列,Page 5,2020/9/9,5.6 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。,Page 6,2020/9/9,磁盘性能简述,盘片,扇区,磁头,磁道,Pag

3、e 7,2020/9/9,磁盘性能简述,Page 8,2020/9/9,磁盘性能简述,Page 9,2020/9/9,磁盘性能简述,Page 10,2020/9/9,磁盘性能简述,Page 11,2020/9/9,磁盘性能简述,Page 12,2020/9/9,磁盘性能简述,数据的组织和格式 盘片（1个或多个）、盘面、磁道、扇区 扇区有标识符字段和数据字段,存储相同数目的二进制位,间隙,定界符,段校验,Page 13,2020/9/9,2. 磁盘的类型,1) 固定头磁盘 这种磁盘在每条磁道上都有一读/写磁头，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，并进行并行读/写，有效地

4、提高了磁盘的I/O速度。这种结构的磁盘主要用于大容量磁盘上。 2) 移动头磁盘 每一个盘面仅配有一个磁头，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，移动磁头仅能以串行方式读/写，致使其I/O速度较慢；但由于其结构简单， 故仍广泛应用于中小型磁盘设备中。,Page 14,2020/9/9,磁盘性能简述,访盘时间组成,寻道时间,旋转延迟时间,传输时间,Page 15,2020/9/9,磁盘性能简述,磁盘访问时间 寻道时间Ts 这是指把磁臂(磁头)移动到指定磁道上所经历的时间。该时间是启动磁臂的时间s与磁头移动n条磁道所花费的时间之和， 即 Ts=mn+s 旋转延

5、迟时间T 这是指定扇区移动到磁头下面所经历的时间。如：7200r/min 每转=60000ms/7200r=8.33ms 平均旋转延迟=（0+8.33)/2=4.16,是一常数，与磁盘驱动器的速度有关,一般：0.2 高速：=0.1,启动磁臂时间 2ms,Page 16,2020/9/9,磁盘性能简述,传输时间Tt 指把数据从磁盘读出或向磁盘写入数据所经历的时间。 其大小与每次所读/写的字节数b和旋转速度有关 r为磁盘每秒钟的转数；N为一条磁道上的字节数 T和Tt相同，则访问时间=Ts + T+ Tt,如b=N/2，则 T=1/(2r)=Tt,可见，寻道时间TS和旋转延迟时间T基本上都与所读/写

6、数据的字节数无关，而且它通常占据了访问时间中的大部分,目前磁盘的传输速率已达到80MB/s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，将有利于提高传输效率,Page 17,2020/9/9,3. 磁盘访问时间,寻道时间: 20ms 磁盘通道传输速率: 1MB/s 转速r=3600rpm 每扇区512字节 每磁道32 扇区 目标：读 128k 数据,1.寻道时间TS：TS=m*n+S； 2.旋转延时间Tr：Tr1/2r 3.数据传输时间Tt ：Ttb/rN 访问时间：Ta=Ts+1/2r+b/rN,60*16k=960k1MB/s 顺序组织 (208.316.7)(8.316.7

7、)7220(ms) 随机组织 (208.30.5)2567373(ms),Page 18,2020/9/9,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(Disk Cache) 提高磁盘I/O速度的其它方法 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，磁盘调度的目标就是使磁盘的平均寻道时间最少。,Page 19,2020/9/9,磁盘调度,先来先服务FCFS(First-Come, First Served) 根据进程请求访问磁盘的先后次序进行调度 优点：简单、公平，不会出现请求长期得不到满足 缺点：未优化，平均寻道时间长,平均寻道长度：55.

