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第 2 讲 磁盘管理

第 2 讲 磁盘管理. CPU- 内存总线. 图形控制器. 总线控制器. PCI 总线. IDE 控制器. 认识计算机外设与计算机 !. 对我们来说，磁盘无疑是最重要的设备，我们下载的电影放在这里，我们写的论文也放在这里 …. 扇区. 画一个示意图 :. 看看俯视图 :. 扇区大小： 512 字节. 扇区的大小是传输时间和碎片浪费的折衷. 所以，磁盘被称为块设备 !. 盘面. 磁道. 磁盘的数据单位是扇区. 认识一下磁盘. 扇区是磁盘的寻址单位、访问单位. 柱面 C ylinder 磁道 Head （磁头号、盘面号） 扇区 Sector.

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第 2 讲 磁盘管理

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Presentation Transcript

  1. 第2讲 磁盘管理

  2. CPU-内存总线 图形控制器 总线控制器 PCI总线 IDE控制器 认识计算机外设与计算机! 对我们来说，磁盘无疑是最重要的设备，我们下载的电影放在这里，我们写的论文也放在这里…

  3. 扇区 • 画一个示意图: • 看看俯视图: • 扇区大小：512字节 • 扇区的大小是传输时间和碎片浪费的折衷 • 所以，磁盘被称为块设备! 盘面 磁道 • 磁盘的数据单位是扇区 认识一下磁盘 扇区是磁盘的寻址单位、访问单位

  4. 柱面Cylinder 磁道Head（磁头号、盘面号） 扇区Sector 　磁盘的结构和布局

  5. 磁盘的结构划分 • 低级格式化 • 划分磁道、扇区 • 高级格式化 • 安装文件系统

  6. 让我们仔细想想磁盘如何读/写1一个字节? 内存缓存 • 磁盘I/O: 缓存队列控制器寻道旋转传输! 磁盘的I/O • 分析磁盘I/O的重点在于第2步! (2) 总线控制器 (1) (3) IDE控制器 磁道 读出了一个字节 写(修改)一个字节

  7. 磁道 Head 扇区 磁盘控制器 磁盘 请求队列 • 我们最关心的磁盘什么时候读/写完? • 关键所在: 最小化寻道时间和旋转延迟! 磁盘I/O的分析 • 可以整理磁盘I/O的过程： 进程 前两项可以忽略! 磁盘访问延迟 = 队列时间 + 控制器时间 + 寻道时间 + 旋转时间 + 传输时间 12 ms to 8 ms (半周): 8 ms to 4 ms 50M/秒 约0.25ms

  8. 磁盘管理 • 减少访问磁盘的总时间 • 磁盘调度：移臂调度、旋转调度 • 减少访问磁盘的次数 • 缓冲 • 延迟写 • 提前读 • 簇 • 虚拟盘

  9. 前两项可以忽略! 磁盘访问延迟 = 队列时间 + 控制器时间 + 寻道时间 + 旋转时间 + 传输时间 12 ms to 8 ms 8 ms to 4 ms 约0.25ms • 多个磁盘访问请求出现在请求队列怎么办? • 调度的目标是什么? 调度时主要考察什么? • 磁盘调度: 输入多个磁道请求，给出服务顺序! I/O过程是解开许多磁盘问题的钥匙 • 磁盘调度： 调度 目标当然是平均访问延迟小! 寻道时间是主要矛盾!

  10. 14 0 37 53 65 67 98 122 124 183 199 • 一个实例: 磁头开始位置=53； • 请求队列=98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67 FCFS磁盘调度 • 最直观、最公平的调度： FCFS: 磁头共移动640磁道! 在移动过程中把经过的请求处理了! 磁头在长途奔袭!

  11. 14 0 37 53 65 67 98 122 124 183 199 • 继续该实例: 磁头开始位置=53； • 请求队列=98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67 • SSTF存在饥饿问题 SSTF磁盘调度 • Shortest-seek-time First： SSTF: 磁头共移动236(4+53+169)磁道，要少很多! 如果在处理183之前又来一些中间磁道的请求，则…

  12. 14 0 37 53 65 67 98 122 124 183 199 • 继续该实例: 磁头开始位置=53； • 请求队列=98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67 • SCAN导致延迟不均 SCAN磁盘调度 • SSTF+中途不回折：每个请求都有处理机会 SCAN: 磁头共移动53+183=236磁道，和SSTF一样! 这些请求的等待时间较长，只因所在方向不够幸运! 根据其特征，SCAN也被称为电梯算法!

  13. 14 0 37 53 65 67 98 122 124 183 199 • 继续该实例: 磁头开始位置=53； • 请求队列=98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67 • 140(183199) • 没有必要 C-SCAN磁盘调度 • SCAN+直接移到另一端：两端请求都能很快处理 CSCAN中的C是环的意思! CSCAN: 磁头共移动188+200磁道! 其中200会较快!

  14. 14 0 37 53 65 67 98 122 124 183 199 • 继续该实例: 磁头开始位置=53； • 请求队列=98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67 • LOOK和C-LOOK是比较合理的缺省算法 操作系统中所有的算法都要因地制宜! C-LOOK磁盘调度 • CSCAN+看一看：前面没有请求就回移

  15. 磁盘管理 • 减少访问磁盘的总时间 • 磁盘调度：移臂调度、旋转调度 • 减少访问磁盘的次数 • 缓冲 • 延迟写 • 提前读 • 簇 • 虚拟盘

  16. 实际上就是扇区怎么编址? • 显然这个地址是(盘面?, 磁道?, 扇区?) • 扇区编址(1): CHS(Cylinder/Head/Sector) • 扇区编址(2): 扇区编号 磁臂 • 寻道和旋转费时多花最少时间访问最多扇区的方案: 磁臂不动、磁盘旋转一周，访问磁头遇到的所有扇区。 I/O过程是解开许多磁盘问题的钥匙 柱面! • 磁盘寻址：对于内存，我们往往更关心存放内容的地址 让这些扇区的编址邻近:因为局部性!

