J. Plattenspeicher J.1.1 Einordnung

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1 J. Plattenspeicher J.1.1 Einordnung Abbildung von Dateibeständen auf die reale Hardware: Plattengeometrie und Zugriffsmechanik, Festplattenpartitionen und Volumes, Freispeicherverwaltung, Scheduling. Höhere Informatik : - Programmierung, Datenbanken, Verteilte Systeme, Theorie.. Systemprogrammierung: - Betriebsmittelvergabe, Nebenläufigkeit, Treiber... I K Nebenläufigkeit: - Prozesse, Threads, Synchronisierung Vergabe v. Speicher & Resourcen: - Hauptspeicher, Dateien, Zugriffsschutz Gerätetreiber: - Konfigurierung, Ansteuerung, Datentransfer J Architektur E B Digitaltechnik: - Rechnerarithmetik, Schaltwerke, Gatter, Logik... Elektronik: - Strom & Spannung, Transistoren, ICs F C G D 1 Betriebssysteme, Sommer 2009, P. Schulthess, VS, Universität Ulm

2 J.2 Aufbau einer Festplatte J.2.1 Physikalischer Aufbau Staubdicht versiegelt. Eine oder mehrere rotierende Platten: U/min., magnetisierbare Schicht, unterteilt in konzentrische Spuren (Tracks), Zylinder = Gruppe übereinander liegender Spuren, Spuren sind wiederum in Sektoren unterteilt. Beweglicher Kamm: mit Schreib-/Leseköpfen, dicht über Magnetschicht, langsam beweglich (10 ms). Sektoren à 512 Bytes (netto). 2 Betriebssysteme, Sommer 2009, P. Schulthess, VS, Universität Ulm

3 J.2.2 Sektoren Typischerweise 512 Bytes pro Sektor derzeit üblich. Entstehen durch physikalische bzw. Low-Level-Formatierung. Aufbau bei alten MFM-Disks: IAM: Index Address Mark markiert Adressfeld. DAM: Data Address Mark markiert Datenfeld. SYNC: abhängig vom Aufzeichnungsverfahren. (Lücke zwischen Index-Record & Datenrecord). S Y N C A d r e s s f e l d S Y N C D a t e n f e l d I A M # S p u r # K o p f # S e k t o r C R C D A M B y t e D a t e n C R C 3 Betriebssysteme, Sommer 2009, P. Schulthess, VS, Universität Ulm

4 J.2.3 Adressierung: Im Prinzip über Zylinder (Cylinder), Kopf (Head), Sektor (Sector) - CHS. Verschiedene Adressierungsbeschränkungen: PC-Bios kann per CHS nicht mehr als 8 GB (alte BIOS nur 512 MB) adressieren, LBA = Logical Block Addressing löste Ende 1995 die CHS-Adressierung ab, "Direct LBA" adressiert Sektoren fortlfd., bis 128 GB (umgeht PC-BIOS), "Direct LBA(48)" adressiert 134'217'728 GB. Alte Disks (MFM, RLL): Sektoren haben auf äußeren Spuren größere Ausdehnung, Entspricht konstanter Winkelgeschwindigkeit. Moderne Disks (IDE, SCSI): bis zu 40% mehr Sektoren auf den äußeren Spuren, lineare Zugriffe sind hier schneller. 4 Betriebssysteme, Sommer 2009, P. Schulthess, VS, Universität Ulm

5 J.2.4 Fehlerbehandlung: Disks sind fehleranfällig teilweise fehlerhafte Blöcke bei Auslieferung. Köpfe schweben knapp über der Oberfläche. Staubkorn kann zum Headcrash führen. Sector Forwarding: Festplatte besitzt vorerst unsichtbare Reserveblöcke, Controller/Firmware besitzt eine Liste schlechter Blöcke, Zugriffsversuche auf fehlerhaften Block werden von der Firmware umgeleitet, Reserveblöcke pro Zylinder oder in Reservezylinder, Auswirkungen auf Disk-Scheduling! Prüfsumme und Forward Error Correction (FEC) für jeden Sektor. 5 Betriebssysteme, Sommer 2009, P. Schulthess, VS, Universität Ulm

6 J.3 Festplatten-Scheduling Zugriff auf die Festplatte ist viel langsamer als auf den Hauptspeicher: Suchzeit: Kopf auf Zylinder positionieren (Beschleunigen, Bewegung, Abbremsen). Rotationsverzögerung bis Sektor unter Kopf (dominierende Zeit). Armpositionierung ist besonders teuer: alte Festplatten (zu Zeiten des XT ~ 1985) haben jeden Spurwechsel geprüft (Track to Track), aktuelle Disks überfahren Spuren mit hoher Geschwindigkeit, wo genau Sektoren liegen ist unbekannt, CHS Adressierung wird vom Disk-Controller umgerechnet. Aktuelle Schreib- & Lesegeschwindigkeiten: Zugriff in einer Richtung schneller, Zugriffe auf fortlaufende Sektoren schneller, sequentiell: bis zu 300 MB/s; verstreut: ~ 1 MB/s, höhere Leistung durch parallele Disks, Verluste im Betriebssystem. Disk-Scheduler (in Treiber): legt Reihenfolge der Festplattenzugriffe fest, (evt. auch für Power-Management (Festplatte erst einschalten, wenn mehrere Zugriffsaufträge vorhanden sind) 6 Betriebssysteme, Sommer 2009, P. Schulthess, VS, Universität Ulm

