1. Назначение и функции операционных систем

Вид материала

Документы

Содержание 22. Организация внешней памяти на магнитных дисках. 23. Кэширование и переупорядочивание операций ввода-вывода при работе с накопителями. 24. Основы технологии RAID 25. Функции файловых систем. Файловые системы FAT. Файловая система FAT.

Подобный материал:

• Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Волго-Вятская, 71.1kb.
• Программаное обеспечение вычислительных систем Классификация, назначение, состав, 1049.39kb.
• Лекционный курс в 6-7 семестрах для специальности 510200 Лекция, 83.97kb.
• 1. Лекция: Введение, 365.84kb.
• 1. Лекция: Введение, 344.47kb.
• О. Ю. Якубовская 2011 г. Дисциплина: Операционные системы (2 часть из 2) Специальность:, 45.21kb.
• Direct Memory Access dma. Драйверы литература, 56.37kb.
• Что такое “Linux”. Возможности одной из самых динамично-развивающихся свободных операционных, 250.8kb.
• Лекция: Сети и сетевые операционные системы, 585.67kb.
• Операционные системы и оболочки, 47.59kb.

22. Организация внешней памяти на магнитных дисках.

Для организации внешней памяти желательно использовать относительно недорогие, но достаточно быстродействующие и емкие устройства с прямым доступом к данным. К таким устройствам, прежде всего, относятся накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД). Нынче чаще всего такие накопители называют «винчестерами», но мы не будем употреблять это название.

Детальное изучение этих устройств выходит за рамки темы настоящей книги, в основном их изучают в рамках дисциплины «Устройства ввода-вывода». Однако поскольку большинство компьютеров имеет накопители на жестких магнитных дисках и фактически ни одна современная операционная система для повсеместно распространенных персональных компьютеров не обходится без дисковой подсистемы, мы ознакомимся с логической организацией хранения и доступа к данным в этих устройствах, причем применительно к персональным компьютерам.

Действительно, дисковая подсистема для большинства компьютеров является, одной из важнейших. Именно на магнитных дисках чаще всего располагается загружаемая в компьютер операционная система, которая и обеспечивает нам удобный интерфейс для работы. Благодаря использованию систем управления файлами, данные на магнитных дисках располагаются в виде именованных наборов данных, называемых файлами. Таким образом, помимо файлов самой операционной системы, на дисках располагаются многочисленные прикладные программы и разнообразные файлы пользователей. Наконец, благодаря тому, что по сравнению с другими устройствами внешней памяти дисковые механизмы обладают большими быстродействием и вместительностью, а также средствами непосредственной (прямой) адресации блоков данных, дисковую подсистему часто используют для организации механизмов виртуальной памяти, что существенно расширяет возможности компьютера.

Основные понятия

Из оперативной памяти в НЖМД и обратно информация передается байтами, а вот записывается на диск и считывается с него она уже последовательно (побитно). Из-за того что запись и считывание бита данных не являются абсолютно надежными операциями, информация перед записью кодируется с достаточно большой избыточностью. Для этой цели применяют коды Рида-Соломона. Избыточное кодирование информации позволяет не только обнаруживать ошибки, но и автоматически исправлять их. Следовательно, перед тем как данные, считанные с поверхности магнитного диска, будут переданы в оперативную память, их нужно предварительно обработать (перекодировать). На эту операцию необходимо время, поэтому в ходе обработки данных быстро вращающийся диск успевает повернуться на некоторый угол, и мы можем констатировать, что на магнитном диске данные располагаются не сплошь, а порциями (блоками). Говорят, что НЖМД относится к блочным устройствам. Нельзя прочитать (или записать) байт или несколько байтов. Можно прочитать сразу только блок данных и уже потом извлекать из него нужные байты, использовать их в своих вычислениях и изменять. Записать потом данные обратно тоже можно только сразу блоком.

За счет того что при вращении диска магнитная головка, зафиксированная на некоторое время в определенном положении, образует окружность (дорожку — track), блоки данных на таких окружностях называют секторами (sectors). С некоторых пор размер сектора стал стандартным и в абсолютном большинстве случаев он равен 512 байт хранимых данных. Все сектора пронумерованы, и помимо данных пользователя на магнитных дисках размещается и служебная информация, с помощью которой можно находить искомый сектор. Служебная информация (сервоинформация), как правило, располагается в межсекторных промежутках.

