17.Способы отображения оп на кэш-память.
При кэшировании используется 2 основные схемы: случайная и детерминированная. При случайном отображении элемент ОП может быть размещен в любом месте кэш-памяти. Для того чтобы в дальнейшем можно было найти нужные данные в КЭШе, они помещаются туда вместе со своим адресом. При каждом запросе к ОЗУ в КЭШе должен выполняться поиск адреса. Очевидно, что схема простого перебора для поиска потребует больших затрат времени, поэтому для КЭШей со случайным отображением используют ассоциативный поиск, при котором сравнение выполняется не последовательно, а параллельно со всеми его записями. Признак, по которому выполняется сравнение называется тегом.
Электронная реализация приводит к удорожанию памяти, поэтому ассоциативная кэш-память используется в тех случаях, когда для обеспечения высокого процента попадания достаточно небольшого объема памяти.
Вытеснение старых данных происходит только в том случае, когда вся кэш-память заполнена и нет свободного места. Выбор данных на выгрузку осуществляется среди всех записей и основывается на тех же приемах, что и в алгоритмах замещения страниц.
При детерминированном отображении полагается, что любой элемент основной памяти всегда отображается в одно и то же место кэш-памяти. Кэш–память разделена на строки, каждая строка предназначена для хранения одной записи об одном элементе и имеет свой номер. Между номерами строк кэш-памяти и адресами в ОП устанавливается соответствие «один-ко-многим». В качестве отображающей функции может использоваться простое выделение нескольких младших разрядов из адреса ОП, которое интерпретируется как номер строки в кэш-памяти. Такое отображение называется прямым.
Если строка кэш-памяти, в которую должен быть скопирован элемент из ОП, содержит другие данные, то последние вытесняются из КЭШа. Процесс замещения данных в кэш-памяти на основе прямого отображения существенно отличается от процесса случайного отображения. Во-первых, вытеснение данных происходит не только в случае отсутствия свободных ячеек в КЭШе. Во-вторых, никакого выбора данных на замещение не существует. Во многих современных процессорах кэш-память строится на основе сочетания этих двух подходов. При смешанном подходе произвольный адрес ОЗУ отображается не на один адрес КЭШа (при прямом отображении) и не на любой адрес кэш-памяти (при случайном отображении), а на некоторую группу адресов. Все группы пронумерованы, поиск в КЭШе осуществляется вначале по номеру группы, а затем в пределах группы путем ассоциативного просмотра всех записей. При выполнении запросов к ОП во многих ВС используется 2 или 3-уровневое кэширование. При работе необходимо обеспечить непротиворечивость данных на всех уровнях, кэш разных уровней могут согласовываться разными способами, например, при 2-уровневом кэшировании кэш–1 использует сквозную запись, кэш–2 использует обратную. Такая схема согласования применяется в Intel-процессорах при одном из вариантов работы.
18. Ввод/вывод. Управление файлами и файловой системой.
Планирование работы с магнитными дисками.
Данные записываются на поверхностях магнитных дисков. На каждом магнитном диске размещены тонкие концентрические кольца – дорожки. На них записывается информация. Дорожки разбиваются на секторы. Магнитных дисков в одном накопителе может быть несколько, диски соединены общим шпинделем, вращающимся с высокой скоростью. Доступ к данным осуществляется при помощи ряда магнитных головок чтения/записи. Время перемещения участка поверхности из текущего положения в положение под головкой называется временем ожидания. Все головки закреплены на одной каретке, которая может перемещаться по радиусу дисков и организует доступ к нужной группе дорожек. Группа дорожек, находящаяся под всеми головками в каком-то положении каретки, образует вертикальный цилиндр. Процесс перемещения каретки с головками на новый цилиндр называется операцией поиска цилиндра или подвода.
Чтобы получить доступ к конкретной записи необходимо:
установить каретку на соответствующий цилиндр – поиск цилиндра
дождаться, когда под головкой окажется точка на диске, с которой начинается запись – поиск записи или поиск на дорожке, с которым связано время ожидания
выполнить операцию чтения/записи.
