Операционные системы. Управление ресурсами
Драйверы дисковых запоминающих устройств
Драйверы дисковых запоминающих устройств.
Обычной функцией такого драйвера является перевод виртуального адреса на диске в реальный (физический). Физический адрес на диске состоит из трех компонент: головка, дорожка, сектор (в дисковых архитектурах без разбиения на сектора - смещение на дорожке). Драйвер же формирует для процессов виртуальный диск, представляемый как линейная последовательность секторов, виртуальным адресом является номер сектора.
Интересной функцией дискового драйвера может быть планирование запросов на ввод-вывод с целью повышения эффективности обмена. В соответствии со структурой физического адреса доступ к данным на диске состоит из трех этапов - выборок составляющих этого адреса: выбора головки, выбора дорожки и выбора сектора. Выбор головки чтения/записи производится простым электрическом переключением практически мгновенно. Выбор дорожки - самый времяемкий этап: он требует механического перемещения головок к требуемой дорожке; время этого перемещения зависит от расстояния перемещения. Выбор сектора на дорожке требует ожидания момента, когда требуемый сектор окажется под головкой (за счет вращения диска), время выбора сектора много меньше времени выбора дорожки.
Драйвер упорядочивает очередь запросов таким образом, чтобы минимизировать среднее время поиска дорожки. Обсуждение стратегий обслуживания мы далее ведем, исходя из предположения о случайном распределении запросов по пространству диска. Обслуживание очереди по дисциплине FCFS, очевидно, приведет к хаотическому перемещению головок и в результате - к невысокой пропускной способности драйвера и значительным механическим нагрузкам на дисковод. Из дисциплин обслуживания, позволяющих повысить пропускную способность, наиболее известными являются следующие:
- SSTF (shortest seek time first - с наименьшим временем поиска - первый) - следующим обслуживается запрос к ближайшей дорожке; эта стратегия обеспечивает весьма высокую пропускную способность, но при высоких нагрузках с высокой вероятностью допускает бесконечное откладывание запросов, обращенных к крайним на диске дорожкам;
- Scan - сканирование - головка движется в одном направлении, применяя на этом направлении SSTF, то есть, обслуживается ближайший запрос на выбранном направлении, когда в этом направлении не остается запросов, направление меняется; стратегия обеспечивает высокую пропускную способность и исключает бесконечное откладывание, но при высоких нагрузках время ожидания запросов, обращенных к крайним дорожкам, существенно превышает среднее;
- N-Scan - многошаговое сканирование - головка движется в одном направлении, применяя на этом направлении FCFS, обслуживаются те запросы на выбранном направлении, которые поступили на момент начала движения, запросы, поступившие после этого момента, будут обслужены при обратном движении; стратегия обеспечивает лучшие показатели справедливости обслуживания при некотором увеличении среднего времени обслуживания;
- C-Scan - циклическое сканирование - такая модификация стратегии Scan, в которой головка движется всегда в одном направлении, а после обслуживания последнего на направлении запроса скачком перемещается к самому дальнему запросу; стратегия полностью исключает дискриминацию крайних дорожек даже при высоких нагрузках.
Авторы, приводящие результаты исследования функционирования этих стратегий на моделях [8, 27], рекомендуют стратегию Scan при малых нагрузках и C-Scan - при больших.
Совместно с любым методом сокращения времени выбора дорожки может применяться алгоритм минимизации задержки от вращения диска SLTF (shortest latency time next - с наименьшим временем задержки - первый): при наличии нескольких запросов к одной дорожке они упорядочиваются таким образом, чтобы все они могли быть обслужены за один оборот диска.
Другим примером функций, возлагаемых на драйвер дисков, может быть поддержка RAID-технологий - использование избыточных дисковых устройств для обеспечения возможности восстановления данных при сбоях. В настоящее время имеется широкий спектр реализаций RAID-технологий - от полного переноса их на аппаратуру ввода-вывода до полной реализации их в драйвере.
