[发明专利]一种基于请求动态延迟调度的磁盘能耗优化方法

说明书

技术领域

本发明涉及磁盘调度的能耗优化方法，尤指通过动态调整调度延迟时间进行磁盘能耗优化的方法。

背景技术

磁盘是构成存储系统的主要部件，主要由磁头、磁头臂、驱动马达、盘片等组成部分。磁盘中的数据保存在磁盘内部的盘片上。数据在盘片上按照柱面/磁道/扇区的方式进行组织。每个盘片被划分成多个磁道，每个磁道都是盘片上的同心圆。多个不同盘片上相同位置的磁道构成一个柱面。每个磁道被划分成多个不同的扇区，扇区是磁盘进行数据读写的基本单位。对请求数据进行读写的过程，也就是磁头对扇区的访问过程。磁盘的结构图如图1所示。

应用程序的数据请求地址对应磁盘中某个盘片的磁道、扇区。磁盘对用户读写请求(下文中，读写请求简称为请求)的处理包括寻道、旋转以及数据读写三个过程。

1)首先，磁头沿盘片半径移动到目标数据所在的磁道，称为寻道过程；

2)然后，保持磁头在该磁道位置，盘片旋转到数据所在的扇区，称为旋转过程；

3)启动数据的读写过程，直到所请求的数据操作完成。

上述3个过程中，寻道和旋转两个过程合起来构成数据定位过程。三个过程的时间分别用t_seek、t_rotation和t_trans表示，请求的处理时间t_request为三者之和，即有t_request＝t_seek+t_rotation+t_trans。当没有请求需要处理时，磁头不再移动，但盘片保持旋转，以便新的请求到达后，可以尽快进行响应。寻道过程中，磁头移动经过的磁道数称为寻道距离，寻道距离越大，则寻道时间越长。

当磁盘处理请求时，处于活动状态。活动状态下，磁盘处于上述3个过程中的一个。此时磁头或者执行寻道操作，或者执行数据读写操作，盘片高速旋转。当没有请求处理时，磁盘处于空闲状态。活动状态下的功耗高，用p_active表示，空闲状态的功耗低，用p_idle表示，则有p_active＞p_idle。假定t时间内，磁盘处于活动状态的时间为t_active，空闲状态的时间为t_idle，则磁盘在该时间内的能耗E为：

E＝p_active×t_active+p_idle×t_idle       (1)

磁盘的活动状态时间为磁盘处理请求所消耗的时间。假定在t时间内，磁盘共处理n个请求，则t_active为n个请求处理时间之和。

磁盘对请求的执行顺序影响磁盘的能耗。提交给磁盘的请求在磁盘上所处的位置并不是连续的。不同的请求分布在磁盘不同的磁道上。如果磁盘按照请求到达的顺序，即先来先服务(First Come First Service，FCFS)对其进行处理，则导致磁头在盘片上频繁执行寻道操作，使得每次请求处理时的寻道操作跨度较大，且磁头移动方向频繁变化，使得寻道距离和寻道时间较长。磁盘对请求进行的处理过程中，通过对请求的处理顺序进行调整，可以减少磁头的寻道距离，减少寻道时间，从而降低磁盘在活动状态下的时间，可以实现降低磁盘能量消耗的目的。这个调整过程称为磁盘请求调度。一个具体的调度称为一个磁盘请求调度方法。图2和图3使用一个简单的例子说明请求调度对于减少寻道时间的有效性。假定请求序列中包括5个请求，x₁，x₂，x₃，x₄，x₅，访问的磁道分别为：5，20，12，8，22。假定磁头初始位置在0磁道上。缺省条件下，采用先到先服务原则，执行此序列，磁头的寻道距离为5+15+8+4+14＝46，如图2所示。通过请求调度将5个请求按照访问的磁道进行排序，对请求的执行顺序进行调整，调整后的执行顺序为：5，8，12，20，22。在此条件下，磁头的寻道距离为22，如图3所示。经过调整后，磁头的寻道距离大大减小，根据寻道距离和寻道时间之间的关系，寻道时间也大大减少。根据公式(1)，磁盘的能耗降低。