Bài giảng Nguyên lý hệ điều hành - Nguyễn Hải Châu - Tuần 11: Các hệ thống lưu trữ

1Nguyên lý hệ điều hành
Nguyễn Hải Châu
Khoa Công nghệ Thông tin
Trường Đại học Công nghệ
Các hệ thống lưu trữ
Cấu trúc đĩa
Lập lịch đĩa
Quản lý đĩa
Quản lý không gian swap
Cấu trúc RAID
...
Cấu trúc đĩa
z Các ổ đĩa được đánh địa chỉ như một mảng 
lớn, 1 chiều với mỗi phần tử là một khối logic 
– đơn vị truyền nhận nhỏ nhất
z Mảng một chiều nói trên được ánh xạ vào 
các sector đĩa một cách tuần tự
z Sector 0 là sector đầu tiên trên rãnh đầu tiên của 
track nằm ngoài cùng trên đĩa
z Quá trình ánh xạ theo thứ tự chỉ số: sector, track, 
cylinder (từ ngoài vào trong)
Lập lịch đĩa (1)
z HĐH cần sử dụng phần cứng một cách hiệu 
quả - với đĩa: thời gian truy cập nhanh và 
băng thông lớn
z Thời gian truy cập bị ảnh hưởng bởi:
z Seek time (thời gian dịch đầu đọc): Thời gian 
chuyển đầu đọc đến cylinder chứa sector cần truy 
cập
z Rotational latency (Độ trễ quay): Thời gian chờ 
đĩa quay để đầu đọc gặp sector cần truy cập
Lập lịch đĩa (2)
z Seek time: Càng nhỏ càng tốt
z Tương đương: Khoảng cách dịch đầu đọc càng 
nhỏ càng tốt
z Băng thông đĩa là tổng số byte đã được 
truyền chia cho tổng thời gian giữa yêu cầu 
đầu tiên và thời gian hoàn thành lần truyền 
dữ liệu cuối cùng
Lập lịch đĩa (3)
z Có nhiều thuật toán lập lịch đĩa
z Chúng ta minh họa với dãy các yêu cầu (Giả
sử đĩa có 200 track từ 0-199):
98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67
Đầu đọc đang nằm ở cylinder 53
2FCFS (First come first serve)
Tổng số bước di chuyển của đầu đọc là: 640 cylinder.
SSTF: Shortest seek time first
z Yêu cầu có seek time nhỏ nhất tính từ vị trí
hiện tại của đầu đọc
z Lập lịch SSTF là một dạng của lập lịch SJF
có thể gây ra một số yêu cầu không bao giờ 
được phục vụ (starvation)
z Ví dụ minh họa: Tổng số bước di chuyển của 
đầu đọc là 236 cylinder.
Ví dụ SSTF SCAN
z Đầu đọc của đĩa di chuyển từ một phía (ví dụ
bên ngoài hoặc bên trong đĩa) sang phía kia 
để phục vụ các yêu cầu đọc, sau đó di 
chuyển ngược lại... quá trình này lặp đi lặp lại
z Phương thức hoạt động tương tự thang máy 
nên thuật toán này còn được gọi là thuật toán 
thang máy (elevator algorithm)
z Ví dụ minh họa: Đầu đọc phải dịch chuyển 
208 cylinder.
Ví dụ SCAN C-SCAN
z Đầu đọc chuyển từ một phía (trong/ngoài) 
sang phía kia và phục vụ các yêu cầu. Khi 
sang đến phía kia, đầu đọc quay trở lại 
nhưng trong khi quay trở lại không phục vụ
yêu cầu nào.
z C-SCAN xem các cylinders như một danh 
sách vòng
3Ví dụ C-SCAN C-LOOK
z Là một trường hợp của C-SCAN
z C-SCAN: Đầu đọc chuyển giữa cylinder 0 và
n (cynlinder cuối)
z C-LOOK: Đầu đọc chuyển giữa cmin và cmax 
trong đó cmin là cynlinder có số thứ tự nhỏ
nhất trong số các yêu cầu; cmax là cynlinder 
có số thứ tự nhỏ nhất trong số các yêu cầu
z C-LOOK giảm quãng đường di chuyển của 
đầu đọc so với C-SCAN
Ví dụ C-LOOK Chọn thuật toán lập lịch đĩa
z SSTF là phổ biến và “tự nhiên”
z SCAN và C-SCAN thực hiện tốt với các hệ
thống đọc ghi đĩa nhiều
z Hiệu năng nói chung phụ thuộc vào số lượng 
và tính chất của các yêu cầu truy cập đĩa
z Yêu cầu đọc ghi đia có thể bị ảnh hưởng bởi 
phương pháp cấp phát tệp
Chọn thuật toán lập lịch đĩa
z Các thuật toán lập lịch đĩa nên được cài đặt 
như một module độc lập của HĐH để dễ thay 
thế khi cần thiết
z SSTF hoặc LOOK có thể chọn là thuật toán 
ngầm định
Quản lý đĩa
z Low-level format hoặc physical format —
Chia đĩa thành các sector để bộ điều khiển 
đĩa (disk controller) có thể đọc/ghi
z Để lưu tệp lên đĩa, HĐH cần ghi cấu trúc dữ
liệu lên đĩa:
z HĐH chia đĩa thành các partition (phân vùng) –
mỗi partition là một nhóm các cylinder
z HĐH thực hiện logical formatting hay tạo hệ thống 
tệp.
4Tổ chức đĩa
z Đĩa cứng có boot block để khởi tạo hệ thống:
z bootstrap được lưu trong ROM
z Bootstrap loader là một chương trình nhỏ nằm 
trên boot block của đĩa cứng.
z Ví dụ bootstrap loader: 
z Linux: GRUB, LILO
z Windows: NTLDR
z Với các sector hỏng: Phương pháp sector 
sparing
Tổ chức đĩa của MS-DOS
Quản lý không gian swap
z Không gian swap được xem như một phần 
mở rộng của bộ nhớ trong và nằm trên đĩa
z Không gian swap có thể nằm trên hệ thống 
tệp hoặc trên một partition riêng
z Quản lý không gian swap
z UNIX BSD 4.3 cấp phát swap khi tiến trình bắt 
đầu thực hiện và lưu các segment: text và data
z Nhân dùng swap maps để quản lý việc sử dụng 
không gian swap.
4.3 BSD Text-Segment Swap 
Map 
4.3 BSD Data-Segment Swap 
Map Cấu trúc RAID
z RAID – Hệ thống lưu trữ sử dụng nhiều ổ đĩa 
để tăng độ tin cậy (reliability) thông qua sự 
dư thừa (redundancy).
z Có 6 mức RAID.
5RAID (tiếp)
z Disk striping: Sử dụng một tập đĩa như một 
đĩa 
z RAID cải thiện hiệu năng và độ tin cậy của hệ 
lưu trữ bằng cách lưu trữ có dư thừa
z Mirroring/shadowing: Mỗi đĩa có một bản copy 
(duplicate).
z Block interleaved parity: Mức độ dư thừa ít hơn 
mirroring.
Các mức RAID
z Xem chi tiết các mức 
RAID trong giáo trình từ 
trang 471 đến 475
RAID (0 + 1) và (1 + 0) Kết nối đĩa
z Có thể kết nối đĩa theo 2 cách:
1. Host attached thông qua cổng vào/ra
2. Network attached thông qua kết nối mạng
Network-Attached Storage Storage-Area Network
6Cài đặt hệ lưu trữ ổn định
z Write-ahead log scheme requires stable 
storage.
z Để cài đặt hệ lưu trữ ổn định:
z Replicate information on more than one 
nonvolatile storage media with independent 
failure modes.
z Update information in a controlled manner to 
ensure that we can recover the stable data after 
any failure during data transfer or recovery.
