Bài giảng Hệ điều hành: Chương 6 - Đặng Minh Quân

Hệ điều hành
Chương 6: Cấu trúc lưu trữ đĩa

Dang Minh Quan: Institute of IT for Economics-NEU, 2011

1


Tổng quan
• Cấu trúc đĩa
• Điều phối đĩa
• Quản lý đĩa
• SWAP
• RAID

Dang Minh Quan: Institute of IT for Economics-NEU, 2011

2


Cấu trúc đĩa
• Đĩa có ba ưu điểm chính hơn sử dụng bộ nhớ chính để lưu
trữ :

– Dung lượng lưu trữ lớn hơn rất nhiều.
– Giá trên một bit rẻ hơn.
– Thông tin không bị mất đi khi không còn cung
cấp điện.

Dang Minh Quan: Institute of IT for Economics-NEU, 2011

3


Cấu trúc đĩa

Dang Minh Quan: Institute of IT for Economics-NEU, 2011

4


Điều phối đĩa
• Tốc độ đĩa bao gồm ba phần.

– seek time : di chuyển đầu đọc đến track hay
cylinder thích hợp
– latency time : chờ cho đến khi khối cần thiết đến
dưới đầu đọc
– transfer time : vận chuyển dữ liệu giữa đĩa và bộ
nhớ
• seek time và latency time là mất nhiều thời gian nhất

Dang Minh Quan: Institute of IT for Economics-NEU, 2011

5


Thuật tốn FCFS
• Ví dụ : cần phải đọc các khối tạI các cylinder theo thứ tự
như sau :

– 98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, và 67
• Giả sử hiện tại đầu đọc đang ở vị trí 53.

Dang Minh Quan: Institute of IT for Economics-NEU, 2011

6


Thuật tốn SSTF
• Thuật tốn này sẽ di chuyển đầu đọc đến các khối cần thiết
theo vị trí lần lượt gần với vị trí hiện hành của đầu đọc nhất.
• Ví dụ : cần đọc các khối tạI các cylinder như sau :  98, 183,
37, 122, 14, 124, 65, và 67. Giả sử hiện tại đầu đọc đang ở vị
trí 53.

Dang Minh Quan: Institute of IT for Economics-NEU, 2011

7


Thuật tốn SCAN
• Theo thuật tốn này, đầu đọc sẽ di chuyển về một
phía của đĩa và từ đó di chuyển qua phía kia.
• Ví dụ : cần đọc các khối tạI các cylinder như sau : 
98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, và 67. Giả sử hiện tại
đầu đọc đang ở vị trí 53.

Dang Minh Quan: Institute of IT for Economics-NEU, 2011

8

Thuật tốn CSCAN
• Thuật tốn này tương tự như thuật tốn SCAN, chỉ
khác là khi nó di chuyển đến một đầu nào đó của
đĩa, nó sẽ lập tức trở về đầu bắt đầu của đĩa.
• Ví dụ : cần đọc các khối tạI các cylinder như sau : 
98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, và 67. Giả sử hiện tại
đầu đọc đang ở vị trí 53.

Dang Minh Quan: Institute of IT for Economics-NEU, 2011

9


Thuật tốn LOOK
• Thơng thường thì đầu đọc chỉ chuyển đến cylinder
xa nhất ở mỗi hướng chứ không đến cuối. Do đó
SCAN và C-SCAN được chỉnh theo thực tế và gọi
là lập lịch LOOK.
• Ví dụ : cần đọc các khối tạI các cylinder như sau : 
98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, và 67. Giả sử hiện tại
đầu đọc đang ở vị trí 53.

Dang Minh Quan: Institute of IT for Economics-NEU, 2011

10


Định dạng đĩa

• Một đĩa từ tính mới chỉ là một phiến trắng
• Trước khi một đĩa có thể lưu trữ dữ liệu, nó phải được chia
thành các sector để bộ điều khiển đĩa có thể đọc và viết.
• Định dạng cấp thấp điền vào đĩa với một cấu trúc dữ liệu đặc
biệt cho từng sector.
• Cấu trúc dữ liệu cho một sector thường bao gồm một tiêu đề,
một vùng dữ liệu (thường là 512 byte), và mã kết thúc.