Группы дорожек (треков) одного радиуса, расположенные на поверхностях магнитных дисков, образуют так называемые цилиндры (cylinders). Современные жесткие диски могут иметь по нескольку десятков тысяч цилиндров. Выбор конкретной дорожки в цилиндре осуществляется указанием порядкового номера той головки (head) чтения/записи данных, которая и образует эту дорожку. Таким образом, адрес конкретного блока данных указывается с помощью уже упоминавшихся трех координат C-H-S — номеров цилиндра, головки и сектора. Устройство управления НЖМД обеспечивает позиционирование блока головок на нужный цилиндр, выбирает заданную поверхность и находит требуемый сектор. Этот способ адресации нынче считается устаревшим и почти не используется. Второй способ адресации блоков данных основывается на том, что все блоки (секторы) пронумерованы.

23. Кэширование и переупорядочивание операций ввода-вывода при работе с накопителями.

Как известно, накопители на магнитных дисках обладают крайне низким быстродействием по сравнению с процессорами и оперативной памятью. Для того чтобы сгладить такое сильное несоответствие в производительности основных подсистем, используется буферизация и/или кэширование данных в дисковом кэше (disk cache). Простейшим вариантом ускорения дисковых операций чтения данных можно считать использование двойной буферизации. Ее суть заключается в том, что пока в один буфер заносятся данные с магнитного диска, из второго буфера ранее считанные данные могут быть прочитаны и переданы в запросившую их задачу. Аналогично и при записи данных. Буферизация используется во всех операционных системах, но помимо буферизации применяется и кэширование. Кэширование исключительно полезно в том случае, когда программа неоднократно читает с диска одни и те же данные. После того как они один раз будут помещены в кэш, обращений к диску больше не потребуется, и скорость работы программы значительно возрастет. Упрощая, можно сказать, что под дисковым кэшем можно понимать некий пул буферов, которыми мы управляем с помощью соответствующего системного процесса. Если считывается какое-то множество секторов, содержащих записи того или иного файла, то эти данные, пройдя через кэш, там остаются (до тех пор, пока другие секторы не заменят эти буферы). Если впоследствии потребуется повторное чтение, то данные могут быть извлечены непосредственно из оперативной памяти без фактического обращения к диску. Ускорить можно и операции записи: данные помещаются в кэш, и для запросившей эту операцию задачи получается, что фактически они уже записаны. Задача может продолжить свое выполнение, а системные внешние процессы через некоторое время запишут данные на диск. Это называется отложенной записью (lazy write6). Если режим отложенной записи отключен, только одна задача может записывать на диск свои данные. Остальные приложения должны ждать своей очереди. Это ожидание подвергает информацию риску не меньшему (если не большему), чем сама отложенная запись, которая к тому же и более эффективна по скорости работы с диском.

24. Основы технологии RAID

RAID (англ. redundant array of independent/inexpensive disks) — дисковый массив независимых дисков. Служат для повышения надёжности хранения данных и/или для повышения скорости чтения/записи информации (RAID 0).

Пример простейшего PCI IDE RAID контроллера. Поддерживаются только режимы RAID 0 и RAID 1

Аббревиатура RAID изначально расшифровывалась как «Redundant Arrays of Inexpensive Disks» («избыточный (резервный) массив недорогих дисков», так как они были гораздо дешевле RAM). Именно так был представлен RAID своими исследователями: Петтерсоном (David A. Patterson), Гибсоном (Garth A. Gibson) и Катцом (Randy H. Katz) в 1987 году. Со временем RAID стали расшифровывать как «Redundant Array of Independent Disks» («избыточный (резервный) массив независимых дисков»), потому как для массивов приходилось использовать и дорогое оборудование (под недорогими дисками подразумевались диски для ПЭВМ).

Беркли представил следующие уровни RAID, которые были приняты как стандарт де-факто:
RAID 0 представлен как неотказоустойчивый дисковый массив.
RAID 1 определён как зеркальный дисковый массив.
RAID 2 зарезервирован для массивов, которые применяют код Хемминга.
RAID 3, 4, 5, 6 используют чётность для защиты данных от одиночных неисправностей.

Уровни RAID

RAID 0 («Striping») — дисковый массив с отсутствием избыточности. Информация записывается сквозь все диски последовательно, разбиваясь на блоки данных (Ai).

За счёт этого существенно повышается производительность (+), но страдает надёжность всего массива. (При выходе из строя любого из входящих в RAID 0 винчестеров полностью и безвозвратно пропадает вся информация) (-). В соответствии с теорией вероятности, надёжность массива RAID 0 равна произведению надёжностей составляющих его дисков, каждая из которых меньше единицы, т. о. совокупная надёжность заведомо ниже надёжности любого из дисков.

RAID 0 может быть реализован как программно так и аппаратно (+).