7 J.3.1 Strategien zur Kopfpositionierung: Zufallsstrategie Aufträge werden zufälliger Reihenfolge ausgewählt. FCFS (First Come First Serve): Abarbeitung in Ankunftsreihenfolge. Prioritätsstrategie: Reihenfolge abhängig von Priorität der Aufträge. SSTF (Shortest Seek Time First): kürzeste Armpositionierung zuerst. SCAN (Fahrstuhlstrategie): Arm bewegt sich in eine Richtung, immer bis an das Ende und arbeitet dabei alle Aufträge ab. Erst danach ist eine Bewegung zurück oder in eine andere Richtung erlaubt. Eine Optimierung der Dateiverteilung ist immer empfohlen. 7 Betriebssysteme, Sommer 2009, P. Schulthess, VS, Universität Ulm

8 J.3.2 FCFS (First Come First Serve): Überfährt im Mittel 1/3 der Spuren (Gleichverteilte Daten). Beispiel: Start bei Zylinder 53; Sequenz: 98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67. Kopfbewegung über insgesamt 640 Zylinder. 8 Betriebssysteme, Sommer 2009, P. Schulthess, VS, Universität Ulm

9 J.3.3 SSTF (Shortest Seek Time First): SSTF ist empfohlen. Kann jedoch zum Verhungern von Aufträgen führen. Beispiel: Start bei Zylinder 53; Sequenz: 98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67. Resultiert in Kopfbewegung über 236 Zylinder: 9 Betriebssysteme, Sommer 2009, P. Schulthess, VS, Universität Ulm

10 J.3.4 SCAN (Fahrstuhlstrategie/Elevator Seek): SCAN und SSTF bringen vor allem bei starker Last Vorteile. Im Hochlastfall ist eventuell nur eine Spur weit zu springen. SCAN & SSTF benachteiligen Randspuren. Beispiel: Start bei Zylinder 53; Sequenz: 98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67. Resultiert in Kopfbewegung über 214 Zylinder: 10 Betriebssysteme, Sommer 2009, P. Schulthess, VS, Universität Ulm

11 J.4 Festplattenorganisation bei PCs J.4.1 Plattenstruktur Festplatten werden in eine/mehrere Partitionen (Bereiche) unterteilt: Plattenpartition = Diskvolume ( Hauptspeicherpartition), für verschiedene Dateisysteme auf einer Festplatte, mehrere Betriebssysteme auf einer Disk, Trennung von System & Benutzerdaten, Besonderheit in Linux: Swap-Partition. MBR Partitionen Master Boot Record (MBR): Position ist (Zylinder 0, Kopf 0, Sektor 1). MBR wird durch BIOS beim Einschalten an Adr. 0x7C00 geladen u. angesprungen. Bootlader lädt BS oder Boot-Manager. MBR nur einmal auf Disk B o o t l a d e r ( B y t e s ) P a r t i t i o n s t a b e l l e S i g n a t u r ( 0 x A A 5 5 ) 11 Betriebssysteme, Sommer 2009, P. Schulthess, VS, Universität Ulm

12 J.4.2 Partitionen Eine Partitionstabelle beschreibt max. vier Partitionen, die die Disk in unabhäng voneinander nutzbare Bereiche unterteilen. Primäre Partionen: immer in Partitionstabelle des Master Boot Records, in der Regel max. vier Stück pro Disk bei PCs, beginnen mit Bootsektor (BSC). Erweiterte Partitionen: Container für logische Unterpartitionen, beginnen mit Partitionssektor (PSC), PSC ist wie MBR aufgebaut, aber nur als Partitionstabelle genutzt (kein Bootcode). Logische Partitionen: einer erweiterten Partition zugeordnet, beginnen mit Bootsektor (BSC), beinhalten keine Partitionstabelle. Beispiel: 1 primäre und 1 logische Partition. MBR primäre Part. PSC erweiterte Part. logische Part. BSC BSC 12 Betriebssysteme, Sommer 2009, P. Schulthess, VS, Universität Ulm

13 Erweiterte Partitionen nutzen immer nur 2 Einträge in Partitionstabelle: max. ein Eintrag beschreibt ein logisches Laufwerk. max. ein Eintrag verweist auf erweiterte Partition. somit entsteht evtl. Kette erweiterter Partitionen, wobei die erste so groß ist, dass hierin alle geschachtelten Partitionen beinhaltet sind. Beispiel: 1 primäre und zwei logische Partitionen MBR PSC erweiterte Part. BSC primäre Part. log. Part. log. Part. Besonderheit: Offset des ersten Sektors in der Partitionstabelle: in primären Partitionen immer bezogen auf physischen Anfang der Disk. alle erweiterten Part. beziehen sich auf die physische Adresse des Ankers der PSC-Kette, alle logischen Partitionen beziehen sich auf ihren zugehörigen PSC. 13 Betriebssysteme, Sommer 2009, P. Schulthess, VS, Universität Ulm

