操作系统学习笔记（十二）－－ 大容量存储系统

最近开始学习操作系统原理这门课程，特将学习笔记整理成技术博客的形式发表，希望能给大家的操作系统学习带来帮助。同时盼望大家能对文章评论，大家一起多多交流，共同进步！

本文主要分以下几个方面：

• 磁盘的结构 Disk Stucture
• 磁盘的连接方式 Disk Attachment
• 磁盘的调度算法 Disk Scheduling
• 磁盘管理 Disk Management
• 交换空间的管理 Swap-Space Management
• 一种廉价的磁盘阵列 RAID Structure

大规模存储系统的结构：

磁盘：

• 传输速率：从外设到电脑的数据列传播时间
• 定位时间（随机访问时间） Positioning time(random-access time)：
  • 磁道定位时间 seek time - 移动磁臂 disk arm 到预期的磁道 cylinder
  • 扇区定位时间 rotational latency - 旋转预期的扇区 cylinder 到磁头的底部
• 磁头碰撞：磁头与磁盘表面接触；目前一般采用非接触式读写

SATA：Serial Advanced Technology Attachment

磁盘的逻辑结构：是一维的连续逻辑块

一个扇区(sector)可能有多个逻辑块。

0号扇区是第一条磁道的第一块扇区。

恒定线速度：用于低速设备例如CD；

恒定角速度：用于高速设备例如硬盘。

磁盘调度 Disk Scheduling

访问时间主要包含寻找时间和旋转延时；需要最小化寻找时间，且寻找时间约等于寻找距离。

磁盘带宽：单位时间内传输的数据量。

磁盘I/O系统的访问请求包括：输入／输出，磁盘地址，内存地址，扇区号。

调度算法：

举例：Head Pointer：53 queue=98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67

1. FCFS First-Come-First-Serve 总共移动640道
2. SSTF Shortest-Seek-Time-First 总共移动236道

• • 选择从目前磁头访问时间最短的访问请求做为处理对象
  • 类似CPU的SJF调度，可能会导致饥饿(starvation)，引起磁头滞留在某一篇区域

　　3. SCAN(扫描)，有时称电梯调度算法(elevator algorithm) 总共移动208道

• • 磁臂从磁盘一端开始走
  • 移动到另一端
  • 在移动过程中处理服务请求
  • 磁头的移动方向反转（到达另一端后）

　　4. C-SCAN(Circular Scan) 循环扫描

• • 磁头从一端移动到另一端
  • 在移动过程中处理请求
  • 到达另一端后，直接返回磁盘的起始磁道
  • 在返回过程中不做任何处理

　　5. C-LOOK：在访问的方向上走到最后一个请求就立即反转

如何选择：

• SSTF最常用
• SCAN和C-SCAN在大传输量情况下性能较好
• 性能好坏决定于请求模式
• SSTF或LOOK可作为默认算法

磁盘管理 Disk Management

Low-level/physical formatting 低级／物理格式化：将磁盘分成几个扇区，使得磁盘控制器可以读写

扇区结构包括：

• 头－包含扇区号
• 数据区
• 尾－包含ECC（错误校验码）

RAID Structure

Redundancy arrays of inexpensive disks 廉价磁盘冗余阵列

Redundancy arrays of independent disks 廉价磁盘冗余阵列

通过多磁盘冗余的方式提高可靠性和性能，RAID有七个等级：

1. RAID0：交叉存取
2. RAID1：镜像磁盘
3. RAID2：海明码校验，将数据的海明码存放在恢复盘
4. RAID3：带奇偶校验码的并行传递
5. RAID4：带奇偶校验码的独立磁盘结构
6. RAID5：分布式的奇偶校验的独立磁盘结构
7. RAID6：两种存储的奇偶校验码的磁盘结构(P+Q redundancy) 例如：RAID0+1 or RAID1+0 两者不相同！！！