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1、第五章 设备管理,操作系统,5/26/2020,1,第五章 设备管理,I/O系统 I/O控制方式 缓冲管理 设备分配 设备处理 磁盘存储器管理,5/26/2020,2,磁盘存储器管理,磁盘存储器管理的主要任务 磁盘性能简述 磁盘调度 磁盘高速缓存(Disk Cache) 提高磁盘I/O速度的其它方法 廉价磁盘冗余阵列,现代操作系统的重要任务之一：设法改善磁盘系统的性能,5/26/2020,3,磁盘存储器管理,磁盘存储器管理的主要任务 为文件分配存储空间 合理地组织文件地存储方式，以提高磁盘的访问速度 提高磁盘存储空间地利用率 提高磁盘I/O速度，改善文件性能 确保文件系统的可靠性（备份）,5/
2、26/2020,4,磁盘存储器管理,磁盘存储器管理的主要任务 磁盘性能简述 磁盘调度 磁盘高速缓存(Disk Cache) 提高磁盘I/O速度的其它方法 廉价磁盘冗余阵列,5/26/2020,5,5.6 磁盘存储器管理,5.6.1 磁盘性能简述,1. 数据的组织和格式,图 5-22 磁盘的格式化,磁盘包括一个或多个盘片，每片分2面，每面可分成若干条磁道，各磁道之间有间隙，每条磁道上可存储相同数目的二进制位，磁盘密度即每英寸之中所存储的位数。显然内层磁道的密度较外层磁道的密度大。,5/26/2020,6,磁盘性能简述,盘片,扇区,磁头,磁道,5/26/2020,7,磁盘性能简述,5/26/202
3、0,8,磁盘性能简述,5/26/2020,9,磁盘性能简述,5/26/2020,10,磁盘性能简述,5/26/2020,11,磁盘性能简述,5/26/2020,12,磁盘性能简述,数据的组织和格式 盘片（1个或多个）、盘面、磁道、扇区 扇区有标识符字段和数据字段,存储相同数目的二进制位,间隙,定界符,段校验,5/26/2020,13,2. 磁盘的类型,1) 固定头磁盘 这种磁盘在每条磁道上都有一读/写磁头，所有的磁头都被装在一刚性磁臂中。通过这些磁头可访问所有各磁道，并进行并行读/写，有效地提高了磁盘的I/O速度。这种结构的磁盘主要用于大容量磁盘上。 2) 移动头磁盘 每一个盘面仅配有一个磁头
4、，也被装入磁臂中。为能访问该盘面上的所有磁道，该磁头必须能移动以进行寻道。可见，移动磁头仅能以串行方式读/写，致使其I/O速度较慢；但由于其结构简单， 故仍广泛应用于中小型磁盘设备中。,5/26/2020,14,磁盘性能简述,访盘时间组成,寻道时间,旋转延迟时间,传输时间,5/26/2020,15,磁盘性能简述,磁盘访问时间 寻道时间Ts 这是指把磁臂(磁头)移动到指定磁道上所经历的时间。该时间是启动磁臂的时间s与磁头移动n条磁道所花费的时间之和， 即 Ts=mn+s 旋转延迟时间T 这是指定扇区移动到磁头下面所经历的时间。如：7200r/min 每转=60000ms/7200r=8.33ms
5、 平均旋转延迟=（0+8.33)/2=4.16,是一常数，与磁盘驱动器的速度有关,一般：0.2 高速：=0.1,启动磁臂时间 2ms,5/26/2020,16,磁盘性能简述,传输时间Tt 指把数据从磁盘读出或向磁盘写入数据所经历的时间。 其大小与每次所读/写的字节数b和旋转速度有关 r为磁盘每秒钟的转数；N为一条磁道上的字节数 T和Tt相同，则访问时间=Ts + T+ Tt,如b=N/2，则 T=1/(2r)=Tt,可见，寻道时间TS和旋转延迟时间T基本上都与所读/写数据的字节数无关，而且它通常占据了访问时间中的大部分,目前磁盘的传输速率已达到80MB/s以上，数据传输时间所占的比例更低。可见
