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1、大容量存储器结构 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望 概念概念n n二级二级存储器存储器n n三级三级存储器存储器n n磁带磁带,可移动磁盘设备可移动磁盘设备(软盘软盘,CD-ROM)n n主要用于备份，主要用于备份，长期存储长期存储,大数据集大数据集,与与其他系统进行文件交换其他系统进行文件交换n n那什么是那什么是“主主”存储器存储器?n nRAM存储层次存储层次CPU CPU 寄存器寄存器CacheCache内存内存磁盘磁盘可移动可移动 媒体媒体
2、网络存储网络存储速度速度快慢快慢磁盘结构磁盘结构磁盘结构磁盘结构n n按逻辑按逻辑块块的一维数组方式进行编址的一维数组方式进行编址n n特别的，每块特别的，每块512字节字节n n逻辑块映射到磁盘逻辑块映射到磁盘 扇区扇区n n转换机制转换机制（块号（块号 到到 柱面柱面/磁道磁道/扇区）扇区）(block#to cylinder/track/sector)磁盘结构磁盘结构n n假设一个磁盘有假设一个磁盘有200个柱面，每个柱面有个柱面，每个柱面有10个个磁道，每个盘面被划分成磁道，每个盘面被划分成8个扇区，所有的编个扇区，所有的编号都从号都从“0”开始开始n n每个柱面的块数磁道每个柱面的块
3、数磁道*扇区数扇区数10*880n n块总数柱面数块总数柱面数*每柱面块数每柱面块数200*10*8n n逻辑块逻辑块“1002”对应磁盘哪个柱面、磁道和扇对应磁盘哪个柱面、磁道和扇区？区？n n柱面柱面1002/8012，余数，余数10028042n n磁道磁道42/85n n扇区扇区4282磁盘结构磁盘结构n n转换是复杂的，因为转换是复杂的，因为n n每个磁道的扇区数不是常数每个磁道的扇区数不是常数 最外磁道最外磁道的扇区数可能比最内磁道的多的扇区数可能比最内磁道的多40%的的n n如果存在扇区，空闲扇区必须替代如果存在扇区，空闲扇区必须替代n n磁盘技术改善磁盘技术改善n n每个磁盘成
4、千个柱面每个磁盘成千个柱面n n每个磁道多余每个磁道多余100个扇区个扇区(磁盘的外部区磁盘的外部区域域)磁盘调度磁盘调度磁盘调度磁盘调度n nOS必须确保对磁盘的快速访问必须确保对磁盘的快速访问n n访问磁盘数据涉及两个延迟访问磁盘数据涉及两个延迟n n查找时间查找时间 把磁头移动到要求的柱面的时把磁头移动到要求的柱面的时间间n n旋转延迟旋转延迟 扇区旋转到磁头下的时间扇区旋转到磁头下的时间n n磁盘磁盘带宽带宽n n传输的总字节数传输的总字节数,除以第一次发出服务请除以第一次发出服务请求到最后传输完毕的时间间隔求到最后传输完毕的时间间隔磁盘调度磁盘调度n n我们可以通过以合理的顺序调度磁
5、盘的服我们可以通过以合理的顺序调度磁盘的服务请求来改善务请求来改善访问时间访问时间和和带宽带宽n n在多用户操作系统中在多用户操作系统中,可能有多个进程在竞可能有多个进程在竞争磁盘争磁盘n n请求被放入请求被放入队列队列中中n n操作系统必须从队列中选择一个请求来操作系统必须从队列中选择一个请求来服务服务FCFS 调度算法调度算法n n先来先服务先来先服务First come,first servedn n请求请求 柱面柱面 98,183,37,122,14,124,65,67,初初始位置始位置 53timetimecylindercylinder141437375353 6565989812
6、2122 1241241831836767FCFS 调度算法调度算法n n在前一个例子中，使用在前一个例子中，使用 FCFS,磁头移动过磁头移动过的柱面总数为的柱面总数为640n n640=(98-53)+(183-98)+(183-37)+(122-14)+(124-14)+(124-65)+(67-65)n n通过使用不同的算法，磁头的运动可以被通过使用不同的算法，磁头的运动可以被充分减少充分减少n n当磁头在当磁头在 122号柱面时号柱面时(接下去的请求为接下去的请求为 柱面柱面14,124,),先为先为124号柱面服务不是号柱面服务不是个更好主意吗个更好主意吗?FCFS 调度算法调度算
