Syst` emes d’Exploitation Cours 10/13 : Stockage externe

(1)

Syst` emes d’Exploitation Cours 10/13 : Stockage externe

Nicolas Sabouret

Universit´e Paris-Sud Licence 3 - semestre S5

(2)

Structure de disque Disques durs Ordonnancement Stockage sur bande Conclusion

Plan

1 Structure de disque

2 Disques durs

3 Ordonnancement

4 Stockage sur bande

5 Conclusion

(3)

Plan

1 Structure de disque Rappels

Cache et tampon Codes correcteurs Formatage

2 Disques durs

3 Ordonnancement

5 Conclusion

(4)

Structure de disque Disques durs Ordonnancement Stockage sur bande Conclusion Rappels Cache et tampon Codes correcteurs Formatage

Rappels

Syst`eme de fichiers

Découpage des fichiers enblocs logiques Allocation des blocs sur le supportphysique Géré au niveau de contrôleur de périphérique

Probl`emes

Acc`es aux blocs

Minimiser le temps de réponse du périphérique Dépend du matériel et des algorithmes Garantir l’intégrité des données

V´erifier les secteurs

(5)

Cache et tampon Principe

Le disque est beaucoup plus lent que la RAM

Ne pas bloquer le processeur pendant le chargement des blocs

→tampon et transfert par bloc Tout passe par le processeur→ cache

(6)

→tampon et transfert par bloc Tout passe par le processeur→ cache Cache

Espace de stockage pluspetitmais plusrapideconservant les donn´ees les plus utilis´ees

(7)

→tampon et transfert par bloc Tout passe par le processeur→ cache Cache

Espace de stockage pluspetitmais plusrapideconservant les donn´ees les plus utilis´ees

Utilisation

Gestion cache :cf.algos remplacement de pages Cache processeur utilis´e pour pages et blocs disques

(8)

→tampon et transfert par bloc Tout passe par le processeur→ cache Tampon

Espace de stockage de données pendant leur transfertentre deux périphériques(ou entre un périphérique et une application)

(9)

→tampon et transfert par bloc Tout passe par le processeur→ cache Tampon

Espace de stockage de données pendant leur transfertentre deux périphériques(ou entre un périphérique et une application)

Double tampon

1 tampon charg´e pendant que l’autre est purg´e

(10)

Intégrité des données

Détection des secteurs défectueux Secteur défectueux → relecture6= écriture

Code d’erreur

Fonctionde l’ensemble des donn´ees du bloc Stock´e sur le secteur

Comparé avec φ(données secteur) Exemple : Somme de contrôle

2 bits de données→ 1 bit de parité de la somme 0001 1011 0110 1100 →^φ 0110 1100 Vérification : 000 → ok, 010 → erreur

mais on ne peut pas savoir lequel des 3 bits a été modifié. . .

(11)

Détection des secteurs défectueux Secteur défectueux → relecture6= écriture Code d’erreur

Compar´e avecφ(donn´ees secteur)

(12)

Comparé avecφ(données secteur) Exemple : Somme de contrôle

(13)

Comparé avecφ(données secteur) Exemple : Somme de contrôle

(14)

Codes correcteurs Principe

Code d’erreur → détecter secteur défectueux Code correcteur→ détecter et réparer !

Exemple

Tripler toute l’information :

0→000 1→111

3 bits différents→ erreur Vote majoritaire → corriger Très coûteux en espace (×3) !

(15)

Exemple

0→000 1→111

Vote majoritaire → corriger Tr`es coˆuteux en espace (×3) !

(16)

Exemple

0→000 1→111

3 bits diff´erents→ erreur Vote majoritaire → corriger

Tr`es coˆuteux en espace (×3) !

(17)

Exemple

0→000 1→111

3 bits différents→ erreur Vote majoritaire → corriger Très coûteux en espace (×3) !

