dr inż. Krzysztof Patan Instytut Sterowania i Systemów Informatycznych Uniwersytet Zielonogórski k.patan@issi.uz.zgora.pl

WSTĘP 1 Struktury danych oraz algorytmy do implementacji interfejsu systemu plików implementacja plików implementacja katalogów zarządzanie wolnymi obszarami Struktura pamięci pomocniczej algorytmy planowania ruchu głowic porządek dyskowych operacji wej-wyj formatowanie dysku zarządzanie blokami rozruchowymi, blokami uszkodzonymi zarządzanie obszarem wymiany niezawodność dysków

2 STRUKTURA DYSKU Napędy dyskowe adresowane są jako wielkie jednowymiarowe tablice bloków logicznych sektory cylinder p³yta œcie ki Sektor 0 jest pierwszym sektorem na pierwszej ścieżce pierwszego (zewnętrznego) cylindra Dalsze odwzorowanie odbywa się po kolei wzdłuż tej ścieżki, następnie wzdłuż pozostałych ścieżek cylindra, potem w głąb następnych cylindrów

3 PLANOWANIE DOSTĘPU DO DYSKU Ekonomiczne użytkowanie sprzętu, szybki dostęp do dysku, szybsze przesyłanie danych Na czas dostępu mają wpływ: 1. czas szukania czas potrzebny na przemieszczenie ramienia dysku do pozycji w której głowice ustawiają się w cylindrze zawierającym potrzebny sektor 2. opóźnienie obrotowe czas zużywany na obrót dysku do pozycji, w której potrzebny sektor trafia pod głowicę dysku Szerokość pasma łączna liczba przesłanych bajtów, podzielona przez łączny czas jaki upływa od pierwszego zamówienia na usługę dyskową do chwili zakończenia ostatniego przesłania Wykonując operacje dyskowe w odpowiednim porządku można polepszyć zarówno czas dostępu jak i szerokość pasma

4 Proces zamawiając operację wej-wyj określa: czy jest to operacja wejścia czy wyjścia dyskowy adres przesyłania adres pamięci operacyjnej dotyczący przesyłania liczbę bajtów do przesłania Gdy napęd i jego sprzętowy sterownik są gotowe do pracy to zamówienie może zostać spełnione natychmiast Jeśli napęd czy sterownik są zajęte, to każde nowe zamówienie jest ustawiane w kolejce zamówień oczekujących na usługę Problem wyboru zamówienia z kolejki

5 Planowanie metodą FCFS najprostsza metoda dostępu do dysku pierwszy zgłoszony pierwszy obsłużony algorytm jest sprawiedliwy, lecz nie zapewnia szybkiej obsługi Przykład 1. Rozważmy dyskową kolejkę zamówień na operacje wej-wyj odnoszące się do sektorów w następujących cylindrach: 98, 183, 37, 122, 14, 124, 65 i 67. Zastosować metodę FCFS.

6 Bieżące położenie głowicy: cylinder 53 Kolejka: [98,183,37,122,14,124,65,67] cylindry 1 20 60 100 140 180 Planowanie dostępu do dysku metodą FCFS Wady: Liczba przewiniętych cylindrów = 640 Gwałtowne wychylenia głowicy 122-14-124

7 Planowanie metodą SSTF dąży się do tego, aby w pierwszej kolejności obsługiwać zamówienia sąsiadujące z bieżącym położeniem głowicy metoda SSTF najpierw najkrótszy czas przeszukiwania (ang. shortest seek time first) wybiera się zamówienie z minimalnym czasem przeszukiwania względem bieżącej pozycji głowicy Przykład 2. Rozważmy dyskową kolejkę zamówień z przykładu 1. Rozplanować dostęp do dysku metodą SSTF.

