Đầu từ chỉ đổi hướng trong trường hợp không còn yêu cầu nào nằm (ở phía trước) theo hướng hiện thời. 4) C-SCAN (Cycled Scan) – đầu từ chỉ phục vụ theo một hướng dịch chuyển từ ngoài và[r]
(1)Bài 5: Bộ nhớ
Nội dung
Đĩa từ
Hệ thống tệp (file)
Mục tiêu Thời lượng học
Nắm khái niệm, cấu trúc nhớ cấu trúc đĩa từ
Biết cách quản lý nhớ ngoài, chức hệ thống file
tiết
(2)Bài 5: Bộ nhớ ngồi
TÌNH HUỐNG DẪN NHẬP Tình
Bộ nhớ (bộ nhớ thực) nhớ ngắn hạn, dung lượng hạn chế Trong nhu cầu lưu trữ sở liệu đòi hỏi khả lưu trữ lâu dài, dung lượng lớn Phục vụ cho nhu cầu nhớ ngồi Có nhiều cơng nghệ, thiết bị lưu trữ khác phục vụ cho mục đích này: đĩa từ (đĩa mềm, đĩa cứng), flash, CD-ROM, DVD, … Trong đó, thiết bị sử dụng phổ biến đĩa từ
Câu hỏi
(3)Bài 5: Bộ nhớ
5.1. Đĩa từ
Sự chậm chạp hệ thống đa nhiệm thường việc sử dụng không thiết bị lưu trữ ngoại vi đĩa từ, trống từ, Trong chương xem xét số phương pháp việc điều khiển thiết bị
Chúng ta phân tích làm việc đĩa từ, xem xét nguyên nhân dẫn đến làm việc không hiệu quả, phân tích biện pháp nâng cao hiệu suất – so sánh giống nhau, khác ưu, khuyết điểm chúng – phương diện tốc độ
5.1.1. Cấu tạo đĩa từ
Trên hình 5.1.1a biểu diễn sơ đồ ổ đĩa cứng với đầu từ di động Dữ liệu ghi mặt đĩa phủ từ, đĩa gắn chặt vào trục chung quay với tốc độ cao (3600 vòng/ phút– 7200 vòng/ phút)
Việc truy cập liệu (đọc hay ghi) thực với giúp đỡ đầu từ đọc/ghi, mặt đĩa có đầu từ Đầu từ truy cập liệu mặt đĩa nằm trực tiếp (trên) Do để truy cập đến liệu, vùng đĩa chứa liệu phải dịch chuyển q trình quay cho nằm trực tiếp đầu từ Thời gian cần thiết
để dịch chuyển (quay) vùng bề mặt đĩa đến đầu từ gọi 'thời gian trễ' (Latency) Mỗi đầu từ, khơng dịch chuyển vẽ nên bề mặt đĩa (đang quay) đường trịn (Track) lưu liệu Tất đầu từ gắn khối định vị Khối định vị với đầu từ dịch chuyển theo bán kính đĩa Với việc dịch chuyển đầu từ đến vị trí mới, truy cập đến nhóm rãnh (Track) khác
Nhóm Track nằm tất đầu từ đọc/ghi vị trí khối tạo thành Cylinder Q trình dịch chuyển đầu từ đến Cylinder gọi thao tác tìm Cylinder (Seek)
Như thế, để truy cập đến liệu đĩa với đầu từ đọc/ghi nói chung cần thực vài thao tác (hình 5.1.1b) Trước tiên đầu từ cần phải định vị Cylinder cần thiết (Seek Cylinder) Sau cần phải chờ đến điểm bắt đầu ghi đến vị trí đầu từ (tìm ghi–gắn với thời gian trễ), thân ghi, ngun tắc có kích thước tuỳ ý (đến toàn rãng–Track), cần phải
đi qua đầu từ (gọi thời gian truyền– Transmission Time) Bởi tất thao tác gắn với chuyển động học, thời gian tổng cộng cần để truy cập đến
Hình 5.1.1a
(4)Bài 5: Bộ nhớ ngồi thơng tin chiếm tới 0,01–0,1 s Ngày ổ đĩa cứng có thời gian truy cập ngẫu nhiên trung bình 8–12ms ta thấy khoảng thời gian lớn so sánh với tốc độ xử lý
Sự cần thiết phải Planning