7、法n算法特点算法特点n算法简单算法简单n平均寻道距离较大平均寻道距离较大n响应时间较高响应时间较高n降低设备服务的吞吐量降低设备服务的吞吐量n但各进程得到服务的响应时间的变化幅度较但各进程得到服务的响应时间的变化幅度较小小n适用于访问请求不是很多的情况适用于访问请求不是很多的情况SSTF调度算法调度算法n n最短查找时间优先最短查找时间优先n n为为为为最靠近最靠近最靠近最靠近磁头磁头磁头磁头当前当前当前当前位置的请求服务位置的请求服务位置的请求服务位置的请求服务n n请求队列请求队列请求队列请求队列 -98,183,37,122,14,124,65,67,-98,183,37,122,14,
8、124,65,67,初始位置初始位置初始位置初始位置 5353timetime141437375353 65659898122122 1241241831836767SSTF调度算法调度算法n n服务顺序为服务顺序为53,65,67,37,14,98,122,124,183,n n结果磁头运动只要结果磁头运动只要236个柱面个柱面n n与与 SJF CPU调度类似调度类似,可能导致一些请求可能导致一些请求饿死饿死n n请求可能在任何时间到达，悬而未决的请求可能在任何时间到达，悬而未决的请求使队列可能变长请求使队列可能变长n nFCFS的一个改进的一个改进,但但不是最佳不是最佳的的 SSTF调度
9、算法调度算法n算法特点算法特点n可以得到比较好的吞吐量可以得到比较好的吞吐量n较低的平均响应时间较低的平均响应时间n对用户的服务请求响应机会不是均等的对用户的服务请求响应机会不是均等的n对中间磁道的访问请求将得到最好的服务，对对中间磁道的访问请求将得到最好的服务，对内外两侧磁道的服务随偏离中心磁道的距离而内外两侧磁道的服务随偏离中心磁道的距离而越来越差越来越差n不适用于服务请求多的情况不适用于服务请求多的情况n有些请求的响应时间不可预见，可能无限延迟有些请求的响应时间不可预见，可能无限延迟SCAN调度算法调度算法n n“电梯算法电梯算法n n磁头在一个方向上运动磁头在一个方向上运动磁头在一个方
10、向上运动磁头在一个方向上运动,在途中为请求服务在途中为请求服务在途中为请求服务在途中为请求服务,直到直到直到直到到达磁盘末端到达磁盘末端到达磁盘末端到达磁盘末端,然后反向（移动）然后反向（移动）然后反向（移动）然后反向（移动）n n请求队列请求队列请求队列请求队列-98,183,37,122,14,124,65,67,-98,183,37,122,14,124,65,67,初始位置初始位置初始位置初始位置 5353timetime141437375353 65659898122122 1241241831836767SCAN调度算法调度算法n服务顺序：服务顺序：53,37,14,65,67,9
11、8,122,124,183 导致磁头运动只要导致磁头运动只要208个柱面个柱面n n如果在队列中出现的请求如果在队列中出现的请求(所请求的柱面所请求的柱面)正好在磁头前面正好在磁头前面,它马上被服务它马上被服务n n但是如果请求正好在磁头后面，但是如果请求正好在磁头后面，那么那么（该请求）必须等待，直到（磁头）臂移（该请求）必须等待，直到（磁头）臂移动到磁盘末端，反个方向，然后移回来动到磁盘末端，反个方向，然后移回来SCAN调度算法调度算法n算法特点算法特点n基本克服了基本克服了SSTF策略的服务于中间磁道和响应策略的服务于中间磁道和响应时间变化比较大的缺点时间变化比较大的缺点n具有具有SST