Наибольшую длительность имеет поиск цилиндра, поэтому применяемые методы для оптимизации, как правило, направлены на то, чтобы свести к минимуму как количество, так и длительность поиска. Поскольку каждая из перечисленных операций связана с механическим движением общее время для доступа к конкретной записи весьма значительно и составляет сотые доли секунды, поэтому обеспечение эффективности использования дисковой памяти является важнейшей задачей современных ОС.
Необходимость планирования в мультипрограммных вычислительных машинах.
Для каждого устройства формируется очередь запросов, которые обслуживаются по принципу «первый пришел, первый обслужен». Принцип FCFS является справедливым, но при повышении частоты запросов он может приводить к очень большим задержкам. Этот принцип характеризуется случайностью поиска, для минимизации времени поиска необходимо упорядочить запросы по какому-либо другому способу.
Планирование требует тщательного анализа очереди запросов. Планировщик дисковой памяти анализирует позиционные связи между запросами. После этого очередь запросов перестраивается таким образом, чтобы их выполнение требовало минимальных механических перемещений. Существуют 2 вида планирования:
Оптимизация по времени поиска цилиндра. Упорядочивание очереди ожидающих запросов с целью минимизации времени поиска цилиндра называется планированием работы с дисковой памятью. Все стратегии планирования преследуют достижения следующих целей: максимизация пропускной способности, минимизация времен ответа, минимизация дисперсии времен ответа. Стратегии:
SSTF (Shortest seek time first) – с наименьшим временем поиска, при которой запросы обслуживаются в порядке, определяемом их близостью к последнему обслуженному запросу. Следующим для обслуживания будет выбираться запрос, ближайший к последнему, не зависимо от направления, в котором должны двигаться головки. Недостаток – увеличение дисперсии времен ответа в связи с дискриминацией внутренних и внешних дорожек. Стратегия приемлема для пакетной обработки, где главное – это пропускная способность, и мало пригодна для интерактивных систем.
SCAN – действует подобно SSTF с той разницей, что каретка движется в одном направлении до тех пор, пока не будут обслужены запросы данного направления. Стратегия имеет примерно ту же пропускную способность, что и предыдущая, но значительно снижает дискриминацию крайних дорожек и обеспечивает меньшую дисперсию. Этот принцип является основным для большинства стратегий планирования.
N–step SCAN – является модификацией предыдущей стратегии. Здесь на каждом проходе обслуживаются только те запросы, которые существовали в момент начала этого прохода. Запросы, поступающие во время движения, группируются и упорядочиваются таким образом, чтобы их можно было оптимально обслужить при обратном проходе. Стратегия обеспечивает хорошие показатели как по пропускной способности, так и по среднему времени ответа.
C–SCAN (циклическое сканирование) – каретка движется к внутренней дорожке и обслуживает запросы только при прямом ходе. Если впереди больше нет запросов, то каретка скачком возвращается к начальным дорожкам и возобновляет сканирование в прямом направлении. Уменьшается дискриминация крайних дорожек, очень малое время ответа.
Оптимизация по времени ожидания записи. Целесообразна только для режимов больших нагрузок, когда велика вероятность того, что в каждый момент времени может быть несколько запросов на обращение к одному и тому же цилиндру. Применяются стратегии, аналогичные SSTF, например, SLTF с наименьшим временем ожидания, легко реализуема и близка к теоретически оптимальной.
Управление файлами.
Файл – это именованная совокупность данных, размещаемая во внешней памяти. Управление файлами осуществляет файловая система (ФС) – часть ОС, которая обеспечивает возможность работы с данными, хранящимися на дисках и других внешних устройствах. Она организует доступ к информации, копирование, восстановление, возможность коллективного использования, секретность, независимость от устройства. В широком смысле понятие ФС включает: совокупность всех файлов на диске и других устройствах, набор структур данных, используемых для управления файлами (каталоги, дескрипторы, таблицы распределения свободного/занятого места на диске), комплекс системных программ, реализующих управление файлами, в частности создание, уничтожение, чтение, запись, именование, поиск и др.
Различные ФС организованы по-разному, однако приведенная структурная организация наиболее типична.
17 апреля 2012 г.