RAID 1 (Mirroring — «зеркало»). Он имеет защиту от выхода из строя половины имеющихся аппаратных средств (в частном случае — одного из двух жёстких дисков), обеспечивает приемлемую скорость записи и выигрыш по скорости чтения за счёт распараллеливания запросов. Недостаток заключается в том, что приходится выплачивать стоимость двух жёстких дисков, получая полезный объем одного жёсткого диска.

Изначально предполагается, что жёсткий диск — вещь надёжная. Соответственно, вероятность выхода из строя сразу двух дисков равна (по формуле) произведению вероятностей, то есть ниже на порядки. К сожалению, реальная жизнь — не теория. Два винчестера берутся из одной партии и работают в одинаковых условиях, а при выходе из строя одного из дисков нагрузка на оставшийся увеличивается, поэтому на практике при выходе из строя одного из дисков следует срочно принимать меры — вновь восстанавливать избыточность. Для этого с любым уровнем RAID (кроме нулевого) рекомендуют использовать диски горячего резерва HotSpare. Достоинство такого подхода — поддержание постоянной надёжности. Недостаток — ещё большие издержки (то есть стоимость трёх винчестеров для хранения объёма одного диска).

Зеркало на многих дисках — RAID 1+0. При использовании такого уровня зеркальные пары дисков выстраиваются в «цепочку», поэтому объём полученного тома может превосходить ёмкость одного жёсткого диска. Достоинства и недостатки такие же, как и у уровня RAID 1. Как и в других случаях, рекомендуется включать в массив диски горячего резерва HotSpare из расчёта один резервный на пять рабочих.
RAID 5
Cамый популярный из уровней, в первую очередь благодаря своей экономичности. Жертвуя ради избыточности ёмкостью всего одного диска из массива, мы получаем защиту от выхода из строя любого из винчестеров тома. На запись информации на том RAID 5 тратятся дополнительные ресурсы, так как требуются дополнительные вычисления, зато при чтении (по сравнению с отдельным винчестером) имеется выигрыш, потому что потоки данных с нескольких накопителей массива распараллеливаются.

Недостатки RAID 5 проявляются при выходе из строя одного из дисков — весь том переходит в критический режим, все операции записи и чтения сопровождаются дополнительными манипуляциями, резко падает производительность, диски начинают греться. Если срочно не принять меры — можно потерять весь том. Поэтому, (см. выше) с томом RAID5 следует обязательно использовать диск HotSpare. Если во время восстановления массива, вызванного выходом из строя одного диска, выйдет из строя второй диск - данные в массиве разрушаются. Уровень RAID 6 допускает выход из строя двух и более дисков.

Помимо базовых уровней RAID 0 — RAID 5, описанных в стандарте, существуют комбинированные уровни RAID 1+0, RAID 3+0, RAID 5+0, RAID 1+5, которые различные производители интерпретируют каждый по-своему.

Суть таких комбинаций вкратце заключается в следующем. RAID 1+0 — это сочетание единички и нолика (см. выше). RAID 5+0 — это объединение по «0» томов 5-го уровня. RAID 1+5 — «зеркало» «пятерок». И так далее.

Таким образом, комбинированные уровни наследуют преимущества (и недостатки) своих «родителей». Так, появление «нолика» в уровне RAID 5+0 нисколько не добавляет ему надёжности, но зато положительно отражается на производительности. Уровень RAID 1+5, наверное, очень надёжный, но не самый быстрый и, к тому же, крайне неэкономичный (полезная ёмкость тома меньше трети исходного дискового массива)..
RAID 6
Matrix RAID — это технология реализованная фирмой Intel в своём чипсете ICH6R. Строго говоря эта технология не является новым уровнем RAID, она просто позволяет, используя лишь 2 диска, организовать одновременно один или несколько массивов уровня RAID 1 и один или несколько массивов уровня RAID 0. Это позволяет за сравнительно небольшие деньги обеспечить для одних данных повышенную надёжность, а для других высокую скорость доступа.

25. Функции файловых систем. Файловые системы FAT.

