Лекция 4. Кэширование данных. Дисковая подсистема

Лекция 4. Кэширование данных. Дисковая подсистема ОС

2 Определение Кэширование – это способ совместного функционирования двух типов запоминающих устройств: • устройства отличаются временем доступа, объемом и стоимостью хранения данных; • сущность метода: динамическое копирование в «быстрое» , но меньшее по объему ЗУ наиболее часто используемой информации из «медленного» , но более объемного ЗУ • цели: 1. уменьшить среднее время доступа к данным 2. экономить более дорогую быстродействующую память. Кэш-памятью , или кэшем, часто называют одно из устройств — «быстрое» ЗУ

3 Основные положения Кэширование – это универсальный метод, пригодный для ускорения доступа к оперативной памяти, к диску и к другим видам запоминающих устройств. Если кэширование применяется для уменьшения среднего времени доступа к оперативной памяти, то в качестве кэша используют быстродействующую статическую память. Если кэширование используется системой ввода-вывода для ускорения доступа к данным, хранящимся на диске, то в этом случае роль кэш-памяти выполняют буферы в оперативной памяти, в которых оседают наиболее активно используемые данные.

4 Схема функционирования кэш-памяти Медленная память. Медленный ответ (кэш-промах) Запрос Быстрый ответ (кэш -попадание) Структура кэш-памяти Адрес данных в медленной памяти Данные Управляющая информация. Источник запросов к медленной памяти Быстрая память (кэш)

5 Содержимое записи кэш-памяти значение элемента данных; адрес, который этот элемент данных имеет в медленной памяти; дополнительная информация, которая используется для реализации алгоритма замещения данных в кэше и обычно включает признак модификации и признак действительности данных.

6 Понятия кэш-промаха и кэш-попадания Если данные обнаруживаются в кэш-памяти, то есть произошло кэш-попадание (сасhе-hit), они считываются из нее и результат передается источнику запроса; Если нужные данные отсутствуют в кэш-памяти, то есть произошел кэш-промах (сасhе-тiss), они считываются из основной памяти, передаются источнику запроса и одновременно с этим копируются в кэш-память.

7 Характеристика процесса: среднее время доступа к данным Пусть имеется: медленное запоминающее устройство со средним временем доступа к данным t 1 ; кэш-память, имеющая время доступа t 2 (очевидно, что t 2 <t 1 ). Пусть t – среднее время доступа к данным в системе с кэш-памятью, а р – вероятность кэш-попадания. По формуле полной вероятности имеем: t = t 1 (p-1) + t 2 p = (t 2 -t 1 )p + t 1.

8 Вывод Среднее время доступа к данным в системе с кэш-памятью линейно зависит от вероятности попадания в кэш и изменяется от среднего времени доступа в основное запоминающее устройство (t 1 при p=0) до среднего времени доступа непосредственно в кэш-память t 2 при р=1.

9 Высокое значение вероятности нахождения данных в кэш-памяти объясняется наличием: Временной локальности. Если произошло обращение по некоторому адресу, то следующее обращение по тому же адресу с большой вероятностью произойдет в ближайшее время. Пространственной локальности. Если произошло обращение по некоторому адресу, то с высокой степенью вероятности в ближайшее время произойдет обращение к соседним адресам.

10 Проблема согласования данных Наличие в компьютере двух копий данных – в медленной памяти и в кэше – порождает проблему согласования данных. Если происходит запись в медленную память по некоторому адресу, а содержимое этой ячейки находится в кэше, то в результате соответствующая запись в кэше становится недостоверной.

11 Два подхода к решению проблемы согласования данных Сквозная запись (write through). При каждом запросе к медленной памяти, в том числе и при записи, просматривается кэш. Если данные по запрашиваемому адресу отсутствуют, то запись выполняется только в медленную память. Если же данные, к которым выполняется обращение, находятся в кэше, то запись выполняется одновременно в кэш и основную память. Обратная запись (write back). При возникновении запроса к памяти выполняется просмотр кэша, и если запрашиваемых данных там нет, то запись выполняется только в медленную память. В противном же случае запись производится только в кэш-память , при этом в описателе данных делается специальная отметка (признак модификации), которая указывает на то, что при вытеснении этих данных из кэша (так называемом «сбросе кэша» ) необходимо переписать их в медленную память, чтобы актуализировать устаревшее содержимое этой медленной памяти.

12 Алгоритм работы кэш-памяти 1. Выполнить запрос к медленной памяти. 2. Выполнить просмотр кэша. 3. Произошло кэш-попадание. Если да, то перейти к шагу 4, если нет, то — к шагу 8. 4. Определить какая операция. Если «чтение» , то перейти к шагу 5, если «запись» — к шагу 7. 5. Считать данные из кэша. 6. Передать данные источнику запроса. Закончить алгоритм. 7. Определить режим согласования. Если «сквозная запись» , то произвести запись в основную память и в кэш, иначе (т. е. режим «обратной записи» ) – произвести запись в кэш и установить признак модификации. Закончить алгоритм.