(18)

Codes correcteurs de Hamming D´efinition

Code correcteur lin´eaire parfait:

Lin´eaire : toute combinaison lin´eaire de codes est aussi un code

Parfait : il n’existe pas de code correcteur plus petit

Code Hamming(7,4)

4 bits de donn´ees + 3 bits de ”parit´e” c1 = pair(d1+d2+d4)

c2 = pair(d1+d3+d4) c₃ = pair(d₂+d₃+d₄)

Voir TD n°10

(19)

Codes correcteurs de Hamming D´efinition

Code correcteur lin´eaire parfait:

Lin´eaire : toute combinaison lin´eaire de codes est aussi un code

Parfait : il n’existe pas de code correcteur plus petit Code Hamming(7,4)

4 bits de donn´ees + 3 bits de ”parit´e”

c1 = pair(d1+d2+d4) c2 = pair(d1+d3+d4) c3 = pair(d2+d3+d4)

Voir TD n°10

(20)

En r´esum´e

Un secteur contient

Une en-tête utilisée par le contrôleur (ex : numéro de secteur détecté par la tête)

Les donn´eesdu bloc logique

Une terminaisoncontenant le code correcteur

Formatage

Op´eration de d´efinition des secteurs et des blocs logiques

Formatage bas niveau : taille des secteurs (et donc des blocs) Formatage haut niveau : partition, table FAT

(21)

En r´esum´e

Un secteur contient

Une en-tête utilisée par le contrôleur (ex : numéro de secteur détecté par la tête)

Les donn´eesdu bloc logique

Une terminaisoncontenant le code correcteur

Formatage

Op´eration de d´efinition des secteurs et des blocs logiques

Formatage bas niveau : taille des secteurs (et donc des blocs) Formatage haut niveau : partition, table FAT

(22)

Structure de disque Disques durs Ordonnancement Stockage sur bande Conclusion Vitesse angulaire Disque dur Blocs et disques

Plan

2 Disques durs Vitesse angulaire Disque dur Blocs et disques

3 Ordonnancement

5 Conclusion

(23)

Structures de stockage

Fiches perfor´ees (ann´ees 50)

Bandes magnétiques (années 60) 3 Capacité

7 Allocation contigu¨e

Disques/disquettes (ann´ees 70) 3 Capacit´e

3 Allocation libre 7 Fragilit´e

(24)

Fiches perforées (années 50) 7 Capacité (nombre de trous)

(25)

Fiches perforées (années 50) 7 Capacité (nombre de trous)

(26)

Principe Disque

Plaque circulaire

→n pistesconcentriques m secteurs (cadre de blocs) par piste Tˆete de lecture mobile

Fonctionnement

La tˆete lit1 secteur `a la fois

Rotation disque → lecture des secteurs de la piste D´eplacement tˆete → lecture des autres pistes

(27)

Principe Disque

Plaque circulaire →n pistesconcentriques

m secteurs (cadre de blocs) par piste Tˆete de lecture mobile

Fonctionnement

D´eplacement tˆete → lecture des autres pistes

(28)

Principe Disque

Plaque circulaire →n pistesconcentriques m secteurs (cadre de blocs) par piste

Tˆete de lecture mobile

Fonctionnement

Rotation disque → lecture des secteurs de la piste D´eplacement tˆete → lecture des autres pistes

(29)

Principe Disque

Plaque circulaire →n pistesconcentriques m secteurs (cadre de blocs) par piste Tˆete de lecture mobile

Fonctionnement

D´eplacement tˆete → lecture desautres pistes

(30)

Principe Disque

Fonctionnement

Rotation disque → lecture des secteurs de la piste

D´eplacement tˆete → lecture desautres pistes

(31)

Principe Disque

Fonctionnement

Rotation disque → lecture des secteurs de la piste D´eplacement tˆete → lecture desautres pistes

(32)

Probl`eme I

Nombre de secteurs par piste

Les pistes concentriques sont toutes de taille diff´erente ! Ü Peut-on y mettre un nombre constant de secteurs ?

