磁盘存储管理技术教程.

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1、磁盘存储管理技术教程 1 教学提示：由于磁盘是计算机系统中文件的主要载体，因此本 章介绍的内容与文件管理章节中的内容密切相关，我们在学习 的过程中，要注意将这两部分内容融会贯通。 教学目标：本章主要介绍了磁盘存储器的概念、驱动调度算法 及磁盘空间管理等内容。 2 7.1 磁盘存储器概述 磁盘存储器是最常用的一种辅助存储器，用于存放当前 不需要立即使用的信息，一旦需要，再和主机成批交 换数据，它是主存储器的后备。磁盘存储器的最大特 点是存储容量大、可靠性高、价格低。 磁盘存储器是将磁性材料涂敷在很薄的塑胶片或非磁性 金属物质表面而形成的。磁层的厚度为15m。该 磁层就是记录数据的介质，它是存储信

2、息的基础，通 过磁头将电脉冲表示的二进制代码转换成磁记录介质 上的不同剩磁状态来实现信息的写入。而介质上的磁 化单元信息又可通过磁头转换成电脉冲，以实现信息 的读出。磁盘分为软盘和硬盘两种。 3 磁盘的存储容量分为非格式化容量和格式化容量两种。非格式化 容量取决于盘片本身磁介质所允许的记录密度，格式化容量取 决于操作系统如何为磁盘划分磁道和扇区。我们一般所说的存 储容量指的是格式化容量，它一般低于非格式化容量。 磁盘的非格式化容量为Cn=w3.14dmn，其中w为位密度，d为 最内圈直径(200mm)，m为记录面数，n为每面磁道数。 磁盘格式化后的存储容量=ntsb，其中n为保存数据的总盘面

3、数，t为每面磁道数，s为每道的扇区数，b为每个扇区存储的字 节数。 7.1.1 软盘的组织结构 4 磁盘的存取时间(访问时间)=寻道时间 + 等待时间。 寻道时间为磁头移动到目标磁道所需的时间，我们 可以通过降低磁盘的平均寻道时间来降低访问时间 ；等待时间(又称旋转时间)为等待读写的扇区旋转 到磁头下方所用的时间。磁盘的存取时间一般选用 磁道旋转一周所用时间的一半作为平均等待时间。 磁盘的数据传输速率是指磁头找到地址后，单位时间 写入或读出的字节数(即 TB/T，TB为一个磁道上记 录的字节数，T为磁道每转一圈所需的时间)。 7.1.1 软盘的组织结构 5 7.1.2 硬盘 硬盘是将若干盘片叠

4、起来固定在一起，绕着同一个轴 旋转。1968年，IBM公司首次提出名为“温彻斯特 (Winchester)”的技术，“温彻斯特”技术的精髓是“ 密封、固定并高速旋转的镀磁盘片，磁头沿盘片径 向移动，磁头悬浮在高速转动的盘片上方，而不与 盘片直接接触”。这就是现代硬盘的原型。在 20 世纪 80 年代末，IBM 公司又相继研发了 MR(Magneto Resistive磁阻)磁头和GMR(巨磁阻)磁 头，使得盘片的存储密度大幅度提高，从而带动了 整块硬盘容量的增大。 6 7.2 驱动调度算法 由于辅存设备都包含速度相对较慢的机械 设备，频繁地机械访问操作将会影响操作系 统的执行性能。就磁盘而言，

5、追求的就是有 较短的存取时间(访问时间)和较高的数据传输 速率，而磁盘调度是降低磁盘平均访问时间 最有效的方法。因此如何有效地对磁盘调度 ，是操作系统必须考虑的主要因素之一。下 面介绍几种驱动调度算法。 7 7.2.1 循环排序 对旋转型的外设，记录具有循环的特点。当某一请求序列来到 时，进行某种排序具有非常的意义。 【例】 有一磁盘转速为20ms/转，每一个磁道保存5个记录，如 果收到以下4个I/O请求，并且在一条到该设备的可用通路，请 分析请求序列为4321时，采用下列哪一些响应序列速度最快？( 假设定位时间为10ms，读出记录时间为5ms，且当前记录为3) (1) 4 3 2 1。 (2

6、) 1 2 3 4。 (3) 4 1 2 3。 实现这种算法需要一个位置测定装置，然后再安排合适的响应 序列，才能达到较快的速度。 8 7.2.2 优化分布 信息在存储空间的排列方式也会影响存取等待。 【例】 假设有10个逻辑记录A、B、C、D、J被存于旋 转型设备上，每道存放10个记录，如果经常顺序处理这些 记录，旋转速度为 20ms，处理程序读出每个记录后花 4ms 进行处理，试分析下列两种排序下处理完10个记录的总时 间。 (1) A B C D E F G H I J (2) A H E B I F C J G D 9 7.2.3 交替地址 把每一个记录重复记录在这台设备的多个区域，可

