Windows 2000 操作系统概述

Windows 2000操作系统概述 外存管理

外存管理 • 计算机外存包括许多不同的设备，如磁带设备，光介质，cd唱机，软盘，硬盘等。 • 本课主要研究Windows 2000/XP的磁盘存储子系统

Windows 2000/XP存储的演变 • Windows 2000/XP的存储系统是从MS-DOS演变而来的 • 随着硬盘变得越来越大，MS-DOS允许在一个磁盘上建立多个分区，即逻辑盘；把每个分局格式化成不同的文件系统 • Windows NT开始提供跨磁盘管理(disk spanning)和容错(fault tolerance)，允许用多个分区组成卷，一个卷可以分布在不同的磁盘上

术语 • 盘(disk)是一种物理存储设备，如硬盘，3.5英寸软盘，光盘 • 盘被分为扇区(sector)，是可寻址的大小固定的块 • 分区(partition)是盘上连续扇区的集合，分区表或其他盘管理数据库中保存了分区的起始扇区、大小河其他特性 • 简单卷(simple volume)代表文件系统驱动程序作为一个独立的单元管理来自一个分区的所有扇区 • 多分区卷(multi-partition volume)代表文件系统驱动程序作为一个独立的单元管理来自多个分区的所有扇区

基本盘与动态盘 • Windows 2000/XP把基于MS-DOS分区方式的盘称为基本盘。基本盘是Windows 2000/XP继承的盘。 • 动态盘(dynamic disk)实现了比基本盘更具适应性的分区机制。动态盘支持创建新的多分区卷。 • Windows 2000/XP把所有盘当作基本盘来管理，除非手工创建一个动态盘或者把一个已经存在的基本盘(要有足够空间)转变成动态盘。 • 动态盘所采用的分区是专用的，不和其他操作系统兼容，包括其他版本的Windows。不能在一个双引导环境中访问动态盘。

基本分区 • Windows 2000/XP安装时需要创建一个分区用来做系统卷。还需要一个分区作引导卷，在引导卷上安装系统文件和创建系统目录(\winnt)。 • BIOS标准规定Windows 2000/XP分区格式必须遵守主盘的第一个扇区中包含主引导记录(MBR)。 • 微软系统中，包括Windows 2000/XP的主引导记录中包含一个分区表。一共有4项，最多可定义4个主分区(primary partition)。 • 一个特殊的分区类型是扩展分区(extended partion)，他包含了另一个主引导记录，里面有他自己的分区表。 • 一般的扩展分区可以反复无限的使用 • Windows 2000/XP引导过程明确地区分主分区和扩展分区。系统必须将主盘上的一个主分区标记为活动。 • 一个分区的第一个扇区为引导扇区。

动态分区 • 动态盘是Windows 2000/XP偏爱的磁盘格式，是创建新的多分区卷缩必需的。 • Windows 2000/XP的逻辑磁盘管理自系统(LDM)负责管理动态盘。LDM维护一个单独的数据库用来储存系统动态盘的分区信息，包括多分区卷的设置。 • LDM的数据库存在于每个动态盘的最后的1MB保留空间中。 • LDM也实现了一个MS-DOS分区表，为了继承一些在Windows 2000/XP下的磁盘管理工具，或是在双引导环境中让其他系统不至于认为动态盘还没有被分区。 • LDM分区称为软分区，MS-DOS分区成为硬分区。 • LDM创建MS-DOS也为了引导程序能够找到系统卷和引导卷。 • 如果一个分区包含引导卷和系统卷，MS-DOS分区表中的硬分区将描述这些卷的位置。否则，硬分区在磁盘的第一个柱面开始一直延伸到LDM数据库

LDM数据库 主引导记录 LDM分区区域动态盘的内部组织私有头内容表数据库记录处理日志 LDM数据库数据库记录头私有头镜像 LDM 1M

LDM数据库 • LDM数据库包含4个区域，一个头扇区(私有头)，一个内容表区域，一个数据库记录区和一个事物处理日志区。 • 私有头扇区记录当前动态盘的GUID和磁盘组名字。GUID是一个128位的值用于区分Windows 2000/XP中的不同对象。磁盘组名字是由计算机名字和磁盘组名字一起组成。 • 数据库内容表有16个扇区，包含关于数据库布局的信息。LDM让数据库记录区域紧接着内容表，并将内容表最后一个扇区作为数据库记录头。这个扇区包含记录个数，数据库相关的磁盘组名字和GUID，以及LDM用于记录下一项的序列号。 • 数据库记录扇区是128位的定长记录用来描述磁盘组的分区和卷。每一项可以是分区、磁盘、组件、卷。分区项描述软分区，磁盘项代表代表一个磁盘组中的动态盘，组件项像一条链子把一个或多个分区项和与分区相联系的卷项联系起来。卷项存放卷的GUID、大小、状态、驱动器名字。 • 事务处理日至包含几个扇区用来在数据库信息改变时用阿里存储备份信息。

