第12章-大容量存储器的结构

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1、操作系统 北京大学计算中心 付中南 fuzhongnan 第12章 大容量存储器的结构 12.1 大容量存储器结构简介 12.2 磁盘结构 12.3 磁盘调度 12.4 磁盘管理 12.5 交换空间管理 12.6 RAID结构 第12章 大容量存储器的结构 本章讨论文件系统的最底层：次级和三级存储 结构。 首先描述磁盘和磁带的物理结构。然后讨论为 改善性能而调度磁盘I/O顺序的磁盘调度算 法。接着讨论磁盘格式化和启动块、坏块以及 交换空间的管理。然后研究次级存储结构，包 括磁盘的可靠性和稳定存储的实现。最后，简 单描述三级存储设备。 第12章 大容量存储器的结构 12.1 大容量存储器结构简介

2、 12.1.1 磁盘 磁盘为现代计算机系统提供了大容量的外存。 每个磁盘片为扁平圆盘，如同CD一样。 常用磁盘片的直径为1.85.25英寸。每个磁盘片的 两面都涂着磁质材料，通过在磁片上进行磁记录可 以保存信息。 磁头飞行于每个磁盘片的表面上。磁头与磁臂相连 ，磁臂能将所有磁头作为一个整体而一起移动。 第12章 大容量存储器的结构 12.1 大容量存储器结构简介 12.1.1 磁盘 磁盘片的表面被逻辑地划分成圆形磁道(track)，磁 道再进一步划分为扇区(sector)。位于同一磁臂位 置的磁道集合形成了柱面(cylinder)。 每个磁盘驱动器有数千个同心柱面，每个磁道可能 包括数百个扇区

3、。 常用磁盘驱动器的存储容量是按GB来计算的。 第12章 大容量存储器的结构 12.1 大容量存储器结构简介 12.1.1 磁盘 当磁盘在使用时，驱动器马达会高速旋转磁盘。 磁盘速度有两部分。传输速率是在驱动器和计算机 之间的数据传输速率。定位时间或随机访问时间， 有寻道时间（移动磁臂到所要的柱面所需时间）和 旋转等待时间（等待所要的扇区旋转到磁臂下面所 需时间）组成。 第12章 大容量存储器的结构 12.1 大容量存储器结构简介 12.1.1 磁盘 磁盘驱动器通过一组称为I/O总线的线与计算机相 连。 EIDE（enhanced integrated drive electronics）总

4、线 ATA（advanced technology attachment）总线 SATA（serial ATA）总线 USB（universal serial bus）总线 FC（fiber channel）总线 SCSI（small computer system interface）总线 第12章 大容量存储器的结构 12.1 大容量存储器结构简介 12.1.2 磁带 磁带是早期次级存储介质。 虽然存储数据相对较长久，且能存储大量数据，但 是与内存和磁盘相比其访问速度太慢。 磁带随机访问要比磁盘随机访问慢千倍，因此磁带 主要用于备份，存储不常使用的信息，作为系统之 间信息传输的介质。 第1

5、2章 大容量存储器的结构 12.2 磁盘结构 现代磁盘驱动器可以看做一个一维的逻辑块的数 组，逻辑块是最小的传输单位，其大小通常为 512B。 一维逻辑块数组按顺序映射到磁盘的扇区。 扇区0是最外面柱面的第一个磁道的第一个扇 区。 该映射是先按磁道内扇区顺序，再按从外到内的 柱面顺序来排序的。 第12章 大容量存储器的结构 12.3 磁盘调度 操作系统的任务之一就是有效地使用硬件。 对磁盘驱动器来说，满足这一要求意味着要有较 快的访问速度和较宽的磁盘带宽。 访问时间主要包括两个主要部分：寻道时间和旋 转延迟。 寻道时间是将磁头移动到包含目标扇区的柱面的时 间。 旋转延迟是磁盘需要将目标上去转动