Các thiết bị tertiary
z Thuật ngữ: Tertiary storage
z Đặc tính của tertiary storage là giá rẻ
z Nói chung, tertiary storage được làm để tháo 
được
z Ví dụ: Đĩa mềm, CD-ROM, USB
Đĩa tháo được
z Đĩa mềm: Đĩa phủ từ nằm trong vỏ bảo vệ
z Hầu hết các đĩa mềm chứa được khoảng 1 MB; 
một số đĩa sử dụng công nghệ tương tự có thể
chứa 1GB.
z Tốc độ đĩa mềm nhanh nhưng dễ mất dữ liệu do 
hỏng bề mặt (tiếp xúc)
Đĩa tháo được
z Đĩa quang-từ ghi dữ liệu trên đĩa nhựa cứng 
bề mặt phủ vật liệu từ.
z Nhiệt laser được sử dụng để khuếch đại từ 
trường yếu để ghi 1 bit
z Ánh sáng laser light is được sử dụng để đọc dữ
liệu (hiệu ứng Kerr).
z Đầu đọc đĩa loại này xa bề mặt đĩa hơn là đầu 
đọc đĩa từÆ giảm hỏng do xước, va chạm.
z Đĩa quang không sử dụng vật liệu từ mà
dùng vật liệu đặc biệt có thể bị biến đổi do tia 
laser
Đĩa WORM
z WORM (“Write Once, Read Many Times”) 
Ghi một lần, đọc nhiều lần
z Đĩa có 3 lớp: Hai lớp nhựa ở 2 mặt, ở giữa là
một lớp phim mỏng chế tạo từ nhôm
z Để ghi 1 bit: Ổ đĩa dùng tia laser đốt một lỗ
nhỏ trên lớp phim nhôm.
z Rất bền và tin cậy
z Ví dụ: CD-ROM, DVD-ROM
Băng
z Băng rẻ hơn đĩa, nhưng truy cập ngẫu nhiên 
chậm hơn
z Băng thường được dùng cho các ứng dụng 
không yêu cầu truy cập nhanh. Ví dụ: Lưu trữ
dữ liệu, backup
z Các hệ thống băng từ lớn sử dụng robot để 
thay băng: Chuyển băng giữa các ổ băng và 
thư viện băng
z stacker – Thư viện băng nhỏ (một vài băng)
z silo – Thư viện băng lớn (vài nghìn băng)
7Các vấn đề của HĐH
z Nhiệm vụ chính của HĐH là quản lý các thiết 
bị vật lý và cung cấp một máy ảo cho ứng 
dụng (thông qua trừu tượng hóa)
z Với đĩa cứng có hai mức trừu tượng hóa:
z Thiết bị – Một mảng các khối dữ liệu
z Hệ thống tệp – HĐH phục vụ các yêu cầu truy 
cập đĩa (qua cơ chế hàng chờ/lập lịch) từ nhiều 
ứng dụng
Tốc độ truy cập đĩa
z Hai yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ truy cập đĩa:
băng thông bandwidth và độ trễ (latency).
z Băng thông được đo bằng byte/second.
z Sustained bandwidth: Tốc độ trao đổi dữ liệu trung 
bình trong một lần đọc/ghi lớn (tổng số byte/thời 
gian)
z Effective bandwidth – Băng thông trung bình của 
toàn bộ các lần vào/ra bao gồm seek / locate...
Tốc độ truy cập đĩa
z Độ trễ truy cập: Thời gian cần để định vị dữ
liệu trên đĩa.
z Độ trễ cho đĩa: Chuyển đầu đọc đến cylinder cần 
thiết + độ trễ quay (thường < 35ms)
z Độ trễ băng: Cần tua băng Æ Độ trễ từ vài chục 
đến vài trăm giây
Độ tin cậy
z Đĩa cứng có độ tin cậy cao hơn băng hoặc 
đĩa tháo được
z Lưu trữ trên đĩa quang tin cậy hơn đĩa từ
hoặc băng
z Đầu đọc đĩa cứng hỏngÆ mất dữ liệu
z Đầu đọc băng, CD... hỏng không gây mất dữ
liệu
Giá 1MB DRAM từ 1981 đến 2000 Giá 1MB đĩa cứng từ 1981 đến 2000
8Giá 1MB băng, từ 1984 đến 2000