Ch6 外部存储器

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磁盘数据组织

1. 磁道：一组同心圆环。相邻磁道间由磁道间隔隔开（防止相互干扰）。
2. 扇区：最小读写单位。一个磁道通常被划分成多个扇区，相邻扇区由扇区间隔隔开。

磁盘读写机制

由于角速度相同时，线速度外大内小，必须补偿，使得磁头读取所有的位的速度相同。

1. 恒定角速度：增大外层扇区间隔。
   • 优点：构造简单，磁头移到固定位置等待扇区来即可。
   • 缺点：浪费了外层磁道容量。
2. 多区段记录：每个区段包含多个磁道，区段内每个磁道位数固定，半径大的区段内的磁道比半径小的区段内的磁道容纳更多的位。同一区段的读取角速度相同，不同区段读取角速度不同。
   • 优点：充分利用磁道容量。
   • 缺点：需要更复杂的电路控制角速度。

寻找扇区

附加数据标记磁道和扇区，这些数据只对磁盘驱动器可见。

磁头

• 固定磁头：一个磁道一个磁头，安装在一个固定支架上
• 可移动磁头：每面一个，可伸缩支架

多盘片

SSD

• 优点：高速启动，低噪音，机械可靠性更高
• 缺点：成本较高，容量较低，写入寿命较短

磁盘性能参数：

传送时间：

\[ T=\frac{b}{rN} \]

其中：

• \(b\) = 传送的字节数；
• \(r\) = 磁盘旋转速率（转/秒）；
• \(N\) = 每磁道字节数。

平均存取时间：

\[ T_a=T_s+\frac{1}{2r}+\frac{b}{rN} \]

其中：

• \(T_s\) = 平均寻道时间，指磁盘移动支架使磁头对准磁道所需时间；
• \(\frac{1}{2r}\) = 平均旋转延迟，是磁道旋转半圈的时间。
  • 旋转延迟，指等待相关扇区旋转到磁头可读写位置的时间。
• \(\frac{b}{rN}\) = 传送时间，指从磁道上读取或写入 \(b\) 字节所需的时间。

磁盘调度算法

• 先来先服务算法（FCFS）：
  • 按照请求到达的顺序处理磁盘请求。
  • 优点：简单，公平。
  • 缺点：可能导致长时间等待，尤其是当请求分布不均时。
• 最短寻道时间优先算法（SSTF）：
  • 选择距离当前磁头位置最近的请求进行处理。
  • 优点：减少平均寻道时间。
  • 缺点：可能导致饥饿现象，即某些请求长时间得不到处理。
• 扫描算法（SCAN）：
  • 磁头在磁盘上来回扫描，处理沿途的请求。
  • 优点：减少平均寻道时间，避免饥饿现象。
  • 缺点：可能导致某些请求等待较长时间。
• 循环扫描算法（C-SCAN）：
  • 磁头在磁盘上来回扫描，但当到达一端时，磁头直接跳到另一端继续扫描。
  • 优点：提供更均匀的服务，避免了长时间等待。
  • 缺点：可能导致某些请求等待较长时间。

磁盘冗余阵列（RAID）

使用多个磁盘增加冗余提高可靠性，本质是一组物理磁盘驱动器，但被操作系统看作一整个逻辑驱动器

• 在阵列上条带分布
• 冗余磁盘用于存储校验信息

RAID 级别	描述	数据可用性	大型 I/O 数据传输能力	小型 I/O 请求率	需要的磁盘数
0	无冗余	无	非常高	低于单个磁盘	N
1	镜像	非常高	读操作可达单个磁盘的两倍；写操作与单个磁盘相同	读操作比单个磁盘高；写操作与单个磁盘相同	2N
2	通过海明码冗余	所有列出的选择中最高	大约是单个磁盘的两倍	远高于单个磁盘；可与 RAID 3、4、5 相比较	N+m（m 与 logN 成正比）
3	位交叉奇偶校验	所有列出的选择中最高	远高于单个磁盘；可与 RAID 2、4、5 相比较	大约是单个磁盘的两倍	N+1
4	块交叉奇偶校验	无	远高于单个磁盘；可与 RAID 2、3、5 相比较	读操作与 RAID 0 相同；写操作明显低于单个磁盘	N+1
5	块交叉分布奇偶校验	高	远高于单个磁盘；可与 RAID 2、3、4 相比较	读操作与 RAID 0 相同；写操作一般低于单个磁盘	N+1
6	块交叉双分布奇偶校验	所有列出的选择中最高	读操作与 RAID 0 相同；写操作低于 RAID 5	读操作与 RAID 0 相同；写操作明显低于 RAID 5	N+2