Функции файловой системы. Под файлом обычно понимают именованный набор данных, организованных в виде совокупности записей одинаковой структуры. Для управления этими данными создаются соответствующие файловые системы. Специальное системное программное обеспечение, реализующее работу с файлами по принятым спецификациям файловой системы, часто называют системой управления файлами. Именно системы управления файлами отвечают за создание, уничтожение, организацию, чтение, запись, модификацию и перемещение файловой информации, а также за управление доступом к файлам и за управление ресурсами, которые используются файлами. файловая система — это множество именованных наборов данных, организованное по принятым спецификациям, которые определяют способы получения адресной информации, необходимой для доступа к этим файлам. Назначение системы управления файлами — предоставление более удобного доступа к данным, организованным как файлы, то есть вместо низкоуровневого доступа к данным с указанием конкретных физических адресов нужной нам записи используется логический доступ с указанием имени файла и записи в нем. Как правило, все современные операционные системы имеют соответствующие системы управления файлами. А некоторые операционные системы имеют возможность работать с несколькими файловыми системами (либо с одной из нескольких, либо сразу с несколькими одновременно). основное назначение файловой системы и соответствующей ей системы управления файлами — предоставление удобного доступа к данным, организованным в виде файлов, то есть вместо низкоуровневого доступа к данным с указанием конкретных физических адресов нужной нам записи используется логический доступ с указанием имени файла и записи в нем. любая система управления файлами не существует сама по себе — она разрабатывается для работы в конкретной операционной системе. В качестве примера можно сказать, что всем известная файловая система FAT (File Allocation Table — таблица размещения файлов) имеет множество реализаций как система управления файлами. Информация, с которой работает человек, обычно структурирована. Это, прежде всего, позволяет более эффективно организовать хранение данных, облегчает их поиск, предоставляет дополнительные возможности в именовании. Аналогично, и при работе с файлами желательно ввести механизмы структурирования. Проще всего организовать иерархические отношения. Для этого достаточно ввести понятие каталога (directory). Каталог содержит информацию о данных, организованных в виде файлов. Другими словами, в каталоге должны содержаться дескрипторы файлов. Если файлы организованы на блочном устройстве, то именно с помощью каталога система управления файлами будет находить адреса тех блоков, в которых размещены искомые данные. Причем очевидно, что каталогом может быть не только специальная системная информационная структура, которую часто называют корневым каталогом, но и сам файл. Такой файл-каталог должен иметь специальное системное значение; система управления файлами должна его выделять на фоне обычных файлов. Файл-каталог часто называют подкаталогом (subdirectory). Если файл-каталог содержит информацию о других файлах, то поскольку среди них также могут быть файлы-каталоги, мы получаем возможность строить почти ничем не ограниченную иерархию. Файловая система FAT. Файловая система FAT (File Allocation Table — таблица размещения файлов) получила свое название благодаря простой таблице, в которой указываются: непосредственно адресуемые участки логического диска, отведенные для размещения в них файлов или их фрагментов; свободные области дискового пространства; дефектные области диска (эти области содержат дефектные участки и не гарантируют чтение и запись данных без шибок). В файловой системе FAT дисковое пространство любого логического диска делится на две области: системную область и область данных. Системная область логического диска создается и инициализируется при форматировании, а в последующем обновляется при работе с файловой структурой. Область данных логического диска содержит обычные файлы и файлы-каталоги; эти объекты образуют иерархию, подчиненную корневому каталогу. Элемент каталога описывает файловый объект, который может быть либо обычным файлом, либо файлом-каталогом. Область данных, в отличие от системной области, доступна через пользовательский интерфейс операционной системы. Системная область состоит из следующих компонентов (расположенных в логическом адресном пространстве друг за другом): О загрузочной записи (Boot Record, BR); □ зарезервированных секторов (Reserved Sectors, ResSec); а таблицы размещения файлов (File Allocation Table, FAT); О корневого каталога (Root Directory, RDir). Таблица размещения файлов является очень важной информационной структурой. Можно сказать, что она представляет собой адресную карту области данных, в- которой описывается и состояние каждого участка области данных, и принадлежность его к тому или иному файловому объекту. Всю область данных разбивают на так называемые кластеры. Кластер представляет собой один или несколько смежных секторов в логическом дисковом адресном пространстве (точнее — только в области данных). Кластер — это минимальная адресуемая единица дисковой памяти, выделяемая файлу (или некорневому каталогу). Кластеры введены для того, чтобы уменьшить количество адресуемых единиц в области данных логического диска. Каждый файл занимает целое число кластеров. Последний кластер при этом может быть задействован не полностью, что при большом размере кластера может приводить к заметной потере дискового пространства. На дискетах кластер занимает один или два сектора, а на жестких дисках его размер зависит от объема раздела (табл. 6.1). В таблице FAT кластеры, принадлежащие одному файлу (или файлу-каталогу), связываются в цепочки. Для указания номера кластера в файловой системе FAT 16 используется 16-разрядное слово, следовательно, можно иметь до 216 = 65 536 кластеров (с номерами от 0 до 65 535).