Disk çizelgeleme

ISE 206
İŞLETİM SİSTEMLERİ
DR. TUĞRUL TAŞCI
Ders Kapsamı ve İşleyiş Planı
• Temel Bilgiler
• Bilgisayar Sistemi ve İşleyişi
• İşletim Sistemi Kavramları
•Büyük Depolama Yapısı
•Dosya Sistemi Ara Yüzü
•Dosya Sistemi İşleyişi
•Giriş-Çıkış Sistemleri
Depolama
Yönetimi
Proses
Yönetimi
• Proses ve Thread
• Senkronizasyon
• CPU Scheduling
• Deadlock
•Koruma
•Güvenlik
Koruma ve
Güvenlik
•Sanal Makineler
•Dağıtık Sistemler
İleri Konular
Bellek
Yönetimi
• Ana Bellek
• Sanal Bellek
•Linux
•Windows
•Tarihi Perspektif
Vaka
Çalışmaları
Giriş
Depolama
Yönetiminin
Amaçları
İkincil depolama aygıtlarının fiziksel yapısını
tanımak ve kullanımdaki etkisini öğrenmek
Depolama aygıtlarının performans özellikleri
hakkında bilgi sahibi olmak
Disk çizelgeleme algoritmaları hakkında bilgi
edinmek
Depolama yönetimi için, işletim sistemi tarafından
sağlanan (RAID gibi) servisleri öğrenmek
Depolama
Yönetimi
ile İlgili
Hususlar
Bellek tüm program ve verileri sürekli saklayabilecek
yapıda ve büyüklükte olmadığından, ikincil
depolama aygıtı olarak diskler kullanılır.
Dosya sistemi, program ve verilerin diskte
depolanmasını ve bunlara erişimi sağlayan bir
mekanizma sunar.
Dosya, biçimi oluşturucusu tarafından tanımlanan
birbiriyle ilişkili bir bilgi topluluğudur.
Dosyalar, işletim sistemi tarafından fiziksel disklerin belli
alanlarına yerleştirilir.
Dosyalar, kolay kullanım için klasörler şeklinde
organize edilir.
Manyetik Disklerin Yapısı
• Manyetik diskler, her iki tarafı manyetik
malzeme ile kaplanmış plakalardan (1-5)
oluşur.
• Diske veri kaydetme manyetik olarak
yapılır.
• Her plaka üzerinde bir okuma-yazma
kafası (read-write head) bulunur.
• Manyetik disk kullanımdaki iken bir
sürücü motor dönüş yapar. Dakikada
5400, 7500 ve 15000 dönüş (RPM).
• Manyetik diskler için, iki hız değeri söz
konusudur. Erişim hızı ve transfer hızı.
• Diskler bilgisayar sistemine bir dizi girişçıkış veri yolu ile bağlıdır. ( ATA, PATA,
SATA, eSATA, USB, SAS, FC )
Diğer Diskler (Katı Hal Diski – Manyetik Teyp)
SSD Disk
• Katı hal disklerinin hareketli parçası
bulunmadığı için manyetik disklere göre
daha güvenli, veri erişiminde arama ve
gecikme zamanı oluşmadığı için manyetik
disklere göre daha hızlıdır.
• Katı hal diskleri, manyetik disklere göre daha
az enerji tüketirler. Üretim maliyetleri manyetik
disklere göre daha yüksek, boyutları daha
küçük, kapasiteleri ve kullanım ömürleri ise
genellikle daha azdır.
• Manyetik teypler, günümüzde pek
kullanılmayan ikincil depolama aygıtlarıdır.
Diğer disklere göre genellikle daha uzun
ömürlü ve daha fazla kapasiteye sahip
olmalarına rağmen, erişim hızları oldukça
düşüktür. Genellikle sıkça kullanılmayan
verileri yedekleme amaçlı olarak kullanılırlar.
Harici
Teyp Sürücü
Disk Kullanımı
Host-Attached
ve NetworkAttached
Storage
Diskler bilgisayar sistemi içinde iki şekilde kullanılır: Yerel girişçıkış birimleri üzerinden ( Host-Attached) ve uzaktaki bir
aygıt aracılığıyla dağıtık bir dosya sistemi üzerinden (
Network-Attached)
Yerel giriş-çıkış birimleri üzerinden belli veri yolları ile diske
erişim sağlanır. Yaygın olarak bilinen ve kullanılan veri
yolları: ATA, PATA, SATA, eSATA, USB, SAS, FC
Ağ üzerinde bulunan depolama aygıtları, NAS (NetworkAttached Storage) olarak adlandırılır. NAS erişimi, uzak
prosedür çağrıları aracılığıyla sağlanır.
Ağ üzerinden depolama aygıtı erişimi, farklı bilgisayarların
ortak kullanımını sağladığından yerel kullanıma göre
avantajlı iken, erişim hızı bakımından dezavantajlıdır.
