Beweglicher Kamm: mit Schreib-/Leseköpfen, dicht über Magnetschicht, langsam beweglich (10 ms). Sektoren à 512 Bytes (netto).

Transkript

1 H. Plattenspeicher H.1 Aufbau einer Festplatte H.1.1 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. eweglicher Kamm: mit Schreib-/Leseköpfen, dicht über Magnetschicht, langsam beweglich (10 ms). Sektoren à ytes (netto). 1 etriebssysteme, Sommer 2008, P. Schulthess, VS, Universität Ulm

2 H.1.2 Sektoren Typischerweise ytes 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 y t e D a t e n C R C 2 etriebssysteme, Sommer 2008, P. Schulthess, VS, Universität Ulm

3 H.1.3 Adressierung: Im Prinzip über Zylinder (Cylinder), Kopf (Head), Sektor (Sector) - CHS. Verschiedene Adressierungsbeschränkungen: PC-ios kann per CHS nicht mehr als 8 G (alte IOS nur M) adressieren, LA = Logical lock Addressing löste Ende 1995 die CHS-Adressierung ab, "Direct LA" adressiert Sektoren fortlfd., bis 128 G (umgeht PC-IOS), "Direct LA(48)" adressiert 134'217'728 G. 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. 3 etriebssysteme, Sommer 2008, P. Schulthess, VS, Universität Ulm

4 H.1.4 Fehlerbehandlung: Disks sind fehleranfällig teilweise fehlerhafte löcke 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 löcke, Zugriffsversuche auf fehlerhaften lock werden von der Firmware umgeleitet, Reserveblöcke pro Zylinder oder in Reservezylinder, Auswirkungen auf Disk-Scheduling! Prüfsumme und Forward Error Correction (FEC) für jeden Sektor. 4 etriebssysteme, Sommer 2008, P. Schulthess, VS, Universität Ulm

5 H.2 Festplatten-Scheduling Zugriff auf die Festplatte ist viel langsamer als auf den Hauptspeicher: Suchzeit: Kopf auf Zylinder positionieren (eschleunigen, ewegung, 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 M/s; verstreut: ~ 1 M/s, höhere Leistung durch parallele Disks, Verluste im etriebssystem. Disk-Scheduler (in Treiber): legt Reihenfolge der Festplattenzugriffe fest, (evt. auch für Power-Management (Festplatte erst einschalten, wenn mehrere Zugriffsaufträge vorhanden sind) 5 etriebssysteme, Sommer 2008, P. Schulthess, VS, Universität Ulm

6 H.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 ewegung zurück oder in eine andere Richtung erlaubt. Eine Optimierung der Dateiverteilung ist immer empfohlen. 6 etriebssysteme, Sommer 2008, P. Schulthess, VS, Universität Ulm

7 H.2.2 FCFS (First Come First Serve): Überfährt im Mittel 1/3 der Spuren (Gleichverteilte Daten). eispiel: Start bei Zylinder 53; Sequenz: 98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67. Kopfbewegung über insgesamt 640 Zylinder. 7 etriebssysteme, Sommer 2008, P. Schulthess, VS, Universität Ulm

8 H.2.3 SSTF (Shortest Seek Time First): SSTF ist empfohlen. Kann jedoch zum Verhungern von Aufträgen führen. eispiel: Start bei Zylinder 53; Sequenz: 98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67. Resultiert in Kopfbewegung über 236 Zylinder: 8 etriebssysteme, Sommer 2008, P. Schulthess, VS, Universität Ulm

9 H.2.4 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. eispiel: Start bei Zylinder 53; Sequenz: 98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67. Resultiert in Kopfbewegung über 208 Zylinder: 9 etriebssysteme, Sommer 2008, P. Schulthess, VS, Universität Ulm

10 H.3 Festplattenorganisation bei PCs H.3.1 Plattenstruktur Festplatten werden in eine/mehrere Partitionen (ereiche) unterteilt: Plattenpartition = Diskvolume ( Hauptspeicherpartition), für verschiedene Dateisysteme auf einer Festplatte, mehrere etriebssysteme auf einer Disk, Trennung von System & enutzerdaten, esonderheit in Linux: Swap-Partition. MR Partitionen Master oot Record (MR): Position ist (Zylinder 0, Kopf 0, Sektor 1). MR wird durch IOS beim Einschalten an Adr. 0x7C00 geladen u. angesprungen. ootlader lädt S oder oot-manager. MR nur einmal auf Disk o o t l a d e r ( y t e s ) P a r t i t i o n s t a b e l l e ( 6 4 y t e s ) S i g n a t u r ( 0 x A A 5 5 ) 10 etriebssysteme, Sommer 2008, P. Schulthess, VS, Universität Ulm

