一种基于请求动态延迟调度的磁盘能耗优化方法.pdf

摘要
申请专利号：	CN201110342045.3	申请日：	2011.11.02
公开号：	CN102508618A	公开日：	2012.06.20
当前法律状态：	撤回	有效性：	无权
法律详情：	发明专利申请公布后的视为撤回IPC(主分类):G06F 3/06申请公布日:20120620\|\|\|实质审查的生效IPC(主分类):G06F 3/06申请日:20111102\|\|\|公开
IPC分类号：	G06F3/06	主分类号：	G06F3/06
申请人：	中国人民解放军国防科学技术大学
发明人：	杨学军; 董勇; 唐玉华; 陈娟; 吴俊杰; 王之元; 王会权
地址：	410073 湖南省长沙市开福区德雅路109号
优先权：
专利代理机构：	国防科技大学专利服务中心 43202	代理人：	郭敏
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内容摘要

本发明公开了一种基于请求动态延迟调度的磁盘能耗优化方法，要解决的技术问题是如何动态地调整磁盘调度延迟时间，在满足请求平均响应时间要求前提下，尽可能延迟调度时机，降低磁盘能量。技术方案是构建由排队系统、提交系统组成的磁盘请求调度系统，排队系统接收数据读写请求，对请求进行排序，将排序后的请求提交给提交系统，提交系统统计调度延迟时间内请求的平均响应时间，根据设定的请求平均响应时间阈值，动态调整调度延迟时间。采用本发明可缩短磁盘寻道距离，减小寻道时间，从而减小磁盘忙时间，降低磁盘能量消耗，且通过动态调整延迟时间的大小消除了因磁盘延迟处理请求所引发的请求平均响应时间过大的情况。

权利要求书

1：一种基于请求动态延迟调度的磁盘能耗优化方法，其特征在于包括以下步骤：第一步、构建磁盘请求调度系统，该系统由排队系统，提交系统组成，排队系统是一个软件，负责接收应用程序提交的数据读写请求，将请求放入第一请求序列 σ 中，每隔 tdelay 时间将 σ 中的请求排序后发送给提交系统；提交系统是一个软件，负责每隔 tdelay 时间接收排队系统提交的排队后的请求序列，将请求序列添加到第二请求序列 σsub，并将 σsub 的请求提交给磁盘执行，并统计请求的平均响应时间，依据平均响应时间和平均响应时间阈值修正排队系统提交请求的时间间隔 tdelay ；第二步，设置变量初值，包括：
2： 1 设置请求平均响应时间阈值 tres，将 tres 设定为用户程序对请求响应时间的要求或请求平均响应时间的历史统计值； 2.2 设置调度延迟时间 tdelay 的初值为 tres ； 2.3 设定磁头的位置 h 为 0 磁道；第三步，排队系统接收数据读写请求，对请求进行排序，将排序后的请求提交给提交系统，提交系统将排队系统提交的请求序列添加到第二请求序列 σsub 中，并将 σsub 中的请求按顺序提交给磁盘，具体方法为：记录请求到达时间
3： 1 排队系统接收应用程序提交的数据读写请求 xi，并将请求 xi 放入第一请求序列 σ 中， i 为请求到达的编号， i 为整数； 3.2 每隔时间 tdelay，对保存在 σ 中的请求序列进行排序， n为 tdelay 时间段中到达请求的总数， n 为整数，排序后的请求序列用 σ′表示； 3.3 根据 σ′中请求的排序，更新磁头所处的磁道地址 h 为排序后最后一个请求所处的磁道； 3.4 排队系统将排序后的请求序列 σ′发送给提交系统，排队系统清空第一请求序列 σ； 3.5 提交系统接收排队系统提交的 σ′，将 σ′添加到第二请求序列 σsub ； 3.6 提交系统依次取出 σsub 中位于序列头部的请求，提交给磁盘处理，并在 σsub 中删除该请求；第四步、提交系统统计磁盘处理 σsub 中请求的平均响应时间，并根据平均响应时间和平均响应时间阈值，对排队系统的调度延迟时间 tdelay 进行调整，方法是：
4： 1 磁盘执行完 σsub 中的请求 xj 后， j 为请求在 σ′中的编号， 1 ≤ j ≤ n，提交系统记录其完成时间计算 xj 的响应时间为是 xj 的到达时间； 4.2 提交系统统计调度延迟时间 tdelay 内，磁盘完成所有请求的平均响应时间 m 为调度延迟时间内磁盘完成的请求数；将和请求响应时间阈值 tres 对比，调整排队系统新的调度延迟时间为 tdelay′ ； 4.3 提交系统将调整后的 tdelay′发送给排队系统； 4.4 排队系统调整调度延迟时间 tdelay 为 tdelay ＝ tdelay′，转第三步。 2. 如权利要求 1 所述的一种基于请求动态延迟调度的磁盘能耗优化方法，其特征在于对保存在 σ 中的请求序列进行排序的方法是： 2 3.2.1 如果则将 n 个请求按照磁道地址由小到大进行排序， l 表示 σ 中请求访问的最小磁道地址， r 表示最大磁道地址； 3.2.2 如果则将 n 个请求按照磁道地址由大到小进行排序。 3. 如权利要求 1 所述的一种基于请求动态延迟调度的磁盘能耗优化方法，其特征在于调整排队系统新的调度延迟时间为 tdelay′的方法是： 4.2.1 如果 4.2.2 如果令二者差异则则