8 Bieżące położenie głowicy: cylinder 53 Kolejka: [98,183,37,122,14,124,65,67] cylindry 1 20 60 100 140 180 Planowanie dostępu do dysku metodą SSTF Liczba przewiniętych cylindrów = 236

9 Zalety znaczne polepszenie wydajności 640 236 = 2, 71 Algorytm SSTF jest odmianą planowania metodą najpierw najkrótsze zadanie (SJF) Wady metoda może doprowadzić do zagłodzenia niektórych zamówień Algorytm SSTF choć wyraźnie poprawia wydajność nie jest jednak algorytmem optymalnym

10 Planowanie metodą SCAN w metodzie SCAN ramię dysku rozpoczyna pracę od jednej krawędzi dysku i przemieszcza się w kierunku krawędzi przeciwległej obsługując zamówienia z kolejki po dotarciu do krawędzi dysku zmienia się kierunek ruchu głowicy głowica nieustannie przeszukuje (skanuje) dysk tam i z powrotem Przykład 3. Rozważmy dyskową kolejkę zamówień z przykładu 1. Rozplanować dostęp do dysku metodą SCAN.

11 Bieżące położenie głowicy: cylinder 53 Kolejka: [98,183,37,122,14,124,65,67] Kierunek ruchu głowicy cylindry 1 20 60 100 140 180 Liczba przewiniętych cylindrów = 234 Planowanie dostępu do dysku metodą SCAN Ważny jest kierunek skanowania; jeśli przyjmiemy kierunek przeciwny do rozważanego w przykładzie 3 to liczba przewiniętych cylindrów wzrośnie do 333

12 Jeśli w kolejce pojawi się zamówienie odnoszące się do cylindra znajdującego się tuż przed głowicą, to zostałoby zrealizowane natychmiast Jeśli w kolejce pojawi się zamówienie odnoszące się do cylindra znajdującego się tuż za głowicą, to zamówienie to musi poczekać, aż głowica dojdzie do końca, zmieni kierunek i wróci Algorytm SCAN nazywany jest czasami algorytmem windy winda jedzie do góry i realizuje po kolei wszystkie zamówienia winda jedzie w dół realizując napotkane zamówienia

13 Planowanie metodą C-SCAN zakłada się równomierne rozkład zamówień na cylindry kiedy głowica osiąga skrajne położenie i zmienia kierunek to w pobliżu głowicy będzie względnie mało zamówień największe zagęszczenie zamówień będzie dotyczyć przeciwległego końca dysku Pomysł: może przemieścić głowicę w okolice największego zagęszczenia zamówień? algorytm C-SCAN (ang. circular SCAN skanowanie cykliczne) jest odmianą algorytmu SCAN algorytm działa podobnie jak metoda SCAN z tą różnicą, że po dojściu głowicy do skrajnego położenia wraca ona natychmiast do przeciwległego położenia (bez obsługi zamówień znajdujących się po drodze)

Przykład 4. Rozplanować kolejkę zamówień z przykładu 1 metodą C-SCAN. Bieżące położenie głowicy: cylinder 53 Kolejka: [98,183,37,122,14,124,65,67] 14 Kierunek ruchu głowicy cylindry 1 20 60 100 140 180 Planowanie dostępu do dysku metodą C-SCAN liczba przewiniętych cylindrów = 383 cylindry traktowane są jako lista cykliczna, w której ostatni cylinder spotyka się z pierwszym

15 Planowanie metodą LOOK w metodach SCAN i C-SCAN głowica przemieszcza się z jednego końca dysku do drugiego prosta modyfikacja tych metod polega na tym, że nie czeka się aż głowica dojdzie do skraju dysku, czeka się aż głowica osiągnie skrajne zamówienie. po zrealizowaniu skrajnego zamówienia głowica natychmiast wykonuje zwrot kierując się w przeciwnym kierunku wersje tego algorytmu noszą nazwy odpowiednio LOOK i C-LOOK (metody patrzą czy w danym kierunku są jeszcze jakieś zamówienia) Przykład 5. Rozważmy dyskową kolejkę zamówień z przykładu 1. Rozplanować dostęp do dysku metodami LOOK i C-LOOK.