11 H.3.2 Partitionen Eine Partitionstabelle beschreibt max. vier Partitionen, die die Disk in unabhäng voneinander nutzbare ereiche unterteilen. Primäre Partionen: immer in Partitionstabelle des Master oot Records, in der Regel max. vier Stück pro Disk bei PCs, beginnen mit ootsektor (SC). Erweiterte Partitionen: Container für logische Unterpartitionen, beginnen mit Partitionssektor (PSC), PSC ist wie MR aufgebaut, aber nur als Partitionstabelle genutzt (kein ootcode). Logische Partitionen: einer erweiterten Partition zugeordnet, beginnen mit ootsektor (SC), beinhalten keine Partitionstab. eispiel: 1 primäre und 1 logische Partition. MR primäre Part. PSC erweiterte Part. logische Part. SC SC 11 etriebssysteme, Sommer 2008, P. Schulthess, VS, Universität Ulm

12 H.3.3 Aufbau eines Partitionseintrages (16 ytes): Offset Größe Inhalt 0 1 oot Flag (80h aktiv; 00h inaktiv) 1 3 eginn der Partition (CHS) 4 1 System Kennung: z.. 0: Eintrag frei, 1: DOS 12-it FAT; 4: DOS 16-it FAT 5: erweiterte Partition F: erweiterte Partition 5 3 Ende der Partition (CHS) 8 4 Entfernung des ersten Sektors der Partition: - vom MR bei primären Partitionen - vom PSC bei erweiterten Partitionen 12 4 Größe der Partition in Sektoren CHS-Einträge nur für alte kleinere Disks. LA-Adressierung für moderne Disks. 12 etriebssysteme, Sommer 2008, 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 evt. Kette erweiterter Partitionen, wobei die erste so groß ist, dass hierin alle geschachtelten Partitionen beinhaltet sind. eispiel: 1 primäre und zwei logische Partitionen MR PSC erweiterte Part. SC primäre Part. log. Part. log. Part. esonderheit: 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 etriebssysteme, Sommer 2008, P. Schulthess, VS, Universität Ulm

14 H.3.4 Namensgebung von Partitionen: Windows: Laufwerksbuchstaben c:, d:,... zuerst primäre Part. von allen Disks, dann logische Part. aller Disks, ab NT frei umbennenbar. Unix: interner Name: z.. /dev/hda2 : Disk-Volume: a,b,c,d Partition: primäre = 1-4; log.: >= 5 emerkung zu Partitionierungswerkzeugen: zeigen Schachtelung von erweiterter Partition nicht an. arbeiten unterschiedlich Vorsicht! 14 etriebssysteme, Sommer 2008, P. Schulthess, VS, Universität Ulm

15 H.3.5 Mounting: Montieren einer Partition in einem Verzeichnis des Dateisystems. Auch unterschiedl. (verteilte) Dateisysteme können in einem Dateibaum vereint werden. UNIX: mount & umount efehle. 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 etriebssysteme, Sommer 2008, P. Schulthess, VS, Universität Ulm

16 H.4 Freispeicherverwaltung Sequentielle Natur einer Platte erfordert andere Verfahren als im Heap: Armbewegungen auf der Platte sind teuer, Deshalb kleines Abbild im Hauptspeicher vorhalten. Vergabequantum (lock/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 K (je nach Disk-Partition). Die physische lockgröße ist meist kleiner als das Vergabequantum. 2 Kyte 2 Kyte 2 Kyte 16 etriebssysteme, Sommer 2008, P. Schulthess, VS, Universität Ulm

17 H.4.1 Vergabe mit it-vektor Partition in löcke fester Größe unterteilen. Jeweils ein it zeigt an, ob ein lock frei ist od. nicht (0=belegt,1=frei). 100 G Disk, 2 K pro lock 6,25 M für itmap. ewertung: fortlaufende löcke (Vergabe-Einheiten) vergleichsweise einfach zu finden, itmap i.d.r. im Hauptspeicher), u.u. große itmap bei kleiner lockgröße. itmap im virtuellen Speicher halten Kyte 4 Kyte 4 Kyte 4 Kyte 2 Kyte 4 Kyte 4 Kyte 17 etriebssysteme, Sommer 2008, P. Schulthess, VS, Universität Ulm

