第7章 設(shè)備管理_2 ppt課件

1、第第7章章 設(shè)備管理設(shè)備管理7.4 磁盤管理磁盤管理l速度是影響文件系統(tǒng)性能的主要要素速度是影響文件系統(tǒng)性能的主要要素l提高磁盤提高磁盤I/O速度的主要途徑：速度的主要途徑：l選擇性能好的磁盤選擇性能好的磁盤l采用好的磁盤調(diào)度算法采用好的磁盤調(diào)度算法l 設(shè)置磁盤高速緩沖區(qū)設(shè)置磁盤高速緩沖區(qū)磁盤性能磁盤性能影響磁盤性能的要素：影響磁盤性能的要素： 數(shù)據(jù)的構(gòu)造數(shù)據(jù)的構(gòu)造 磁盤的類型磁盤的類型 磁盤訪問時間磁盤訪問時間磁盤構(gòu)造和管理磁盤構(gòu)造和管理l每條磁道上存儲一樣數(shù)目的二進制位。每條磁道上存儲一樣數(shù)目的二進制位。l盤片旋轉(zhuǎn)，當(dāng)磁頭位于某個磁道、某個扇區(qū)下時，就可盤片旋轉(zhuǎn)，當(dāng)磁頭位于某個磁道、某個扇

2、區(qū)下時，就可將該扇區(qū)的內(nèi)容讀出或?qū)懭?。將該扇區(qū)的內(nèi)容讀出或?qū)懭?。磁盤構(gòu)造和管理磁盤構(gòu)造和管理l磁盤尋址：磁盤尋址：l 柱面磁道號柱面磁道號l 磁頭盤面號磁頭盤面號l 扇區(qū)號扇區(qū)號磁盤的格式化低級格式化磁盤的格式化低級格式化例一個磁道分成例一個磁道分成30個固定大小的扇區(qū)，每個扇區(qū)的容量為個固定大小的扇區(qū)，每個扇區(qū)的容量為600個字節(jié)，其中個字節(jié)，其中512個字節(jié)存放數(shù)據(jù)，個字節(jié)存放數(shù)據(jù)，88個字節(jié)存放控制信息。個字節(jié)存放控制信息。讀寫磁盤時的單位：扇區(qū)。相當(dāng)于存儲塊。扇區(qū)大小固定。讀寫磁盤時的單位：扇區(qū)。相當(dāng)于存儲塊。扇區(qū)大小固定。磁盤的類型磁盤的類型l固定頭磁盤固定頭磁盤l每條磁道上都有一個

3、讀每條磁道上都有一個讀/寫磁頭寫磁頭大容量磁盤大容量磁盤l挪動頭磁盤挪動頭磁盤l每個盤面僅配一個讀每個盤面僅配一個讀/寫磁頭。寫磁頭。 即微機上用的硬盤也叫溫切斯特硬盤。即微機上用的硬盤也叫溫切斯特硬盤。磁盤的訪問磁盤的訪問rNbTtsnmTstrsaTTTTl尋道時間尋道時間Ts：磁頭從當(dāng)前位置挪動到指定磁道上所閱歷的時：磁頭從當(dāng)前位置挪動到指定磁道上所閱歷的時間。間。l (s:啟動磁盤時間、啟動磁盤時間、m:常數(shù)常數(shù)=0.3、n:磁道數(shù)磁道數(shù))lTs：隨尋道間隔的增大而增大，約：隨尋道間隔的增大而增大，約10msl旋轉(zhuǎn)延遲時間旋轉(zhuǎn)延遲時間Tr：磁頭找到指定的扇區(qū)所閱歷的時間。：磁頭找到指定

