計算機操作系統(tǒng)（第3版）課件 第12章 大容量存儲器結構

第12章大容量存儲器的結構

Mass-StorageStructure本章目標CHAPTEROBJECTIVES描述次級和三級存儲設備的物理結構Describethephysicalstructureofsecondaryandtertiarystoragedevices說明大容量存儲設備的工作特性Explaintheperformancecharacteristicsofmass-storagedevices12.1大容量存儲器結構簡介

文件的存儲設備主要有磁帶、磁盤、光盤等。存儲設備的特性可以決定文件的存取方法。下面介紹以磁帶為代表的順序存取設備和以磁盤為代表的直接存取設備。12.1.1磁盤磁盤是典型的直接存取設備。磁盤一般由若干磁盤片組成，可沿一個固定方向高速旋轉。每個盤面對應一個磁頭，磁臂可沿半徑方向移動。磁盤上的一系列同心圓稱為磁道（track），磁道沿徑向又分成大小相等的多個扇區(qū)（sector），與盤片中心有一定距離的所有磁道組成一個柱面（cylinder）。磁盤上的每個物理塊可用柱面號，磁頭號和扇區(qū)號表示。磁盤數(shù)據組織和格式示意圖磁臂磁頭3

01234567磁道第i扇區(qū)…間隙標識字段間隙數(shù)據字段間隙…磁盤訪問時間磁盤訪問時間由三部分組成：尋道時間（seektime）：指將磁頭從當前位置移動到指定磁道所經歷的時間。由啟動磁臂時間和磁頭移動多條磁道的時間構成。旋轉延遲時間（rotationallatency）：指扇區(qū)移動到磁頭下面所經歷的時間。平均旋轉延遲時間是每轉所需時間的一半。傳輸時間（transfertime）：指從磁盤上讀出數(shù)據或向磁盤寫入數(shù)據所經歷的時間。由于這三部分操作均涉及機械運動，故磁盤塊的訪問時間約為0.01～0.1s之間，其中尋道時間所占的比例最大。12.1.2磁帶磁帶是一種典型的順序存取設備。由于磁帶機的啟動和停止要花費一定的時間，因此在磁帶的相鄰物理塊之間設計有一段間隙將它們隔開，如下所示。磁帶…

間隙第i塊間隙第i＋1塊間隙…磁帶（續(xù)）磁帶的存取速度與信息密度（字符數(shù)/英寸）、磁帶帶速（英寸/秒）和塊間間隙有關。如果帶速高、信息密度大且所需塊間隙（磁頭啟動和停止時間）小，則磁帶存取速度高。反之，若磁帶帶速低、信息密度小且所需塊間隙（磁帶啟動和停止時間）大，則磁帶存取速度低。存儲設備、存取方法和物理結構的關系1文件的物理結構與文件存儲器的特性和存取方法密切相關。磁帶是一種順序存取設備，適合采用順序結構存放文件，相應的存取方法通常是順序存取法。若采用其他文件結構或采用直接存取方式都不太合適。存儲設備、存取方法和物理結構的關系2磁盤屬于直接存取存儲設備，前述的幾種物理結構都可以采用。存取方法也可以多種多樣。如果采用順序存取法則前述的幾種文件結構都可以采用。如果采用直接存取法，則索引文件效率最高，順序文件效率居中，串聯(lián)文件效率最低。存儲設備、存取方法和物理結構間的關系