  17. 一个柱面 一个磁道 整个磁盘 磁道1 扇区1 柱面1 扇区2 柱面2 磁道2 … … … 磁道k 柱面n 扇区p 磁臂 • 扇区编号，按照(C,H,S)将扇区形成一维扇区数组，数组索引就是扇区编号 扇区编号—现代磁盘的常见寻址方式 0 体现了局部性! kp (k+1)p (k+2)p …

  18. 针对设备特性的调度策略 • 旋转调度 • 对磁盘访问的5个请求应作如下调度 柱面号 盘面号 扇区号 2 7 7 5 2 1 5 3 8 5 3 5 40 6 3 柱面号 盘面号 扇区号 2 7 7 5 2 1 5 3 5 5 3 8 40 6 3 13

  19. 磁盘管理 • 减少访问磁盘的总时间 • 磁盘调度：移臂调度、旋转调度 • 减少访问磁盘的次数 • 缓冲 • 延迟写 • 提前读 • 读写单位：扇区、组块 • 虚拟盘

  20. 缓冲读 用户 数据区 磁盘 高速缓冲 用户进程 缓冲写 用户 数据区 磁盘 高速缓冲 用户进程 • UNIX缓冲管理算法 • 缓冲读、写示意图 预先缓存 延迟发送 25

  21. 磁盘管理 • 减少访问磁盘的总时间 • 磁盘调度：移臂调度、旋转调度 • 减少访问磁盘的次数 • 缓冲 • 延迟写 • 提前读 • 读写单位：扇区、组块 • 虚拟盘

  22. 前两项可以忽略! 磁盘访问延迟 = 队列时间 + 控制器时间 + 寻道时间 + 旋转时间 + 传输时间 12 ms to 8 ms 8 ms to 4 ms 约0.25ms • 扇区尺寸为1 byte：没有碎片；传输速度100 byte/秒(寻道时间10ms) • 扇区尺寸1 KByte：碎片0.5K；传输100 KByte/秒 空间利用率 传输速度 • 扇区尺寸1 MByte：碎片0.5M；传输4 Mbyte/秒 扇区大小 I/O过程是解开许多磁盘问题的钥匙 • 分析磁盘扇区尺寸：

  23. 举例：磁盘块VS（柱面、磁道、扇区） • 假设一个磁盘由128个柱面组成，每个柱面上有16个磁道，每个磁道上有8个扇区，一个扇区大小为512个字节，8个连续扇区组成一块，问这个磁盘空间有多少个磁盘块？每块大小是多少？

  24. 磁盘管理 • 减少访问磁盘的总时间 • 磁盘调度：移臂调度、旋转调度 • 减少访问磁盘的次数 • 缓冲 • 延迟写 • 提前读 • 读写单位：扇区、组块 • 虚拟盘：将内存当外存用

  25. 不同的程序员看到的磁盘 • I/O子系统（设备无关层）看到的 • 磁盘块：一个磁盘块=2n个扇区 • 驱动程序看到的： • （柱面、磁道、扇区） • 程序员看到的：文件 文件---------磁盘块----------(柱面、磁道、扇区)

  26. I/O系统的层次及功能

  27. 将整个过程贯穿在一起 获得编号是使用磁盘的关键! • 第1步：得到要访问的扇区的编号；得到读的源(或写的目标)内存地址 算法输入! • 第2步：将扇区编号和内存地址写给DMA；然后阻塞 查手册、写端口! • 第3步：DMA处理完成后中断CPU；中断处理程序唤醒阻塞进程 编写中断处理程序! • 第4步：进程继续…

  28. 直接使用扇区编号寻址磁盘吗?

  29. (3) (2) (1) i (5) (6) 交换出去 (4) • 交换出去的页面放在哪里? 请求调页—页面置换 磁盘 页错误处理程序 页表 load [addr] 物理内存

  30. 问题的关键是写到磁盘的什么位置? • 如果是代码段和数据段，直接写到可执行文件中 • 如果是堆栈段呢? • 应该是直接“页面扇区” • 这样使用的磁盘称为生磁盘(raw disk) PTE 换出地址 P=0 交换分区 • 交换出去的页面显然要写到磁盘上 创建一个文件吗? 变成了页面文件扇区映射关系，显然是低效的 为提高效率，这部分磁盘不存文件，直接用扇区号寻址。(交换分区)

  31. 安装Linux时，需创建一硬盘分区作为交换分区 • 因为交换分区要和内存不断交换，所以是动态变化的 swap分区的大小通常是内存大小的两倍 Linux交换分区 fdisk命令可以查看分区信息

  32. 存在一个定期调度的进程(kswapd) • void kswapd(void) //页面换出的框架 • { for(;;) //daemon进程的基本结构 • {static int refscans=0; • reference_bits_scan(); //clock扫描 • if(refscans++>60) //1分钟启动一次 • {inactive_scan(); refscans=0; • wake_up(&kswap_down);}//唤醒等页面换出的进程 • sleep_on_timeout(HZ);//每HZ(1秒)调度kswapd} • }}//kswapd的间接结果是形成一个inactive页面对列 • inactive_scan()然后调用swap_out()将页面写到交换分区上 Linux内存页面的定期换出 UNIX类OS大都这样!

  33. 谢谢！ 操作系统自己用磁盘可以用扇区寻址，操作系统之上的应用程序用文件名+字节流访问文件。下一单元就学习这个

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