6、到磁头下的时 间。 第12章 大容量存储器的结构 12.3 磁盘调度 磁盘带宽是所传递的总的字节数除以从服务请求 开始到最后传递结束时的总时间。 每当一个进程需要对磁盘进行I/O操作，它就向 操作系统发出一个系统调用。该调用请求指定了 一些信息： 操作是输入还是输出？ 所传输的磁盘地址是什么？ 所传输的内存地址是什么？ 所传输的扇区数是多少？ 第12章 大容量存储器的结构 12.3 磁盘调度 12.3.1 FCFS调度 最简单的磁盘调度形式。 算法本身比较公平，但是通常不能提供最快的服 务。 第12章 大容量存储器的结构 12.3 磁盘调度 12.3.2 SSTF调度 在将磁头移到远处处理其他

7、请求之前，先处理靠近 当前磁头位置的请求可能较为合理。 这个假设是SSTF（最短寻道时间优先）算法的基 础。 第12章 大容量存储器的结构 12.3 磁盘调度 12.3.3 SCAN调度 磁臂从磁盘的一端向另一端移动，同时当磁头移过 每个柱面时，处理位于该柱面上的服务请求。 当到达另一端时，磁头改变移动方向，处理继续。 第12章 大容量存储器的结构 12.3 磁盘调度 12.3.4 C-SCAN调度 SCAN调度的变种。 与SCAN一样将磁头从磁盘一端移到磁盘的另一端 ，随着移动不断地处理请求。 不同的是，当磁头移到另一端时，它会马上返回到 磁盘开始，返回时并不处理请求。 第12章 大容量存储

8、器的结构 12.4 磁盘管理 12.4.1 磁盘格式化 一个新的磁盘是一个空白板：它只是一些含有磁性 记录材料的盒子。 在磁盘能存储数据之前，它必须分成扇区以便磁盘 控制器能读和写。这个过程称为低级初始化。 每个扇区的数据结构通常由头、数据区域和尾部组 成。 硬盘一般在工厂作为制造过程的一部分就已经低级 格式化了。 第12章 大容量存储器的结构 12.4 磁盘管理 12.4.1 磁盘格式化 为了使用磁盘存储文件，操作系统还需要将自己的 数据结构记录在磁盘上。这分为两步。 第一步是将磁盘分为有一个或多个柱面组成的分区。 操作系统可以将每个分区作为一个独立的磁盘。 第二步是逻辑格式化（创建文件系统

9、）。在这一步中 ，操作系统将初始的文件系统数据结构存储到磁盘 上。这些数据结构包括空闲和已分配的空间和一个初 始化为空的目录表。 第12章 大容量存储器的结构 12.4 磁盘管理 12.4.2 引导块 为了让计算机开始运行，如当打开电源或重启时， 它需要运行一个初始化程序。 初始化自举（bootstrap）程序应该很简单。它初 始化系统的各个方面，从CPU寄存器到设备控制器 和内存，接着启动操作系统。为此，自举程序应找 到磁盘上的操作系统内核，装入内存，并转到起始 地址，从而开始操作系统的执行。 第12章 大容量存储器的结构 12.4 磁盘管理 12.4.2 引导块 对绝大多数计算机，自举程序

10、在只读存储器(ROM) 中。 这一位置较为方便，由于ROM不需要初始化且位 于固定位置，这便于处理器在打开电源或重启是执 行。ROM是只读的，不会受计算机病毒的影响。 问题是改变这种自举代码需要改变ROM硬件芯 片。 因此，大多数系统只在ROM中保留一个很小的自 举加载程序，其作用是进一步从磁盘上调入更为完 整的自举程序。 第12章 大容量存储器的结构 12.4 磁盘管理 12.4.2 引导块 完整的自举程序保存在磁盘的启动块上，启动位于 磁盘的固定位置。 拥有启动分区的磁盘称为启动磁盘或系统磁盘。 第12章 大容量存储器的结构 12.5 交换空间管理 交换空间管理是操作系统的另一底层任务。虚

11、拟 内存使用磁盘空间作为内存的扩充。由于磁盘访 问比内存访问要慢得多，所以使用交换空间会严 重影响系统性能。 交换空间设计和实现的主要目的是为虚拟内存提 供最佳吞吐量。 本节讨论如何使用交换空间，交换空间在磁盘上 的什么位置。 第12章 大容量存储器的结构 12.5 交换空间管理 12.5.1 交换空间的使用 不同操作系统根据所实现的内存管理方法，可按不 同方式来使用交换空间。 实现交换的系统可将交换空间用于保存整个进程映像 ，包括代码段和数据段。 换页系统可能只用交换空间存储换出的内存页。 系统所需交换空间的量因此会受到以下因素影响： 物理内存的多少 所指出虚拟内存的多少 内存使用方式 第1