Depolama
Alanı Ağı
(Storage Area
Network –
SAN)
Ağ erişimli depolama sistemlerinin temel problemlerinden birisi,
giriş-çıkış işlemlerinin ağın bant-genişliğini tüketmesidir. Bu da
erişim gecikmelerine sebep olur.
Depolama Alanı Ağı (SAN), ağ erişim protokolleri yerine
depolama protokollerinin kullanıldığı özel bir ağ olarak
tanımlanır.
SAN sistemlerinin gücü, esnek olmalarından kaynaklanır. Bir
SAN sistemi üzerinde birçok bilgisayar ve depolama aygıtı
konumlandırılabilir.
Bir SAN anahtarı (switch) bilgisayar ve depolama aygıtları
arasındaki iletişimi kontrol eder. Erişime imkan verebilir, ya da
kısıtlayabilir.
Bir örnek olarak, SAN üzerindeki bir bilgisayarda boş disk alanı
azalmış ise, SAN üzerinde düzenleme yapılarak o bilgisayarın
kullanabileceği disk alanı artırılabilir.
Disk
Çizelgeleme
(Disk
Scheduling)
Diskler için en önemli husus, yüksek bant-genişliği ve hızlı
erişimdir.
Arama zamanı (seek time), disk kolunun erişilmesi istenen
sektörün bulunduğu silindire taşınması için geçen süredir.
Dönme gecikmesi (rotational latency) ise, disk okuma-yazma
kafasının erişilmesi istenen sektöre kadar döndürülmesi için
geçen ek zamandır.
Disk bant-genişliği, diske yapılan ilk erişim isteği ile transferin
tamamlanması arasında geçen toplam sürenin, transfer
edilen toplam veriye bölümü ile elde edilir.
Disk çizelgeleme, hem erişim zamanını hem de bantgenişliğini iyileştirmek amacıyla gerçekleştirilen bir disk yönetim
faaliyetidir.
Disk Çizelgeleme Yöntemleri
SCAN (Tarama):
LOOK ve CDisk çizelgeleme
C-SCAN (Circular
Tarama
LOOK: Bu
yöntemleri
Scan): Diğer bir
FCFS ( First-Come
yönteminde, disk
yöntemlerde
manyetik diskler
First-Served): İlk
SSTF ( Shortesttarama
kolu, diski bir
tarama
için uygulanır.
seek-time-first ):
yöntemidir. Bu
gelen istek ilk
uçtan diğer uca
yönteminin
SSD disklerde
yöntemde, disk
olarak yerine
Okuma yazma
doğru iki yönlü
benzerleridir. Bu
hareketli bir
getirilir. Bu
kafasına en
kolu tarama
olarak sürekli
yöntemlerin
mekanizma
yakın olan erişim
yaptığı yöndeki
yöntem basit
tarayarak,
farklılığı, herhangi bulunmadığında
en uzak
olmasına
isteği yerine
üzerine geldiği
bir yöne hareket
n FCFS, temel
rağmen etkin bir
getirilir.
silindirdeki isteği
silindirde var olan
etmeden önce
olarak
yerine getirerek
yöntem değildir.
erişim istekleri
istek
uygulanan
ters yöne döner.
yerine getirilir.
beklemeleridir.
yöntemdir.
Disk Çizelgeleme
Yöntemleri
Günümüzde piyasada bulunan diskler için, dönme gecikmesi
de nerdeyse arama zamanına eşit hale gelmiştir. Bu nedenle,
disk üreticileri disk çizelgeleme yöntemlerini kontrolör donanımı
üzerinde çalışacak şekilde üretmektedir.
Disk çizelgelemede tek problem giriş-çıkış performansı değildir.
İşlem önceliği: Yazma isteklerinin okuma isteklerine göre daha
acil olarak yerine getirilmesi gerekebilir.
Sistem çökmesi ihtimaline karşı, yazma işlerinin garantiye
alınması gerekebilir.
Disk Yönetimi – Disk
Yapısı ve
Biçimlendirme
İşletim sistemi, disk yönetimi kapsamında disk başlatma
(initialization), disk biçimlendirme (formatting) ve bozuk-blok
düzeltme (bad-blok recovery) gibi işlevleri yürütür.
Yeni bir manyetik disk, boş durumdadır. Bu diske veri
kaydedilebilmesi için öncelikle, disk kontrolörünün okuyup
yazabilmesi için sektörlere ayrılmalıdır. Bu işleme düşük seviye
biçimlendirme (low-level formatting) ya da fiziksel
biçimlendirme denilir.
