9. Plattenspeicher und Dateien

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1 9.1.1 Physikalischer Aufbau Staubdicht versiegelt. 9. Plattenspeicher und Dateien 9.1 Aufbau einer Festplatte Eine oder mehrere rotierende Platten: U/min,.magnetisierbare FeO-Schicht, meist auf Aluminium, - unterteilt in z.b konzentrische Spuren (Tracks) à z.b. 1 MByte. - 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 Sektoren 1 Betriebssysteme 2004, P. Schulthess, VS Informatik, Ulm

2 Typischerweise 512 Bytes pro Sektor derzeit üblich. Entstehen durch physikalische bzw. Low-Level-Formatierung. Lücke zwischen Index-Record & Datenrecord: - Index-Record wird nur beim Low-Level formatieren geschrieben. - Datenrecord wird immer und wiederholt als Ganzes neu geschrieben. Aufbau: - IAM: Index Adress Mark markiert Adressfeld. - DAM: Data Adress Mark markiert Datenfeld. - SYNC: abhängig vom Aufzeichnungsverfahren. SYNC Adressfeld SYNC Datenfeld IAM #Spur #Kopf #Sektor CRC DAM 512 Byte Daten CRC 2 Betriebssysteme 2004, P. Schulthess, VS Informatik, Ulm

3 9.1.3 Adressierung: Im Prinzip über über Zylinder, Kopf, Sektor. Verschiedene Adressierungbeschränkungen: - PC-Bios adressiert nicht mehr als 8 GB, - "Direct LBA" adressiert 128 GB unter Umgehung des 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): - bis zu 40% mehr Sektoren auf äußeren Spuren. 3 Betriebssysteme 2004, P. Schulthess, VS Informatik, Ulm

4 9.1.4 Fehlerbehandlung: Sector Forwarding: - Controller hat Liste schlechter Blöcke und leitet Zugriffsversuch auf fehlerhaften Block (unsichtbar für Treiber) auf einen Reserveblock um. - Reserveblöcke pro Zylinder oder in Reservezylinder - Auswirkungen auf Disk-Scheduling! Prüfsumme und FEC für jeden Sektor. Disks sind fehleranfällig - teilweise fehlerhafte Blöcke bei Auslieferung. - Köpfe schweben knapp über der Oberfläche. - Staubkorn kann zum Headcrash führen. 4 Betriebssysteme 2004, P. Schulthess, VS Informatik, Ulm

5 9.2 Festplatten-Scheduling Zugriff auf die Festplatte ist viel langsamer als auf den Hauptspeicher: - Suchzeit: Kopf auf Zylinder positionieren. - Rotationsverzögerung bis Sektor unter Kopf. Armpositionierung ist besonders teuer: - alte Festplatten (zu Zeiten des XT ~ 1985) haben jeden Spurwechel geprüft jeweils Arm abbremsen & beschleunigen, - aktuelle Disks überfahren Spuren mit hoher Geschwindigkeit - wo genau Sektoren liegen ist unbekannt. Aktuelle Schreib- & Lesegeschwindigkeiten: - Zugriff in einer Richtung schneller, - Zugriffe auf fortlaufende Sektoren schneller, - sequentiell: ~ 50 MB/s; verstreut: ~ 1 MB/s, - Höhere Leistung durch parallele Disks, - Verluste im Betriebssystem. Disk-Scheduler (in Treiber) legt Reihenfolge der Festplattenzugriffe fest. 5 Betriebssysteme 2004, P. Schulthess, VS Informatik, Ulm

6 9.2.1 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. Beispiel: - Start bei Zylinder 53; - Sequenz: 98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, Betriebssysteme 2004, P. Schulthess, VS Informatik, Ulm

7 9.2.2 FCFS (First Come First Serve): FCFS erfordert im Mittel ein Überfahren von 1/3 der Spuren (Gleichverteilung und volle Festplatte). Kopfbewegung über insgesamt 640 Zylinder. 7 Betriebssysteme 2004, P. Schulthess, VS Informatik, Ulm