Nombre de secteurs variable ?

7 Difficile à gérer pour le contrôleur !

Ex : conversion bloc logique→adresse physique (piste,secteur)

7 Temps d’acc`es variable selon piste !

(plus long pour secteurs ext´erieurs)

Ü Le nombre de secteurs est le mˆeme pour toutes les pistes

(ils sont plus ou moins espac´es)

(33)

Probl`eme I

(34)

Probl`eme I

Ü Le nombre de secteurs est le mˆeme pour toutes les pistes

(35)

Probl`eme I

Vitesse de lecture/´ecriture

Lavitesse linéairedétermine le nombre de secteurs par unité de temps.

Lavitesse angulaire est la rotation du disque Vitesse angulaire constante↔ vitesse lin´eaire variable !

Vitesse angulaire constante

Ü Espacement entre secteurs variable 7 Plus difficile pour le contrˆoleur 7 Diminue la vitesse d’acc`es 3 Rotation constante Exemple : Disque dur

(36)

Probl`eme I

Vitesse de lecture/´ecriture

Lavitesse linéairedétermine le nombre de secteurs par unité de temps.

Lavitesse angulaire est la rotation du disque Vitesse angulaire constante↔ vitesse lin´eaire variable !

Vitesse angulaire variable Ü Change `a chaque piste

7 Plus difficile pour le mat´eriel 3 Vitesse lin´eaire constante

Exemple : CD (car on change moins souvent de piste)

(37)

Structure d’un disque dur Cylindres

Plusieurs disques empilés, appelésplateaux Les pistes de même rayon forment uncylindre

Pistes

Plateau Secteurs Cylindre

(38)

Structure d’un disque dur Disque dur

Un disque dur est composé de n cylindres Chaque cylindre est composé de m pistes Chaque piste est composée dek secteurs

Tˆete de lecture

La tête de lecture est composée de : Un bras mobile en rateau m têtesfixesaux extrémités

Unmultiplexeur permettant de s´electionner la piste `a lire

→Chaque tˆete s’ins`ere au dessus d’une piste

(39)

Structure d’un disque dur Disque dur

Un disque dur est composé de n cylindres Chaque cylindre est composé de m pistes Chaque piste est composée dek secteurs

Tˆete de lecture

La tête de lecture est composée de : Un bras mobile en rateau m têtesfixesaux extrémités

Unmultiplexeur permettant de s´electionner la piste `a lire

→Chaque tˆete s’ins`ere au dessus d’une piste

(40)

Secteurs et blocs Secteurs

Unsecteurpeut contenir un seulbloc de donn´ees

Num´erotation

Le bloc 0 est sur le premier secteur de la premi`ere piste du cylindre ext´erieur

Par secteur croissant, puis par piste croissante, puis par cylindre

Bloc logique

Adresse physique =(cylindre,piste,secteur) Bloc logique→ adresse physique

(41)

Secteurs et blocs Secteurs

Unsecteurpeut contenir un seulbloc de donn´ees

Num´erotation

Le bloc 0 est sur le premier secteur de la premi`ere piste du cylindre ext´erieur

Par secteur croissant, puis par piste croissante, puis par cylindre

Bloc logique

Adresse physique =(cylindre,piste,secteur) Bloc logique→ adresse physique

(42)

Gestion des secteurs d´efectueux Secteur d´efectueux

Dans tout support physique, certains secteurs deviennent inutilisables avec le temps

Table des blocs

Marquer le secteur inutilisable

Modifier l’adresse physique associ´ee au bloc logique

→Il faut une table des blocs (association bloc ↔ secteur)

M´ethodes de gestion

Ann´ees 90 : disque IDE → par l’OS + marquer secteurs d´efectueux dans la FAT

Disques SCSI : contrôleur du périphérique

(43)

