第7章设备管理_2.ppt

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,第,7,章 设备管理,I/O,设备管理概述,磁盘管理,I/O,控制方式,缓冲管理,本章要点,7.4,磁盘管理,速度是影响文件系统性能的主要因素,提高磁盘,I/O,速度的主要途径：,选择性能好的磁盘,采用好的磁盘调度算法,设置磁盘高速缓冲区,磁盘性能,影响磁盘性能的因素：,数据的结构,磁盘的类型,磁盘访问时间,磁盘结构和管理,每条磁道上存储相同数目的二进制位。,盘片旋转，当磁头位于某个磁道、某个扇区下时，就可将该扇区的内容读出或写入。,磁盘结构和管理,磁盘寻址：,柱面（磁道）号,磁头（盘面）号,扇区号,磁盘的格式化,（低级格式化）,例一个磁道分成30个固定大小的扇区，每个扇区的容量为600个字节，其中512个字节存放数据，88个字节存放控制信息。,读写磁盘时的单位：扇区。相当于存储块。扇区大小固定。,磁盘的类型,固定头磁盘,每条磁道上都有一个读/写磁头（大容量磁盘）,移动头磁盘,每个盘面仅配一个读/写磁头。即微机上用的硬盘（也叫温切斯特硬盘）。,磁盘的访问,寻道时间,Ts,：,磁头从当前位置移动到指定磁道上所经历的时间。,(,s,:,启动磁盘时间、,m:,常数=0.3、,n:,磁道数),Ts,：,随寻道距离的增大而增大，约10,ms,旋转延迟时间,Tr,：,磁头找到指定的扇区所经历的时间。,由磁盘的旋转速度决定。,（例：旋转速度：,r,10000rpm,，则,Tr,=3ms,）,传输时间,Tt,：,数据从磁盘读出，或向磁盘写入数据所经历的时间。,(,r:,磁盘旋转速度 N,:,一条磁道上的字节数,b:,每次读写的字节数),磁盘访问时间,如何减少磁盘的访问时间,例1：寻道时间是,Ts,，旋转延迟时间是,Tr,。,设,Ts+Tr,=13ms,磁道的传输速度为,2KB/ms，,（,1,）若要传输1,K,字节，求磁盘访问时间,Ta,则,传输时间,Tt,=,1,/,2=0.5ms,Ta=,13,+,0,.5,=,13.5ms,;,（,2,）若要传输10,K,字节，求磁盘访问时间,Ta,则传输时间Tt=1,0,/,2=,5,ms,Ta=,13,+,5,=,1,8ms,结论1,：,适当集中数据传送，有利于提高传输速率。,如何减少磁盘的访问时间,例2：,磁盘的寻道时间为,10,ms,，,旋转时间为,10000,r/min,，,每个磁道有,320,个扇区，每个扇区,512,个字节，假设读取一个包含,2560,个扇区的文件，文件的大小是,1.3,MB,现在估计磁盘的访问时间。,(1)若数据顺序组织：,读第一个磁道的时间,如下：,Ts+Tr+Tt,(,读320个扇区,时间),=,10ms,+,3,ms,+,6,ms,=,19ms,如果在,读其余的磁道,时，不需寻道，后面每个磁道的读取,时间,是,3+6=9,ms,，,读取整个文件总时间,=,19+7*9=82,ms=0.082s,(2),如果采用随机访问，也就是说，访问随机分布在磁盘上的扇区。对于每个扇区的访问时间为：,Ts+Tr+Tt,(,读一个扇区,时间),=,10ms+,3,ms+0.01875ms=13.01875ms,读取整个文件总时间,=,2560*13.01875=33328,ms=33.328s,结论2,：,减少磁盘访问时间的途径之二,：,数据尽可能顺序组织,磁盘调度算法,FCFS：,先来先服务,优点：公平、简单。,缺点：未对寻道进行优化，平均寻道时间较长。,SSTF,：最短寻道时间优先,优点：对寻道优化,缺点：“饥饿”现象发生,FCFS,和,SSTF,磁盘调度算法,SCAN,算法：,对,SSTF,算法进行改造，不仅考虑要访问的磁道与当前磁盘的距离，更优先考虑磁头的当前移动方向。因该算法中磁头的移动规律颇似电梯的运行，故称“电梯调度算法”,。,循环扫描,CSCAN：,对,SCAN,进行改造。,内,外,扫描算法,磁盘调度算法,SCAN,和,CSCAN,磁盘调度算法,N-step-SCAN,对于,SSTF、SCAN、CSCAN,均有可能出现磁头在某处停留不动的情况称为磁臂粘着现象。,将磁盘请求队列分成若干个长度为,N,的子队列。用,FCFS,依此处理这些子队列。,在每个队列中用,SCAN。,N,越大（所有进程一队）,SCAN,N越小（N=1）,FCFS,N-step-SCAN,扫描算法,磁盘调度算法,FSCAN,将,N-step-SCAN,算法简单化为二个队列：,一个队列为：当前请求磁盘,I/O,的进程形成的队列。由,SCAN,处理。,另一个队列为：新出现的请求磁盘,I/O,的进程形成的队列，这样一来，新的请求下次扫描时再处理。,FSCAN,扫描算法,独立磁盘冗余阵列,独立磁盘冗余阵列（,Reduntant,Array of Independent Disks，,RAID）,1987,年由美国加利福尼亚大学克莱分校提出，后得到广泛应用。,目的：提高可靠性和数据传输率,RAID,技术有7级,，,RAID 0RAID 6，,不同的级别代表了不同的设计结构。