3存儲設備磁盤磁帶物理結構順序結構鏈接結構索引結構順序結構存取方法順序、直接順序順序、直接順序12.2磁盤結構磁盤設備編址為邏輯塊的一維大數(shù)組。一維邏輯塊的數(shù)組按順序映射到磁盤上的扇區(qū)。磁盤結構20扇區(qū)是最外邊柱面的第一個磁道的第一個扇區(qū)。數(shù)據首先都映射到一個磁道，其余的數(shù)據映射到同一柱面的其他磁道，然后按照從外向里的順序映射到其余的柱面。12.3磁盤附屬計算機訪問磁盤存儲有兩種方式：通過I/O端口（主機附屬存儲），小系統(tǒng)常采用這種方式。網絡附屬存儲：通過分布式文件系統(tǒng)的遠程主機。12.4磁盤調度磁盤是可以被多個進程共享的設備。當有多個進程都請求訪問磁盤時，應采用一種適當?shù)恼{度算法，以使各進程對磁盤的平均訪問時間（主要是尋道時間）最短。下面介紹幾種磁盤調度算法。12.4.1先來先服務調度FCFS

先來先服務算法按進程請求訪問磁盤的先后次序進行調度。特點：簡單合理，但未對尋道進行優(yōu)化。先來先服務調度例平均尋道長度為：55.314618410150112387016072902118193935845移動距離55下一磁道號從100號磁道開始，磁盤訪問請求為：55、58、39、18、90、160、150、38、18412.4.2最短尋道時間優(yōu)先調度SSTF最短尋道時間優(yōu)先算法選擇從當前磁頭位置所需尋道時間最短的請求作為下一次服務的對象。特點：尋道性能比FCFS好，但不能保證平均尋道時間最短，還可能會使某些請求總也得不到服務。最短尋道時間優(yōu)先調度例平均尋道長度為：27.6241841321501016020181381639355325810移動距離90下一磁道號從100號磁道開始，磁盤訪問請求為：55、58、39、18、90、160、150、38、18412.4.3掃描調度SCAN（look）SSTF有可能引起某些請求的饑餓。SCAN算法在磁頭當前移動方向上選擇與當前磁頭所在磁道距離最近的請求作為下一次服務的對象。掃描調度2因這種算法中磁臂移動規(guī)律頗似大樓中電梯的運行，故又稱為電梯調度算法。特點：具有較好的尋道性能，能避免進程饑餓，但不利于兩端磁道的請求。掃描算法例平均尋道長度為：27.82018163913835532589490241841016050移動距離150下一磁道號從100號磁道開始，向磁道號增加方向移動。磁盤訪問請求為：55、58、39、18、90、160、150、38、18412.4.4循環(huán)掃描算法（CSCAN）C-LOOK）CSCAN算法是SCAN算法的變種，提供了一個更為均勻地等待時間。磁頭從磁盤的一端向另一端移動，沿途響應請求。當它到了另一端，就立即回到磁盤的開始處，在返回的途中不響應任何請求。特點：該算法消除了對兩端磁道請求的不公平。循環(huán)掃描算法例平均尋道長度為：35.832901655358139203816618241841016050移動距離150下一磁道號從100號磁道開始，向磁道號增加方向移動。磁盤訪問請求為：55、58、39、18、90、160、150、38、184N-Step-SCAN若多個進程反復請求對某一磁道的訪問，則磁臂可能停留在某處不動，這一現(xiàn)象稱為磁臂粘著。N-Step-SCAN算法：將磁盤請求隊列分成若干個長度為N的子隊列，磁盤調度按FCFS算法依次處理這些子隊列，而處理每個隊列時按SCAN算法進行，一個隊列處理完后，再處理其他隊列。FSCAN算法FSCAN算法是N-Step-SCAN算法的簡化，它只將磁盤請求隊列分成兩個子隊列。一個是當前所有請求磁盤I/O的進程形成的隊列，由磁盤調度按SCAN算法進行處理，另一個隊列則是在掃描期間新出現(xiàn)的磁盤請求。12.4.6磁盤調度算法的選擇SSTF比較通用且很有吸引力。SCAN和C-SCAN在重磁盤負載的系統(tǒng)中執(zhí)行得較好。性能依賴于請求的數(shù)量和類型。磁盤服務請求受到文件分配方式的影響。磁盤調度算法應該寫成操作系統(tǒng)中的一個獨立模塊，在必要的時候允許用不同的算法來替換。