8、3,146,184,112,38,10,150,70,160,72,90,21,18,19,39,3,58,45,55,移动距离,被访问的下一个磁道,100道开始,55、58、39、18、90、160、150、38、184,Page 20,2020/9/9,0,38,39,55,58,90,100,150,160,184,18,先来先服务FCFS(First-Come, First Served),磁盘调度,最短寻道时间优先SSTF(Shortest Seek Time First) 要求访问的磁道与当前磁头所在的磁道距离最近 优点：使每次寻道时间最短 缺点：不能保证平均寻道时间最短；可能导致

9、距离远的进程总也得不到服务,平均寻道长度：27.5,24,184,10,160,132,150,20,18,1,38,16,39,3,55,32,58,10,90,移动距离,被访问的下一个磁道,100道开始,55、58、39、18、90、160、150、38、184,Page 22,2020/9/9,0,38,39,55,58,90,100,150,160,184,18,最短寻道时间优先STF (Shortest Seek Time First),FCFS调度算法 SSTF调度算法,Page 24,2020/9/9,3. 扫描(SCAN)算法,1) 进程“饥饿”现象,SSTF算法虽然能获得较好

10、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 25,2020/9/9,磁盘调度,扫描(SCAN)算法 SSTF算法虽然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,0,50,160,Page 26,2020/9/9,磁盘调度,扫描(SCAN)算法 对SSTF算法略加修改后所形成的SCAN算法， 即可防止进程出现“饥饿”现象

11、SCAN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方向 磁头移动：自里向外自外向里 又称为 “电梯调度算法”,Page 27,2020/9/9,磁盘调度,扫描(SCAN)算法 对SSTF算法略加修改后所形成的SCAN算法， 即可防止进程出现“饥饿”现象 SCAN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方向 磁头移动：自里向外自外向里 又称为 “电梯调度算法”,平均寻道长度：27.8,20,18,1,38,16,39,3,55,32,58,94,90,24,184,10,160,50,150,移动距离,被访问的下一个磁道,100道开始，增

12、加方向,55、58、39、18、90、160、150、38、184,Page 28,2020/9/9,SCAN调度算法 SSTF调度算法,Page 29,2020/9/9,0,38,39,55,58,90,100,150,160,184,18,磁盘调度,缺点：刚移过的磁道的等待时间长,Page 30,2020/9/9,磁盘调度,循环扫描(CSCAN)算法 规定磁头单向移动 减少刚移过的磁道的等待时间,平均寻道长度：27.5,32,90,3,58,16,55,1,39,20,38,166,18,24,184,10,160,50,150,移动距离,被访问的下一个磁道,100道开始，增加方向,55、

13、58、39、18、90、160、150、38、184,Page 31,2020/9/9,0,38,39,55,58,90,100,150,160,184,18,磁盘调度,Page 32,2020/9/9,SCAN调度算法 CSCAN调度算法,Page 33,2020/9/9,SSTF调度算法 CSCAN调度算法,Page 34,2020/9/9,磁盘调度,N-Step-SCAN和FSCAN调度算法 N-Step-SCAN算法 在SSTF、 SCAN及CSCAN几种调度算法中， 都可能出现磁臂停留在某处不动的情况，称为“磁臂粘着”(Armstickiness) N步SCAN算法是将磁盘请求队列分

14、成若干个长度为N的子队列，磁盘调度将按FCFS算法依次处理这些子队列。 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 FSCAN算法 FSCAN算法是N步SCAN算法的简化， 即其只将磁盘请求队列分成两个子队列。一是由当前所有请求I/O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I/O的进程， 则放入另一个等待处理的请求队列,当N值很大时，N步扫描性能接近于SCAN性能；N=1， N步扫描性能便退化为FCFS,Page 35,2020/9/9,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(Disk

15、 Cache) 提高磁盘I/O速度的其它方法 廉价磁盘冗余阵列,Page 36,2020/9/9,磁盘高速缓存(Disk Cache),磁盘高速缓存的形式 利用内存中的存储空间，来暂存从磁盘中读出的一系列盘块中的信息 高速缓存是一组在逻辑上属于磁盘， 而物理上是驻留在内存中的盘块 高速缓存在内存中可分成两种形式 在内存中开辟一个单独的存储空间来作为磁盘高速缓存，其大小是固定的 把所有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I/O时(作为磁盘高速缓存)共享,不受应用程序多少的限制,应用程序多时缓存可能很小,Page 37,2020/9/9,磁盘高速缓存(Disk Cache),数据交