6、，适当地集中数据传输，将有利于提高传输效率,5/26/2020,17,3. 磁盘访问时间,寻道时间: 20ms 磁盘通道传输速率: 1MB/s 转速r=3600rpm 每扇区512字节 每磁道32 扇区 目标：读 128k 数据,1.寻道时间TS：TS=m*n+S； 2.旋转延时间Tr：Tr1/2r 3.数据传输时间Tt ：Ttb/rN 访问时间：Ta=Ts+1/2r+b/rN,60*16k=960k1MB/s 顺序组织 (208.316.7)(8.316.7)7220(ms) 随机组织 (208.30.5)2567373(ms),5/26/2020,18,磁盘存储器管理,磁盘存储器管理的主要
7、任务 磁盘性能简述 磁盘调度 磁盘高速缓存(Disk Cache) 提高磁盘I/O速度的其它方法 廉价磁盘冗余阵列,在访问磁盘的时间中，主要是寻道时间，因此，磁盘调度的目标就是使磁盘的平均寻道时间最少。,5/26/2020,19,磁盘调度,先来先服务FCFS(First-Come, First Served) 根据进程请求访问磁盘的先后次序进行调度 优点：简单、公平，不会出现请求长期得不到满足 缺点：未优化，平均寻道时间长,平均寻道长度：55.3,146,184,112,38,10,150,70,160,72,90,21,18,19,39,3,58,45,55,移动距离,被访问的下一个磁道,1
8、00道开始,55、58、39、18、90、160、150、38、184,5/26/2020,20,0,38,39,55,58,90,100,150,160,184,18,先来先服务FCFS(First-Come, First Served),5/26/2020,21,磁盘调度,最短寻道时间优先SSTF(Shortest Seek Time First) 要求访问的磁道与当前磁头所在的磁道距离最近 优点：使每次寻道时间最短 缺点：不能保证平均寻道时间最短；可能导致距离远的进程总也得不到服务,平均寻道长度：27.5,24,184,10,160,132,150,20,18,1,38,16,39,3,
9、55,32,58,10,90,移动距离,被访问的下一个磁道,100道开始,55、58、39、18、90、160、150、38、184,5/26/2020,22,0,38,39,55,58,90,100,150,160,184,18,最短寻道时间优先STF (Shortest Seek Time First),5/26/2020,23,FCFS调度算法 SSTF调度算法,5/26/2020,24,3. 扫描(SCAN)算法,1) 进程“饥饿”现象,SSTF算法虽然能获得较好的寻道性能，但却可能导致某个进程发生“饥饿”(Starvation)现象。因为只要不断有新进程的请求到达，且其所要访问的磁道
10、与磁头当前所在磁道的距离较近，这种新进程的I/O请求必须优先满足。对SSTF算法略加修改后所形成的SCAN算法，即可防止老进程出现“饥饿”现象。,5/26/2020,25,磁盘调度,扫描(SCAN)算法 SSTF算法虽然能获得较好的寻道性能， 但却可能导致某个进程发生“饥饿”(Starvation)现象,0,50,160,5/26/2020,26,磁盘调度,扫描(SCAN)算法 对SSTF算法略加修改后所形成的SCAN算法， 即可防止进程出现“饥饿”现象 SCAN算法不仅考虑欲访问的磁道与当前磁道的距离，更优先考虑的是磁头当前的移动方向 磁头移动：自里向外自外向里 又称为 “电梯调度算法”,5
11、/26/2020,27,磁盘调度,扫描(SCAN)算法 对SSTF算法略加修改后所形成的SCAN算法， 即可防止进程出现“饥饿”现象 SCAN算法不仅考虑欲访问的磁道与当前磁道的距离，更优先考虑的是磁头当前的移动方向 磁头移动：自里向外自外向里 又称为 “电梯调度算法”,平均寻道长度：27.8,20,18,1,38,16,39,3,55,32,58,94,90,24,184,10,160,50,150,移动距离,被访问的下一个磁道,100道开始，增加方向,55、58、39、18、90、160、150、38、184,5/26/2020,28,SCAN调度算法 SSTF调度算法,5/26/2020
