大容量存储器结构

间
– 磁盘的访问时间——移动磁臂来选择柱面， 并且等待旋转延迟；<35毫秒. – 访问磁带需要把所选的块倒到磁带头的位 置；数十甚至数百秒. – 一般来说，对磁带的随机访问比对磁盘的 随机访问要慢数千倍
38
三级存储成本低，这是许多便宜的
磁带可共享少量昂贵驱动器的结果
由于库只能满足相对小数量的每小时的
46
小结
磁盘管理
– – – – –
低级格式化 分区 创建文件系统 引导块存储系统引导程序 坏块处理 (不再使用或替换)
47
小结

交换空间管理
– 通常使用生磁盘低级磁盘访问以进行调页

绕过文件系统
– 有的系统使用文件系统内的一个文件作为交换空间

RAID
– 通过冗余提高可靠性 – 通过并行提高性能 – 7级 RAID
– 复制每个磁盘，每个逻辑磁盘由两个物理磁 盘组成
29
通过并行磁盘操作改善性能

数据分散 ：将多个磁盘作为单个磁盘使用，通 过在多个磁盘上分散数据，能够改善传输率
– 位级分散 – 块级分散, 一个文件的块可分散在多个磁盘上
30
14.5.3 RAID 级别
镜像提供高可靠性，但很昂贵 分散提供了高数据传输率，但并未改善
14 大容量存储器结构
14.1 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。
– 通常称为扇区, 大小为 512 B或 1024B
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第一个扇 区 – 数据映射是先按磁道内扇区顺序，再按柱面 内磁道顺序，然后再按照从外向里的顺序映 射到其余的柱面。
生磁盘（raw
disk），生I/O（ raw I/O）
– 有的数据库系统喜欢生 I/O – 生I/O 绕过了所有文件系统服务
20
14.3.2 引导块

引导程序存储在ROM中
– 不受病毒影响, 容易实现 – 改变程序需要改变ROM芯片，难于改变和升级

典型的启动顺序
– ROM中的引导装入程序 – 启动块上完整的引导程序 – 操作系统内核
总的磁头移动为 640 柱面
6
SSTF - shortest seek time first
最短寻道时间优先算法：选择从当
前磁头位置所需寻道时间最短的请 求
SSTF是SJF调度的一种形式
– 有可能引起某些请求的饥饿
7
SSTF
总的磁头移动为 236 柱面 (不是最优，如53，37， 14，65，67，98，122，124，183) 8
I/O请求，所以可移动库最适用于不常使 用数据的存储
39
可靠性
固定磁盘驱动器比可移动磁盘或磁带驱
动器更可靠
光介质比磁介质的磁盘或磁带更可靠 对于固定的硬盘，磁头损坏通常会破坏
数据，然而磁带或光盘驱动器的错误通 常对数据盘碟是无害的
40
价格
主存比磁盘存储要贵很多
硬盘存储的每兆字节成本与磁带不相上
48
小结
三级存储结构
– 可移动媒介
软盘 CD-ROM, 磁带
CD-R, CD-RW
49
作业
2,
3, 4
50
44
14.9 小结
磁盘驱动器是主要的二级存储设备 磁盘I/O的请求主要由文件系统和虚拟内
存系统所产生 映射: 逻辑块号 (柱面， 磁道，扇区)
45
wk.baidu.com
小结
磁盘调度
– 标准：有效带宽，平均响应时间等 – 算法: 磁盘请求队列排序
FCFS SSTF SCAN,
C-SCAN LOOK, C-LOOK
11
Circular
SCAN:磁头从磁盘的一端向
另一端移动，沿途响应请求。当它 到了另一端，就立即回到磁盘的开 始处，在返回的途中不响应任何请 求
–把所有柱面看成一个循环的序列，最 后一个柱面接续第一个柱面
12
C-SCAN
总的磁头移动为 382 柱面
13
LOOK and C-LOOK
SCAN
27
14.5 RAID 结构
全称为 Redundant Arrays of Inexpensive (independent) Disks 通过存储冗余信息改善可靠性 通过并行磁盘操作改善性能
RAID
28
通过冗余改善可靠性
冗余:
存储额外信息，这是平常所不需要 的，但在磁盘出错时可以用来重新修补 损坏信息。 镜像（或影子）

拥有启动分区的磁盘称为 启动磁盘 或系统磁
盘
21
MS-DOS Disk Layout
22
14.3.3 坏块
磁盘有移动部件并且容错能力小，所以
经常有缺陷扇区，坏扇区 对于简单磁盘如使用IDE 控制器的磁盘, 坏扇区可手工处理
– format, chkdsk
更复杂的磁盘如
SCSI 磁盘, 利用扇区备 用 或 扇区滑动 来处理坏扇区
三级存储速度的两个方面是带宽和延迟。 带宽用每秒字节数来衡量 – 持续带宽——大量传输过程中的平均数据率；单位 传输时间的字节数。数据流实际流动时的数据率 – 有效带宽——整个I/O时间的平均，包括寻道或者 定位，以及盘片切换时间。驱动器的总体数据率
37
速度
访问延迟——定位数据需要的时
– 扇区备用 可能会使操作系统的磁盘调度算 法无效
23
14.4 交换空间管理
交换空间:虚拟内存使用磁盘空间作为对
主存的扩展 交换空间可以两种方式实现
– 在普通文件系统上加以创建
e.g.
Windows family, Solaris 2 简单，效率低
– 创建在独立的磁盘分区上
e.g.
Unix, Linux, Solaris 2 优化速度 24
*14.3.3 交换空间管理
4.3BSD在程序开始时分配交换空间；保
存代码段（程序）和数据段
– 内核对每个进程采用两个交换表来跟踪交换 空间使用
Solaris
2 仅在一页被交换出物理内存的 时候分配交换空间，而不是在虚拟内存 页最初生成的时候
影响
– 连续分配: 密集，有限的磁头移动 – 链接或索引分配: 分散，大量的磁头移动
17
磁盘调度算法的选择
磁盘调度算法应该写成操作系统中
的一个独立模块，在必要的时候允 许用不同的算法来替换
–SSTF和LOOK是比较合理的缺省算法
18
14.3 磁盘管理