12、F策略的优点，即吞吐量比较大，平均策略的优点，即吞吐量比较大，平均响应时间比较小响应时间比较小n算法要求除了知道磁头的算法要求除了知道磁头的当前位置当前位置，还必须知，还必须知道磁头的道磁头的运动方向运动方向n由于摆动式扫描方法，两侧仍低于中间，只是由于摆动式扫描方法，两侧仍低于中间，只是不那么严重不那么严重C-SCAN调度算法调度算法n n循环扫描策略循环扫描策略(单向调度单向调度Circular SCAN，CSAN)n n假设当磁头到达磁盘的末端时假设当磁头到达磁盘的末端时假设当磁头到达磁盘的末端时假设当磁头到达磁盘的末端时,大部分的新请求将会在大部分的新请求将会在大部分的新请求将会在大部
13、分的新请求将会在磁盘的另一端磁盘的另一端磁盘的另一端磁盘的另一端(0(0开始开始开始开始),所以移回到那儿所以移回到那儿所以移回到那儿所以移回到那儿timetime141437375353 65659898122122 1241241831836767LOOK&C-LOOK调度算法调度算法n nLike SCAN&C-SCANn n但是（磁头）只移动到当前为服务队列的最远端但是（磁头）只移动到当前为服务队列的最远端但是（磁头）只移动到当前为服务队列的最远端但是（磁头）只移动到当前为服务队列的最远端,而不是磁盘的末端而不是磁盘的末端而不是磁盘的末端而不是磁盘的末端n n在继续移动之前，先在继续移
14、动之前，先在继续移动之前，先在继续移动之前，先查看查看查看查看请求请求请求请求timetime141437375353 65659898122122 1241241831836767磁盘调度算法的性能磁盘调度算法的性能分析分析性能分析性能分析n n哪一个更好哪一个更好?n nSSTF 比较通用，性能一般，因为它是比较通用，性能一般，因为它是在在FCFS上的改进上的改进n nSCAN（电梯）（电梯）&C-SCAN（单向）（单向）在在（高）负载系统中性能更好（高）负载系统中性能更好,因为他们因为他们不可能导致饿死不可能导致饿死性能分析性能分析n n对任一种调度算法对任一种调度算法,性能主要依赖于请
15、求性能主要依赖于请求的的个数个数n n假设队列中只有一个突出的请求，那么所假设队列中只有一个突出的请求，那么所有的算法都与有的算法都与 FCFS 一样一样性能分析性能分析n n文件分配方式可能影响性能文件分配方式可能影响性能n n比如比如索引分配索引分配使磁盘上的数据离散分使磁盘上的数据离散分布，这导致更多的磁头运动布，这导致更多的磁头运动n n 连续分配连续分配导致较少的磁头运动导致较少的磁头运动性能分析性能分析n n目录和索引块的位置也可能影响性能目录和索引块的位置也可能影响性能n n比如比如,目录项目录项 在第一个柱面，数据在在第一个柱面，数据在最后一个柱面最后一个柱面n n或者或者 索
16、引块索引块 在第一个柱面，而文件在第一个柱面，而文件的数据块在最后一个柱面的数据块在最后一个柱面n nUnix中中,inodes 的位置会影响性能的位置会影响性能性能分析性能分析n n把把目录目录和和索引块索引块 缓存缓存在主存中有助于减少在主存中有助于减少磁头移动磁头移动n n磁盘调度算法应该作为磁盘调度算法应该作为OS的独立模块的独立模块,以以便在必要时，可以用不同的算法替换它便在必要时，可以用不同的算法替换它n nSSTF 或或 LOOK 都可以作为默认的算法都可以作为默认的算法作业作业n假设一个磁盘驱动器有假设一个磁盘驱动器有5000个柱面，从个柱面，从0-4999，驱动器正在为柱面，驱动器正在为柱面143的一个请求提的一个请求提供服务，且前面的一个服务请求是在柱面供服务，且前面的一个服务请求是在柱面125。按。按FIFO顺序，即将到来的请求队列是：顺序，即将到来的请求队列是：86，1470，1774，948，1509，1022，1750，130从现在磁头位置开始，按从现在磁头位置开始，按FCFS，电梯调度，电梯调度，最短查找时间优先的磁盘调度算法，分别最短查找时间优先的磁盘调度算法，分别写出服务的顺序，并计算移动距离（按柱写出服务的顺序，并计算移动距离（按柱面计算）。面计算）。