说明书

一种基于请求动态延迟调度的磁盘能耗优化方法
    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 tseek、 trotation 和 ttrans 表示，请求的处理时间 trequest 为三者之和，即有 trequest ＝ tseek+trotation+ttrans。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 pactive 表示，空闲状态的功耗低，用 pidle 表示，则有 pactive ＞ pidle。假定 t 时间内，磁盘处于活动状态的时间为 tactive，空闲状态的时间为 tidle，则磁盘在该时间内的能耗 E 为：
     E ＝ pactive×tactive+pidle×tidle (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 tactive 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，使得通过对请求的处理顺序进行调寻道距离和寻道时间较长。磁盘对请求进行的处理过程中，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。
     磁盘能耗是存储系统功耗的主要组成部分，在当今数据存储需求日益增加的环境下，如何降低磁盘能耗成为 “绿色计算” 急需克服的关键问题之一。如何对调度延迟时间进行动态调整，避免因延迟调度使得请求的响应时间过大，同时又保证磁盘能耗节约是本领域技术人员极为关注的技术问题，目前尚无基于请求动态延迟调度的磁盘能量优化方法技术的公开报告。发明内容本发明要解决的技术问题是如何动态地调整磁盘调度延迟时间，在满足请求平均响应时间要求前提下，尽可能延迟调度时机，降低磁盘能量。本发明基于请求动态延迟调度的磁盘能量优化方法基本思想是：请求到达后，延迟向磁盘提交，将调度延迟时间内到达的请求进行排序，排序依据为这些请求访问的磁道位置以及磁头所在的位置，将排序后的请求提交磁盘处理。磁盘在对请求进行处理时到达的请求，在下一次排序后提交磁盘处理。通过对请求排序，磁盘处理请求时的寻道时间减少，能量消耗降低。调度延迟时间指向磁盘提交请求的时间间隔。
     延迟调度推迟了将请求提交给磁盘的时间，对请求的排序减少了磁盘处理请求时的寻道时间。调度延迟时间越长，参与排序的请求越多，在相同的磁盘访问数据量情况下磁盘的寻道时间越短。采用延迟调度后，调度延迟时间过长会增加请求的响应时间。此外，在固定的调度延迟时间条件下，请求的响应时间和请求的到达特点相关。调度延迟时间固定，单位时间内到达的请求越多，则请求的响应时间越长。因而，调度延迟时间不能固定不变，需要根据具体请求到达情况进行调整。
     本发明的技术方案为：采用请求调度延迟时间调整策略，对于调度延迟时间内到达的请求，根据当前磁头位置进行排序，并在到达调度延迟时间后，提交给磁盘进行处理；统计调度延迟时间内，请求的平均响应时间，根据设定的请求平均响应时间阈值，动态调整调度延迟时间，实现节约磁盘能量消耗，保证请求响应的目的。
     具体技术方案包括以下步骤：
     第一步，构建磁盘请求调度系统，该系统由请求排队子系统 ( 简称排队系统 )，请求提交子系统 ( 简称提交系统 ) 组成。排队系统是一个软件，负责接收应用程序提交的数据读写请求，将请求放入第一请求序列 σ 中，每隔 tdelay 时间将 σ 中的请求排序后发送给提交系统。
