Bài giảng Cấu trúc máy tính Bài 5 Bộ nhớ ngoài

Bài 5: Bộ nhớ ngồi BÀI 5: BỘ NHỚ NGỒI Nội dung   Mục tiêu   Nắm khái niệm, cấu trúc nhớ cấu trúc đĩa từ Biết cách quản lý nhớ ngoài, chức hệ thống file IT101_Bai 5_v1.0010110225 Đĩa từ Hệ thống tệp (file) Thời lượng học  tiết 111 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 Cấu tạo đĩa từ? Tại truy cập đĩa từ chậm nhiều so với truy cập nhớ thực? Dữ liệu lưu đĩa từ tổ chức nào? Làm để truy cập? 112 IT101_Bai 5_v1.0010110225 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 khơng 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 trình quay cho nằm Hình 5.1.1a 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, không 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 Quá 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, nguyên tắc có kích thước tuỳ ý Hình 5.1.1b Các thành phần thời gian truy cập (đến toàn rãng–Track), cần phải 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 IT101_Bai 5_v1.0010110225 113 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 u cầu lớn dẫn tới thời gian trễ lớn Phương pháp FCFS có đặc điểm tìm kiếm ngẫu nhiên, yêu 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 Q 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 u 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 toán Planning đạt mục đích giảm tối thiểu thời Hình 5.1.1c: Tìm kiếm cylinder gian tìm kiếm Cylinder nhóm yêu cầu ngẫu nhiên nguyên tắc FCFS Giảm thời gian chờ ghi – Thời gian trễ (Latency) thường khơng ảnh hưởng đáng kể đến đặc tính tốc độ hệ thống, khơng tính đến chế độ tải lớn Với trường hợp tải nhỏ ngun 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 114 IT101_Bai 5_v1.0010110225 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 đoán trước– độ khác biệt nhỏ độ dự đốn 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 u 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 u 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 ngồi 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 không để ý đến việc có yêu cầu khác thuộc Cylinder Cũng có phân tích xếp u 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 u cầu phục vụ Tối ưu theo FCFS (First Come– First Served) Theo chiến lược yêu cầu đến trước phục vụ trước Nó chỗ, sau xuất yêu cầu – có chỗ cố định hàng Nó phục vụ (khơng bị loại có u cầu khác ưu tiên hơn) Nếu yêu cầu phân bố theo bề mặt đĩa chiến lược FCFS dẫn tới tìm kiếm ngẫu nhiên Trong bỏ qua liên hệ vị trí yêu cầu chờ phục vụ, khơng có tối ưu tìm kiếm IT101_Bai 5_v1.0010110225 115 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 Hình 5.1.2a: Tìm kiếm cylinder FCFS thời gian trả lời trung bình tốt với ngẫu nhiên nguyên tắc FCFS 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 yêu cầu có khoảng cách tìm kiếm nhỏ theo xu hướng xác định (hình 5.1.2b) Nếu thời điểm hướng quét từ chiến lược SCAN chọn yêu cầu với khoảng cách nhỏ theo hướng ngồi Trong chiến lược SCAN, đầu từ khơng đổi hướng chuyển động đạt đến Cylinder ngồi hay khơng cịn u cầu chờ theo hướng Nguyên tắc SCAN phần lớn hệ thống có Planning cơng việc với đĩa từ Chiến lược Hình 5.1.2b SCAN giống với SSTF từ quan điểm tăng khả 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 ngồi 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) 116 IT101_Bai 5_v1.0010110225 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 q lâu, tình thường xuất có số lượng lớn Hình 5.1.2c 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, phục vụ yêu cầu theo nguyên tắc thời gian tìm kiếm Cylinder nhỏ Khi đầu từ hồn thành chuyển dịch theo chiều thuận, nhảy trở phục vụ yêu cầu gần Cylinder sau lại Hình 5.1.2d 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 Hình 5.1.3a 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 yêu cầu có trước Các nghiên cứu cho thấy chiến lược hoàn toàn gần với kết tối ưu theo lý thuyết, việc thực khơng phải phức tạp Các đánh giá hệ thống Ổ đĩa-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 IT101_Bai 5_v1.0010110225 117 Bài 5: Bộ nhớ ngồi vấn đề tình trạng critical sinh tần số yêu cầu truy cập đến vùng đĩa nhỏ lớn Nếu phân tích thấy tình trạng tới hạn (critical) vấn đề áp dụng chiến lược tối ưu để nâng cao số tốc độ loại trừ chỗ yếu Mức đa nhiệm: Tải đĩa yêu cầu ngẫu nhiên, thường tăng lên với tăng mức độ đa nhiệm Việc sử dụng biện pháp tối ưu (Planning) công việc với đĩa khơng hiệu hệ thống với mức độ đa nhiệm thấp Nhưng với hệ thống có mức độ đa nhiệm trung bình Planning có hiệu đạt hiệu rõ rệt với hệ với mức độ đa nhiệm cao (có thể phải xử lý hàng nghìn yêu cầu) Multdisk subsystem: Từ cách nhìn kinh tế module, ổ đĩa thường xây dựng cho vài ổ đĩa vật lý làm việc điều khiển Disk Controller Đến lượt mình, Disk Controller lại nối vào kênh vào/ra đảm bảo trang đổi thông tin ổ đĩa xử lý Một kênh phục vụ vài Disk Controller đến lượt Disk Controller phục vụ số ổ đĩa Các kênh vào/ra không nối trực tiếp với ổ đĩa Điều làm phải phân tích cẩn thận chỗ yếu trước áp dụng biện pháp giải Điểm yếu controller không đủ mạnh hay giải thông kênh không đủ Việc xác định điểm yếu dễ dàng nhờ chương trình thiết bị Diagnostic đặc biệt, kiểm tra hoạt động (các thông số khác nhau) kênh (Channel) chư Controller Nếu điểm yếu Controller theo hướng đặt lại cấu hình hệ thống, giảm số lượng ổ đĩa nối vào Controller Nếu kênh không đủ giải thông đổi số Controller sang kênh khác hay thêm kênh vào/ra Như thế, để khắc phục điểm yếu phải thay đổi cấu hình hệ thống Để giảm xác suất tải kênh vào/ra, nhiều hệ thống sử dụng phương tiện chun dụng theo dõi vị trí góc quay đĩa (RPS-Rotational Position Sensing) Các phương tiện cho phép giảm thời gian kênh bị bận tìm ghi đĩa Khi có yêu cầu truy cập đến ghi đĩa, RPS giải phóng kênh để kênh thực thao tác khác ghi cần thiết nằm vị trí đầu từ RPS cho phép kênh phục vụ đồng thời số yêu cầu, tăng hệ số sử dụng thiết bị Phân bố yêu cầu không đều: Các nghiên cứu lý thuyết liên quan đến hoạt động ổ đĩa thường dựa giả thiết yêu cầu truy cập đĩa phân bố đồng Kết luận nghiên cứu khơng xác nhiều hệ thống có đặc điểm yêu