磁盤存儲管理技術教程

磁盤存儲管理技術教程

1教學提示：由于磁盤是計算機系統(tǒng)中文件的主要載體，因此本章介紹的內(nèi)容與文件管理章節(jié)中的內(nèi)容密切相關，我們在學習的過程中，要注意將這兩部分內(nèi)容融會貫通。教學目標：本章主要介紹了磁盤存儲器的概念、驅(qū)動調(diào)度算法及磁盤空間管理等內(nèi)容。

27.1磁盤存儲器概述磁盤存儲器是最常用的一種輔助存儲器，用于存放當前不需要立即使用的信息，一旦需要，再和主機成批交換數(shù)據(jù)，它是主存儲器的后備。磁盤存儲器的最大特點是存儲容量大、可靠性高、價格低。磁盤存儲器是將磁性材料涂敷在很薄的塑膠片或非磁性金屬物質(zhì)表面而形成的。磁層的厚度為1～5μm。該磁層就是記錄數(shù)據(jù)的介質(zhì)，它是存儲信息的基礎，通過磁頭將電脈沖表示的二進制代碼轉(zhuǎn)換成磁記錄介質(zhì)上的不同剩磁狀態(tài)來實現(xiàn)信息的寫入。而介質(zhì)上的磁化單元信息又可通過磁頭轉(zhuǎn)換成電脈沖，以實現(xiàn)信息的讀出。磁盤分為軟盤和硬盤兩種。3磁盤的存儲容量分為非格式化容量和格式化容量兩種。非格式化容量取決于盤片本身磁介質(zhì)所允許的記錄密度，格式化容量取決于操作系統(tǒng)如何為磁盤劃分磁道和扇區(qū)。我們一般所說的存儲容量指的是格式化容量，它一般低于非格式化容量。磁盤的非格式化容量為Cn=w×3.14×d×m×n，其中w為位密度，d為最內(nèi)圈直徑(200mm)，m為記錄面數(shù)，n為每面磁道數(shù)。磁盤格式化后的存儲容量=n×t×s×b，其中n為保存數(shù)據(jù)的總盤面數(shù)，t為每面磁道數(shù)，s為每道的扇區(qū)數(shù)，b為每個扇區(qū)存儲的字節(jié)數(shù)。7.1.1軟盤的組織結(jié)構(gòu)4磁盤的存取時間(訪問時間)=尋道時間

+等待時間。尋道時間為磁頭移動到目標磁道所需的時間，我們可以通過降低磁盤的平均尋道時間來降低訪問時間；等待時間(又稱旋轉(zhuǎn)時間)為等待讀寫的扇區(qū)旋轉(zhuǎn)到磁頭下方所用的時間。磁盤的存取時間一般選用磁道旋轉(zhuǎn)一周所用時間的一半作為平均等待時間。磁盤的數(shù)據(jù)傳輸速率是指磁頭找到地址后，單位時間寫入或讀出的字節(jié)數(shù)(即

TB/T，TB為一個磁道上記錄的字節(jié)數(shù)，T為磁道每轉(zhuǎn)一圈所需的時間)。7.1.1軟盤的組織結(jié)構(gòu)57.1.2硬盤硬盤是將若干盤片疊起來固定在一起，繞著同一個軸旋轉(zhuǎn)。1968年，IBM公司首次提出名為“溫徹斯特(Winchester)”的技術，“溫徹斯特”技術的精髓是“密封、固定并高速旋轉(zhuǎn)的鍍磁盤片，磁頭沿盤片徑向移動，磁頭懸浮在高速轉(zhuǎn)動的盤片上方，而不與盤片直接接觸”。這就是現(xiàn)代硬盤的原型。在

20

世紀

80

年代末，IBM

公司又相繼研發(fā)了MR(MagnetoResistive磁阻)磁頭和GMR(巨磁阻)磁頭，使得盤片的存儲密度大幅度提高，從而帶動了整塊硬盤容量的增大。67.2驅(qū)動調(diào)度算法由于輔存設備都包含速度相對較慢的機械設備，頻繁地機械訪問操作將會影響操作系統(tǒng)的執(zhí)行性能。就磁盤而言，追求的就是有較短的存取時間(訪問時間)和較高的數(shù)據(jù)傳輸速率，而磁盤調(diào)度是降低磁盤平均訪問時間最有效的方法。因此如何有效地對磁盤調(diào)度，是操作系統(tǒng)必須考慮的主要因素之一。下面介紹幾種驅(qū)動調(diào)度算法。

77.2.1循環(huán)排序?qū)πD(zhuǎn)型的外設，記錄具有循環(huán)的特點。當某一請求序列來到時，進行某種排序具有非常的意義?！纠坑幸淮疟P轉(zhuǎn)速為20ms/轉(zhuǎn)，每一個磁道保存5個記錄，如果收到以下4個I/O請求，并且在一條到該設備的可用通路，請分析請求序列為4321時，采用下列哪一些響應序列速度最快？(假設定位時間為10ms，讀出記錄時間為5ms，且當前記錄為3)(1)4321。(2)1234。(3)4123。實現(xiàn)這種算法需要一個位置測定裝置，然后再安排合適的響應序列，才能達到較快的速度。