8 9.2.3 SSTF (Shortest Seek Time First): SSTF ist empfohlen, kann jedoch zum Verhungern von Aufträgen führen. Kopfbewegung über 236 Zylinder: 8 Betriebssysteme 2004, P. Schulthess, VS Informatik, Ulm

9 9.2.4 SCAN (Fahrstuhlstrategie/Elevator Seek)): SCAN, und SSTF bringen vor allem bei starker Last Vorteile. Im Hochlastfall ist evenbtuell nur eine Spur weit zu springen. SCAN & SSTF benachteiligen Randspuren. Kopfbewegung über 208 Zylinder: 9 Betriebssysteme 2004, P. Schulthess, VS Informatik, Ulm

10 9.3.1 Plattenstruktur 9.3 Festplattenorganisation bei PCs Festplatten werden in eine oder mehrere Partitionen (Bereiche) unterteilt: - verschiedene Dateisysteme auf einer Festplatte, - mehrere Betriebssysteme auf einer Disk, - Trennung von System & Benutzerdaten, MBR - Besonderheit in Linux: Swap-Partition. Partitionen Master Boot Record (MBR): - Position ist (Zylinder 0, Kopf 0, Sektor 1). - Wird durch BIOS beim Systemstart an Adr. 0x7C00 geladen und angesprungen. - Bootlader lädt BS oder Boot-Manager. - MBR nur einmal auf Disk Bootlader (446 Bytes) Partitionstabelle Signatur (0xAA55) 10 Betriebssysteme 2004, P. Schulthess, VS Informatik, Ulm

11 9.3.2 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 vier Stück pro Disk bei PCs, - beginnen mit Bootsektor (BSC). Erweiterte Partitionen: - Container für logische Unterpartitionen, - beginnen mit Partitionssektor (PSC), - Aufbau wie ein MBR, aber nur als Partitionstabelle genutzt (kein Bootcode). Logische Partitionen: - einer erweiterten Partition zugeordnet, - beginnen mit Bootsektor (BSC), - beinhalten keine Partitionstab. Beispiel: 1 primäre & 1 logische Part. MBR BSC primäre Part. PSC BSC erweiterte Part. logische Part. 11 Betriebssysteme 2004, P. Schulthess, VS Informatik, Ulm

12 9.3.3 Aufbau eines Partitionseintrages (16 Bytes): Offset Größe Inhalt 0 1 Boot Flag (80h aktiv; 00h inaktiv) Beginn der Partition (CHS) System Kennung: 1 z.b. 0: Eintrag frei, 1: DOS 12-Bit FAT; 4: DOS 16-Bit FAT 5: erweiterte Partition F: erweiterte Partition 3 Ende der Partition (CHS) Entfernung des ersten Sektors der Partition: 4 - vom MBR bei primären Part. - vom PBR bei erweiterten Part Größe der Partition in Sektoren CHS-Einträge nur für alte kleinere Disks. LBA-Adressierung für moderne Disks. 12 Betriebssysteme 2004, P. Schulthess, VS Informatik, Ulm

13 Erweiterte Partitionen nutzen immer nur zwei Einträge in der Partitionstabelle: - max. ein Eintrag beschreibt ein log. Laufwerk. - max. ein Eintrag verweist auf erweiterte Part. - somit entsteht evt. Kette erweiterter Part., - wobei die erste so gross ist, dass hierin alle geschachtelten Part. beinhaltet sind. Beispiel: 1 primäre und zwei logische Partitionen MBR PSC erweiterte Part. BSC primäre Part. log. Part. log. Part. Besonderheit: Offest des ersten Sektors in der Partitionstabelle: - in primären Partitionen immer bezogen auf phys. Anfang der Disk. - alle erweiterten Part. beziehen sich auf die phys. Adresse des Ankers der erweiteren Partitions-Kette Namensgebung von Partitionen: 13 Betriebssysteme 2004, P. Schulthess, VS Informatik, Ulm

14 Windows: Laufwerksbuchstaben c:, d:,... - zuerst primäre Part. von allen Disks, - dann logische Part. 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 2004, P. Schulthess, VS Informatik, Ulm