12、2章 大容量存储器的结构 12.5 交换空间管理 12.5.1 交换空间的位置 交换空间可有两个位置：在普通文件系统上创建或 是在一个独立的磁盘分区上进行。 如果交换空间是文件系统内的一个简单大文件，那 么普通文件系统程序就可用来创建它、命名它并为 它分配空间。 另一种方法是交换空间创建在独立的磁盘分区上。 这里不需要文件系统和目录结构，只需要一个独立 交换空间存储管理器以分配和释放块。 第12章 大容量存储器的结构 12.6 RAID结构 随着磁盘驱动器不断地变得更小更便宜，如今在 一台计算机系统上装上大量磁盘从经济上来说已 经可行了。 一个系统拥有了大量磁盘，它就有机会改善数据 读写速度（

13、因为磁盘操作可并行操作）。而且， 这种设计也使系统有机会改善数据存储的可靠性 ，因为可在多个磁盘上存储冗余信息。 这种多磁盘组织技术，通常称为磁盘冗余阵列（ RAID）技术，用于提高性能和可靠性。 第12章 大容量存储器的结构 12.6 RAID结构 12.6.1 通过冗余改善可靠性 在N个磁盘中有一个磁盘出错的概率要比某个特定 磁盘出错的概率高得多。 假定单个磁盘的平均故障时间为100 000小时，那么在 100个磁盘中有一个磁盘出错的平均时间为10 000/100 = 1000小时或41.66天。 如果只存储数据的一个副本，那么一个磁盘出错会 导致大量数据损坏，这样高的数据损坏率是难以接

14、受的。 第12章 大容量存储器的结构 12.6 RAID结构 12.6.1 通过冗余改善可靠性 可靠性问题的解决方法是引入冗余。存储额外信息 ，这是平常不需要的。但在磁盘出错时可以用来重 新修补损坏信息。即使磁盘损坏，数据也不会损 坏。 最为简单的引入冗余的方法是复制每个磁盘。这种 技术称为镜像。每个逻辑磁盘由两个物理磁盘组成 ，每次写都要在两个磁盘上进行。如果一个磁盘损 坏，那么可从另一磁盘中恢复。 只有在第一个磁盘损坏没有替换之前而第二个磁盘 又出错，数据才会丢失。 第12章 大容量存储器的结构 12.6 RAID结构 12.6.1 通过冗余改善可靠性 镜像磁盘出错的平均时间取决于两个因素

15、：单个磁 盘出错的平均时间，以及修补平均时间（用于替换 损坏磁盘并恢复其中数据）。 假如两个磁盘出错是相对独立的，那么如果一个磁 盘平均出错时间为100 000小时，且修补平均时间 为10小时，则镜像磁盘系统的数据丢失的平均时间 为10 0002/(2*10) = 5 * 108小时或57 000年。 第12章 大容量存储器的结构 12.6 RAID结构 12.6.2 通过并行处理改善性能 对于磁盘镜像，读请求处理的速度可以加倍，这是 因为读请求可以发送给任一磁盘。每个读的传输率 与单个磁盘系统一样，但是单位时间内读数量加倍 了。 对于多个磁盘，通过在多个磁盘上分散数据，可以 改善传送率。最简

16、单的形式是，数据分散是在多个 磁盘上分散每个字节的各个位，这种分散称为位级 分散。 还有块级分散，一个文件的块可分散在多个磁盘 上。 第12章 大容量存储器的结构 12.6 RAID结构 12.6.3 RAID级别 镜像提高了可靠性，但昂贵；分散提高了数据传输 率，但并未改善可靠性。 通过磁盘分散和“奇偶”位可以提供多种方案以在 低代价环境下提供冗余。 这些方案有不同的性价折中，可分成不同级别，称 为RAID级别。 第12章 大容量存储器的结构 12.6 RAID结构 12.6.3 RAID级别 RAID级别0：RAID级别0指按块级别分散的磁盘阵 列，但没有冗余。 RAID级别1：RAID级别1指磁盘镜像。 RAID级别2：又称为内存方式的差错纠正代码结 构。内存系统实现了基于奇偶位的