第 2 讲 磁盘管理
认识计算机外设与计算机 !
PCI 总线图形控制器
IDE 控制器
总线控制器 CPU- 内存总线
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…
认识一下磁盘
磁道
扇区
盘面
画一个示意图 :
看看俯视图 :
磁盘的数据单位是扇区扇区大小: 512 字节
扇区是磁盘的寻址单位、访问单位
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 !
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磁盘的结构和布局
柱面 C ylinder 磁道 Head (磁头号、盘面号) 扇区 Sector
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
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磁盘的 I/O
总线控制器
IDE 控制器让我们仔细想想磁盘如何读 / 写 1 一个字节 ?
(1)(2)
(3)
分析磁盘 I/O 的重点在于第 2 步 !
磁道内存缓存读出了一个字节写 ( 修
改 ) 一个字节磁盘 I/O: 缓存队列控制器寻道旋转传输 !
磁盘 I/O 的分析 可以整理磁盘 I/O 的过程:
进程请求队列
磁盘控制器磁盘
我们最关心的磁盘什么时候读 / 写完 ?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
扇区磁道Head
12 ms to 8 ms
( 半周 ): 8 ms to 4 ms
50M/ 秒约 0.25ms
前两项可以忽略 !
关键所在 : 最小化寻道时间和旋转延迟 !
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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
I/O 过程是解开许多磁盘问题的钥匙 磁盘调度:
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
前两项可以忽略 !
多个磁盘访问请求出现在请求队列怎么办 ? 调度调度的目标是什么 ? 调度时主要考察什么 ?
目标当然是平均访问延迟小 !寻道时间是主要矛盾 !
磁盘调度 : 输入多个磁道请求,给出服务顺序 !
FCFS 磁盘调度 最直观、最公平的调度:
一个实例 : 磁头开始位置 =53 ;请求队列 =98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67
0 14 37 53 65 67 98 122 124 183 199
磁头在长途奔袭 !
FCFS: 磁头共移动 640 磁道 !
在移动过程中把经过的请求处理了 !
SSTF 磁盘调度 Shortest-seek-time First :
继续该实例 : 磁头开始位置 =53 ;请求队列 =98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67
0 14 37 53 65 67 98 122 124 183 199
如果在处理 183 之前又来一些中间磁道的请求,则…
SSTF: 磁头共移动236(4+53+169) 磁道,要少很多 !
SSTF 存在饥饿问题
SCAN 磁盘调度 SSTF+ 中途不回折:每个请求都有处理机会
继续该实例 : 磁头开始位置 =53 ;请求队列 =98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67
0 14 37 53 65 67 98 122 124 183 199
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 !
SCAN: 磁头共移动53+183=236 磁道,
和 SSTF 一样 !
SCAN 导致延迟不均
C-SCAN 磁盘调度 SCAN+ 直接移到另一端:两端请求都能很快处理
继续该实例 : 磁头开始位置 =53 ;请求队列 =98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67
0 14 37 53 65 67 98 122 124 183 199
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 !
140(183199)没有必要
C-LOOK 磁盘调度 CSCAN+ 看一看:前面没有请求就回移
继续该实例 : 磁头开始位置 =53 ;请求队列 =98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67
0 14 37 53 65 67 98 122 124 183 199
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 !
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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
I/O 过程是解开许多磁盘问题的钥匙 磁盘寻址:对于内存,我们往往更关心存放内容的地址
实际上就是扇区怎么编址 ?
显然这个地址是 ( 盘面 ?, 磁道 ?, 扇区 ?)
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。
磁臂
让这些扇区的编址邻近 : 因为局部性 !
柱面 !
扇区编址 (1): CHS(Cylinder/Head/Sector)
扇区编址 (2): 扇区编号
扇区编号—现代磁盘的常见寻址方式磁臂
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
柱面 1 柱面 2 柱面 n…
整个磁盘
磁道 1 磁道 2 磁道 k…
一个柱面
扇区 1 扇区 2 扇区 p…
一个磁道
0
kp
(k+1)p (k+2)p …
体现了局部性 !
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针对设备特性的调度策略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 5 5 3 8 40 6 3
柱面号 盘面号 扇区号 2 7 7 5 2 1 5 3 8 5 3 5 40 6 3
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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
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UNIX缓冲管理算法 缓冲读、写示意图
缓冲读
高速缓冲
用户数据区
用户进程磁盘
预先缓存缓冲写
高速缓冲
用户数据区
用户进程磁盘
延迟发送
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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
I/O 过程是解开许多磁盘问题的钥匙 分析磁盘扇区尺寸:
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
前两项可以忽略 !
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/ 秒扇区尺寸 1 MByte :碎片 0.5M ;传输 4 Mbyte/
秒
扇区大小
空间利用率
传输速度
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?
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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
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 )
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I/O 系统的层次及功能
Óû§²ãÈí¼þ
É豸¶ÀÁ¢ÐÔÈí¼þ
É豸Çý¶¯³ÌÐò
Öжϴ¦Àí³ÌÐò
Ó²¼þ
I/OÓ¦´ð
²úÉúI/OÇëÇ󡢸ñʽ»¯I/O¡¢Spooling
Ó³Éä¡¢±£»¤¡¢·Ö¿é¡¢»º³å¡¢·ÖÅä
ÉèÖÃÉ豸¼Ä´æÆ÷£¬¼ì²é¼Ä´æÆ÷״̬
Ö´ÐÐI/O²Ù×÷
将整个过程贯穿在一起 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…
获得编号是使用磁盘的关键 !
直接使用扇区编号寻址磁盘吗 ?
磁盘页表
物理内存
请求调页—页面置换
load [addr] i
页错误处理程序(1)
(2)(3)
(4)
(5)(6)
交换出去的页面放在哪里 ?
交换出去
交换分区问题的关键是写到磁盘的什么位置 ?
交换出去的页面显然要写到磁盘上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 ? 创建一个文件吗 ?
变成了页面文件扇区映射关系,显然是低效的应该是直接“页面扇区”PTE
P=0换出地址 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 )这样使用的磁盘称为生磁盘 (raw disk)
Linux 交换分区安装 Linux 时,需创建一硬盘分区作为交换分区
fdisk命令可以查看分区信息
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 内存页面的定期换出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
UNIX 类 OS 大都这样 !
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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