Fiziksel biçimlendirmede, her bir sektör özel verilerle
yapılandırılır. Bu veriler, çoğunlukla başlık (header), veri alanı
(data area) ve kuyruk(trailer) şeklindedir. Başlık ve kuyruk, disk
kontrolörünün kullanacağı sektör numarası ve hata doğrulama
kodu ( Error Correcting Code – ECC) gibi bilgileri içerir.
Disk Yönetimi –
Disk Yapısı ve
Biçimlendirme
Bir yazma işleminde, ECC tüm veri alanındaki veriden
hesaplanarak güncellenir. Okuma işleminde ise, ECC tekrar
hesaplanır ve önceki değerle karşılaştırılır. Eşleşme olmadığı
takdirde bu verinin ya da sektörün zarar görmüş olduğu
anlamına gelir. Disk kontrolörü uyarılarak, verideki bozulmanın
düzeltilmesi sağlanır.
Günümüzde manyetik diskler çoğunlukla, üreticiden fiziksel
biçimlendirmesi yapılmış olarak çıkar. Bu, üreticiye diski test
etme ve boş sektörleri belirleme imkanı verir. Fiziksel
biçimlendirme yapılırken, başlık ile kuyruk arasında kalan veri
alanının boyutunun ne olacağı belirtilmelidir. Bu değer
genellikle 256, 512 ya da 1024 byte’dir.
Diski daha büyük boyutlu sektörlere sahip olacak şekilde
biçimlendirmek, her iz(track) üzerinde daha az sayıda sektör
oluşturulmasını sağlarken aynı zamanda, daha az başlık ve
kuyruk olması demektir. Böylece daha fazla veri alanı elde
edilir.
Disk
Yönetimi –
Disk Yapısı
ve
Biçimlendi
rme
Fiziksel disk biçimlendirmesi, İşletim sisteminin
diski kullanmaya başlaması için yeterli
değildir.
İşletim sisteminin diski kullanmaya başlaması
için kendi veri yapısını diske yazması gerekir.
Bu iki aşamada yapılır.
İlk aşamada disk bölümlendirme
(partitioning) ikinci aşamada ise mantıksal
biçimlendirme (logical formatting) yapılır.
Mantıksal biçimlendirme dosya sisteminin
oluşturulması demektir. Çok çeşitli dosya
sistemleri mevcuttur.
Windows sistemlerde FAT32 ve NTFS yaygın
olarak kullanılır. ReFS ise Windows 8 sunucu
sistemleri için geliştirilmiş yeni bir dosya
sistemidir.
VMFS, sanal makinelerin imajlarını ve anlık
görüntülerini (snapshot) sakalamak için
geliştirilmiş bir dosya sistemidir.
Yaygın Olarak Kullanılan Dosya
Sistemleri
Windows
Linux
•FAT – FAT32
•NTFS
•ReFS
•EXT 2-3-4
•ReiserFS
•XFS, JFS
Macintosh BSD,
Solaris
•HFS+
•UFS
Dağıtık
Sistemler
•ZFS
•Xscan
•VMFS
•GFS
Disk
Yönetimi –
Disk
Başlatma
Açılış programı (bootstrap) çoğu bilgisayarda
ROM’da tutulur. ROM’ların başlatmaya ihtiyacı
olmaması ve sabit bir adreste çalışması, işlemcinin
açılışta ve yeniden başlatmada doğrudan bu
programı yürütebilmesini sağlar.
ROM sadece okunabilir olduğu için virüs bulaşma
riski de yoktur.
Açılış programı ile ilgili problem, bu programda
değişiklik yapmanın donanım çipini değiştirme
zorunluluğunu ortaya çıkarmasıdır. Bundan dolayı,
birçok sistemde işi sadece tam açılış programını
diskten getirme görevi olan küçük bir açılış programı
ROM’da tutulur.
ROM’daki küçük açılış programı, disk kontrolörüne
açılış bloklarını okuması gerektiği sinyalini gönderir ve
bu kodu işletmeye başlar. Tam açılış programı işletim
sisteminin gerekli kısımlarını belleğe yükleyip
başlamasını sağlar.
Windows işletim sistemindeki bir açılış
sürecini düşünelim. Windows disk
bölümlemeye imkan veren bir işletim
sistemidir. Bölümlerden birisi ise işletim
sistemi ve aygıt sürücülerini içeren sistem
bölümü olarak ayrılmıştır. Windows
sisteminin açılış kodu, diskin ilk sektöründe
(MBR – Master Boot Record) tutulur.
ROM’daki açılış programı ile başlayan açılış
süreci, MBR’deki açılış koduna yöneltilir.
Ayrıca, MBR diskteki bölümleri ve hangi
bölümün sistem bölümü olduğunu tutan bir
tabloya sahiptir. Sistem açılış bölümüne
ulaşarak, açılış sektörünü okur ve alt
sistemleri ve servisleri yüklemeye başlar.