SSTF和LOOK都是缺省算法的合理選擇。12.5磁盤管理這里討論磁盤初始化，磁盤引導12.5.1磁盤格式化低級格式化，或物理格式化：把磁盤劃分成扇區(qū)，以便磁盤控制器可以進行讀寫。每個扇區(qū)的數(shù)據結構通常由頭、數(shù)據區(qū)域和尾部組成。頭部和尾部包含了一些磁盤控制器所使用的信息，如扇區(qū)號

為使用磁盤保存文件，操作系統(tǒng)還需要在磁盤上保存它自身的數(shù)據結構。這分為兩步：把磁盤劃分成分區(qū)邏輯格式化或“創(chuàng)建文件系統(tǒng)”。也稱高級格式化。12.5.2引導塊BootBlock引導塊位于磁盤的固定位置，如引導分區(qū)的第一扇區(qū)引導過程CPU自檢運行ROM中的自舉程序(BIOSforPC)從引導分區(qū)裝入第一塊絕大多數(shù)系統(tǒng)只在啟動ROM中保留一個很小的自舉裝入程序，其作用是進一步從磁盤上調入更為完整的自舉程序。它能從磁盤上裝入整個操作系統(tǒng)。Windows2000的磁盤引導12.5.3壞塊BadBlock磁盤上的一個或多個扇區(qū)可能壞掉。對于簡單磁盤，F(xiàn)ormat等程序可以標記壞扇區(qū)以通知分配程序不使用。更為復雜的磁盤，對壞塊的處理更為智能化。如采用扇區(qū)備用或轉寄方案，即低級格式化時留一些塊作為備用，發(fā)現(xiàn)壞塊時用備用塊邏輯替代壞塊。12.6交換空間管理交換空間：虛擬內存使用磁盤空間作為主存的擴展交換空間的使用保存整個進程映像存儲換出內存的頁交換空間的位置交換空間創(chuàng)建在普通文件系統(tǒng)上。通常是文件系統(tǒng)內的一個簡單大文件。這種方式實現(xiàn)簡單但效率較低。交換空間創(chuàng)建在獨立的磁盤分區(qū)上（如Unix/Linux）。有些OS較為靈活，可以由系統(tǒng)管理員來選擇使用以上哪種方式。12.7RAID結構獨立磁盤冗余陣列技術用于提高性能和可靠性容錯技術：通過在系統(tǒng)中設置冗余部件來提高系統(tǒng)可靠性的一種技術。磁盤容錯技術：通過增加冗余磁盤驅動器、磁盤控制器等方法來提高磁盤系統(tǒng)可靠性的一種技術。也稱為系統(tǒng)容錯技術。系統(tǒng)容錯分為三級：第一級容錯技術：低級磁盤容錯技術第二級容錯技術：中級磁盤容錯技術第三級容錯技術：高級系統(tǒng)容錯技術第一級容錯技術第一級容錯技術是最基本的一種磁盤容錯技術，主要用于防止因磁盤表面缺陷所造成的數(shù)據丟失。它包含：雙份目錄、雙份文件分配表及寫后讀校驗等措施。雙份目錄和雙份文件分配表目錄和文件分配表是文件管理的重要數(shù)據結構，為防止它們被破壞，可在不同的磁盤上或在磁盤的不同區(qū)域中建立雙份目錄和文件分配表，一份稱為主目錄或主文件分配表，另一份稱為備份文件目錄及備份文件分配表。一旦主目錄或主文件分配表被破壞，則啟用備份文件目錄及文件分配表。系統(tǒng)啟動時也要對兩份數(shù)據結構進行檢查，以驗證它們的一致性。熱修復重定向和寫后讀校驗當磁盤出現(xiàn)較少缺陷時，可采用以下兩種補救措施：熱修復重定向：將磁盤中的一部分作為熱修復重定向區(qū)，用于存放當發(fā)現(xiàn)磁盤有缺陷時的待寫數(shù)據，并對寫入該區(qū)的所有數(shù)據進行登記，便于以后對數(shù)據進行訪問。寫后讀校驗：每次向磁盤中寫入一個數(shù)據塊后又立即從磁盤上讀出該數(shù)據塊，與寫入數(shù)據進行比較，若相同則寫下一塊，否則重寫。若重寫后仍不一致，則認為該盤塊有缺陷，此時便應將該塊數(shù)據寫入熱修復重定向區(qū)。第二級容錯技術第一級容錯技術只能用于防止由磁盤表面部分故障造成的數(shù)據丟失。若磁盤驅動器發(fā)生故障，則應采用第二級容錯技術。第二級容錯技術主要用于防止由磁盤驅動器及磁盤控制器故障所導致的系統(tǒng)不能正常工作。磁盤鏡像磁盤鏡像：在同一磁盤控制器下，再增設一個完全相同的磁盤驅動器。在每次向主磁盤寫入數(shù)據后，都采用寫后校驗方式，將數(shù)據再同樣寫到備份磁盤上，使兩個磁盤上有完全相同的位像圖。當主磁盤發(fā)生故障時，啟用備份磁盤并發(fā)出警告。主機磁盤控制器通道磁盤驅動器磁盤雙工磁盤雙工：將兩臺磁盤驅動器分別接到兩個磁盤控制器上，同樣使這兩臺磁盤驅動器鏡像成對。在磁盤雙工時，文件服務器同時將數(shù)據寫到兩個處于不同控制器下的磁盤上，使兩者有完全相同的位像圖，如果其中的一臺磁盤發(fā)生故障，另一臺仍然可以工作，同時發(fā)出警告。主機磁盤控制器通道磁盤驅動器磁盤控制器通道第三級容錯技術第三級系統(tǒng)容錯是在提供一、二級容錯的基礎上，提供文件服務器鏡像功能。主服務器與從服務器是配置完全相同的兩臺計算機。每臺服務器除了按常規(guī)加插網卡外，還需插入一塊鏡像服務器接口卡，然后用光纜將兩塊鏡像服務器接口卡連接起來。主服務器是當前正在為工作站提供網絡服務的服務器。系統(tǒng)自動將主服務器的內存和硬盤中的數(shù)據復制到從服務器。當主服務器發(fā)生故障時，從服務器成為網中的主服務器，使網絡不受影響地正常工作。當故障排除后，兩臺服務器重新同步。12.7.1通過冗余改善可靠性可靠性問題的解決方法是引入冗余。最簡單的方法是磁盤鏡像12.7.2通過并行處理改善性能數(shù)據分散：通過在多個磁盤上分散數(shù)據，能夠改善傳輸率。