Trong hệ đa nhiệm, lúc có nhiều Process hoạt động chúng có yêu cầu truy cập đĩa Bởi Process thường sinh yêu cầu nhanh nhiều khả phục vụ thiết bị ngoại vi, với thiết bị có hàng đợi yêu cầu Trong số hệ thống yêu cầu phục vụ theo nguyên tắc FCFS (First Come – First Served) Nguyên tắc FCFS cách phục vụ đúng, số yêu cầu lớn dẫn tới thời gian trễ lớn
Phương pháp FCFS có đặc điểm tìm kiếm ngẫu nhiên, u cầu tạo khoảng tìm kiếm Cylinder (Seek Cylinder) dài, từ Track đến Track ngồi (hình 5.1.1c) Để giảm tối thiểu thời gian tìm kiếm ghi, cần xếp yêu cầu theo nguyên tắc khác với ngun tắc FCFS Q trình gọi Planning cơng việc với ổ đĩa
Quá trình Planning cần phân tích cẩn thận yêu cầu để xác định thứ tự phục vụ có hiệu Người ta phải phân tích liên hệ vị trí yêu cầu, sau xếp chúng cho đảm bảo phục vụ chúng với dịch chuyển học Có hai hướng Planning phổ biến, tối ưu theo thời gian tìm kiếm Cylinder tối ưu theo thời gian trễ (Latency) Vì thời gian tìm kiếm Cylinder lớn thời gian trễ nhiều phần lớn thuật tốn Planning đạt mục đích giảm tối thiểu thời gian tìm kiếm Cylinder nhóm yêu cầu Giảm thời gian chờ ghi – Thời gian trễ
(Latency) thường không ảnh hưởng đáng kể đến đặc tính tốc độ hệ thống, khơng tính đến chế độ tải lớn
Với trường hợp tải nhỏ nguyên tắc FCFS chấp nhận, cịn với hệ thống có tải trung bình đến lớn (về số u cầu truy cập đĩa) Planning đảm bảo đặc tính tốc độ tốt nhiều so với phương pháp FCFS đơn giản
Các đặc tính đánh giá nguyên tắc Planning
Chúng ta thấy nguyên tắc FCFS chấp nhận số trường hợp Để đánh giá nguyên tắc Planning tồn số tiêu chuẩn:
1) Khả phục vụ (Throughput)
2) Thời gian trả lời trung bình (Mean Response Time)
3) Sự khác biệt thời gian trả lời (Variance In Response Time)
Rõ ràng nguyên tắc Planning phải đảm bảo tăng khả phục vụ tức số yêu cầu phục vụ đơn vị thời gian Vì chiến lược Planning cho phép giảm thời gian tìm kiếm nên chúng hồn tồn nâng cao khả phục vụ so với trường hợp dùng phương pháp FCFS Ngoài chiến lược Planning phải cố gắng làm giảm tối thiểu thời gian trả lời trung bình Vả lại Planning giảm thời gian tìm kiếm Cylinder chúng làm rút ngắn thời gian trả lời trung bình so với FCFS
(5)Bài 5: Bộ nhớ Các tiêu chuẩn kể cố gắng theo hướng cải thiện số tốc độ chung hệ thống, nói chung chúng thực làm tranh chung tốt có số yêu cầu bị phục vụ chậm đôi chút
Một số đánh giá quan trọng khác biệt (Variance) thời gian trả lời Nó đánh giá việc giá trị (ở thời gian phục vụ) cụ thể phần tử sai lệch (khác biệt/dao động) so với giá trị trung bình Với ý nghĩa dùng Variance số dự đốn trước– độ khác biệt nhỏ độ dự đoán trước lớn Chúng ta cần chiến lược Planning cho phép giảm tối thiểu độ khác biệt variance Trong trường hợp ngược lại, xảy tình thời gian phục vụ số yêu cầu khơng thể ước lượng trước Điều khơng cho phép, ví dụ với hệ thống đăng ký chỗ máy bay mà việc trả lời nhanh, chậm ảnh hưởng đến việc bán vé Nếu chiến lược Planning cố theo hướng tăng khả phục vụ (Throughput) mà không đồng thời làm giảm tối thiểu độ dao động (Variance In Response Time), xử lý yêu cầu dễ phục vụ bỏ qua số yêu cầu khác