7、以显著减少存 取时间，这样读相同的数据记录，就有几个交替地址，这种方法 也被称为多重副本或折迭。 【例】 若每道有8个记录，旋转速度20ms，如果记录A存于1道 ，记录1，则存取记录A平均时间为半周，即10ms；如果记录A 的副本存于1道，记录1和1道，记录5，则存取记录A平均时间降 为5ms (存取时间拆半)。 这种技术要耗用较多的存储空间。适用于反复读取，不需修改的 数据。 10 7.2.4 搜索定序 对于磁盘设备，除了旋转位置外，还有搜查定位的问题。输 入输出请求需要3部分地址：柱面号、道号和记录号。 11 7.2.5 算法选择 在众多的磁盘调度算法中，要选择一个最适合系统的算法 相当困

8、难。先来先服务算法确实能够给予相当的公平性， 但却无法获得较佳的效果。最短查找时间优先算法算是一 般且普遍的算法。双向扫描算法和单向扫描算法适合负载 较大的情况，但实际上在大多数的操作系统中并未被实现 ，因为需要硬件的支持。 此外，磁盘服务的要求也会受文件分配方式的影响。连续 分配将会产生许多邻近块的磁盘要求，而减少磁头的移动 ；而链表或索引结构，则可能会访问包含几个散布于磁盘 各处的块，这将会产生较多的磁头移动。由此可见，由于 涉及诸多因素，使得我们很难评估各种算法的优劣。 12 7.3 磁盘存储空间管理 为了实现能对外存空间的有效利用，并提高对文件的访问效率 ，需要系统对外存中的空闲块资源

9、妥善管理。在大多数情况下 ，都是利用磁盘来存放文件。因此本节就基于磁盘文件介绍几 种常用的磁盘空闲块管理技术：空闲空间表法、空闲块链接法 、成组链接法及位示图法。 13 7.3.1 空闲空间表法 2. 空闲块分配 在建立新文件时，要为它分配空间，为此，系统检索空闲空间 表，寻找合适的表项。如果对应空闲区的大小恰好等于所申请 值，就把该项从表中清除。如果该区大于所需数量，则把分配 后剩余的部分记录在表中。常用的分配算法有以下几种。 (1) 优先适应算法。每次分配时，总是顺序查找未分配表，找 到第一个能满足长度要求的空闲块为止。 (2) 最佳适应算法。从空闲区中挑选出一个能满足作业要求的 最小分区

10、。容易造成剩下空闲区太小以致无法使用。 (3) 最坏适应算法。总是挑选一个最大的空闲区分割给作业使 用。这种做法能保证剩下的空闲区不至于太小，对小作业有利 。 14 3. 空闲块回收 当用户删除一个文件时，系统就回收该文件占用的块，并把相 应的空闲块信息填回到空闲空间表中。如果释放的块和原有空 闲块相邻，则把它们合并成一个大的空闲区，记在一个表项中 。 随着文件不断地被创建和被删除，如同内存动态分配一样会产 生碎片，这些碎片可以采用紧缩法进行处理。 15 7.3.2 空闲块链接法 把所有的空闲块连接在一起，系统保持有一个指针指向第一 个自由块，每一个自由块包含指向下一个自由块的指针。申 请一块

11、时，从链头取一块并修改系统指针。删除时释放占用 块使其成为空闲并将它挂到空闲链头上 16 7.3.3 空闲块成组链接法 这种方法是对空闲块链接法的改进。办法是：把所有空闲盘块按 固定数量分组，组与组之间形成链接关系。每组第一块登记下一 组空闲块的物理块号和空闲块总数，最后不足规定数量那一部分 的物理块号及总数记入专用块中。 17 7.3.4 字位映象表法(位示图法) 用若干个字节构成一张表，每一位对应一个物理块。“1”表 示该块已占用，“0”表示该块空闲。二进制的位数完全由磁 盘的总块号决定。 由于该方法占用的空间小，因而可以将表复制到内存中，使得 盘块的分配与回收都可以高速进行。当关机或文件信息转储时 ，位示图信息需要完整地在盘上保留下来。 空闲空间表法适于连续文件，有碎片。 空闲块链接法效率较低，链较长。 空闲块成组链接法UNIX系统中常用。 位示图法常用于微机和小型机中。 18