15 9.3.5 Mounting: Montieren einer Partition in einem Verzeichnis des Dateisystems. Auch unterschiedl. (verteilte) Dateisysteme können in einem Dateibaum vereint werden. UNIX: mount und umount Befehle. Ab Windows NT per Disk- Manager möglich: etc / Root File System home usr tmp /dev/hdb5 / mount /dev/hdb5 /usr local bin / etc home usr tmp local bin 15 Betriebssysteme 2004, P. Schulthess, VS Informatik, Ulm

16 9.4 Plattenspeichervergabe Sequentielle Natur einer Platte erfordert andere Verfahren als im Heap: - Armbewegungen sind kritisch, - kleines Abbild im Hauptspeicher vorhalten, - optimale Suchverfahren für die Verzeichnisse Vergabequantum: - Praktisch immer festgelegt für eine bestimmte Partition, - Nicht zu gross wählen, da sonst Verschnitt bei kleinen Dateien, - Nicht zu klein wählen, sonst zuviele "Extents", - Typische Werte: 0,5 32 KB (je nach Disk). Die physische Blockgrösse ist meist kleiner als das Vergabequantum. 4 KByte 4 KByte 4 KByte Betriebssysteme 2004, P. Schulthess, VS Informatik, Ulm

17 9.4.1 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). 10 GB Disk, 1 KB pro Block 1,25 MB für Bitmap. Bewertung: - fortlaufende Blöcke einfach identifizierbar. - u.u. große Bitmap bei kleinen Blöcken. - Bitmap im virtuellen Speicher halten KByte 4 KByte 4 KByte 4 KByte 4 KByte 4 KByte 4 KByte Betriebssysteme 2004, P. Schulthess, VS Informatik, Ulm

18 9.4.2 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 gespeichert werden. 18 Betriebssysteme 2004, P. Schulthess, VS Informatik, Ulm

19 9.4.3 Freispeicherverwaltung mit Zählen Verkettete Liste. Speichern von Zeiger und Anzahl unmittelbar nachfolgender freier Blöcke in einem freien Block. Vereinfacht die Suche nach N aufeinanderfolgenden Blöcken Betriebssysteme 2004, P. Schulthess, VS Informatik, Ulm

20 9.4.4 Freispeicherverwaltung mit Gruppieren Speichern der ersten N freien Blöcke im ersten Block. N-1 dieser Blöcke sind frei. Im N-ten Block sind weitere N freie Blöcke gespeichert - usw. Beispiel: N=4 Speichern von Zeiger und Anzahl unmittelbar. 20 Betriebssysteme 2004, P. Schulthess, VS Informatik, Ulm

21 9.5 Extents von Dateien Schrittweise Zuordnung Blöcken für Dateien. Mehrere offene Dateien auf einer Festplatte. Ziele: - effektive Ausnutzung der Festplatte (Disk), - sehr grosse Dateien müssen möglich sein, - schneller Dateizugriff. Z.B. Zusammenhängende Allozierung: - Nur ein Extent pro Datei. - Externe Fragmentierung der Festplatte. - Problem bei der Expansion von Dateien. Datei Start Test.java 0.profile 6 Plan 16 News 19 Mail 28 Länge Betriebssysteme 2004, P. Schulthess, VS Informatik, Ulm

22 9.5.1 Verkettete Allokation Datei als verkettete Liste von Blöcken. - Beliebige Anordnung der Blöcke einer Datei. - Expansion von Dateien einfach. - Keine Platzverschwendung. Speichern von Zeigern in Blöcken. - Bei einem beschädigtem Block geht die ganze Datei verloren. - Zugriffsgeschwindigkeit abhängig von Zersplitterung. - Z.B. FAT (Zeiger separat untergebracht). Datei Start Länge Test.java Betriebssysteme 2004, P. Schulthess, VS Informatik, Ulm

23 9.5.2 Multilevel-Index Allokation Limitierte Dateigröße bei einem Indexblock: - 1 Block = 512 Byte - Z.B. 1 Zeiger = 4 Bytes max. 128 Zeiger Datei max. 64 kb Verketten von Indexblöcken. Multilevel Index: - Beispiel: 2 Level - 128*128 Zeiger Zeiger - max. Dateigröße = 8 MB mehrere Levels z.b. in Unix I-Nodes (Typen: Dateien, Verzeichnisse, Links,...). Verwaltungs- Information Direkte Blöcke Blöcke mit 1er Indirektion Blöcke mit 2 Indirektionen 23 Betriebssysteme 2004, P. Schulthess, VS Informatik, Ulm