Gestion des secteurs d´efectueux Secteur d´efectueux

Dans tout support physique, certains secteurs deviennent inutilisables avec le temps

Table des blocs

Marquer le secteur inutilisable

Modifier l’adresse physique associ´ee au bloc logique

→Il faut une table des blocs (association bloc ↔ secteur)

M´ethodes de gestion

Ann´ees 90 : disque IDE → par l’OS + marquer secteurs d´efectueux dans la FAT

Disques SCSI : contrôleur du périphérique

(44)

Gestion des secteurs d´efectueux II

Structures de donn´ees

Table des secteurs d´efectueux

R´eserver unensemble de secteurs pour des remplacement lors du formatage du disque

Contrôleur de périphérique Vérification à l’écriture

Pr´evient l’OS d’un secteur d´efectueux

L’OS demande un remplacement (glissement)

Acc`es transparent pour l’OS qui ne voit que des blocslogiques

(45)

Plan

2 Disques durs

3 Ordonnancement Probl`eme

First Come, First Served Shortest Seek Time First Scan et Look

C-scan et C-Look Performance

(46)

Probl`eme First Come, First Served Shortest Seek Time First Scan et Look C-scan et C-Look Performance

Probl`eme

Acc`es `a un secteur

Positionnement de la tˆete de lecture sur la piste

donc sur le boncylindre. . .

Rotation du disque (maximum un tour d’attente)

Temps d’acc`es

Le disque tourne en permanence

Vitesse de rotation = caract´eristique mat´erielle

Ü On peut agir sur les d´eplacements d’un cylindre `a l’autre Principe

Minimiser le temps de d´eplacement de la tˆete en parcourant les cylindres dans un ordre intelligent

(47)

Probl`eme

Temps d’acc`es

Ü On peut agir sur les d´eplacements d’un cylindre `a l’autre

Minimiser le temps de d´eplacement de la tˆete en parcourant les cylindres dans un ordre intelligent

(48)

Probl`eme

Temps d’acc`es

Ü On peut agir sur les d´eplacements d’un cylindre `a l’autre Principe

Minimiser le temps de d´eplacement de la tˆete en parcourant les

(49)

Exemple

Caract´eristique disque Vitesse de rotation fix´ee 256 cylindres

Au temps 0, la tˆete est sur le cylindre53.

Le contrˆoleur re¸coit une demande d’acc`es aux cylindres suivants : 98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67

Ordonnancement optimal

Pas d’autre demande→ trier et partir du plus petit (plus proche)

En pratique : la file estdynamique →on re¸coit d’autres demandes pendant qu’on traite !

(50)

Exemple

Requˆetes

(51)

Exemple

Requˆetes

(52)

First Come, First Served Principe

Prendre les cylindres dans l’ordre

(53)

Cylindre 53 +{98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67 }

temps

53

183 37

122 14

124 65

67

45+85+146+85+108+110+59+2=640cylindres parcourus

(54)

Cylindre 53 +{98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67 }

temps

53

98

183 37

122 14

124 65

67

85+146+85+108+110+59+2=640cylindres parcourus

(55)

Cylindre 53 +{98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67 }

temps

53

98

183

122 14

124 65

67

45+85+

146+85+108+110+59+2=640cylindres parcourus

(56)

Cylindre 53 +{98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67 }

temps

53

98

183 37

122 14

124 65

67

85+108+110+59+2=640cylindres parcourus

(57)

Cylindre 53 +{98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67 }

temps

53

98

183 37

122

124 65

67

45+85+146+85+

108+110+59+2=640cylindres parcourus

(58)

Cylindre 53 +{98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67 }

temps

53

98

183 37

122 14

124 65

67

110+59+2=640cylindres parcourus

(59)

Cylindre 53 +{98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67 }

temps

53

98

183 37

122 14

124

67

45+85+146+85+108+110+

59+2=640cylindres parcourus

(60)