14 J.4.3 Namensgebung von Partitionen: Windows: Laufwerksbuchstaben c:, d:,... zuerst primäre Partitionen von allen Disks, dann logische Partitionen aller Disks, ab NT frei umbennenbar. Unix: interner Name: z.b. /dev/hda2 : Disk-Volume: a,b,c,d Partition: primäre = 1-4; log.: >= 5 Bemerkung zu Partitionierungswerkzeugen: zeigen Schachtelung von erweiterter Partition nicht an. arbeiten unterschiedlich Vorsicht! 14 Betriebssysteme, Sommer 2009, P. Schulthess, VS, Universität Ulm

15 J.4.4 Mounting: Montieren einer Partition in einem Verzeichnis des Dateisystems. Auch unterschiedl. (verteilte) Dateisysteme können in einem Dateibaum vereint werden. UNIX: mount & umount Befehle. Ab Windows NT per Disk- Manager auch möglich. etc / Root File System home usr tmp /dev/hdb5 / mount /dev/hdb5 /usr local bin / etc home usr tmp local bin 15 Betriebssysteme, Sommer 2009, P. Schulthess, VS, Universität Ulm

16 J.5 Freispeicherverwaltung Sequentielle Natur einer Platte erfordert andere Verfahren als im Heap: Armbewegungen auf der Platte sind teuer, Deshalb kleines Abbild im Hauptspeicher vorhalten. Vergabequantum (Block/Cluster): festgelegt für eine bestimmte Partition, nicht zu groß wählen, da sonst interne Fragmentierung bei kleinen Dateien, nicht zu klein wählen, sonst zu viel Verwaltungsaufwand, typische Werte: 0,5 32 KB (je nach Disk-Partition). Die physische Blockgröße ist meist kleiner als das Vergabequantum. 2 KByte KByte KByte Betriebssysteme, Sommer 2009, P. Schulthess, VS, Universität Ulm

17 J.5.1 Vergabe mit Bit-Vektor Partition in Blöcke fester Größe unterteilen. Jeweils ein Bit zeigt an, ob ein Block frei ist oder nicht (0=belegt,1=frei). 100 GB Disk, 2 KB pro Block 6,25 MB für Bitmap. Bewertung: fortlaufende Blöcke (Vergabe-Einheiten) vergleichsweise einfach zu finden, Bitmap i.d.r. im Hauptspeicher, u.u. große Bitmap bei kleiner Blockgröße. Bitmap im virtuellen Speicher halten KByte 4 KByte 4 KByte 4 KByte 2 KByte 4 KByte 4 KByte Betriebssysteme, Sommer 2009, P. Schulthess, VS, Universität Ulm

18 J.5.2 Verkettete Freispeicherliste Finden von N zusammenhängenden Blöcken schwieriger. Ermitteln N aufeinanderfolgendener Blöcke erfordert das Durchlaufen von mindestens N Blöcken. Gegebenenfalls effizienter als Bitmap, da nur freie Blöcke verkettet werden. Bemerkung: weiß: freie Blöcke, farbig: belegte Blöcke farbig. 18 Betriebssysteme, Sommer 2009, P. Schulthess, VS, Universität Ulm

19 J.5.3 Freispeicherverwaltung mit Zähler für Run-Length Verkettete Liste. Speichern von Zeiger und Anzahl unmittelbar nachfolgender freier Blöcke in einem freien Block. Vereinfacht die Suche nach N aufeinanderfolgenden Blöcken Betriebssysteme, Sommer 2009, P. Schulthess, VS, Universität Ulm

20 J.5.4 Freispeicherverwaltung mit Gruppieren Speichern der ersten N freien Blöcke im ersten Block. Im N-ten Block sind weitere N freie Blöcke gespeichert - usw. Beispiel: N=4. 20 Betriebssysteme, Sommer 2009, P. Schulthess, VS, Universität Ulm

21 J.6 Zusammenfassung Formatierung: physikalisch: Sektoren (512 Bytes) einrichten. logische: Dateisystem anlegen. Adressierung: alte Disks: CHS (immer gleich viel Sektoren pro Spur), neue Disks: LBA (mehr Sektoren auf äußerer Spur). Disk-Scheduling: Armbewegungen teuer minimieren alte Disks: zusätzlich Zylinder berücksichtigen, neue Disks: linearer Zugriff am schnellsten. PC-Plattenstruktur Master Boot Record: am Anfang der Disk; wird von BIOS geladen und gerufen. primäre Partitionen: max. vier Stück, erweiterte Partition: Container für log. Partition, alleine nicht verwendbar. o Partitionssektor zu Beginn; nur 2 Einträge Partitionstabelle genutzt o ein Eintrag als Zeiger auf weitere erweiterte Partitionen (Verkettung). logische Partition: benötigen erweiterte Part., haben zu Beginn einen Bootsektor. Freispeicherverwaltung: Bitmap, Verkettung, Betriebssysteme, Sommer 2009, P. Schulthess, VS, Universität Ulm