Dang Minh Quan: Institute of IT for Economics-NEU, 2011

11


Định dạng đĩa
• Các tiêu đề và mã kết thúc chứa thông tin được sử dụng bởi
bộ điều khiển đĩa, chẳng hạn như số hiệu của sector và một
mã sửa lỗi (ECC).
• Khi bộ điều khiển viết dữ liệu vào một sector trong quá
trình I / 0 bình thường, ECC được cập nhật với một giá trị
tính từ tất cả các byte trong khu vực dữ liệu.
• Khi dữ liệu khu vực được đọc, ECC được tính tốn lại và so
sánh với giá trị được lưu trữ.

Dang Minh Quan: Institute of IT for Economics-NEU, 2011

12


Định dạng đĩa
• Trước khi có thể sử dụng một đĩa để chứa các tập

tin, hệ điều hành vẫn cần phải ghi lại các cấu trúc
dữ liệu riêng của mình trên đĩa.
• Bước đầu tiên là phân vùng đĩa thành một hoặc
nhiều nhóm các cylinder. Hệ điều hành coi mỗi
phân vùng như thể là một đĩa riêng biệt.
• Tiếp theo, hệ điều hành lưu trữ các cấu trúc dữ liệu
ban đầu về hệ thống file vào đĩa. Các cấu trúc dữ
liệu này có thể bao gồm bản đồ khơng gian cịn dư
và khơng gian đã phân bổ (một FAT hoặc inodes) và
một thư mục trống ban đầu.
Dang Minh Quan: Institute of IT for Economics-NEU, 2011

13


Khối khởi động
• Hầu hết các hệ thống lưu trữ một chương trình bootstrap nhỏ
trong ROM khởi động, chương trình này có nhiệm vụ là lấy
một chương trình bootstrap đầy đủ từ đĩa.
• Chương trình tải và khởi động hệ điều hành đầy đủ được lưu
trữ trong các khối khởi động tại một vị trí cố định trên đĩa.
Một đĩa có một phân vùng khởi động được gọi là một đĩa
khởi động hoặc ổ đĩa hệ thống.

Dang Minh Quan: Institute of IT for Economics-NEU, 2011

14


Khối khởi động

• Windows 2000
– Hệ thống Windows 2000 đặt mã khởi động của nó trong
sector đầu tiên trên đĩa cứng (gọi là Master Boot Record
hoặc MBR)
– Ngoài việc chứa mã khởi động, MBR
có chứa một bảng danh sách các phân vùng cho đĩa cứng
và có một cờ cho biết phân vùng hệ thống khởi động
– Một khi hệ thống xác định được phân vùng khởi động, nó
đọc sector đầu tiên từ phân vùng (được gọi là sector khởi
động) và tiếp tục với phần cịn lại của q trình khởi
động, trong đó bao gồm tải các hệ thống con khác nhau
và hệ thống dịch vụ.
Dang Minh Quan: Institute of IT for Economics-NEU, 2011

15


Khối khởi động

Dang Minh Quan: Institute of IT for Economics-NEU, 2011

16


Khối hỏng
• Bởi vì đĩa có bộ phận chuyển động với dung sai nhỏ (nhớ lại
rằng các đầu đĩa bay ngay trên bề mặt đĩa), chúng rất dễ bị
lỗi.
• Trên các ổ đĩa đơn giản, chẳng hạn như một số đĩa với bộ
điều khiển IDE, khối xấu xử lý bằng tay – format, chkdsk.

• Một số bộ điều khiển có thể hướng dẫn để thay thế một khối
xấu bằng cách trượt qua sector.

Dang Minh Quan: Institute of IT for Economics-NEU, 2011

17


Khơng gian swap
• Khơng gian swap được sử dụng theo nhiều cách khác nhau
tùy thuộc vào hệ điều hành sử dụng các thuật tốn quản lý
bộ nhớ khác nhau.
• Hệ thống sẽ an tồn hơn nếu khơng gian swap lớn
• Trong Linux vừa qua đã đề nghị thiết lập không gian swap
gấp đôi dung lượng của bộ nhớ vật lý

Dang Minh Quan: Institute of IT for Economics-NEU, 2011

18


Định vị khơng gian swap
• Một khơng gian swap có thể cư trú tại một file trong hệ
thống tập tin bình thường
• Cách tiếp cận này, mặc dù dễ dàng nhưng thực hiện không
hiệu quả.