5.1.2. Tối ưu theo thời gian định vị Track
Chúng ta phân tích chiến lược tối ưu thời gian tìm kiếm Cylinder phổ biến nhất: 1) FCFS – yêu cầu phục vụ theo thứ tự xuất
2) SSTF (Shortes Seek Time First) – yêu cần gắn với dịch chuyển đầu từ (từ vị trí thời) phục vụ trước
3) SCAN (Scan-quét) – đầu từ dịch chuyển đi, bề mặt đĩa phục vụ tất yêu cầu gặp đường Đầu từ đổi hướng trường hợp khơng cịn u cầu nằm (ở phía trước) theo hướng thời
4) C-SCAN (Cycled Scan) – đầu từ phục vụ theo hướng dịch chuyển từ vào trong, khơng cịn u cầu phía trước nhảy trở lại phục vụ yêu cầu nằm tiếp tục vào
5) N-step-SCAN – đầu từ dịch chuyển vào/ra trường hợp SCAN, tất yêu cầu xuất trình phục vụ theo hướng đó, nhóm lại theo cách để chúng phục vụ hiệu trình phục vụ theo hướng ngược lại
5) Sơ đồ Eschenbach (Eschenbach Scheme) – đầu từ dịch chuyển lặp lại trường hợp C-SCAN chiến lược khác số điểm quan trọng Khi phục vụ Cylinder thực truy cập đến Track mà khơng để ý đến việc có yêu cầu khác thuộc Cylinder Cũng có phân tích xếp yêu cầu Cylinder với tham số góc phân bố ghi, nhiên hai yêu cầu nằm vị trí cắt (có chồng lên nhau) theo phương thẳng đứng có yêu cầu phục vụ
Tối ưu theo FCFS (First Come– First Served)
(6)Bài 5: Bộ nhớ Chiến lược FCFS chấp nhận hệ thống làm việc với tải nhỏ Nhưng tải tăng lên thời gian phục vụ nhanh chóng trở nên lâu Chiến lược FCFS đảm bảo variance không lớn
Chiến lược SSTF
Khi Planning theo chiến lược SSTF, phục vụ yêu cầu có khoảng cách nhỏ (do có thời gian tìm Cylinder nhất) dù u cầu khơng phải xuất
Chiến lược SSTF có đặc điểm variance nhỏ yêu cầu xác định Việc truy cập đĩa xuất xu hướng tập trung, kết yêu cầu truy cập Track ngồi phục vụ nhiều so với yêu cầu truy cập Track Chiến lược SSTF đảm bảo khả phục vụ lớn FCFS thời gian trả lời trung bình tốt với tải lớn Một khuyết điểm
tăng độ dao động thời gian trả lời (Variance In Response Time) với Track Nhược điểm bỏ qua trường hợp yêu cầu quan trọng khả phục vụ giảm thời gian trả lời trung bình, ví dụ hệ thống xử lý theo gói
Chiến lược SCAN
Để giảm variance Track biên, Denning xây dựng chiến lược Scan Chiến lược nói chung tương tự SSTF khơng tính đến vấn đề phục vụ u cầu có khoảng cách tìm kiếm nhỏ theo xu hướng xác định (hình 5.1.2b) Nếu thời điểm hướng quét từ
trong chiến lược SCAN chọn yêu cầu với khoảng cách nhỏ theo hướng Trong chiến lược SCAN, đầu từ không đổi hướng chuyển động đạt đến Cylinder ngồi hay khơng cịn u cầu chờ theo hướng Ngun tắc SCAN phần lớn hệ thống có Planning cơng việc với đĩa từ Chiến lược SCAN giống với SSTF từ quan điểm tăng khả