位級分散：在多個磁盤上分散每個字節(jié)的各個位塊級分散：一個文件的塊可以分散在多個磁盤上12.7.3RAID級別RAIDLevels獨立磁盤冗余陣列是利用一臺磁盤陣列控制器來統(tǒng)一管理和控制一組磁盤驅動器，組成一個高速可靠的，快速的大容量磁盤系統(tǒng)。原來稱為廉價磁盤冗余陣列。RAID可分成不同級別。RAID級別RAIDLevelsRAID0、1級RAID0級：按塊級別分散的磁盤陣列，但沒有冗余。磁盤系統(tǒng)的可靠性不好，故很少使用。RAID1級：指磁盤鏡像。但磁盤利用率只有50%。RAID2、3、4級RAID2級：也稱為內存方式的差錯糾正代碼結構。每個字節(jié)有一個奇偶位，記錄字節(jié)中1的個數(shù)，還將差錯糾正代碼存儲在其他磁盤上。在實際中很少使用。RAID3級：也稱為基于位交織的奇偶校驗結構，是對級別2的改進。利用一臺奇偶校驗盤來完成容錯。比磁盤鏡像減少了所需的冗余磁盤數(shù)。常用于科學計算和圖像處理。RAID4級：也稱為塊交織奇偶結構，另外在一獨立磁盤上保存其他N個磁盤相應塊的奇偶校驗信息。RAID5、6級RAID5級：也稱為塊交織分布奇偶結構。將數(shù)據和奇偶校驗分布在所有N+1塊磁盤上。是最常見的奇偶校驗RAID系統(tǒng)。在RAID6級中，也稱為P+Q冗余方案。與RAID5類似，但保存了額外冗余信息以防止多個磁盤出錯，并使用差錯糾正碼。RAID0+1、1+0級別RAID0+1：是RAID0與RAID1的組合RAID1+0：即先鏡像，再分散12.8穩(wěn)定存儲實現(xiàn)根據定義，存儲在穩(wěn)定存儲器上的數(shù)據是永遠不會丟失的預寫式日志要求使用穩(wěn)定存儲器為了實現(xiàn)穩(wěn)定存儲在多個具有獨立故障方式的非易失存儲介質上備份信息以一種有控制的方式更新信息，以便確保在數(shù)據傳輸或修復的過程中發(fā)生錯誤以后我們能夠恢復穩(wěn)定的數(shù)據。習題11.13Supposethatadiskdrivehas5,000cylinders,numbered0to4,999.Thedriveiscurrentlyservingarequestatcylinder2,150,andthepreviousrequestwasatcylinder1,805.Thequeueofpendingrequests,inFIFOorder,is:2,069;1,212;2,296;2,800;544;1,618;356;1,523;4,965;3,681Startingfromthecurrentheadposition,whatisthetotaldistance(incylinders)thatthediskarmmovestosatisfyallthependingrequestsforeachofthefollowingdisk-schedulingalgorithms?a.FCFSb.SCANc.C-SCAN習題習題82、8選擇題共享設備磁盤的物理地址為（柱面號，磁頭號，扇區(qū)號），磁頭從當前位置移動到需訪問柱面所用的時間稱為①，磁頭從訪問的柱面移動到指定扇區(qū)所用時間稱為②。A.尋道時間B.傳輸時間C.旋轉等待時間D.周轉時間若進程P1訪問199號柱面，磁頭是從0號柱面移到199柱面的，且在訪問期間依次出現(xiàn)了P2申請讀299號柱面，P3申請寫209號柱面，P4申請讀199號柱面，訪問完199號柱面以后，如果采用：先來先服務算法，將依次訪問①；最短尋道時間優(yōu)先算法，將依次訪問②；掃描算法，將依次訪問③。A.299，199，209B.299，209，199C.199，209，299D.209，199，299選擇題2存放在磁盤上的文件_____。A.只能隨機訪問B.只能順序訪問C.既可隨機訪問，又可順序訪問