LDM描述卷的方法 • LDM需要3个项描述一个简单卷：分区项、组件项、卷项。 • 多分区卷需要多于3个项来描述 • 条带卷包含2个分区项、一个组件项、1个卷项 • 镜像卷包含2个组件项 • 1M空间大约可以容纳8000个项，一般来说，Windows 2000/XP可以容纳最多大约2500个卷

多重分区管理 • Windows 2000/XP中的多分区卷 • 跨分区卷(spanned volume) • 镜像卷(mirrored volume) • 条带卷(striped volume) • 廉价冗余磁盘列5卷(RAID-5 volume)

跨分区卷 • 跨分区卷是一个单独的逻辑卷，最多由在一个或多个磁盘上的32个空闲分区组成。在NT 4中被称为卷集。 • 跨区卷可以用来把小的磁盘空闲区域，或者把2个或更多的小磁盘组成大的卷。 • 如果跨区卷被格式化成NTFS格式，那么他在扩展空闲空间或者磁盘时，不影响已经保存在其上的数据。

条带卷 • 条带卷是一些列分区组成的单独的逻辑卷，最多有32个分区并且每个盘一个分区。条带卷也被称为RAID-0卷。 • 条带卷的不需要占据整个磁盘，但是每个盘上的分区大小相同。 • 条带卷通过把数据分散到各个磁盘，卷管理器可以优化再调带卷上数据的存取时间。 • 分条机制增加了数据读写操作分散在不同盘上的可能性。 • 多个盘上的数据可以被同时访问，所以缩短了磁盘I/O的延迟时间。

镜像卷 • 在镜像卷中，一个磁盘上分区的内容被复制到另一个磁盘与他等大小的分区中。镜像卷有时也称为RAID-1卷。 • 当程序向一个磁盘写入数据，卷管理器把同样的数据写入镜像卷的相同位置。 • 当一个磁盘的任何数据由于硬件或者软件的问题变得不可读，卷管理器自动从镜像卷访问数据。 • 在负载很重的情况下，卷管理器会在主分区和镜像分区之间平衡I/O操作。 • 镜像卷是唯一支持系统卷和引导卷的多分区卷。

RAID-5卷 • RAID-5卷是普通条带卷的变形。被称为代奇偶校验的条带卷。 • RAID-5卷是通过让一个盘来保存奇偶校验信息来实现的。 • 奇偶校验信息采用跨磁盘轮流保存在每个磁盘中 • 当RAID-5中的某一个磁盘失效，或者信息变得不可读，卷管理器采用异或操作来重建丢失的数据 • RAID-5卷至少需要3个磁盘上的3一样大小的分区。

Windows 2000/XP的高速缓存管理 • Microsoft Windows 2000/XP高速缓存管理器是一组核心态的函数和系统线程，他们与内容管理器一起为所有的Windows 2000/XP文件系统驱动程序提供数据高速缓存。 • Windows 2000/XP高速缓存管理器具有以下的特点： • 单一集中式系统高速缓存 • 与内存管理相结合 • 高速缓存的一致性 • 虚拟块缓存 • 基于流的缓存 • 可恢复文件系统支持

实验：快速文件系统 • 问题的提出： • CPU是整个计算机系统中速度最快的部分，外部设备是是最慢的部分，但是CPU却经常要访问外部设备。如果每次CPU访问外部设备都要等待外部设备完成，那么势必造成运行时间的浪费。 • 解决办法： • 文件高速缓存 • 异步传输

文件高速缓存 • 文件高速缓存是CPU访问外设的中间设备。但是不是真实的设备，而是一种核心级的内存映像机制 • 原理： • 假设一个进程读了文件的第一个字节，一般的他回继续读第二个，第三个字节，直到读出所有的。这样，可以采用预读方式在进程没有访问文件时就把他读入内存。采用LRU(Least Recently Used)原则，将经常被访问的内容留在磁盘中。 • 写文件是，采用事后写方法，进程不直接将数据写入外设，而是写入缓存。这样，可以在系统空闲时去写入外设。同时可以保证文件内容的新鲜。

异步传输 • 异步传输是一种改变指令执行顺序的机制。 • 原理： • 一般的，系统都是按顺序执行操作。如果CPU遇到访盘指令，那么要等到这个指令完成才会执行下一条指令。 • 如果下一条指令并不依赖于访盘操作那么，不等待访盘操作结束而直接执行下一个指令，这样可以使得访盘操作与其他操作同时进行，从而提高了系统的速度。

实验内容安排 • 书上的例程 • 将source.txt复制10遍 • 采用不同的方法，无缓存，文件高速缓存和异步传输 • 分析实验结果，体会几种方法的不同点 • 问题的引申 • 书上的例程不能体现异步传输的特点，设计一个实验内容，体现一部传输的特点。 • 设计一个实验内容，同时体现文件高速缓存和异步传输特点。

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