12、,29,0,38,39,55,58,90,100,150,160,184,18,磁盘调度,缺点：刚移过的磁道的等待时间长,5/26/2020,30,磁盘调度,循环扫描(CSCAN)算法 规定磁头单向移动 减少刚移过的磁道的等待时间,平均寻道长度：27.5,32,90,3,58,16,55,1,39,20,38,166,18,24,184,10,160,50,150,移动距离,被访问的下一个磁道,100道开始，增加方向,55、58、39、18、90、160、150、38、184,5/26/2020,31,0,38,39,55,58,90,100,150,160,184,18,磁盘调度,5/26/
13、2020,32,SCAN调度算法 CSCAN调度算法,5/26/2020,33,SSTF调度算法 CSCAN调度算法,5/26/2020,34,磁盘调度,N-Step-SCAN和FSCAN调度算法 N-Step-SCAN算法 在SSTF、 SCAN及CSCAN几种调度算法中， 都可能出现磁臂停留在某处不动的情况，称为“磁臂粘着”(Armstickiness) N步SCAN算法是将磁盘请求队列分成若干个长度为N的子队列，磁盘调度将按FCFS算法依次处理这些子队列。 而每处理一个队列时又是按SCAN算法，对一个队列处理完后，再处理其他队列 FSCAN算法 FSCAN算法是N步SCAN算法的简化，
14、即其只将磁盘请求队列分成两个子队列。一是由当前所有请求I/O的进程形成的队列，由磁盘调度按SCAN算法进行处理。在扫描期间，新出现的所有请求I/O的进程， 则放入另一个等待处理的请求队列,当N值很大时，N步扫描性能接近于SCAN性能；N=1， N步扫描性能便退化为FCFS,5/26/2020,35,磁盘存储器管理,磁盘存储器管理的主要任务 磁盘性能简述 磁盘调度 磁盘高速缓存(Disk Cache) 提高磁盘I/O速度的其它方法 廉价磁盘冗余阵列,5/26/2020,36,磁盘高速缓存(Disk Cache),磁盘高速缓存的形式 利用内存中的存储空间，来暂存从磁盘中读出的一系列盘块中的信息 高
15、速缓存是一组在逻辑上属于磁盘， 而物理上是驻留在内存中的盘块 高速缓存在内存中可分成两种形式 在内存中开辟一个单独的存储空间来作为磁盘高速缓存，其大小是固定的 把所有未利用的内存空间变为一个缓冲池，供请求分页系统和磁盘I/O时(作为磁盘高速缓存)共享,不受应用程序多少的限制,应用程序多时缓存可能很小,5/26/2020,37,磁盘高速缓存(Disk Cache),数据交付方式 数据交付（Data Delivery）是指将磁盘高速缓存中的数据传送给请求者进程 当有进程请求访问某个盘块时，先查看磁盘高速缓存 有两种方式交付数据给请求进程 数据交付。这是直接将高速缓存中的数据， 传送到请求者进程的内
16、存工作区中 指针交付。只将指向高速缓存中某区域的指针，交付给请求者进程,所传送的数据量少，节省了数据从磁盘高速缓存存储空间到进程的内存工作区的时间,5/26/2020,38,磁盘高速缓存(Disk Cache),置换算法 将磁盘中的盘块写入高速缓存时，会出现因为高速缓存中已装满盘块而需要将高速缓存中的数据先换出的问题，常用算法有LRU、NRU、LFU等 除了考虑LRU外，还需考虑以下几点 访问频率 可预见性，如正在写数据的未满盘块 数据的一致性 内存中已修改数据要写回磁盘,可将高速缓存中的所有盘块数据构成一个LRU链，将会影响到数据一致性的盘块和很久都不可能再用的盘块放在LRU链的链头，使其优先被写回磁盘，不久后还要再使用的盘块放到链尾,最近最久未使用算法LRU 最近未使用算法NRU 最少使用算法LFU,5/26/2020,39,磁盘高速缓存(Disk