4、的扇區(qū)所閱歷的時間。l由磁盤的旋轉(zhuǎn)速度決議。由磁盤的旋轉(zhuǎn)速度決議。例：旋轉(zhuǎn)速度：例：旋轉(zhuǎn)速度：r10000rpm ，那么，那么Tr=3ms l傳輸時間傳輸時間Tt：數(shù)據(jù)從磁盤讀出，或向磁盤寫入數(shù)據(jù)所閱歷的：數(shù)據(jù)從磁盤讀出，或向磁盤寫入數(shù)據(jù)所閱歷的時間。時間。l (r:磁盤旋轉(zhuǎn)速度磁盤旋轉(zhuǎn)速度 N:一條磁道上的字節(jié)數(shù)一條磁道上的字節(jié)數(shù) b:每每次讀寫的字節(jié)數(shù)次讀寫的字節(jié)數(shù))l磁盤訪問時間磁盤訪問時間 rTr21如何減少磁盤的訪問時間如何減少磁盤的訪問時間例1：尋道時間是Ts，旋轉(zhuǎn)延遲時間是Tr。 設(shè)Ts+Tr=13ms,磁道的傳輸速度為2KB/ms，1假設(shè)要傳輸1K字節(jié)，求磁盤訪問時間Ta那么傳

5、輸時間Tt= 1/2 =0.5ms Ta=13+0.5=13.5ms;2假設(shè)要傳輸10K字節(jié)，求磁盤訪問時間Ta那么傳輸時間Tt= 10 /2 =5ms Ta=13+5=18ms結(jié)論結(jié)論1：適當(dāng)集中數(shù)據(jù)傳送，有利于提高傳輸速率。：適當(dāng)集中數(shù)據(jù)傳送，有利于提高傳輸速率。如何減少磁盤的訪問時間如何減少磁盤的訪問時間例2：磁盤的尋道時間為10ms，旋轉(zhuǎn)時間為10000r/min，每個磁道有320個扇區(qū)，每個扇區(qū)512個字節(jié)，假設(shè)讀取一個包含2560個扇區(qū)的文件，文件的大小是1.3MB如今估計磁盤的訪問時間。 (1)假設(shè)數(shù)據(jù)順序組織：讀第一個磁道的時間如下：Ts+Tr+Tt (讀320個扇區(qū)時間) =

6、10ms+3ms +6ms = 19ms假設(shè)在讀其他的磁道時，不需尋道，后面每個磁道的讀取時間是3+6=9ms，讀取整個文件總時間=19+7*9=82ms=0.082s(2)假設(shè)采用隨機訪問，也就是說，訪問隨機分布在磁盤上的扇區(qū)。對于每個扇區(qū)的訪問時間為： Ts+Tr+Tt (讀一個扇區(qū)時間) =10ms+3ms+0.01875ms= 13.01875ms,讀取整個文件總時間=2560*13.01875=33328ms=33.328s結(jié)論結(jié)論2：減少磁盤訪問時間的途徑之二：數(shù)據(jù)盡能夠順序組織：減少磁盤訪問時間的途徑之二：數(shù)據(jù)盡能夠順序組織5545583391918219072160701501

7、038112184146被訪問的下 移動距離一個磁道號 （磁道數(shù)）平均尋道長度：553FCFS調(diào)度算法90105832553391638118201501321601018424被訪問的下 移動距離一個磁道號 （磁道數(shù)）平均尋道長度：275SSTF調(diào)度算法從100#磁道開始從100#磁道開始磁盤調(diào)度算法磁盤調(diào)度算法FCFS：先來先效力：先來先效力優(yōu)點：公平、簡單。優(yōu)點：公平、簡單。缺陷：未對尋道進展優(yōu)化，平均尋道時間較長。缺陷：未對尋道進展優(yōu)化，平均尋道時間較長。SSTF：最短尋道時間優(yōu)先：最短尋道時間優(yōu)先優(yōu)點：對尋道優(yōu)化優(yōu)點：對尋道優(yōu)化缺陷：缺陷：“饑餓景象發(fā)生饑餓景象發(fā)生FCFS和和SST