87.2.2優(yōu)化分布信息在存儲空間的排列方式也會影響存取等待?！纠?/p>

假設有10個邏輯記錄A、B、C、D、…、J被存于旋轉(zhuǎn)型設備上，每道存放10個記錄，如果經(jīng)常順序處理這些記錄，旋轉(zhuǎn)速度為

20ms，處理程序讀出每個記錄后花

4ms進行處理，試分析下列兩種排序下處理完10個記錄的總時間。(1)ABCDEFGHIJ (2)AHEBIFCJGD97.2.3交替地址把每一個記錄重復記錄在這臺設備的多個區(qū)域，可以顯著減少存取時間，這樣讀相同的數(shù)據(jù)記錄，就有幾個交替地址，這種方法也被稱為多重副本或折迭?！纠?/p>

若每道有8個記錄，旋轉(zhuǎn)速度20ms，如果記錄A存于1道，記錄1，則存取記錄A平均時間為半周，即10ms；如果記錄A的副本存于1道，記錄1和1道，記錄5，則存取記錄A平均時間降為5ms(存取時間拆半)。這種技術要耗用較多的存儲空間。適用于反復讀取，不需修改的數(shù)據(jù)。

107.2.4搜索定序?qū)τ诖疟P設備，除了旋轉(zhuǎn)位置外，還有搜查定位的問題。輸入輸出請求需要3部分地址：柱面號、道號和記錄號。117.2.5算法選擇在眾多的磁盤調(diào)度算法中，要選擇一個最適合系統(tǒng)的算法相當困難。先來先服務算法確實能夠給予相當?shù)墓叫?，但卻無法獲得較佳的效果。最短查找時間優(yōu)先算法算是一般且普遍的算法。雙向掃描算法和單向掃描算法適合負載較大的情況，但實際上在大多數(shù)的操作系統(tǒng)中并未被實現(xiàn)，因為需要硬件的支持。此外，磁盤服務的要求也會受文件分配方式的影響。連續(xù)分配將會產(chǎn)生許多鄰近塊的磁盤要求，而減少磁頭的移動；而鏈表或索引結(jié)構(gòu)，則可能會訪問包含幾個散布于磁盤各處的塊，這將會產(chǎn)生較多的磁頭移動。由此可見，由于涉及諸多因素，使得我們很難評估各種算法的優(yōu)劣。127.3磁盤存儲空間管理

為了實現(xiàn)能對外存空間的有效利用，并提高對文件的訪問效率，需要系統(tǒng)對外存中的空閑塊資源妥善管理。在大多數(shù)情況下，都是利用磁盤來存放文件。因此本節(jié)就基于磁盤文件介紹幾種常用的磁盤空閑塊管理技術：空閑空間表法、空閑塊鏈接法、成組鏈接法及位示圖法。137.3.1空閑空間表法2.空閑塊分配在建立新文件時，要為它分配空間，為此，系統(tǒng)檢索空閑空間表，尋找合適的表項。如果對應空閑區(qū)的大小恰好等于所申請值，就把該項從表中清除。如果該區(qū)大于所需數(shù)量，則把分配后剩余的部分記錄在表中。常用的分配算法有以下幾種。(1)優(yōu)先適應算法。每次分配時，總是順序查找未分配表，找到第一個能滿足長度要求的空閑塊為止。(2)最佳適應算法。從空閑區(qū)中挑選出一個能滿足作業(yè)要求的最小分區(qū)。容易造成剩下空閑區(qū)太小以致無法使用。(3)最壞適應算法?？偸翘暨x一個最大的空閑區(qū)分割給作業(yè)使用。這種做法能保證剩下的空閑區(qū)不至于太小，對小作業(yè)有利。143.空閑塊回收當用戶刪除一個文件時，系統(tǒng)就回收該文件占用的塊，并把相應的空閑塊信息填回到空閑空間表中。如果釋放的塊和原有空閑塊相鄰，則把它們合并成一個大的空閑區(qū)，記在一個表項中。隨著文件不斷地被創(chuàng)建和被刪除，如同內(nèi)存動態(tài)分配一樣會產(chǎn)生碎片，這些碎片可以采用緊縮法進行處理。157.3.2空閑塊鏈接法把所有的空閑塊連接在一起，系統(tǒng)保持有一個指針指向第一個自由塊，每一個自由塊包含指向下一個自由塊的指針。申請一塊時，從鏈頭取一塊并修改系統(tǒng)指針。刪除時釋放占用塊使其成為空閑并將它掛到空閑鏈頭上

167.3.3空閑塊成組鏈接法這種方法是對空閑塊鏈接法的改進。辦法是：把所有空閑盤塊按固定數(shù)量分組，組與組之間形成鏈接關系。每組第一塊登記下一組空閑塊的物理塊號和空閑塊總數(shù)，最后不足規(guī)定數(shù)量那一部分的物理塊號及總數(shù)記入專用塊中。177.3.4字位映象表法(位示圖法)用若干個字節(jié)構(gòu)成一張表，每一位對應一個物理塊?！?”表示該塊已占用，“0”表示該塊空閑。二進制