16、付方式 数据交付（Data Delivery）是指将磁盘高速缓存中的数据传送给请求者进程 当有进程请求访问某个盘块时，先查看磁盘高速缓存 有两种方式交付数据给请求进程 数据交付。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 指针交付。只将指向高速缓存中某区域的指针，交付给请求者进程,所传送的数据量少，节省了数据从磁盘高速缓存存储空间到进程的内存工作区的时间,Page 38,2020/9/9,磁盘高速缓存(Disk Cache),置换算法 将磁盘中的盘块写入高速缓存时，会出现因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LRU、NRU、LFU等 除了考虑

17、LRU外，还需考虑以下几点 访问频率 可预见性，如正在写数据的未满盘块 数据的一致性 内存中已修改数据要写回磁盘,可将高速缓存中的所有盘块数据构成一个LRU链，将会影响到数据一致性的盘块和很久都不可能再用的盘块放在LRU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,最近最久未使用算法LRU 最近未使用算法NRU 最少使用算法LFU,Page 39,2020/9/9,磁盘高速缓存(Disk Cache),周期性写回磁盘 在LRU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 在UNIX系统中专门增设了一个修改(update)程序， 使之在后台运行，该程序周

18、期性地调用一个系统调用SYNC。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块数据写回磁盘 在MS-DOS中所采用的方法是：只要高速缓存中的某盘块数据被修改，便立即将它写回磁盘，并将这种高速缓存称为“写穿透、高速缓存”(write-through cache),Page 40,2020/9/9,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(Disk Cache) 提高磁盘I/O速度的其它方法 廉价磁盘冗余阵列,Page 41,2020/9/9,提高磁盘I/O速度的其它方法,提前读（Read-Ahead） 在读当前块的同时，将下一盘块读入缓冲区 延迟写

19、 缓冲区中的数据不立即写回磁盘，而挂在队尾 优化物理块分布 使文件的物理块集中，减小磁头移动距离 分配时以簇（若干个盘块 ）为单位 磁盘碎片整理 虚拟盘 利用内存空间仿真磁盘，又称为RAM盘,Page 42,2020/9/9,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(Disk Cache) 提高磁盘I/O速度的其它方法 廉价磁盘冗余阵列,Page 43,2020/9/9,廉价磁盘冗余阵列,廉价磁盘冗余阵列RAID(Redundant Array of Inexpensive Disk)，1987年由美国加州大学提出 过去RAID是由许多小的便宜磁盘组成的，

20、可作为大的昂贵磁盘的有效替代品 现在RAID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 利用一台磁盘阵列控制器统一管理和控制一组磁盘驱动器，组成一个可靠的、快速的大容量磁盘系统,Page 44,2020/9/9,廉价磁盘冗余阵列,磁盘冗余改善可靠性 复制每个磁盘，这种技术称为镜像,Page 45,2020/9/9,廉价磁盘冗余阵列,并行交叉存取提高数据传输速度 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。数据传送时采用并行传输方式,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,Page 46,2020/9/9,廉价

21、磁盘冗余阵列,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，通过磁盘分散和“奇偶”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，可分成不同级别，称为RAID级别,Page 47,2020/9/9,2. RAID的分级(Redundant Array of Inexpensive Disk),RAID 0级。 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 48,2020/9/9,RAID 0 (不冗余）,Page 49,2020

22、/9/9,RAID 0,Page 50,2020/9/9,RAID 0,不冗余 不校验 分布式存储 低可靠性 低价格 并行 I/O 访问,Page 51,2020/9/9,2. RAID的分级,RAID 0级。 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 52,2020/9/9,RAID 1 (镜像),分布存放 镜像冗余 不校验,Page 53,2020/9/9,RAID 1,读性能比 RAID 0好 (选择寻道时间小的磁盘访问) 写性能比 RAID 0差 存储开销

23、大 可靠性高,Page 54,2020/9/9,2. RAID的分级,RAID 0级。 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 55,2020/9/9,RAID 2 (汉明码校验冗余),Page 56,2020/9/9,2. RAID的分级,RAID 0级。 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 57,2020/9/9,RAID 3,用一个校验盘,Page 58,2020/9/9,2. RAID的分级,RAID 0级。 RAID 1级。 (3) RAID 2级。 (4) RAID 3级。 (5) RAID 4级。 (6) RAID 5级。 (7)