Cylindre 53 +{98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67 }

temps

53

98

183 37

122 14

124 65

67

2=640cylindres parcourus

(61)

Cylindre 53 +{98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67 }

temps

53

98

183 37

122 14

124 65

67

(62)

Shortest Seek Time First Principe

Aller vers le cylindre le plus proche

(63)

Cylindre 53 +{98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67 }

temps

53

67 37

14

98 122

124

183

(64)

Cylindre 53 +{98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67 }

temps

53 65

67 37

14

98 122

124

183

2+30+23+84+24+2+59=236cylindres parcourus

(65)

Cylindre 53 +{98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67 }

temps

53 65

67

14

98 122

124

183

12+2+

30+23+84+24+2+59=236cylindres parcourus

(66)

Cylindre 53 +{98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67 }

temps

53 65

67 37

14

98 122

124

183

23+84+24+2+59=236cylindres parcourus

(67)

Cylindre 53 +{98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67 }

temps

53 65

67 37

14

122 124

183

12+2+30+23+

84+24+2+59=236cylindres parcourus

(68)

Cylindre 53 +{98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67 }

temps

53 65

67 37

14

98

122 124

183

24+2+59=236cylindres parcourus

(69)

Cylindre 53 +{98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67 }

temps

53 65

67 37

14

98 122

183

12+2+30+23+84+24+

2+59=236cylindres parcourus

(70)

Cylindre 53 +{98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67 }

temps

53 65

67 37

14

98 122

124

183

59=236cylindres parcourus

(71)

Cylindre 53 +{98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67 }

temps

53 65

67 37

14

98 122

124

183

(72)

Shortest Seek Time First

Avantages

3 Temps de traitement souvent tr`es bon

Limites

7 Pas forc´ement optimal. . .

sur l’exemple, en servant 37 en premier, on aurait un meilleur temps

→ Il faut tenir compte de nouvelles arriv´ees possibles. . . 7 Risque de famine!

Tant qu’il arrive des cylindres proches, on reste dans la zone et les autres cylindres ne sont pas servis !

(73)

Avantages

Limites

(74)

Avantages

Limites

→ Il faut tenir compte de nouvelles arriv´ees possibles. . .

7 Risque de famine!

(75)

Avantages

Limites

(76)

Scan

Principe

Balayer dans un sens puis dans l’autre

(77)

Scan

Principe

Cylindre 53 +{ 98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67}sur descendant

temps

53

14 0

65 67

98 122

124

183

16+23+14+65+2+31+24+2+59 = 53 + 183 = 236

(78)

Scan

Principe

temps

53 37

14 0

65 67

98 122

124

183

23+14+65+2+31+24+2+59 = 53 + 183 = 236

(79)

Scan

Principe

temps

53 37 14

67 98

122 124

183

16+23+

14+65+2+31+24+2+59 = 53 + 183 = 236

(80)

Scan

Principe

temps

53 37 14 0

65 67

98 122

124

183

65+2+31+24+2+59 = 53 + 183 = 236

(81)

Scan

Principe

temps

53 37 14 0

65

98 122

124

183

16+23+14+65+

2+31+24+2+59 = 53 + 183 = 236

(82)

Scan

Principe

temps

53 37 14 0

65 67

98 122

124

183

31+24+2+59 = 53 + 183 = 236

(83)

Scan

Principe

temps

53 37 14 0

65 67

98

124

183

16+23+14+65+2+31+

24+2+59 = 53 + 183 = 236

(84)

Scan

Principe

temps

53 37 14 0

65 67

98 122

124

183

2+59 = 53 + 183 =236

(85)

Scan

Principe

temps

53 37 14 0

65 67

98 122

124

16+23+14+65+2+31+24+2+

59 = 53 + 183 = 236

(86)

Scan

Principe

temps

53 37 14 0

65 67

98 122

124

183

(87)

Scan

Avantages

3 Pas de famine

Limites

7 Parcours inutiles vers les bords

7 Lorsqu’on fait demi-tour, on vient de servir les cylindres pr`es du bord → il est peu probable d’en avoir beaucoup `a traiter par ici. . .

mˆeme en tenant compte de nouvelles arriv´ees !