24 9.5.3 Erweiterungsquanten im Mac OS Vergabeeinheiten: - Log. Blöcke à 512 Bytes werden normalerweise auf einen phys. Sektor abgebildet. - Die Belegungseinheit (Allocation Block) ist jeweils mindestens 2 logische Blöcke. Dies reduziert die Größe der Vergabetabellen. Die Zuteilung erfolgt aber in Erweiterungsquanten (Clumps) von mehr als einer Belegungseinheit: - typisch 4 bis 8 Belegungseinheiten pro Clump, - teilweise Rückgabe nach Close, Fördert zusammenhängende Dateiplazierung. Logischer Block (512 Bytes) Belegungsblock phys. EOF Erweiterungsquantum 24 Betriebssysteme 2004, P. Schulthess, VS Informatik, Ulm

25 9.6 Datei- & Verzeichnissysteme Anforderungen: Persistenz, Zugang per Name, Schutz durch Zugriffsrechte, Logische Formatierung = Partition mit einem Dateisystem initialisieren. Datei (File): = Behälter zur dauerhaften Speicherung von beliebigen Informationen, - Programme und Daten, - Dateistruktur abhängig vom Dateityp. - Attribute: Name, Typ, Grösse, letzte Änderung, Zugriffsschutz,... - Dateien können mehrere Streams haben: o Stream: unterteilt Datein in Unterbereich. o DOS: nur ein Stream o NT: beliebige Streams datei:stream (default stream ohne Suffix). - Namenskonventionen: o DOS: 8.3 Zeichen name.ext o Unix, NT 256 Zeichen a.b.c.d o Unix: Groß- & Kleinschreibung beachten! 25 Betriebssysteme 2004, P. Schulthess, VS Informatik, Ulm

26 Verzeichnis (Directory): - vom Dateisystem verwaltete Datei zur Strukturierung externer Speichermedien. - Home Directory: Wurzelverzeichnis eines Benutzers. - Working Directory: aktuelles Arbeitsverzeichnis. - typischerweise hierarchisch organisiert. Pfade: - Folge von Bezeichnern getrennt durch Trennzeichen (Unix /, Windows: \ ). - absoluter Pfad: ausgehend von Wurzel (Unix /, Windows: Laufwerksbuchstaben, z.b. c:\ ). - relativer Pfad: beginnt mit Bezeichner und bezieht sich auf Working Directory. Verweis (Link, Shortcut, Alias): - Direkter Zugriff, ohne navigieren zu müssen. - Löschen & Verschieben ungültige Links. - Unix hard link: Verweis auf I-Node (ln datei link). (Datei wird erst gelöscht, wenn letzter hard link gekappt wurde). - Unix symbolic link: Verweis auf Dateinamen. (ln s datei link). 26 Betriebssysteme 2004, P. Schulthess, VS Informatik, Ulm

27 9.6.1 Dateikontrollblock Verwaltungsdaten im Dateikontrollblock (file control block, FCB): - Positionszeiger + aktuelle Blockadresse auf Disk, - Verweise auf Puffer (im HS) + Pufferfüllgrad, - Sperrinformation, Datum,... FCB ist Teil der Verzeichnisstrukturen auf der Platte. Also unter Umständen mehrere FCBs pro Datei. Beim Öffnen einer Datei: - Kopie des File Kontroll Blockes im Hauptspeicher anlegen, - Im Hauptspeicher einen Puffer für die Daten allozieren, - Datei als offen markieren (read, write?). - Zugriffsrechte prüfen. 27 Betriebssysteme 2004, P. Schulthess, VS Informatik, Ulm