8、F磁盤調(diào)度算法磁盤調(diào)度算法lSCAN算法：算法：l對對SSTF算法進展改造，不僅思索要訪問的算法進展改造，不僅思索要訪問的磁道與當(dāng)前磁盤的間隔，更優(yōu)先思索磁頭的當(dāng)磁道與當(dāng)前磁盤的間隔，更優(yōu)先思索磁頭的當(dāng)前挪動方向。因該算法中磁頭的挪動規(guī)律頗似前挪動方向。因該算法中磁頭的挪動規(guī)律頗似電梯的運轉(zhuǎn)，故稱電梯的運轉(zhuǎn)，故稱“電梯調(diào)度算法。電梯調(diào)度算法。l循環(huán)掃描循環(huán)掃描CSCAN：l 對對SCAN進展改造。進展改造。內(nèi)外掃描算法掃描算法磁盤調(diào)度算法磁盤調(diào)度算法SCAN和和CSCAN1505016010184249094583255339163811820被訪問的下 移動距離一個磁道號 （磁道數(shù)）平均尋道

9、長度：278SCAN調(diào)度算法15050160101842418166382039155165839032被訪問的下 移動距離一個磁道號 （磁道數(shù)）平均尋道長度：357CSCAN調(diào)度算法從100#磁道開始，向磁道號增加的方向從100#磁道開始，向磁道號增加的方向磁盤調(diào)度算法磁盤調(diào)度算法lN-step-SCANl對于對于SSTF、SCAN、CSCAN均有能夠出現(xiàn)均有能夠出現(xiàn)磁頭在某處停留不動的情況磁頭在某處停留不動的情況稱為磁臂粘著景稱為磁臂粘著景象。象。l 將磁盤懇求隊列分成假設(shè)干個長度為將磁盤懇求隊列分成假設(shè)干個長度為N的子的子隊列。用隊列。用FCFS依此處置這些子隊列。依此處置這些子隊列。l

10、在每個隊列中用在每個隊列中用SCAN。lN越大一切進程一隊越大一切進程一隊SCANl N越小越小N=1FCFSN-step-SCAN掃描算法掃描算法磁盤調(diào)度算法磁盤調(diào)度算法lFSCANl將將 N-step-SCAN算法簡單化為二個隊列：算法簡單化為二個隊列：l一個隊列為：當(dāng)前懇求磁盤一個隊列為：當(dāng)前懇求磁盤I/O的進程構(gòu)成的進程構(gòu)成的隊列。由的隊列。由SCAN處置。處置。l另一個隊列為：新出現(xiàn)的懇求磁盤另一個隊列為：新出現(xiàn)的懇求磁盤I/O的進的進程構(gòu)成的隊列，這樣一來，新的懇求下次掃描程構(gòu)成的隊列，這樣一來，新的懇求下次掃描時再處置。時再處置。FSCAN掃描算法掃描算法獨立磁盤冗余陣列獨立磁盤

11、冗余陣列l(wèi)獨立磁盤冗余陣列獨立磁盤冗余陣列Reduntant Array of Independent Disks， RAIDl1987年由美國加利福尼亞大學(xué)克萊分校提出，年由美國加利福尼亞大學(xué)克萊分校提出，后得到廣泛運用。后得到廣泛運用。l 目的：提高可靠性和數(shù)據(jù)傳輸率目的：提高可靠性和數(shù)據(jù)傳輸率l lRAID技術(shù)有技術(shù)有7級，級，RAID 0RAID 6，不同的，不同的級別代表了不同的設(shè)計構(gòu)造。級別代表了不同的設(shè)計構(gòu)造。 獨立磁盤冗余陣列獨立磁盤冗余陣列RAID0lRAID 0級級并行交叉存取并行交叉存取l系統(tǒng)中有多臺磁盤驅(qū)動器，每個磁盤被劃分成多系統(tǒng)中有多臺磁盤驅(qū)動器，每個磁盤被劃分成多