D.不能隨機訪問用磁帶作文件存儲介質時，文件只能組織成_____。A.目錄文件B.鏈接文件C.索引文件D.順序文件填空題活動頭磁盤的訪問時間包括①、②和③。_____算法選擇與當前磁頭所在磁道距離最近的請求作為下一次服務的對象?？佳蓄}1假設磁頭當前位于第105道，正在向磁道序號增加的方向移動?，F(xiàn)有一個磁道訪問序列請求為35、45、12、68、110、180、170、195，采用SCAN算法得到的磁道訪問序列為（）。09A、110、170、180、195、68、45、35、12B、110、68、45、35、12、170、180、195C、110、170、180、195、12、35、45、68D、12、35、45、68、110、170、180、195下列選項中，不能改善磁盤I/O性能的是（）12A．重排I/O請求次序B．在一個磁盤上設置多個分區(qū)C．預讀和滯后寫D．優(yōu)化文件物理塊的分布考研題2假設計算機系統(tǒng)采用CSCAN（循環(huán)掃描）磁盤調度策略，使用2KB的內存空間記錄16384個磁盤塊的空閑狀態(tài)。（1）請說明在上述條件下如何進行磁盤塊空閑狀態(tài)管理。（2）設某單面磁盤旋轉速度為每分鐘6000轉，每個磁道