OS-S4 磁盘管理

§1 磁盘管理

C1 磁盘

1）存储区：

• 扇区：盘片分为多个扇形区域。实际上每个磁道扇区数不是常量

• 磁道：盘片上同心圆

• 柱面：不同盘片，相同磁道组成圆柱

• 每盘片2个盘面，各有一个磁头

• 容量 = 盘片数 × 面/盘 × 磁道数 × 扇区/磁道 × B/扇区

  由于存在坏道、存在校验盘等，实际容量更小

2）磁盘一维映射：磁盘驱动器将磁盘视为一维逻辑数组，逻辑块是最小单位

• 读取一个扇区需要：柱面，磁头，扇区三个参数
• 建立映射：扇区0为最外柱面第一个磁头，按磁道内扇区顺序，再按从上到下盘面顺序顺序，最后按由外到内柱面顺序

3）性能：磁盘延迟 = 寻道+旋转+传输

• 寻道时间：磁臂移动到目标磁道 $T_s = t \times n（磁道） + s(启动)$

• 旋转延迟：平均旋转延迟 $T_r = \frac{1}{2r(每秒转数)}$

• 传输时间： $T_t = \frac{b（读写总字节数）}{r（转速）N(磁道字节数)}$

  寻道时间是主要的影响因素

4）提升IO速度：

• 高速缓存

  • 缓存形式：

    • 独立缓存（固定大小）
    • 虚拟内存（弹性大小）

  • 数据交付形式：

    • 直接交付（需要复制开销）
    • 指针交付（内存管理复杂）

  • 置换算法：LRU

  • 周期性写回：周期性将修改过的内容写入磁盘

• 预读取，延迟写回

• 虚拟磁盘：利用内存空间仿真磁盘

C2 磁盘调度算法

1）先来先服务（FCFS）：按请求到达顺序

• 优点：简单公平
• 缺点：寻道时间多

2）最短寻道时间(SSTF)：优先选择距磁头最近的访问请求（寻道优先）

• 优点：改善平均服务时间
• 缺点：产生饥饿现象

3）扫描算法(SCAN)：磁头按一个方向移动，移动过程中对遇到的请求进行服务，直到步进到最内/外侧磁道调转扫描方向

• 优点：考虑了磁头运动方向
• 缺点：两侧磁道访问频率仍少于中间磁带

4）循环扫描算法(C_SCAN)：改进扫描，当到达最后一个柱面立即返回0柱面

• 优点：对两端磁道更加公平

5）其它：

• 磁臂黏着：几个进程反复请求某一磁道而垄断了磁盘设备

• N-Step-SCAN：请求队列分为长度为N的子队列，队列间FCFS，队列内SCAN

  • N很大：SCAN N=1 FCFS

• FSCAN：2-Step-SCAN

  • 每次新进入的请求进入另一队列，当前队列SCAN完成后再交换队列

C3 闪存

1）NOR技术-Intel

• 地址线多容量大
• 一次寻址，速度快
• 成本高

2）NAND技术-东芝

• 地址 = 块号+页号+页内字节号
• 一次访问三次寻址，随机访问慢

3）闪存：

• 低功耗、大容量、速度快
• 允许再零下45到零上85摄氏度下工作；允许环境剧烈震动
• 有限次擦写

C4 磁盘可靠性

1）廉价冗余磁盘阵列RAID：利用多个独立硬盘(物理硬盘)按不同方式组成硬盘组(逻辑硬盘)，提供比单个硬盘更高的存储性能(并行)和提供数据冗余保证可靠性

• 优点：低成本，功耗小，速度快，可容错
• 数据并行交叉存取：数据分成多个数据段(条带)存在多个磁盘
  • 优点：并行存取
  • 缺点：可靠性有问题、不同IO请求需要排队
• 镜像：拷贝数据
  • 可靠
  • 占用存储空间
• 校验：
  • 可靠性、快速恢复
  • 存储开销和运算开销

2）RAID分级：7个级别(0-6)，还有组合级别

RAID	组成	特定
0	条带化	提高IO速度，无冗余校验
1	镜像	有效容量只有一半，可靠
1+0	先镜像后分块	可靠性更高
0+1	先分块后镜像
2	按位条带化，海明码	并行存取
3	按位条带化，奇偶校验	读写要访问所有盘，其中一个是校验盘。恢复时间长
4	数据块交叉，奇偶校验，独立存校验	随机读快，随机写慢
5	数据块交叉，奇偶校验，分布式存校验
6	数据块交叉，奇偶校验，分布式存校验	写入访问1个数据盘和2个冗余盘。可容忍双盘出错

3）检验码：利用异或运算

• 奇偶校验码：奇数为例P = a₀ ⊕ a₁ … ⊕ a_n
• 海明码：纠正信息字单个错误，最少码距为3
  • 码距：编码系统中两个合法字间不同的二进制位数
  • 码距越大纠错能力越强，但是冗余越大，即编码效率降低