Disk Management and Scheduling

✏️ Disk Structure

• logical block
  • 디스크의 외부에서 보는 디스크의 단위 정보 저장 공간들
  • 주소를 가진 1차원 배열처럼 취급
  • 정보를 전송하는 최소 단위
• Sector
  • Disk를 관리하는 최소 단위
  • Logical block이 물리적인 디스크에 매핑된 위치
  • Sector 0은 최외곽 실린더의 첫 트랙에 있는 첫 번째 섹터

✏️ Disk Management

• physical formatting (Low-level formatting)
  • 디스크를 컨트롤러가 읽고 쓸 수 있도록 섹터들로 나누는 과정
  • 각 섹터는 header + 실제 data(보동 512 bytes) + trailer로 구성
  • header와 trailer는 sector number, ECC (Error-Correcting Code) 등의 정보가 저장되며 controller가 직접 접근 및 운영
• Partitioning
  • 디스크를 하나 이상의 실린더 그룹으로 나누는 과정
  • OS는 이것을 독립적 disk로 취급 (logical disk)
• Logical formatting
  • 파일시스템을 만드는 것
  • FAT, inode, free space 등의 구조 포함
• Booting
  • ROM에 있는 "small bootstrap loader"의 실행
  • sector 0 (boot block)을 load하여 실행
  • sector 0은 "full Bootstrap loader program"
  • OS를 디스크에서 load하여 실행

✏️ Disk Scheduling

• Access time의 구성
  • Seek time
    • 헤드를 해당 실린더로 움직이는데 걸리는 시간
    • access time 구성 요소 중 가장 큰 구성 요소
  • Rotational latency
    • 헤드가 원하는 섹터에 도달하기까지 걸리는 회전 지연 시간
  • Transfer time
    • 실제 데이터의 전송 시간
• Disk bandwidth
  • 단위 시간 당 전송된 바이트의 수
  • Disk의 성능을 나타냄
• Disk Scheduling
  • seek time을 최소화하는 것이 목표
  • Seek time ≈ seek distance

✏️ Disk Scheduling Algorithm

• 큐에 다음과 같은 실린더 위치의 요청이 존재하는 경우 디스크 헤드 53번에서 시작한 각 알고리즘의 수행 결과는? (실린더 위치는 0-199)
  • 98, 183, 37, 122, 14, 124, 65,67

1️⃣ FCFS (First Come First Service)

• 큐에 들어온 순서대로 처리
• 총 head의 이동 : 640 cylinders
  • queue = 98, 189, 37, 122, 14, 124, 65, 67
  • head starts at 53
    

2️⃣ SSTF (Shortest Seek Time First)

• 큐에 들어와 있는 요청 중 현재 헤드 위치에서 가장 가까운 요청을 가장 먼저 처리
• starvation 문제
• 총 head의 이동 : 236 cylinders
  • queue = 98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67
  • head starts at 53
    

3️⃣ SCAN

• disk arm이 디스크의 한쪽 끝에서 다른쪽 끝으로 이동하며 가는 길목에 있는 모든 요청을 처리
• 다른 한쪽 끝에 도달하면 역방향으로 이동하여 오는 길목에 있는 모든 요청을 처리하며 다시 반대쪽 끝으로 이동
• 엘리베이터 스케쥴링이라고도 부름
• 문제점 : 실린더 위치에 따라 대기 시간이 다름
  
• 총 head의 이동 : 208 cylinders
  • queue = 98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67
  • head starts at 53
    

4️⃣ C-SCAN (Circular-SCAN)

• 헤드가 한쪽 끝에서 다른쪽 끝으로 이동하며 가는 길목에 있는 모든 요청을 처리
• 다른쪽 끝에 도달했으면 요청을 처리하지 않고 곧바로 출발점으로 다시 이동
• SCAN보다 균일한 대기 시간을 제공
  
• queue = 98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67
• head starts at 53
  

5️⃣ N-SCAN

• SCAN의 변형 알고리즘
• 일단 arm이 한 방향으로 움직이기 시작하면 그 시점 이후에 도착한 job은 되돌아올 때 service

6️⃣ LOOK and C-LOOK

• SCAN이나 C-SCAN은 헤드가 디스크 끝에서 끝으로 이동
• LOOK과 C-LOOK은 헤드가 진행 중이다가 그 방향에 더 이상 기다리는 요청이 없으면 헤드의 이동방향을 즉시 반대로 이동
• C-LOOK
  • queue = 98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67
  • head starts at 53
    

✏️ Disk-Scheduling Algorithm의 결정

• SCAN, C-SCAN 및 그 응용 알고리즘은 LOOK, C-LOOK 등이 일반적으로 디스크 입출력이 많은 시스템에서 효율적인 것으로 알려져 있음
• File의 할당 방법에 따라 디스크 요청이 영향을 받음
• 디스크 스케줄링 알고리증은 필요할 경우 다른 알고리증으로 쉽게 교체할 수 있도록 OS와 별도의 모듈로 작성되는 것이 바람직

✏️ Swap-Space Management

• Disk를 사용하는 두 가지 이유
  • memory의 volatile(휘발성)한 특성 → file system
  • 프로그램 실행을 위한 memory 공간 부족 → swap space (swap area)
• Swap-space
  • Virtual memory system에서는 디스크를 memory의 연장 공간으로 사용
  • 파일시스템 내부에 둘 수도 있으나 별도 partition 사용이 일반적
    • 공간 효율성보다는 속도 효율성이 우선
    • 일반 파일보다 훨씬 짧은 시간만 존재하고 자주 참조됨
    • 따라서, block의 크기 및 저장 방식이 일반 파일시스템과 다름

✏️ RAID

• RAID (Redundant Array of Independent Disks)

  • 여러 개의 디스크를 묶어서 사용
    

• RAID의 사용 목적

  • 디스크 처리 속도 향상
    • 여러 디스크에 block의 내용을 분산 저장
    • 병렬적으로 읽어옴 (interleaving, striping)
  • 신뢰성 (reliability) 향상
    • 동일 정보를 여러 디스크에 중복 저장
    • 하나의 디스크가 고장(failure)시 다른 디스크에서 읽어옴 (Mirroring, shadowing)
    • 단순한 중복 저장이 아니라 일부 디스크에 parity를 저장하여 공간의 효율성을 높일 수 있음

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참고자료
KOCW, 반효경 교수님, 운영체제