cầu truy cập đĩa phân bố không theo bề mặt đĩa Việc phân bố khơng số trường hợp hồn tồn bình thường Một nguyên nhân phổ biến dẫn tới phân bố yêu cầu không file lớn liên tục Khi hệ điều hành chọn chỗ trống để ghi chúng, thường ghi liệu lên Track Track đầy hệ điều hành chuyển sang ghi lên Track khác Cylinder, Cylinder đầy chuyển sang Cylinder bên cạnh Như làm việc với file liên tục hồn tồn bình thường xuất tình yêu cầu truy cập liên tiếp nói chung khơng dẫn tới thao tác tìm kiếm theo Cylinder Và phải tìm theo Cylinder ngắn đơn giản 118 IT101_Bai 5_v1.0010110225 Bài 5: Bộ nhớ chuyển sang Cylinder cạnh Trong tình việc tối ưu Planning nói chung khơng đem lại lợi ích Ngồi chi phí cho Planning hồn tồn dẫn đến giảm tốc độ hệ thống Một số hệ thống có kiểm sốt tình trạng bề mặt đĩa chuyển liệu Track hỏng sang Track tốt khác Các Track nằm vị trí khác gây dịch chuyển đầu từ thêm (tìm kiếm) vào thời điểm không ngờ Các phương pháp tổ chức file: Các phương pháp tổ chức file, với tổ chức phức tạp ví dụ dãy số tạo tượng số lượng lớn yêu cầu với thời gian tìm kiếm lâu Việc phục vụ yêu cầu phương pháp truy cập số nối tiếp (Index Sequential Access Method–ISAM) gắn với việc thực nhiều lần truy cập đĩa Trong số trường hợp, truy cập ghi địi hỏi truy cập đến index chính, truy cập index Cylinder sau xác định vị trí ghi Q trình dẫn tới nhiều lần tìm kiếm theo Cylinder index index Cylinder thường nằm đĩa, nên thời gian trễ tìm kiếm lớn Tuy nhiên tổ chức truy cập ISAM thuận tiện cho người viết phần mềm ứng dụng 5.2 Hệ thống file File – tập hợp liệu, thường lưu trữ thiết bị lưu trữ ngoại vi đĩa từ, băng từ, Với file, ta thực thao tác với đơn vị:  Open – chuẩn bị file cho truy cập  Close – kết thúc truy cập file  Create – tạo file  Copy – tạo  Destroy (Delete) – xoá file  Rename – đổi tên file Đối với đơn vị thông tin file, thường sử dụng lệnh:  Read – đọc liệu từ file  Write – ghi thông tin vào file  Insert – chèn thêm thơng tin  Delete – xố đơn vị thông tin File system (FS) cấu thành hệ điều hành, có nhiệm vụ điều khiển thao tác với file nhớ ngồi Nó cịn đảm bảo khả chia sẻ an tồn thông tin nhiều người dùng Chức hệ thống file: Hệ thống file phải đảm bảo nhiều chức khác liên quan đến điều khiển truy cập, có:  Người dùng phải có khả tạo, thay đổi, xoá file  Cung cấp khả chia sẻ file điều khiển chặt chẽ  Cơ chế chia sẻ file phải xem xét hình thức truy cập cần kiểm sốt, ví dụ thao tác đọc, ghi, thay đổi,  Người dùng phải có khả thao tác dễ dàng với cấu trúc file, độc lập với phần cứng IT101_Bai 5_v1.0010110225 119 Bài 5: Bộ nhớ ngồi  Đảm bảo trao đổi thơng tin file  Cần có cơng cụ khắc phục, khơi phục lại thơng tin có cố  Với thơng tin quan trọng, cần có chế kiểm soát truy cập chặt chẽ, tránh truy cập bất hợp pháp, khả mã hoá liệu  Hệ thống cần cung cấp giao diện thân thiện với người dùng, cho phép người dùng làm việc với cấu trúc liệu logic mình, khơng cần quan tâm đến chi tiết vật lý, cụ thể 5.2.1 Cấu trúc liệu Tất liệu máy tính xử lý tạo thành từ bit có giá trị Khi kết hợp bit thành tổ hợp, ta lưu trữ, thể thông tin Mức cao hơn, ta có đơn vị byte tổ hợp bit Như có 256 giá trị khác byte, số có ký tự (a–z, A–Z), chữ số (0–9), ký tự đặc biệt, Phân bố tổ hợp bit theo ký tự gọi bảng mã Hiện có số bảng mã phổ biến: EBCDIC (Extend Bit Code Decimal For Interchange) thường sử dụng để biểu diễn thông tin bên máy, hệ ASCII (Americal Standard Code For Interchange Information) thông dụng hệ thống truyền thông, ngày xu tồn cầu hố, mã unicode chấp nhận ngày rộng rãi với ưu lưu trữ thể hầu hết ngơn ngữ giới Ở mức cao hơn, nhóm ký tự liên quan đến gọi trường – field, ví dụ trường họ tên sinh viên, trường liên quan tạo thành ghi, ví dụ ghi thơng tin sinh viên có trường họ tên, lớp… Nhóm ghi tạo thành file tập hợp thông tin cao gọi sở liệu Block Record Bản ghi vật lý hay khối đơn vị thông tin thực trao đổi với thiết bị lưu trữ Còn ghi logic tập hợp thông tin coi đơn vị tồn vẹn nhìn từ phía người dùng, ví dụ ghi sinh viên Với hai khái niệm trên, ta có quan hệ sau độ dài tương đối chúng:  Một khối = ghi  Một khối = nhiều ghi  Một ghi = nhiều khối Tổ chức file Tổ chức file cách phân bố ghi file nhớ ngồi Có thể chia thành dạng tổ chức sau:  Nối tiếp: ghi phân bố theo thứ tự vật lý, ghi logic nằm nối tiếp vật lý Tổ chức file theo kiểu nối tiếp thường áp dụng băng từ  Dãy số: ghi nối tiếp logic không thiết liên tiếp vật lý Trong hệ thống sử dụng mục riêng trỏ đến vị trí vật lý ghi Tổ chức thường áp dụng đĩa từ  Truy cập trực tiếp: truy cập ghi trực địa vật lý Tổ chức hệ thống đơn giản gánh nặng chuyển sang người lập trình, họ phải biết rõ cấu trúc vật lý thiết bị Vì hình thức áp dụng  Thư mục (Directory): kiến trúc cao file, bao gồm tập hợp file Về thực chất thư mục file, có điều liệu thơng tin file nằm thư mục 120 IT101_Bai 5_v1.0010110225 Bài 5: Bộ nhớ ngồi Hệ thống file (File System) Ta đưa đặc điểm sau file:  Tần số thay đổi: Static Dynamic  Kích thước file File System cấu thành quan trọng hệ điều hành, hệ thống file thường cung cấp công cụ:  Các phương pháp truy cập: xác định, tổ chức truy cập liệu  Các chế điều khiển file: điều khiển truy cập, chia sẻ file cho nhiều người dùng, bảo vệ liệu  Công cụ điều khiển nhớ ngoài: quản lý việc phân bố, cấp phát nhớ ngồi  Cơng cụ đảm bảo tính toàn vẹn liệu  Chức quan trọng hệ thống file cấp phát nhớ ngoài, điều khiển truy cập Trong hệ đa người dùng, đa nhiệm, lúc có nhiều yêu cầu truy cập đồng thời Hệ thống file phải đảm bảo phục vụ yêu cầu nhanh nhất, đảm bảo an tồn liệu Cấp phát giải phịng khơng gian đĩa Vấn đề cấp phát giải phóng khơng gian đĩa, mức độ có nhiều điểm chung với phân bố nhớ hệ đa nhiệm Nếu ban đầu file ghi vùng nhớ liên tục theo thời gian, file liên tục thay đổi không gian đĩa trở nên bị chia nhỏ (Fragmentation) Một biện pháp giải tình trạng theo chu việc dồn đĩa Các file tổ chức lại để chúng chiếm vùng đĩa liên tục Việc thường thực vào thời gian rỗi hệ thống Một số hệ thống cịn dọn dẹp đĩa phục vụ người dùng Trong số tình huống, mà số yêu cầu đọc/ghi liệu nhiều việc dồn đĩa khơng mang lại lợi ích Ví dụ u