28 9.6.2 Dateizugriff sequentiell: - lesen & schreiben immer nur in Vorwärtsrichtung, - Magnetbänder als Modellvorstellung. direkt (random access): - einzelne Bytes oder Blöcke direkt adressierbar - z.b. Festplatten, CDROM,... index-sequentiell: - i.d.r. von BS nicht unterstützt Datenbanken setzen direkt auf Disk auf, - Zugriff auf einzelne Blöcke über evtl. mehrstufige Indextabelle, - Überlaufbereiche erleichtern das Einfügen, - Gelegentliche Reorganisation erforderlich Betriebssysteme 2004, P. Schulthess, VS Informatik, Ulm

29 9.6.3 Beispiel: sequentielle Datei in Windows NT #include <string.h> #include <windows.h> int main() { HANDLE hfile; DWORD dwwritten; char *data= hello world ; hfile = CreateFile("c:\\test.txt", GENERIC_WRITE, // name, write access 0, NULL, CREATE_ALWAYS, // share mode & securit, creation mode FILE_ATTRIBUTE_NORMAL FILE_FLAG_NO_BUFFERING, NULL // template file ); } WriteFile(hFile, data, strlen(data), & dwwritten, NULL ); // file handle, data, len, #bytes written, overlapped I/O CloseHandle(hFile); 29 Betriebssysteme 2004, P. Schulthess, VS Informatik, Ulm

30 9.6.4 Beispiel: File Allocation Table - FAT Nietet keine Schutzmechanismen. Zugriffsrechte: read-only oder read & write. Größenbeschränkung und 8+3 Dateinamen. Aber Daten unter vielen BS zugänglich. Optionale Kompression. Belegungseinheiten heißen Cluster. - Unterschiedlich, aber fest für eine Partition. - üblich sind 512, 1024, 4096 Bytes. FAT12 für Disketten:, 12-Bit 4096 Cluster, 16 MB bei 32KB Cluster. FAT16: 16-Bit Cluster, 2 GB pro Partition bei 32KB Cluster. FAT32: 28-Bit > 2 GB, weniger Verschnitt durch kleinere Cluster. VFAT16/32: virtual FAT - lange Dateinamen (max 255 Zeichen). - mehrere Verzeichniseinträge verwenden. 30 Betriebssysteme 2004, P. Schulthess, VS Informatik, Ulm

31 Separate Verkettung der Blöcke in Dateizuordnungstabelle (FAT): - auf den ersten Spuren einer Festplatte, - für jeden Block einen Eintrag, - sicherheitshalber repliziert, - Kopie im Hauptspeicher, - wird ständig aktualisiert. Alle Cluster einer Datei sind über die FAT verkettet: - 0 = leerer Block, - $FFF7 = schadhafter Block., - $FFFF = letzter Block einer Datei. Partitionsstruktur: BSC FAT- Einträge 0 fff fff7 8 a ffff b ffff #1 #2 #3 #4 #5 #6 #7 #8 #9 #a #b Cluster-Nr. (Index in Tab.) FAT Wurzel- Verz. Dateianfang Dateicluster Verkettung Betriebssysteme 2004, P. Schulthess, VS Informatik, Ulm

32 Aufbau eines FAT16 Verzeichnisses: Verzeichnisse sind ebenfalls Dateien: - Verzeichnis zeigt auf ersten Block einer Datei, bzw. ersten Eintrag in der Tabelle. - Länge des Verzeichnisses im übergordneten Verzeichnis. - Länge des Wurzelverzeichnis im PSC od. MBR. Aufbau eines Datei-Eintrages: Offset Größe Inhalt 0 8 Dateiname 8 3 Dateinamen-Erweiterung 11 1 Attribute: Archiv-Bit, read-only, Verzeichnis/Datei, versteckt Reserviert 22 2 Uhrzeit der Erstellung 24 2 Datum der Erstellung 26 2 Startcluster der Datei 28 4 Dateilänge in Bytes Sonderfälle für das 1. Zeichen im Namensfeld: 00h: letzter Eintrag im Verz. (ungültig), 2E: aktuelles Verz. (. ), E5h: Eintrag wurde gelöscht Sonderfall für die ersten 2. Zeichen: 2E2E = übergeordnetes Verz. (.. ) 32 Betriebssysteme 2004, P. Schulthess, VS Informatik, Ulm