16 Bieżące położenie głowicy: cylinder 53 Kolejka: [98,183,37,122,14,124,65,67] Kierunek ruchu głowicy Bieżące położenie głowicy: cylinder 53 Kolejka: [98,183,37,122,14,124,65,67] Kierunek ruchu głowicy cylindry cylindry 1 20 60 100 140 180 1 20 60 100 140 180 Planowanie dostępu do dysku metodą LOOK Planowanie dostępu do dysku metodą C-LOOK

17 WYBÓR ALGORYTMU PLANOWANIA Jak wybrać najlepszy algorytm planowania dostępu do dysku spośród wielu dostępnych? metoda SSTF powszechnie stosowana i naturalna metody SCAN i C-SCAN są odpowiedniejsze w systemach z wielką liczbą zamówień na operacje dyskowe wydajność każdego algorytmu planowania zależy od liczby i rodzaju zamówień. Jeżeli kolejka ma jedno nie obsłużone zamówienie wtedy wszystkie algorytmy wygenerują ten sam rezultat. Wszystkie algorytmy sprowadzają się do planowania metodą FCFS

18 metody planowania mogą zależeć od metody przydziału pliku dla pliku o przydziale ciągłym generowany jest ciąg zamówień odnoszących się do sąsiednich miejsc na dysku ograniczony ruch głowicy dla pliku o przydziale listowym bądź indeksowym generowany jest ciąg zamówień odnoszący się do rozrzuconych miejsc na dysku większy ruch głowic równie ważna jest lokalizacja katalogów i bloków indeksowych; przechowywanie katalogów i bloków indeksowych w pamięci operacyjnej pomaga zmniejszyć ruchy ramienia dysku algorytm planowania dostępu do dysku powinien być napisany jako osobny moduł systemu operacyjnego, który można w razie konieczności podmienić

19 Problem opóźnienia obrotowego nowoczesne dyski nie ujawniają fizycznego położenia bloków logicznych producenci dysków implementują algorytmy planowania w sterownikach wbudowanych w sprzęt napędu dysków sprzęt realizuje zamówienia przesłane przez system operacyjny w sposób poprawiający zarówno czas szukania i opóźnienie obrotowe system operacyjny odpowiada za przekazywanie zamówień na operacje dyskowe system operacyjny posiada własne algorytmy planowania i dawkuje sterownikowi dysku zamówienia, zaś dysk realizuje je tak, aby opóźnienie obrotowe było jak najmniejsze

20 ZARZĄDZANIE DYSKIEM Oprócz planowania dostępu do dysku, system operacyjny odpowiada także za: przygotowanie dysku do pracy rozruch systemu postępowanie blokami błędnymi Formatowanie dysku nowy dysk twardy nie zapisana tablica krążki z materiału magnetycznego formatowanie niskiego poziomu (ang. low level formatting) Podział dysku na sektory, które sterownik dysku potrafi odczytywać i zapisywać oraz umieszczeniu w każdym sektorze specjalnej struktury danych

21 Struktura danych sektora: nagłówek obszar danych zakończenie Informacje zawarte w nagłówku i zakończeniu numer sektora kod korygujący ECC (ang. error correcting code)

22 Przetwarzanie ECC podczas zapisu kod korygujący zostaje uaktualniony za pomocą wartości obliczonej na podstawie bajtów zapisanych w sektorze podczas czytania sektora kod korygujący jest obliczany ponownie i porównywany z wartością zapamiętaną jeżeli wartości zapamiętana i obliczona są różne podejrzenie uszkodzenia sektora kod ECC jest samokorygujący w przypadku gdy 1 lub 2 bity danych są uszkodzone to kod potrafi je wyszukać oraz obliczyć ich poprawną wartość przetwarzanie ECC jest wykonywane automatycznie przez sterownik podczas każdego pisania czy czytania sektora

Rozmiar obszaru danych najczęściej wybierane rozmiary: 256, 512, 1024B używanie większych rozmiarów obszaru danych oznacza że na każdej ścieżce znajdować się będzie mniej sektorów mniejsza liczba sektorów oznacza także mniej nagłówków oraz zakończeń sektorów więcej miejsca dla danych Aby zastosować dysk do przechowywania danych w postaci plików system operacyjny musi na nim umieścić swoje struktury danych 23 I. Dzielenie dysku na jedną lub więcej grup cylindrów Każda tak powstała grupa jest tzw. strefą (partycją), którą system operacyjny traktuje jak osobny dysk II. Formatowanie logiczne System operacyjny zapisuje na dysku początkowe struktury danych systemu plików: mapa wolnych i przydzielonych obszarów (tablica alokacji plików), początkowy, pusty katalog