cầu yêu cầu liệu file vùng đĩa cách xa file nằm vùng đĩa liên tục Khái niệm locality nhớ ảo có mặt hệ thống file, theo thường truy cập thông tin thường scan khối liệu Do việc xếp để file chiếm vùng đĩa liên tục thực có hiệu Việc xác định thói quen người dùng: ứng dụng, liệu thường xuyên dùng cần để ý thiết kế hệ thống file Trong hệ thống dùng tổ chức nhớ theo trang, khối trao đổi nhớ với nhớ bội trang, việc tổ chức nhớ ngồi theo khối có kích thước tương đương có ý nghĩa Với tính locality, việc truy xuất trang nhớ liền dẫn đến việc cần phân bố liệu nhớ cần liền 5.2.2 Phân bố liên tục, không liên tục Có hai hình thức phân bố: liên tục khơng liên tục Phân bố liên tục Trong hình thức này, file cấp phát vùng liên tục Nếu khơng có vùng trống liên tục đủ lưu file file khơng thể lưu IT101_Bai 5_v1.0010110225 121 Bài 5: Bộ nhớ Một ưu điểm phân bố liên tục ghi liên tiếp logic lưu liên tục mặt vật lý, điều cho phép cải thiện tốc độ truy cập Việc tổ chức lưu trữ tương đối đơn giản Tuy nhiên phân bố liên tục có hạn chế, file bị xoá, thay đổi, tạo tình trạng phân mảnh Hơn nữa, cần ghi thêm liệu vào file khơng phải ln có vùng trống cuối file để lưu Để tránh tình trạng phân mảnh thực dồn file, nhiên việc khơng phải ln mang lại hiệu Phân bố khơng liên tục Bởi thường xun file bị thay đổi, hình thức phân bố liên tục nhanh chóng bị thay hình thức phân bố không liên tục, tổ chức phức tạp cho phép xây dựng hệ thống mềm dẻo Có số hình thức phân bố không liên tục 1) Sử dụng danh sách Sector Trong sơ đồ này, đĩa xem tập hợp Sector riêng rẽ File bao gồm Sector nằm vị trí rải rác Các Sector thuộc file có trỏ đến nhau, tạo thành chuỗi/danh sách Sector Không gian trống danh sách Sector trống Khi cần cấp phát thêm nhớ, cần cấp Sector từ danh sách Sector trống Cịn file giảm kích thước Sector đánh dấu trống đưa vào danh sách Việc dồn đĩa đặt Tuy nhiên có nhược điểm Bởi Sector nằm rải rác đĩa, việc truy cập liệu liên tiếp file kéo theo thời gian tìm kiếm Sector lâu Việc đọc liệu kéo theo phải duyệt qua chuỗi Sector, xử lý trỏ kết nối 2) Phân bố theo khối Hình thức phân bố theo khối kết hợp hình thức phân bố liên tục khơng liên tục, nhớ ngồi chia thành khối/block gồm nhiều Sector liên tục Khi cấp phát thêm, hệ thống file cố gắng cấp phát khối trống gần Khi truy cập liệu, hệ thống file xác định số blokc sau số Sector khối Có hình thức phân bố theo khối: chuỗi block/block chaining, chuỗi block số/index block bảng ánh xạ block 5.2.3 Các sơ đồ tổ chức hệ thống file theo khối Chuỗi block liệu Trong sơ đồ này, ghi directory trỏ đến khối file Mỗi khối (có độ dài cố định) gồm hai phần: phần header chứa trỏ đến khối (khối cuối - trỏ đặc biệt để báo hiệu) phần liệu Đơn vị cấp phát nhỏ khối Để đọc ghi, cần tìm đến khối sau đến Sector khối chứa ghi Quá trình tìm kiếm phải bắt đầu duyệt từ khối đầu tiên, theo trỏ đến khối cần tìm Như khối phân bố rải rác thời gian truy cập lâu đáng kể Việc cấp phát thêm khối hay xoá bớt dễ dàng thông qua định hướng lại trỏ Trong số hệ thống, tổ chức chuỗi khối liên kết