,独立磁盘冗余阵列,RAID0,RAID,0级并行交叉存取,系统中有多台磁盘驱动器，每个磁盘被划分成多个条带。当要读取磁盘上的数据时，采取并行传输方式，将各个磁盘条带中的数据同时向内存中传输，从而使传输时间大大减少。,独立磁盘冗余阵列,RAID1,RAID,1级磁盘镜像,具有磁盘镜像功能，但磁盘利用率只有50%。,独立磁盘冗余阵列,RAID2,RAID,2,级,位校验 冗余磁盘存放校验位,把磁盘每个字节的位都计算一个差错校验位，并将它存储在多个错误校验盘的相应位中。,奇偶校验盘个数数据盘的个数,独立磁盘冗余阵列,RAID3,RAID,3级 位校验，单独校验盘,具有并行传输功能的磁盘阵列。用一台奇偶校验盘完成容错。,比,RAID1，,磁盘利用率高。常用于科学计算和图像处理。,假设磁盘驱动器,X,1,出现故障，给上面等式的两边都加上 ，则有,校验数据：,独立磁盘冗余阵列,RAID4,RAID,4,级 块校验，单独校验盘,数据条带的大小比较大，通常为一个数据块。,独立磁盘冗余阵列,RAID5,RAID,5级奇偶校验条带分散在所有磁盘中,典型分配方案：循环分配。,避免,RAID4,可能出现的校验盘成为,I/O,瓶颈。,独立磁盘冗余阵列,RAID6,RAID,6级,两种奇偶校验方法,采用了两种不同的奇偶校验计算方法，并保存在两个不同磁盘的不同块中。,这就使得即使有两个包含用户数据的磁盘出现故障，也可以重新生成数据。,RAID,的优点,可靠性高,除,RAID0,级外，其余各级均采用了容错技术，当阵列中某一磁盘损坏时，并不会造成数据的丢失，所以可以根据未损坏磁盘中的信息，来恢复已损坏的盘中的信息。以牺牲1/,N,的容量为代价，来换取高可靠性。,磁盘,I/O,速度高,由于磁盘阵列可采取并行交叉存取方式，故可将磁盘,I/O,速度提高,N-1,倍。,N,为磁盘数目。,性能/价格比高,7.5,缓冲管理,缓冲的引入,缓和,CPU,与,I/O,设备间速度不匹配的矛盾,减少对,CPU,的中断频率,提高,CPU,和,I/O,设备之间的并行性,缓冲是在通信问题中，为了使通信双方的速度匹配而引入的一个中间层次，这个层次的速度比通信双方中较慢的一方快，而与较快的一方更匹配,。,缓冲的定义,缓冲的设置,CACHE,I/O,设备或控制器内部的纯硬件缓冲区,内存开辟的缓冲区,脱机,I/O,技术和,SPOOLing,技术,本节重点研究的内容,内存中的缓冲区,单缓冲,若没有缓冲区,：,系统对整块数据的处理时间为,T+C（T,与,C,串行）,提供,缓冲区,系统对整块数据的处理时间为,max(C，T)+M,(,通常M远小于T或C,),（T,与,C,并行）,双缓冲,先将数据输入到第一个缓冲区，,在,向第二个缓冲区送数据的同时，CPU对第一个缓冲区中数据进行计算。,双缓冲的情况下，系统处理一块数据的时间为max(C,T)。,如果,CT,，,CPU,就不必等待设备输入。,循环缓冲,多个缓冲组织成循环缓冲形式。,输入进程：不断向空缓冲区输入数据。,计算进程：不断从中提取数据进行计算,缓冲池,以上的缓冲只能用于某一进程，他们属于专用缓冲。为了提高缓冲区的利用率，可采用公用缓冲池。,三个缓冲区链组成的队列：,空缓冲区队列,emq,输入队列,inq,输出队列,outq,四,种工作缓冲区：,用于收容输入数据的工作缓冲区,hin,用于提取输入数据的工作缓冲区,sin,用于收容输出数据的工作缓冲区,hout,用于提取输出数据的工作缓冲区,sout,缓冲池管理的两个过程,GetBuf,和,PutBuf,对三个队列的操作是类似的，主要有两个操作：,GetBuf(Type,),从,Type,指示的某个队列上，摘下一个缓冲区。,PutBuf(Type,，,number),将由,number,指向的缓冲区挂在某个队列,Type,实现互斥和同步，系统设置两个过程：,GetBuf,和,PutBuf,。,缓冲池管理的工作方式,空缓冲区队列,emq,输入队列,inq,输出队列,outq,磁盘高速缓存,磁盘高速缓存的形式：,（磁盘的速度比内存低46数量级）,内存单独开辟一存储空间。,内存空间变成缓冲池，供请页系统和磁盘,I/O（,高速缓存）共享。,数据交付：,是指将磁盘高速缓存中的数据传送给请求者进程。,当有一进程请求访问某个盘块中的数据时，操作系统先去查看缓存，若其中有进程所需访问的盘块数据的拷贝，便直接读出。,数据交付方式,数据交付,指针交付,置换算法：,在设计置换算法时，除考虑“最近最久未使用”这一原则，还考虑：,访问频率,可预见性,数据的一致性,将高速缓存中的所有盘块拉成,LRU,链。链头放严重影响数据一致性的盘块和很久不用的数据，优先写回磁盘。以减少数据不一致的概率和腾出高速缓存的空间。,周期性地写磁盘：,在,UNIX,中，后台运行一个系统调用,SYNC，,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，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”。,缓存内容的置换和写回,提高磁盘速度的其他方法,提前读,延迟写,虚拟盘,P190,6,作业,