12、個條帶。當(dāng)要讀取磁盤上的數(shù)據(jù)時，采取并行傳個條帶。當(dāng)要讀取磁盤上的數(shù)據(jù)時，采取并行傳輸方式，將各個磁盤條帶中的數(shù)據(jù)同時向內(nèi)存中輸方式，將各個磁盤條帶中的數(shù)據(jù)同時向內(nèi)存中傳輸，從而使傳輸時間大大減少。傳輸，從而使傳輸時間大大減少。獨立磁盤冗余陣列獨立磁盤冗余陣列RAID1條帶0條帶3條帶1條帶4條帶2條帶5物理磁盤0物理磁盤1物理磁盤2014567230145672301456723條帶0條帶3條帶1條帶4條帶2條帶5鏡像磁盤0鏡像磁盤1鏡像磁盤2014567230145672301456723lRAID 1級級磁盤鏡像磁盤鏡像l具有磁盤鏡像功能，但磁盤利用率只需具有磁盤鏡像功能，但磁盤利用率只

13、需50%。獨立磁盤冗余陣列獨立磁盤冗余陣列RAID2lRAID 2級級位校驗位校驗 冗余磁盤存放校驗位冗余磁盤存放校驗位l 把磁盤每個字節(jié)的位都計算一個過失校驗把磁盤每個字節(jié)的位都計算一個過失校驗位，位， 并將它存儲在多個錯誤校驗盤的相應(yīng)位中。并將它存儲在多個錯誤校驗盤的相應(yīng)位中。l 奇偶校驗盤個數(shù)數(shù)據(jù)盤的個數(shù)奇偶校驗盤個數(shù)數(shù)據(jù)盤的個數(shù)獨立磁盤冗余陣列獨立磁盤冗余陣列RAID3條帶0條帶4條帶12條帶16條帶8條帶1條帶5條帶13條帶17條帶9條帶2條帶6條帶14條帶18條帶10物理磁盤0物理磁盤1物理磁盤2014523014523014523條帶3條帶7條帶15條帶19條帶11校驗0-3校驗

14、4-7校驗12-15校驗16-19校驗8-11物理磁盤3校驗磁盤014523014523lRAID 3級級 位校驗，單獨校驗盤位校驗，單獨校驗盤l具有并行傳輸功能的磁盤陣列。用一臺奇偶校驗盤完成容錯。具有并行傳輸功能的磁盤陣列。用一臺奇偶校驗盤完成容錯。l比比RAID1，磁盤利用率高。常用于科學(xué)計算和圖像處置。，磁盤利用率高。常用于科學(xué)計算和圖像處置。)()()()()(01234iXiXiXiXiX假設(shè)磁盤驅(qū)動器假設(shè)磁盤驅(qū)動器X1X1出現(xiàn)缺點，給上面等式的兩邊都加上出現(xiàn)缺點，給上面等式的兩邊都加上 ，那么有，那么有)()()()()(02341iXiXiXiXiX)()(14iXiX校驗數(shù)據(jù)

15、：校驗數(shù)據(jù)：獨立磁盤冗余陣列獨立磁盤冗余陣列RAID4條帶0條帶4條帶12條帶16條帶8條帶1條帶5條帶13條帶17條帶9條帶2條帶6條帶14條帶18條帶10物理磁盤0物理磁盤1物理磁盤2014523014523014523條帶3條帶7條帶15條帶19條帶11校驗0-3校驗4-7校驗12-15校驗16-19校驗8-11物理磁盤3校驗磁盤014523014523lRAID 4級級 塊校驗，單獨校驗盤塊校驗，單獨校驗盤l數(shù)據(jù)條帶的大小比較大，通常為一個數(shù)據(jù)塊。數(shù)據(jù)條帶的大小比較大，通常為一個數(shù)據(jù)塊。獨立磁盤冗余陣列獨立磁盤冗余陣列RAID5條帶0條帶4條帶12校驗16-19條帶8條帶1條帶5校驗1