低级格式化，或物理格式化——把磁盘划分成
2
14.2 磁盘调度
操作系统有责任高效地使用硬件——对
于磁盘设备，这意味着很短的访问时间 和磁盘带宽。 访问时间主要包括两个部分
–寻道时间是指把磁头移到所需柱面的时间 –旋转延迟是指等待磁盘上所需要的扇区旋 转到磁头下面的时间
3
磁盘调度
磁盘带宽，是用传输的总位数，除
以第一个服务请求与最后传输完成 之间的总时间 最小寻道时间
33
操作系统的工作
操作系统的两个主要任务是管理物理设
备和为应用程序提供一个虚拟机器的抽 象
对于磁盘，操作系统提供两个抽象: – 生设备 –数据块的阵列. – 文件系统 –操作系统对几个应用程序交叉的请求进 行排队和调度
34
文件命名
当人们需要在一台计算机上向一个可移动磁盘 写入数据、然后在另一台计算机中使用的时候， 命名文件尤其困难. 现代操作系统通常没有解决可移动媒介上的命 名空间问题，而是依靠应用程序和用户来指出 如何访问解释数据 一些可移动介质（比如CD）已经标准化，所 有的计算机都以同样的方式使用它们.
可靠性
RAID
分7层
31
RAID Levels
块分散 磁盘镜像 内存方式的差错纠正代码结构 位交织基偶结构 块交织基偶结构
分布式块交织基偶结构
P+Q冗余方案
32
14.8三级存储结构
低价格是第三级存储的主要特征 通常，三级存储由可移动介质构成 通常的可移动介质的例子是软盘、
光盘和磁带；其他还有一些类型
25
4.3 BSD 系统的代码段交换表
代码段是固定大小 其交换空间是按512KB区域来分配的，
除了最后一块是按1KB增量来容纳剩余 页
26
4.3 BSD 系统的数据段交换表
数据段随时间增长
表是固定大小的，但可包括可变大小块
的地址 -- 交换条目i所指块的大小为2i*16 KB, 最大 2MB
SCAN
磁头从磁盘的一端开始向另一端移
动，沿途响应访问请求，直到到达 了磁盘的另一端，此时磁头反向移 动并继续响应服务请求
– 需知道磁头的当前位置，及磁头的移动方向
– 有时也称为电梯算法
9
SCAN
总的磁头移动为 236 柱面
10
C-SCAN
SCAN算法中，当磁头调转方向时，紧靠
磁头之前的请求只有少数，因为这些柱 面上的请求刚处理过。而另一端的请求 密度却最大 C-SCAN提供一个更为均匀的等待时间

35
层次存储管理
一个层次存储系统扩展了存储层次，从主存、 二级存储到一体化的三级存储——通常是磁带 或者可移动磁盘. 通常通过扩展文件系统来一体化三级存储

– 经常使用的小文件仍然存在磁盘上 – 不使用的大的旧文件存在塔上

HSM在超级计算中心和其他有庞大数据量的大 设备中比较常见
36
速度
下，如果每个驱动器只用一条磁带 近年来，最便宜的磁带驱动器和最便宜 的磁盘驱动器的存储容量几乎一样 只有当盘碟的数量远大于驱动器数量的 时候，三级存储才能节约成本
41
1981 年到 2000年DRAM价格（每兆字节）
42
1981 年到 2000年硬磁盘价格（每兆字节）
43
1984 年到 2000年磁带价格（每兆字节）
4
磁盘调度
有几种磁盘I/O请求的服务调度算法
设有一个磁盘队列，其I/O
对各个柱面
上块的请求顺序如下： 98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67 磁头开始位于 53 磁盘有 200 柱面(0-199)
5
FCFS - first come, first served
扇区，以便磁盘控制器可以进行读写
– 每个扇区的数据结构通常由头、数据区域和尾部组 成 – 头部和尾部包含了一些磁盘控制器所使用的信息， 如扇区号码和纠错代码ECC (error correcting code)

为了使用磁盘保存文件，操作系统还需要在磁 盘上保存它自身的数据结构.
– 把磁盘划分成一个或多个柱面组成的分区 – 逻辑格式化 ，创建文件系统，OS将初始的文件系 统数据结构存储到磁盘上 19
和 C-SCAN的一种形式
磁臂在每个方向上仅仅移动到最远
的请求位置，然后立即反向移动， 而不需要移动到磁盘的一端
14
C-LOOK
15
磁盘调度算法的选择
SSTF比较通用,比FCFS性能好 SCAN和C-SCAN在磁盘负荷较大的系
统中性能较好
– 不可能有饿死问题
16
磁盘调度算法的选择
性能依赖于请求的数量和类型 磁盘服务请求受到文件分配方式的