18 H.4.2 Verkettete Freispeicherliste Finden von N zusammenhängenden löcken schwieriger. Ermitteln N aufeinanderfolgendener löcke erfordert das Durchlaufen von mindestens N löcken. Gegebenenfalls effizienter als itmap, nur freie löcke verkettet werden. da emerkung: weiß: freie löcke, farbig: belegte löcke farbig. 18 etriebssysteme, Sommer 2008, P. Schulthess, VS, Universität Ulm

19 H.4.3 Freispeicherverwaltung mit Zähler für Run-Length Verkettete Liste. Speichern von Zeiger und Anzahl unmittelbar nachfolgender freier löcke in einem freien lock. Vereinfacht die Suche nach N aufeinanderfolgenden löcken etriebssysteme, Sommer 2008, P. Schulthess, VS, Universität Ulm

20 H.4.4 Freispeicherverwaltung mit Gruppieren Speichern der ersten N freien löcke im ersten lock. Im N-ten lock sind weitere N freie löcke gespeichert - usw. eispiel: N=4. 20 etriebssysteme, Sommer 2008, P. Schulthess, VS, Universität Ulm

21 H.5 Speicherallokation Ausgangssituation: löcke werden Dateien schrittweise zugeordnet. I.d.R. mehrere offene Dateien auf einer Festplatte. Ziele: effektive Ausnutzung der Festplatte (Disk), sehr große Dateien müssen möglich sein, schneller Dateizugriff. Z.. zusammenhängende Allozierung: jede Datei belegt zusammenhängende löcke, Problem bei der Expansion von Dateien, externe Fragmentierung der Festplatte, schneller Dateizugriff. Datei Start Länge Test.java 0 2.profile 6 2 Plan 16 3 News 19 6 Mail etriebssysteme, Sommer 2008, P. Schulthess, VS, Universität Ulm

22 H.5.1 Verkettete Allokation Datei als verkettete Liste von löcken. beliebige Anordnung der löcke einer Datei. Expansion von Dateien einfach. keine Platzverschwendung. Speichern von Zeigern in löcken. bei einem beschädigten lock geht evt. die ganze Datei verloren. Zugriffsgeschwindigkeit abhängig von Zersplitterung. Datei Start Länge Test.java etriebssysteme, Sommer 2008, P. Schulthess, VS, Universität Ulm

23 H.5.2 Multilevel-Index Allokation Limitierte Dateigröße bei einem Indexblock: 1 lock = yte Z.. 1 Zeiger = 4 ytes max. 128 Zeiger Datei max. 64 k Verketten von Indexblöcken. Multilevel Index: eispiel: 2 Level 128*128 Zeiger Zeiger max. Dateigröße = 8 M Verwaltungs- Information Direkte löcke löcke mit 1er Indirektion löcke mit 2 Indirektionen Mehrere Levels z.. in Unix I-Nodes (Typen: Dateien, Verzeichnisse, Links,...). 23 etriebssysteme, Sommer 2008, P. Schulthess, VS, Universität Ulm

24 H.6 Zusammenfassung Formatierung: physikalisch: Sektoren ( ytes) einrichten. logische: Dateisystem anlegen. Adressierung: alte Disks: CHS (immer gleich viel Sektoren pro Spur), neue Disk: LA (mehr Sektoren auf äußerer Spur). Disk-Scheduling: Armbewegungen teuer minimieren neue Disk: linearer Zugriff am schnellsten, alte Disks: zusätzl. Zylinder berücksichtigen. PC-Plattenstruktur Master oot Record: am Anfang der Disk; wird von IOS geladen und gerufen. primäre Partitionen: max. vier Stück, erweiterte Partition: Container für log. Partition, alleine nicht verwendbar. o Partitionssektor zu eginn; nur 2 Einträge Partitionstabelle genutzt o ein Eintrag als Zeiger auf weitere pseudo erweiterte Partitionen (Verkettung). logische Partition: benötigen erweiterte Part., haben zu eginn einen ootsektor. Freispeicherverwaltung: itmap, Verkettung,... Speicherallokation: fortlaufend, verkettet, Multilevel Index, etriebssysteme, Sommer 2008, P. Schulthess, VS, Universität Ulm