16、2-15條帶16條帶9條帶2條帶6條帶13條帶17校驗8-11物理磁盤0物理磁盤1物理磁盤2014523014523014523條帶3校驗4-7條帶14條帶18條帶10校驗0-3條帶7條帶15條帶19條帶11物理磁盤3物理磁盤4014523014523lRAID 5級級奇偶校驗條帶分散在一切磁盤中奇偶校驗條帶分散在一切磁盤中l(wèi)典型分配方案：循環(huán)分配。典型分配方案：循環(huán)分配。l防止防止RAID4能夠出現(xiàn)的校驗盤成為能夠出現(xiàn)的校驗盤成為I/O瓶頸。瓶頸。獨立磁盤冗余陣列獨立磁盤冗余陣列RAID6條帶0條帶4條帶12P(16-19)條帶8條帶1條帶5P(12-15)Q(16-19)條帶9條帶2條帶6

17、Q(12-15)條帶16P(8-11)物理磁盤0物理磁盤1物理磁盤2014523014523014523條帶3P(4-7)條帶13條帶17Q(8-11)P(0-3)Q(4-7)條帶14條帶18條帶10物理磁盤3物理磁盤4014523014523Q(0-3)條帶7條帶15條帶19條帶11物理磁盤5014523RAID 6級級兩種奇偶校驗方法兩種奇偶校驗方法采用了兩種不同的奇偶校驗計算方法，并保管在兩個不同磁盤的不同塊中。采用了兩種不同的奇偶校驗計算方法，并保管在兩個不同磁盤的不同塊中。這就使得即使有兩個包含用戶數(shù)據(jù)的磁盤出現(xiàn)缺點，也可以重新生成數(shù)據(jù)。這就使得即使有兩個包含用戶數(shù)據(jù)的磁盤出現(xiàn)缺點，

18、也可以重新生成數(shù)據(jù)。RAID的優(yōu)點的優(yōu)點7.5緩沖管理緩沖管理緩沖的引入緩沖的引入 緩和緩和CPU與與I/O設(shè)備間速度不匹配的矛盾設(shè)備間速度不匹配的矛盾 減少對減少對CPU的中斷頻率的中斷頻率 提高提高CPU和和I/O設(shè)備之間的并行性設(shè)備之間的并行性緩沖是在通訊問題中，為了使通訊雙方的速度匹配緩沖是在通訊問題中，為了使通訊雙方的速度匹配而引入的一個中間層次，這個層次的速度比通訊雙而引入的一個中間層次，這個層次的速度比通訊雙方中較慢的一方快，而與較快的一方更匹配方中較慢的一方快，而與較快的一方更匹配 。緩沖的設(shè)置緩沖的設(shè)置l CACHEl I/O設(shè)備或控制器內(nèi)部的純硬件緩沖區(qū)設(shè)備或控制器內(nèi)部的純

19、硬件緩沖區(qū)l 內(nèi)存開辟的緩沖區(qū)內(nèi)存開辟的緩沖區(qū)l 脫機脫機I/O技術(shù)和技術(shù)和SPOOLing技術(shù)技術(shù)內(nèi)存中的緩沖區(qū)單緩沖單緩沖l l假設(shè)沒有緩沖區(qū)：假設(shè)沒有緩沖區(qū)：系統(tǒng)對整塊數(shù)據(jù)的處置時間為系統(tǒng)對整塊數(shù)據(jù)的處置時間為T+C T與與C串行串行 l l提供緩沖區(qū)提供緩沖區(qū)系統(tǒng)對整塊數(shù)據(jù)的處置時間為系統(tǒng)對整塊數(shù)據(jù)的處置時間為max(C，T)+M(通常通常M遠(yuǎn)小于遠(yuǎn)小于T或或C) T與與C并行并行 雙緩沖雙緩沖l l先將數(shù)據(jù)輸入到第一個緩沖區(qū)，先將數(shù)據(jù)輸入到第一個緩沖區(qū)，l l在向第二個緩沖區(qū)送數(shù)據(jù)的同時，在向第二個緩沖區(qū)送數(shù)據(jù)的同時，CPU對第一個緩沖區(qū)中對第一個緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)進展計算。數(shù)據(jù)進展計算。