13 Алгоритм работы кэш-памяти (продолжение – «кэш-промах» ) 8. Определить, какая операция: если «запись» , то произвести запись в основную память и закончить алгоритм; если «чтение» , перейти к шагу 9. 9. Произвести чтение из основной памяти. 10. Определить, есть ли свободное пространство в кэше. Если да, то перейти к шагу 13, иначе – к шагу 11. Осуществить выбор данных на выгрузку и объявить соответствующий элемент кэша свободным. 12. Определить, были ли выгружаемые данные модифицированы. Если да, то копировать выгружаемые данные в основную память. 13. Копировать данные, считанные из основной памяти в кэш. 14. Передать данные источнику запроса. Закончить алгоритм.

14 Двухуровневая кэш-память Запрос Кэш 1 Кэш 2 ОП

15 Запрос выполнен. Нет Да Да Запрос на чтение Поиск в кэше 1 Промах 1? Поиск в кэше 2 Чтение из кэша 1 Промах Чтение из медленной памяти Копирование в кэш 2 Чтение из кэша 2 Копирование в кэш 1 Запрос выполнен. Нет. Двухуровневая кэш-память (алгоритм работы)

16 Дисковая подсистема

172 принципа, на которых основана работы дисковой подсистемы магнитной технологии записи быстром вращении самого диска (3600, 7200 об. /мин)

18 Дисковая подсистема (дорожки и секторы диска) Дорожки Секторы

19 Определения Окружность на магнитной пластине, которую описывает головка при вращении пластин, называется дорожкой. Совокупность таких дорожек, расположенных одна под другой (определяемая каждым фиксированным положением головок), называется цилиндром. Поэтому диски часто характеризуются совокупностью трех цифр: числом цилиндров/числом дорожек в цилиндре/числом секторов на дорожке или C/H/S (от первых букв соответствующих английских терминов: Cylinder/Head/Sector, т. е. цилиндр/головка/сектор). Эти три цифры называют «геометрией диска» .

20 Расчет объема ( «сырой емкости» ) диска Диск с геометрией C/H/S имеет объем C*H*S*512 байт.

21 Диски – блочные устройства Диски являются блочными устройствами, т. е. считывание и запись информации производится блоками, и минимальный размер блока равен одному сектору (512 байт). Для того чтобы записать информацию на диск, надо «позиционировать головку» , т. е. указать контроллеру, в какой сектор эту информацию записать. Сектора адресуются путем указания номера цилиндра, номера считывающей головки (или дорожки) и порядкового номера сектора на дорожке.

22 Раздел диска Раздел – часть диска, представленная в виде непрерывной последовательности секторов, в которой может быть установлено не более одной ОС (файловой системы). Информация о разделах представлена в специальной таблице разделов, которая хранится в MBR (Master Boot Record – Главной загрузочной записи, которая находится в нулевом секторе диска). Активным называется раздел, с которого будет начинаться загрузка. Таблица создается с помощью программы, подобной fdisk.

23 Разделы диска Win dows Linux …… На диске может существовать не более 4 разделов

24 Общая структура диска Загр узчи к Табл ица разде лов MBR Основной (первичный) раздел Дополнительный (расширенный) раздел

25 Разновидности разделов Разделы диска Основной (первичный) • не подвергается разбиению • не более четырех Дополнительный (расширенный) – • можно разбивать на подразделы (логические диски) • не более одного

26 Правила именования дисков в Linux В Linux диск в целом (т. е. физический диск) доступен через файл, который ассоциирован с устройством. Файлы устройств расположены в каталоге /dev Примеры имен: /dev/hda, /dev/hdb, /dev/sda IDE (EIDE) диски – главный диск первичного контроллера -> a (Primary master) подчиненный (slave) диск первичного контроллера -> b ((Primary slave) главный диск (master) вторичного контроллера -> с (Secondary master); подчиненный (slave) диск вторичного контроллера -> d (Secondary slave)

27 Правила именования дисков в Linux (продолжение) SCSI диски – sd SCSI-диски нумеруются буквами латинского алфавита в зависимости от порядкового номера диска на шине SCSI (a, b, c, d…) Диски SATA и съёмные USB-устройства (USB флэш-карты, цифровые камеры и т. п. ) обычно распознаются системой как SCSI-диски и, соответственно, обозначаются также sda, sdb и т. д. Аналогично через эмуляцию SCSI в Linux могут работать записывающие лазерные приводы (CD- и DVD-RW), они также получают имена, соответствующие SCSI-дискам, даже если в действительности подключены к шине IDE. В некоторых версиях это не так (могут распознаваться и в соответствии с интерфейсом)

28 Правила именования разделов в Linux Разделы на дисковых устройствах нумеруются цифрами, начиная с 1. Первичные разделы обозначаются дополнительной цифрой в имени устройства: /dev/hda 1, /dev/hda 2, /dev/hda 3, /dev/hda 4 Логические разделы в Linux доступны по именам /dev/hda 5, /dev/hda 6. . . (начиная с номера 5).

ФАЙЛОВЫЕ СИСТЕМЫ

30 Основные понятия: файл Файл – это именованная область внешней памяти, в которую можно записывать и из которой можно считывать данные. Основные цели использования файла: Долговременное и надежное хранение информации. Совместное использование информации

31 Основные понятия: файловая система Файловая система ( ФС ) – это часть операционной системы, включающая: совокупность всех файлов на диске; наборы структур данных, используемых для управления файлами, такие, например, как каталоги файлов, дескрипторы файлов, таблицы распределения свободного и занятого пространства на диске; комплекс системных программных средств, реализующих различные операции над файлами, такие как создание, уничтожение, чтение, запись, именование и поиск файлов.

32 Основные задачи ФС В однозадачной и однопользовательской ОС: именование файлов; программный интерфейс для приложений; отображения логической модели файловой системы на физическую организацию хранилища данных; устойчивость файловой системы к сбоям питания, ошибкам аппаратных и программных средств. В многопользовательских системах добавляется задача: защита файлов одного пользователя от несанкционированного доступа другого пользователя.

33 Типы файлов Обычные файлы, или просто файлы (содержат информацию произвольного характера, которую заносит в них пользователь или которая образуется в результате работы системных и пользовательских программ). Каталоги – это особый тип файлов (содержат системную справочную информацию о наборе файлов, сгруппированных пользователями по какому-либо неформальному признаку). Специальные файлы – это фиктивные файлы, ассоциированные с устройствами ввода-вывода, которые используются для унификации механизма доступа к файлам и внешним устройствам.

34 Иерархическая структура файловой системы Корневой каталог Файлыа / user depart Annaб в

ФАЙЛОВЫЕ СИСТЕМЫ

36 Имена файлов Простое, или короткое, символьное ( « много файлов – одно простое имя» ) task-entr. exe письмо Марье Ивановне. doc Полное имя ( «один файл – одно полное имя» , кроме сетевых иерархий) /depart/main. ехе /user/anna/main. ехе Относительное имя файла anna/ main. ехе уникальное имя C: \user\anna\main. exe

37 Понятие монтирования файловых систем (2 ФС до монтирования) Файловая система 2 Файловая система 1 dev usr home bin ttymt 0 man local / (root) man 1 man 2 old new- каталог — обычный файл — специальный файл-устройство / (root)

38 Понятие монтирования файловых систем (системы после монтирования) Файловая система 1 / (root) dev usr home bintt y mt 0 man local man 1 man 2 old new

39 Основные атрибуты файлов Понятие «файл» включает не только хранимые им данные и имя, но и атрибуты. Атрибуты — это информация, описывающая свойства файла. Примеры возможных атрибутов файла: Тип файла (обычный файл, каталог, специальный файл и т. п. ); владелец файла; создатель файла; информация о разрешенных операциях доступа к файлу; времена создания, последнего доступа и последнего изменения; текущий размер файла; максимальный размер файла; признак «только для чтения» ; признак «скрытый файл» ; признак «системный файл» ; признак «архивный файл» ; признак «двоичный/символьный» ; признак «временный» (удалить после завершения процесса); признак блокировки.

40 Структура записи в каталоге Имя файла Расширение R A H S Резервные Резерв ные Вре мя Дата № первого кластера Размер8 3 1 4 а № индексного дескриптора Имя файла 2 14 б а – структура записи каталога в файловой системе FAT, б – структура записи каталога ФС ext 2 fs.

41 Логическая организация файла Логическая структура является базой при разработке программы, предназначенной для обработки этих данных. файл — неструктурированная последовательность данных, иногда называемых поток (в большинстве ОС — Windows NT/2000/XP, Net. Ware, Linux); структурированный файл — упорядоченная последовательность логических записей (в совр. ОС практически не используется, используется в различных СУБД).

42 Физическая организация и адресация файла Важным компонентом физической организации файловой системы является физическая организация файла, то есть способ размещения файла на диске. Критерии эффективности физической организации: скорость доступа к данным; объем адресной информации файла; степень фрагментированности дискового пространства; максимально возможный размер файла.

43 Физическая организация и адресация файла (способы размещения данных) непрерывное размещение; размещение файла в виде связанного списка отрезков дисковой памяти (FAT); перечислении адресов участков памяти, занимаемых этим файлом (ext 2 fs, NTFS).