Фізична організація і характеристики файлових систем

· Організація розділів на жорсткому диску

· Фізичне розміщення файлів і каталогів

· Організація дискового кеша

· Дискове планування

· Резервне копіювання

· Журнальні файлові системи

Базові відомості про дискові пристрої

Зупинимося на особливостях дискових пристроїв, що впливають на реалізацію доступу до таких пристроїв у ОС. Нас цікавлять жорсткі диски, інформація про особливості реалізації та використання інших типів дискових накопичувачів (компакт-дисків, гнучких дисків тощо).

 

Принцип дії жорсткого диска

Накопичувачі на жорстких магнітних дисках (НЖМД) (рис. 3.1, далі - диски) складаються з набору дискових пластин (platters), які покриті магнітним матеріалом і обертаються двигуном із високою швидкістю. Кожній пластині відповідають дві головки (heads), одна зчитує інформацію зверху, інша - знизу. Головки прикріплені до спеціального дискового маніпулятора (disk arm). Маніпулятор може переміщатися по радіусу диска - від центра до зовнішнього краю і назад, таким чином відбувається позиціювання головок.

3. 1

 

Головки зчитують інформацію із доріжок (tracks), які мають вигляд концентричних кіл. Мінімальна кількість доріжок на поверхні пластини в сучасних дисках - 700, максимальна - більше 20 000. Сукупність усіх доріжок одного радіуса на всіх поверхнях пластин називають циліндром.

Кожну доріжку під час низькорівневого форматування розбивають на сектори (sectors), обсяг даних сектора для більшості архітектур становить 512 байт (він обов'язково має дорівнювати степеню числа 2). Кількість секторів для всіх доріжок однакова (у діапазоні від 16 до 1600).

 

Ефективність операцій доступу до диска

Основними характеристиками доступу до диска є:

♦ час пошуку (seek time) — час переміщення маніпулятора для позиціювання головки на потрібній доріжці (у середньому становить від 10 до 20 мс);

♦ ротаційна затримка (rotational delay) - час очікування, поки пластина повернеться так, що потрібний сектор опиниться під доріжкою (у середньому становить 8 мс);

♦ пропускна здатність передавання даних (transfer bandwidth) - обсяг даних, що передаються від пристрою в пам'ять за одиницю часу; для сучасних дисків ця характеристика порівнянна із пропускною здатністю оперативної пам'яті (200 Мбайт/с), час передавання одного сектора вимірюють у наносекундах. Час, необхідний для читання сектора, одержують додаванням часу пошуку,

ротаційної затримки і часу передавання (при цьому час передавання можна вважати дуже малим). Очевидно, що час читання одного сектора практично не відрізняється від часу читання кількох розташованих поряд секторів, а час читання Цілої доріжки за одну операцію буде менший, ніж час читання одного сектора через відсутність ротаційної затримки.

Швидкість доступу до диска, порівняно із доступом до пам'яті, надзвичайно мала, зараз диски є основним «вузьким місцем» з погляду продуктивності комп'ютерної системи. При цьому реальне поліпшення останніми роками наявне лише для пропускної здатності передавання даних. Час пошуку і ротаційна затримка майже не змінюються, тому що вони пов'язані з керуванням механічними пристроями (дисковим маніпулятором і двигуном, що обертає пластини) і обмежені їхніми фізичними характеристиками.

У результаті час читання великих обсягів неперервних даних усе менше відрізняється від часу читання малих. Як наслідок, першорядне значення для розробників файлових систем набуває розв'язання двох задач:

· організації даних таким чином, щоб ті з них, які будуть потрібні одночасно, перебували на диску поруч (і їх можна було зчитати за одну операцію);

· підвищення якості кешування даних (оскільки пам'яті стає все більше, зростає ймовірність того, що всі потрібні дані міститимуться в кеші, і доступ до диска стане взагалі не потрібний).

 

Розміщення інформації у файлових системах

Файлова система звичайно будує базове відображення даних поверх того, яке їй надають драйвери дискових пристроїв. Насамперед, ОС розподіляє дисковий простір не секторами, а спеціальними одиницями розміщення — кластерами (clusters) або дисковими блоками (disk blocks, термін «дисковий блок» більш розповсюджений в UNIX-системах). Визначення розміру кластера і розміщення інформації, необхідної для функціонування файлової системи, відбувається під час високорівневого форматування розділу. Саме таке форматування створює файлову систему в розділі.

Розмір кластера визначає особливості розподілу дискового простору в системі. Використання кластерів великого розміру може спричинити значну внутрішню фрагментацію через файли, які за розміром менші, ніж кластер.

Деякі застосування (насамперед, сервери баз даних) можуть реалізовувати свою власну фізичну організацію даних на диску. Для них файлова система може виявитися зайвим рівнем доступу, що тільки сповільнюватиме роботу. Багато ОС надають таким застосуванням можливість працювати із розділами, поданими у вигляді простого набору дискових секторів, який не містить структур даних файлової системи. Про такі розділи кажуть, що вони містять неорганізовану файлову систему (raw file system). Для них не виконують операцію високорівневого форматування.