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11 大容量存储结构

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11.1 Overview

现代计算机的大部分二级存储由 hard disk drives (HDDs) 和 nonvolatile memory (NVM) devices 提供。

HDD 就是硬盘驱动器。NVM 设备根据定义是断电后存储的数据还能保持的设备，按定义来说硬盘也是 NVM，但是课本里的 NVM 主要指的是 electrical 的而非 mechanical 的；因此课本里 NVM 并不包含 HDD。

HDDs

HDD 的结构相对简单。

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如上图，每个 disk platter（盘片）长得像 CD，直径一般 1.8~3.5 inches。Disk platter 的两面附着有磁性材料，我们通过磁性记录在其上保存信息，并通过检测其上的磁性模式来读取信息。

每个 platter 附近有一个 read-write head，read-write head 附着在 disk arm 上，arm 会使所有 head 形成整体共同移动。

Platter 表面被分成了很多环形 track（磁道），再细分为 sector（扇区）。在一个 arm position 下的 track 组成一个 cylinder（柱面）。

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Sector 被编号，是 logical block address 在 disk drive 上的映射。编号的原则如下：以最外 cylinder 的第一个 track 的第一个 sector 为 0，然后该 track 上的 sector 依次编号，然后是 cylinder 中的其他 track，然后是内部的 cylinder。

使用磁盘时，电机高速旋转磁盘。参数 Rotation Per Minute (RPM) 是每分钟旋转的次数，普通的 HDD 通常为 5400, 7200, 10000, 15000RPM。

Transfer Rate：在 HDD 和计算机之间数据流的速率（理论 6Gb/sec，实际 1Gb/sec）

Positioning Time (a.k.a random-access time)：将 disk arm 移动到所需要的 sector 所用的时间。包含两部分：

  • Seek time - 将 arm 移动到所需 cylinder 所用时间（3ms - 12ms）
  • Rotational latency - 旋转到 head 在所需 sector 上所用时间（与转速有关）

NVM Devices

包括固态硬盘 (Solid-state disks, SSD), USB drives (thumb drive, flash drive), DRAM disk replacements 等。

NVM devices 比 HDD 更可靠，也更贵，可能寿命更短，容量更小，但是快很多。标准总线可能会太慢，所以有的 SSD 设计成直接连接到系统总线，如 PCI。

没有需要「移动」的部分，因此没有 seek time or rotational latency。

Magnetic Tape

磁带是早期的二级内存。现在主要用来备份不常用的信息。

空间很大（200GB ~ 1.5TB），访问很慢，随机访问特别慢。

11.2 HDD Scheduling

OS 需要负责硬件使用的高效性。对于 disk drives 来说，OS 需要提供一个 fast access time 和 high disk bandwidth。我们讨论 HDD。

  • access time : seek time (roughly linear to seek distance) + rotational latency
  • disk bandwidth : the speed of data transfer (data bytes / time from request to completion)

每当进程需要进行磁盘 I/O 时，它向 OS 发出一个系统调用，包括信息：输入/输出，磁盘地址，内存地址，扇区数。如果目标磁盘的驱动器和控制器正忙，则加入请求队列（每个 disk 或 device 有一个队列）。

Disk scheduling 需要选择队列中的一个请求来使其下一个使用目标磁盘。

通常主要目标是 minimize seek time。对计算机来说，rotational latency 很难算。

下面的调度算法，均使用 request queue of cylinders 98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67 ([0, 199]), and initial head position 53 as the example。

11.2.1 First-Come First-Served (FCFS)

Advantages:

  • Every request gets a fair chance
  • No indefinite postponement

Disadvantages:

  • Does not try to optimize seek time
  • May not provide the best possible service

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11.2.2 Shortest Seek Time First (SSTF)

类似 SJF，选择离现在 head position 最近的 request。但是 SSTF 不一定最好。

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Advantages:

  • Average Response Time decreases
  • Throughput increases

Disadvantages:

  • Overhead to calculate seek time in advance
  • Starvation may exist
  • High variance : favors only some requests

11.2.3 SCAN / Elevator algorithm

从一边往另一边走，选择路上的 request 不回头，直到到达另一端反向。

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Advantages:

  • Average Response Time
  • High Throughput
  • Low variance of response time

Disadvantages:

  • Long waiting time for requests for locations just visited by disk arm

11.2.4 C-SCAN

Circular-Scan：到达一端时立刻回到开头。

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Advantage:

  • Provides more uniform wait time compared to SCAN

11.2.5 LOOK / C-LOOK

在 SCAN / C-SCAN 的基础上，只走到一端最后一个任务（look 是否有请求）而不走到头。

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Advantage:

  • Prevents the extra delay which occurred due to unnecessary traversal to the end of the disk.

11.2.6 Selecting Disk-Scheduling Algorithm

取决于请求的数目和类型。SSTF 最常见，但是当 I/O 负荷较大时，使用 LOOK / C-LOOK 以避免 starvation。

表现本身依赖于请求的模式，而请求本身又依赖于文件分配策略。文件系统如果注重空间局部性，能够提供很好的表现提升。

NVM Scheduling

NVM devices do not contain moving disk heads and commonly use a simple FCFS policy.

11.3 Disk Management

操作系统还负责磁盘管理的其他几个方面，例如磁盘初始化、引导、坏块恢复等。

Disk Formatting | 磁盘格式化

一个新的磁盘是一个空白盘，它需要经过 低级格式化 (low-level formatting, a.k.a 物理格式化, physical formatting) 来分成扇区以便磁盘控制器读写。

这一过程中，每个扇区都会放一些特殊的数据供磁盘控制器使用，例如 header information, ECC (Error-Correcting Code) 等。

接下来，操作系统会在磁盘上记录一些自己的数据结构，例如将磁盘分为若干个 分区 (partition)，每个分区由若干个 cylinders 组成，每个被视为一个 logical disk。

然后，操作系统将初始的文件系统数据结构存储到磁盘上，以创建一个文件系统。这一步称为 逻辑格式化 (logical formatting)。例如，一些文件系统可能预留出一些 blocks 用来 handle bad blocks；一些文件系统也可能将若干 blocks 聚合成一个 cluster，让磁盘 I/O 以 block 为单位完成，文件系统 I/O 以 cluster 为单位完成，以减少 random access 从而提高表现。

包含文件系统的分区通常称为 卷 (volume)。

Boot Block

在刚打开电源或者重启时，计算机需要有一个初始程序来运行；这个程序称为 自举 (bootstrap) 程序。这个程序初始化系统的各个部分，例如 CPU 寄存器、设备控制器、内存，然后在磁盘上找到操作系统内核，加载到内存，转到起始地址从而运行操作系统。

对于大多数计算机，bootstrap 程序存在 ROM (Read-Only Memory) 中，因为它不需要初始化而且处于固定位置。ROM 是只读的，因此不会受到病毒的影响。

但同时，这样的设计使得要更改 bootstrap 代码就必须更改 ROM 硬件芯片。因此大多数系统在 ROM 中存储一个 tiny bootstrap loader program，它用来从磁盘上调入完整的 bootstrap 程序。包含这个完整的 bootstrap 程序的 partition 称为 boot partition，包含这个分区的磁盘称为 boot disk 或者 system disk。

11.4 RAID

HDDs 越来越小和便宜，因此如果一个系统可以拥有大量磁盘，那么就能改善数据的读写速率（因为可以并行）和可靠性（使用冗余来降低出现错误的期望）。这样的磁盘组织技术称为 磁盘冗余阵列 (Redundant Arrays of Independent Disk, RAID) 技术。

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