(88)

Scan

Avantages

3 Temps de traitement souvent tr`es bon 3 Pas de famine

Limites

(89)

Scan

Avantages

3 Temps de traitement souvent tr`es bon 3 Pas de famine

Limites

(90)

Look

Principe

Repartir lorsqu’on a atteint le plus petit cylindre demand´e

(91)

Look

Principe

temps

53

14

65 67

98 122

124

183

16+23+51+2+31+24+2+59 = (53-14) + (183-14) =208

(92)

Look

Principe

temps

53 37

14

65 67

98 122

124

183

23+51+2+31+24+2+59 = (53-14) + (183-14) =208

(93)

Look

Principe

temps

53 37 14

67 98

122 124

183

16+23+

51+2+31+24+2+59 = (53-14) + (183-14) =208

(94)

Look

Principe

temps

53 37 14

65

67 98

122 124

183

2+31+24+2+59 = (53-14) + (183-14) =208

(95)

Look

Principe

temps

53 37 14

65 67

122 124

183

16+23+51+2+

31+24+2+59 = (53-14) + (183-14) =208

(96)

Look

Principe

temps

53 37 14

65 67

98

122 124

183

24+2+59 = (53-14) + (183-14) =208

(97)

Look

Principe

temps

53 37 14

65 67

98 122

183

16+23+51+2+31+24+

2+59 = (53-14) + (183-14) =208

(98)

Look

Principe

temps

53 37 14

65 67

98 122

124

183

59 = (53-14) + (183-14) =208

(99)

Look

Principe

temps

53 37 14

65 67

98 122

124

183

16+23+51+2+31+24+2+59 = (53-14) + (183-14) =208

(100)

C-Scan Principe

Balayage circulaire : toujours dans le mˆeme sens

Impl´ementation

Deux tˆetes de lecture espac´ees du rayon du disque

Ü Tˆete 1 lit cylindre 0, secteur α pendant que tˆete 2 lit le secteur n, secteurα+π

1 Ext´erieur →int´erieur

⇒ Tˆete 1 balaye de 0 `a n-1

2 Tˆete 1 = secteur n

⇒ Tˆete 2 = secteur 0

3 Int´erieur→ ext´erieur

(101)

C-Scan Principe

Impl´ementation

Ü Tˆete 1 lit cylindre 0, secteur α pendant que tˆete 2 lit le secteur n, secteur α+π

(102)

C-Scan Principe

Impl´ementation

(103)

C-Scan Principe

Impl´ementation

(104)

C-Scan Principe

Impl´ementation

(105)

C-Scan Principe

Balayage circulaire (ici,descendant)

(106)

C-Scan Principe

Cylindre 53 +{98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67 }

temps

53

37 14

0 255

183 124

122 98 67

65

16+23+14+72+59+2+24+31+2 = 53 + (255-65) =243

(107)

C-Scan Principe

Cylindre 53 +{98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67 }

temps

53 37

0 255

183 124

122 98 67

65

16+

23+14+72+59+2+24+31+2 = 53 + (255-65) =243

(108)

C-Scan Principe

Cylindre 53 +{98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67 }

temps

53 37 14

0 255

183 124

122 98 67

65

14+72+59+2+24+31+2 = 53 + (255-65) = 243

(109)

C-Scan Principe

Cylindre 53 +{98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67 }

temps

53 37 14 0

124 122 98 67

65

16+23+14+

72+59+2+24+31+2 = 53 + (255-65) = 243

(110)

C-Scan Principe

Cylindre 53 +{98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67 }

temps

53 37 14

0 255

183 124

122 98 67

65

72+59+2+24+31+2 = 53 + (255-65) = 243