năng phục vụ giảm thời gian trung bình, giảm đáng kể độ chênh lệch yêu cầu đến Track biên SSTF đảm bảo variance nhỏ nhiều Trong chiến lược scan đầu từ, quét từ ngược lại nên qt (nằm trên) Track biên (thưa hơn) so với Track giữa, nhược điểm nhỏ so với variance trường hợp SSTF
Nguyên lý N–step SCAN
Trên nguyên tắc phương pháp SCAN có biến thể gọi N-step-SCAN Trong đầu từ dịch chuyển đi/về phương pháp SCAN, chiều dịch chuyển phục vụ yêu cầu xuất đến lúc bắt đầu dịch chuyển Các yêu cầu xuất thời gian dịch chuyển nhóm lại xếp để chúng phục vụ tốt lần dịch chuyển ngược lại (hình 5.1.2c)
1
2
4
Hình 5.1.2a: Tìm kiếm cylinder ngẫu nhiên nguyên tắc FCFS
(7)Bài 5: Bộ nhớ Chiến lược N-step-SCAN đảm bảo số cao
khả phục vụ thời gian trung bình Nhưng điểm quan trọng độ chênh lệch (Variance) nhỏ so với sử dụng chiến lược SSTF hay SCAN tuý Chiến lược N-step SCAN loại trừ khả yêu cầu bị chờ lâu, tình thường xuất có số lượng lớn yêu cầu đến Cylinder thời Chiến lược
lưu yêu cầu để phục vụ vào lúc chuyển động ngược lại
Chiến lược C-SCAN
Còn biến thể chiến lược scan gọi C-SCAN Chiến lược loại trừ tính chất tăng variance Track biên
Theo chiến lược C-SCAN, đầu từ dịch chuyển từ Cylinder phía ngồi vào trong, ngồi phục vụ yêu cầu theo nguyên tắc thời gian tìm kiếm Cylinder nhỏ Khi đầu từ hoàn thành chuyển dịch theo chiều thuận, nhảy trở phục vụ u cầu gần Cylinder ngồi sau lại tiếp tục dần vào Chiến lược C-SCAN
thực để yêu cầu xuất thời gian phục vụ phục vụ vào lần sau (hình 5.1.2d) Nhờ chiến lược C-SCAN loại bỏ tăng variance với yêu cầu truy cập Cylinder biên
Các nghiên cứu cho thấy chiến lược Planning tốt có hai chế độ Trong chế độ tải thấp, phương pháp tốt chiến lược SCAN, cịn tải trung bình lớn kết tốt có dùng C–SCAN Chiến lược kết hợp với tối ưu theo thời gian trễ (tìm ghi) đảm bảo kết tốt điều kiện tải lớn
5.1.3. Tối ưu theo thời gian trễ
Trong điều kiện tải lớn, xác suất có lớn yêu cầu đến Cylinder tăng lên, việc tối ưu theo thời gian trễ trở nên cần thiết Tối ưu theo thời gian trễ áp dụng nhiều năm công việc với thiết bị có đầu từ cố định trống từ Tương tự chiến lược SSTF theo hướng tối ưu thời gian tìm Cylinder, hướng tối ưu theo thời gian trễ có chiến lược SLTF Khi định vị (với đầu từ) nằm Cylinder với nhiều yêu cầu
truy cập Track khác Cylinder, chiến lược SLTF phân tích tất yêu cầu phục vụ yêu cầu với thời gian trễ nhỏ trước tiên (hình 5.1.3a) khơng phụ thuộc thứ tự u cầu có trước
Các nghiên cứu cho thấy chiến lược hoàn toàn gần với kết tối ưu theo lý thuyết, ngồi việc thực phức tạp
Các đánh giá hệ thống
Ổđĩa-tài nguyên quan trọng:
Khi xem xét thấy đĩa cứng tài nguyên tới hạn (chỗ yếu) hệ thống, số kỹ sư khuyên nên tăng dung lượng ổ cứng Việc giải
Hình 5.1.2c
Hình 5.1.2d