– Duyệt cấu trúc thư mục và cấu trúc dữ liệu phân
bổ đĩa cần có thời gian và cần phải truy cập đĩa
nhiều thêm.

– Ngoài ra hiện tượng phân mảnh có thể làm tăng
thời gian trao đổi do phải tìm nhiều trong quá
trình đọc hoặc viết hình ảnh của một tiến trình.

Dang Minh Quan: Institute of IT for Economics-NEU, 2011

19


Định vị khơng gian swap
• Khơng gian swap có thể được tạo ra trong một phân vùng
riêng biệt.
• Khơng hệ thống tập tin hoặc cấu trúc thư mục được đặt trong
khơng gian này. Thay vào đó,
một bộ quản lý khơng gian swap riêng biệt được sử dụng để
phân bổ và giải phóng các khối từ các phân vùng thơ.
• Chương trình quản lý này sử dụng các thuật tốn tối ưu hóa
cho tốc độ chứ khơng phải là để lưu trữ hiệu quả

Dang Minh Quan: Institute of IT for Economics-NEU, 2011

20


Cấu trúc RAID
• Ổ đĩa tiếp tục được thu nhỏ hơn và rẻ hơn, do đó,
bây giờ là khả thi về mặt kinh tế để đính kèm nhiều
đĩa cho một hệ thống máy tính.
• Có một số lượng lớn ổ đĩa trong một hệ thống tạo
cơ hội để cải thiện tốc độ đọc hoặc ghi dữ liệu, nếu

các đĩa được vận hành song song.
• Hơn nữa, điều này cung cấp tiềm năng để cải thiện
độ tin cậy của dữ liệu lưu trữ
• Mảng dự phịng các đĩa độc lập (redundant arrays of
independent disks RAIDs), thường được sử dụng để
giải quyết các vấn đề hiệu suất và độ tin cậy.
Dang Minh Quan: Institute of IT for Economics-NEU, 2011

21


RAID 0
• (Phân chia cấp khối mà khơng có mã
chẵn lẻ hoặc sao lưu) khơng có dự
phịng
• Nó cung cấp cải thiện hiệu suất và
lưu trữ bổ sung nhưng không có khả
năng chịu lỗi.
• Bất cứ đĩa hỏng nào sẽ phá hủy mảng
các đĩa, và khả năng xảy ra lỗi gia
tăng với số các ổ đĩa trong mảng
• Số đĩa cho hoạt động đọc: 1
• Số đĩa cho hoạt động viết: 1
Dang Minh Quan: Institute of IT for Economics-NEU, 2011

22


RAID 1
• (phản chiếu mà khơng cần mã chẵn lẻ

hoặc phân chia khối), dữ liệu được viết
giống hệt với nhiều đĩa (một "tập hợp
được nhân đơi").
• Giả sử có n đĩa trong RAID 1

– Số đĩa cho hoạt động đọc: 1
– Số đĩa cho hoạt động viết: n

Dang Minh Quan: Institute of IT for Economics-NEU, 2011

23


RAID 2
• (phân chia cấp bit với mã chẵn lẻ Hamming), tất cả các trục
quay đĩa được đồng bộ, và dữ liệu được phân chia như vậy
mà mỗi bit tuần tự ở vào một đĩa khác nhau.
• Mã chẵn lẻ Hamming được tính tốn trên bit tương ứng trên
đĩa và được lưu trữ trên ít nhất một đĩa chứa mã chẵn lẻ
• Giả sử có n đĩa trong RAID 2
– Số đĩa cho hoạt động đọc: n
– Số đĩa cho hoạt động viết: n

Dang Minh Quan: Institute of IT for Economics-NEU, 2011

24


RAID 3
• (phân chia cấp byte với mã chẵn lẻ chuyên dụng), tất cả các trục

quay đĩa được đồng bộ, và dữ liệu được phân chia vì vậy mỗi
byte tuần tự ở vào một đĩa khác nhau.
• Mã chẵn lẻ được tính tốn trên byte tương ứng trên đĩa và được
lưu trữ trên một đĩa chứa mã chẵn lẻ chuyên dụng.
• Giả sử có n đĩa trong RAID 3
– Số đĩa cho hoạt động đọc: n
– Số đĩa cho hoạt động viết: n

Dang Minh Quan: Institute of IT for Economics-NEU, 2011

25