24 Blok rozruchowy Komputer zaczynając pracę wykonuje tzw. program wstępny Program rozruchowy (ang. bootstrap) ustawia stan początkowy wszystkich elementów systemu komputerowego: procesora, sterowników urządzeń, zawartości pamięci. Następnie uruchamia system operacyjny program rozruchowy znajduje jądro systemu na dysku, umieszcza je w pamięci oraz wykonuje skok pod adres początkowy w celu wykonania systemu operacyjnego program rozruchowy przechowuje się w specjalnej części dysku, w strefie nazywanej blokiem rozruchowym (ang. boot block) dysk ze strefą rozruchową dysk rozruchowy (ang. boot disk)

25 Przykład 6. Blok rozruchowy z systemie MS-DOS zawiera tylko 512B Sektor 0 Sektor 1 Blok rozruchowy Tablica FAT Katalog g³ówny Bloki danych Bloki uszkodzone Dyski to delikatne urządzenia bardzo wrażliwe na awarie W przypadku awarii zupełnej wymiana dysku i rekonstrukcja danych z nośników awaryjnych W większości przypadków występują awarie częściowe jeden lub więcej sektorów ulega uszkodzeniu

26 Postępowanie z blokami uszkodzonymi eliminacja ręczna dyski IDE polecenie format: formatowanie logiczne i analiza dysku w poszukiwaniu wadliwych bloków polecenie verb: szukanie wadliwych bloków i blokowanie dostępu do nich eliminacja automatyczna dyski SCSI sterownik dysku utrzymuje wykaz uszkodzonych bloków; wykaz jest uaktualniany przez cały czas eksploatacji dysku sterownikowi można nakazać logiczne zastąpienie każdego uszkodzonego sektora za pomocą sektora zapasowego

27 ZARZĄDZANIE OBSZAREM WYMIANY Pamięć wirtualna korzysta z przestrzeni dyskowej jako rozszerzenia pamięci głównej Dostęp do dysku jest znacznie wolniejszy niż do pamięci głównej, więc zastosowanie obszaru wymiany ma duży wpływ na wydajność systemu Cel: Umożliwienie najlepszej przepustowości systemowej pamięci wirtualnej Umiejscowienie obszaru wymiany Obszar wymiany może znajdować się w dwu miejscach: 1. w systemie plików 2. w oddzielnej strefie dyskowej

28 Obszar wymiany jako jeden wielki plik w systemie plików Do utworzenia pliku wymiany, nazwania, przydzielenia mu miejsca na dysku można użyć zwykłych procedur systemu plików Zalety: podejście łatwe do realizacji Wady: mała wydajność; praca z systemem plików, przeszukiwanie katalogu oraz struktur danych jest czasochłonne i wymaga dodatkowych operacji dyskowych fragmentacja zewnętrzna może znacznie wydłużyć czas wymiany wielokrotne przeszukiwanie podczas czytania lub zapisywania procesu Poprawa wydajności przechowywanie podręczne w pamięci operacyjnej informacji o położeniu bloków wymiany w odrębnej strefie dyskowej

29 Obszar wymiany w oddzielnej strefie dyskowej W strefie przeznaczonej na obszar wymiany nie montuje się żadnego systemu plików, ani nie buduje struktury katalogów Do przydzielania i zwalniania bloków stosuje się zarządcę pamięci obszaru wymiany Zarządca pamięci nie optymalizuje zużycia pamięci, lecz korzysta z algorytmów optymalizujących czas przesyłania danych pomiędzy dyskiem a pamięcią operacyjną Wzrasta fragmentacja wewnętrzna, lecz jest to do przyjęcia gdyż w obszarze wymiany dane pozostają znacznie krócej niż pliki w zwykłym systemie plików Podejście powoduje utworzenie obszaru wymiany o stałym rozmiarze zwiększenie obszaru wymiany wymaga powtórnego podziału dysku na strefy przemieszczenie i zniszczenie danych z innych stref; odtwarzanie danych tych stref z kopii zapasowych