chiều, khối có trỏ, trỏ tới khối trỏ tới khối trước 122 IT101_Bai 5_v1.0010110225 Bài 5: Bộ nhớ Directory File A Header Header Header Data Data Data Data Block Data Block Data Block n Hình 5.2.3-1: Chuỗi block Sơ đồ chuỗi block mục Trong sơ đồ này, mục (Index) chứa khối số Mỗi khối số chứa số lượng cố định phần tử, phần tử chứa trỏ đến khối liệu Nếu index block không đủ, hệ thống dùng chuỗi số block để chứa thông tin file, index block có trỏ đến index block chuỗi So với sơ đồ dùng chuỗi block, sơ đồ có số ưu điểm Khi tìm kiếm khối liệu đó, cần tìm (duyệt) số lượng index block thay duyệt qua số lượng lớn khối liệu Để tăng tốc độ, bố trí số block nằm vùng liên tục nhớ ngồi Khi tìm thấy vị trí khối liệu cần nạp khối liệu vào nhớ Sơ đồ có nhược điểm chủ yếu có thay đổi liệu, ví dụ cần thêm ghi liệu dẫn đến phải cấu trúc lại nhiều index block Trong số hệ thống, để khắc phục người ta đánh sẵn vùng trống dự trữ cho index block có tương lai Tuy nhiên, vùng trống đầy dẫn đến phải cấu trúc lại số Directory Index Block Index Block n Header Header Pointer Pointer Pointer File A Data Data Data Hình 5.2.3-2: Sơ đồ chuỗi index block Sơ đồ bảng ánh xạ block Trong sơ đồ để xác định vị trí block, khơng cần phải có trỏ mà dùng số block, từ số khối dễ dàng tính tốn vị trí khối nhớ ngồi Sơ đồ sử dụng bảng ánh xạ khối, dịng chứa thơng tin ánh xạ cho khối Dòng bảng thư mục trỏ đến dòng bảng ánh xạ – tương ứng với khối IT101_Bai 5_v1.0010110225 123 Bài 5: Bộ nhớ ngồi liệu file Mỗi dịng bảng ánh xạ chứa số khối file Như từ bảng ánh xạ đọc tất thơng tin vị trí khối liệu file Với dòng ánh xạ tương ứng với block cuối file, thường chứa giá trị đặc biệt (ví dụ null) thể khơng cịn khối – khối cuối Các dòng ánh xạ khối trống chứa giá trị đặc biệt khác thể khối trống, cấp phát Hệ thống tra cứu bảng ánh xạ để tìm khối trống, lưu thơng tin khối trống danh sách riêng Bảng ánh xạ thay đổi để lưu thơng tin khác, phục vụ cho mục đích tìm kiếm Một ưu điểm lớn sơ đồ cần tra cứu thông tin bảng ánh xạ file xác định khối trống vị trí tương đối chúng so với khối khác, từ cần cấp phát chọn khối gần với khối thuộc file cách dễ dàng, nâng cao tốc độ truy cập Hình 5.2.3-3: Bảng ánh xạ khối 5.2.4 Điều khiển truy cập Tại cần quản lý quyền truy cập đến file Trong hệ thống nhiều người dùng, người lưu thơng tin riêng file người dùng khác nói chung khơng truy cập đến chúng, hệ thống cần có thông tin quyền truy cập để điều khiển truy cập Có nhiều chế khác để quản lý quyền file f1 f2 user truy cập, sơ đồ đơn giản u1 R=0 R=1 sử dụng ma trận điều khiển quyền truy cập (hình 5.2.4) Trong chiều ID u2 R=1 R=1 người dùng (hàng Ri), chiều ID file (cột Ci) Vị trí RiCj chứa giá trị quyền truy Hình 5.2.4 cập người dùng Ui file Fj Nếu kích thước bit, ta xác định quyền, ví dụ giá trị khơng đọc, có quyền đọc, Tất nhiên để quản lý nhiều quyền ta cần lưu tổ hợp nhiều quyền Mô tả file – File Descriptor File Descriptor ghi lưu đầy đủ thông tin file mà hệ điều hành cần quan tâm, quản lý Các thông tin lưu File Descriptor phụ thuộc vào hệ thống, nói chung chúng có thơng tin sau: 124 IT101_Bai 5_v1.0010110225 Bài 5: Bộ nhớ  Tên file  Kích thước file  Kiểu file  Ngày tháng tạo, cập nhật,  Thông tin thuộc tính File Descriptor nằm nhớ ngồi chúng nạp vào nhớ mở (Open) file Nói chung File Descriptor xử lý File System, người dùng khơng có quyền truy cập trực tiếp IT101_Bai 5_v1.0010110225 125 Bài 5: Bộ nhớ ngồi TĨM LƯỢC CUỐI BÀI Các bạn học Bộ nhớ Chúng ta cần ghi nhớ vấn đề sau:  Hiểu đĩa từ: o Cấu tạo đĩa từ o Tối ưu theo thời gian định vị Track o Tối ưu theo thời gian trễ  Hiểu hệ thống file: o Phân bố liên tục không liên tục o Các sơ đồ tổ chức hệ thống file o Điều khiển truy cập  Làm tập hệ thống file 126 IT101_Bai 5_v1.0010110225 Bài 5: Bộ nhớ CÂU HỎI TỰ LUẬN Câu Giả sử hệ thống có loại thiết bị Máy in, Ổ Đĩa cứng Ổ CD–ROM Có yêu cầu in tập tin DanhSach.doc, yêu cầu đọc F1.txt từ đĩa cứng, yêu cầu ghi F2.txt đĩa cứng Hãy thể hình vẽ Bảng trạng thái thiết bị với yêu cầu Cập/Xuất kể Câu Trong hai loại nhớ Bộ nhớ Đĩa từ, loại nhớ sơ cấp, loại nhớ thứ cấp? Phân loại để làm gì? Câu Trình bày thuật giải điều phối FCFS Câu Giả sử Partition đĩa cứng cài hệ tập tin FAT Hãy thể cấu trúc Partition hình vẽ Câu Trong hệ tập tin FAT16, tập tin Vanban.doc có nội dung trải liên cung (Cluster) 5, 3, Hãy minh hoạ cấu trúc Đầu mục (Directory Entry) tập tin nội dung bảng FAT BÀI TẬP TRẮC NGHIỆM Máy tính PC sử dụng hệ thống số để lưu trữ liệu đĩa cứng? a) Hệ thập lục phân b) Hệ thập phân c) Hệ bát phân d) Hệ nhị phân Hệ điều hành thường lưu trữ trong: a) ROM b) RAM c) Bộ nhớ ngồi d) Bộ xử lí trung tâm (CPU) Khi khởi động máy tính, hệ điều hành nạp vào: a) Bộ nhớ RAM b) Bộ nhớ ROM c) Bộ nhớ d) Bộ xử lý trung tâm Hệ điều hành đảm nhiệm việc việc đây? a) Soạn thảo văn b) Giao tiếp với ổ đĩa cứng, quản lí nhớ c) Chơi trị chơi điện tử d) Giải tốn máy tính Tệp tin thường lưu trữ tại: a) RAM b) ROM c) Bộ xử lí trung tâm d) Bộ nhớ IT101_Bai 5_v1.0010110225 127 Bài 5: Bộ nhớ Trong câu sau câu nhiệm vụ hệ quản lý tệp? a) Tổ chức thơng tin nhớ ngồi b) Cung cấp dịch vụ để đọc/ ghi thông tin nhớ dễ dàng c) Đảm bảo cho chương trình hoạt động hệ thống đồng thời truy cập tới tệp d) Quản lí thiết bị vật lý kết nối đến máy tính Các tài nguyên điển hình thuộc phần cứng bao gồm: a) Thiết bị xử lý trung tâm (CPU) b) Bộ nhớ trong, hệ thống vào/ra (kênh, thiết bị điều khiển thiết bị vào/ra thiết bị vào/ra) c) Bộ nhớ d) Cả đáp án 128 IT101_Bai 5_v1.0010110225 ... quyền truy cập trực tiếp IT101_Bai 5_ v1.00101102 25 1 25 Bài 5: Bộ nhớ ngồi TĨM LƯỢC CUỐI BÀI Các bạn học Bộ nhớ Chúng ta cần ghi nhớ vấn đề sau:  Hiểu đĩa từ: o Cấu tạo đĩa từ o Tối ưu theo thời... lưu trữ trong: a) ROM b) RAM c) Bộ nhớ ngồi d) Bộ xử lí trung tâm (CPU) Khi khởi động máy tính, hệ điều hành nạp vào: a) Bộ nhớ RAM b) Bộ nhớ ROM c) Bộ nhớ d) Bộ xử lý trung tâm Hệ điều hành... cứng, quản lí nhớ c) Chơi trò chơi điện tử d) Giải tốn máy tính Tệp tin thường lưu trữ tại: a) RAM b) ROM c) Bộ xử lí trung tâm d) Bộ nhớ IT101_Bai 5_ v1.00101102 25 127 Bài 5: Bộ nhớ Trong câu