20、l l雙緩沖的情況下，系統(tǒng)處置一塊數(shù)據(jù)的時間為雙緩沖的情況下，系統(tǒng)處置一塊數(shù)據(jù)的時間為max(C,T)。 l l假設(shè)假設(shè)CT，CPU就不用等待設(shè)備輸入。就不用等待設(shè)備輸入。循環(huán)緩沖循環(huán)緩沖多個緩沖組織成循環(huán)緩沖方式。多個緩沖組織成循環(huán)緩沖方式。 輸入進程：不斷向空緩沖區(qū)輸入數(shù)據(jù)。輸入進程：不斷向空緩沖區(qū)輸入數(shù)據(jù)。 計算進程：不斷從中提取數(shù)據(jù)進展計算計算進程：不斷從中提取數(shù)據(jù)進展計算NextINextGNextICurrentNextG（b）消費者調(diào)用GetBuf（a）循環(huán)緩沖緩沖池緩沖池以上的緩沖只能用于某一進程，他們屬于公用緩沖。為以上的緩沖只能用于某一進程，他們屬于公用緩沖。為了提高緩沖區(qū)

21、的利用率，可采用公用緩沖池。了提高緩沖區(qū)的利用率，可采用公用緩沖池。三個緩沖區(qū)鏈組成的隊列：三個緩沖區(qū)鏈組成的隊列：l空緩沖區(qū)隊列空緩沖區(qū)隊列emql輸入隊列輸入隊列inql輸出隊列輸出隊列outq四種任務(wù)緩沖區(qū)：四種任務(wù)緩沖區(qū)：用于收容輸入數(shù)據(jù)的任務(wù)緩沖區(qū)用于收容輸入數(shù)據(jù)的任務(wù)緩沖區(qū)hin用于提取輸入數(shù)據(jù)的任務(wù)緩沖區(qū)用于提取輸入數(shù)據(jù)的任務(wù)緩沖區(qū)sin用于收容輸出數(shù)據(jù)的任務(wù)緩沖區(qū)用于收容輸出數(shù)據(jù)的任務(wù)緩沖區(qū)hout用于提取輸出數(shù)據(jù)的任務(wù)緩沖區(qū)用于提取輸出數(shù)據(jù)的任務(wù)緩沖區(qū)sout緩沖池管理的兩個過程緩沖池管理的兩個過程GetBuf和和PutBuf l 對三個隊列的操作是類似的，主要有兩個操作：對

22、三個隊列的操作是類似的，主要有兩個操作：l GetBuf(Type)l從從Type指示的某個隊列上，摘下一個緩沖區(qū)。指示的某個隊列上，摘下一個緩沖區(qū)。 l l PutBuf(Type， number)l將由將由number指向的緩沖區(qū)掛在某個隊列指向的緩沖區(qū)掛在某個隊列Typel 實現(xiàn)互斥和同步，系統(tǒng)設(shè)置兩個過程：實現(xiàn)互斥和同步，系統(tǒng)設(shè)置兩個過程：GetBuf和和PutBuf。 緩沖池管理的任務(wù)方式緩沖池管理的任務(wù)方式hinhoutsoutsin用戶程序收容輸入提取輸出提取輸入收容輸出緩沖池l空緩沖區(qū)隊列空緩沖區(qū)隊列emql輸入隊列輸入隊列inql輸出隊列輸出隊列outq磁盤高速緩存磁盤高速緩存l l磁盤高速緩存的方式：磁盤的速度比內(nèi)存低磁盤高速緩存的方式：磁盤的速度比內(nèi)存低46數(shù)量級數(shù)量級內(nèi)存單獨開辟一存儲空間。內(nèi)存單獨開辟一存儲空間。內(nèi)存空間變成緩沖池，供請頁系統(tǒng)和磁盤內(nèi)存空間變成緩沖池，供請頁