     提交系统是一个软件，负责每隔 tdelay 时间接收排队系统提交的排队后的请求序列，将请求序列添加到第二请求序列 σsub。提交系统将第二请求序列 σsub 的请求提交给磁盘执行，并统计请求的平均响应时间，依据平均响应时间和平均响应时间阈值修正排队系
     统提交请求的时间间隔 tdelay。第一请求序列 σ 和第二请求序列 σsub 占用内存空间的动态链表，其占用的存储空间随着应用程序提交的数据读写请求数而变化。
     第二步，设置变量初值，包括：
     2.1 设置请求平均响应时间阈值 tres，将 tres 设定为用户程序对请求响应时间的要求或请求平均响应时间的历史统计值；
     2.2 设置调度延迟时间 tdelay 的初值为 tres ；
     2.3 设定磁头的位置 h 为 0 磁道；
     第三步，排队系统接收数据读写请求，对请求进行排序，将排序后的请求提交给提交系统。提交系统将排队系统提交的请求序列添加到第二请求序列 σsub 中，并将 σsub 中的请求按顺序提交给磁盘。
     3.1 排队系统接收应用程序提交的数据读写请求 xi，记录请求到达时间并将i 为请求到达的编号， i 为整数；请求 xi 放入第一请求序列 σ 中，
     3.2 每隔时间 tdelay，对保存在 σ 中的请求序列进行排序， n 为 tdelay 时间段中到达请求的总数， n 为整数，排序后的请求序列用 σ′表示。排序方法是：
     3.2.1 如果则将 n 个请求按照磁道地址由小到大进行排序， l 表示 σ中请求访问的最小磁道地址， r 表示最大磁道地址；
     3.2.2 如果则将 n 个请求按照磁道地址由大到小进行排序；3.3 根据 σ′中请求的排序，更新磁头所处的磁道地址 h 为排序后最后一个请求所处的磁道；
     3.4 排队系统将排序后的请求序列 σ′发送给提交系统，排队系统清空第一请求序列 σ ；
     3.5 提交系统接收排队系统提交的 σ′，将 σ′添加到第二请求序列 σsub ；
     3.6 提交系统依次取出 σsub 中位于序列头部的请求，提交给磁盘处理，并在 σsub 中删除该请求；
     第四步，提交系统统计磁盘处理 σsub 中请求的平均响应时间，并根据平均响应时间和平均响应时间阈值，对排队系统的调度延迟时间 tdelay 进行调整。
     4.1 磁盘执行完 σsub 中的请求 xj 后， j 为请求在 σ′中的编号， 1 ≤ j ≤ n，提交计算 xj 的响应时间为是 xj 的到达时间； 4.2 提交系统统计调度延迟时间 tdelay 内，磁盘完成所有请求的平均响应时间 m 为调度延迟时间内磁盘完成的请求数。将和请求响应时间阈值 tres 对比，系统记录其完成时间
     调整排队系统新的调度延迟时间为 tdelay′，方法如下：
     4.2.1 如果 4.2.2 如果令二者差异则6则CN 102508618 A
     说明书4/5 页4.3 提交系统将调整后的 tdelay′发送给排队系统；
     4.4 排队系统调整调度延迟时间 tdelay 为 tdelay ＝ tdelay′，转第三步。
     在步骤 4.2 中，提交系统统计调度延迟时间内磁盘完成请求的平均响应时间。在调度延迟时间内，磁盘完成的请求数为 m。当到达的请求数较多时，可能出现 m ＜ n 的情况，即磁盘没有在调度延迟时间内将上一个调度延迟时间到达的请求全部处理完成。在这种情况下，提交系统统计平均响应时间时，第二请求序列 σsub 中仍然包含未处理的请求。但是，依据以下两点， σsub 中的请求不会无限制增加： 1) 应用程序的数据访问不会一直处于高请求频率状态； 2) 提交系统接收的请求源自操作系统，操作系统的请求控制功能限制了整个系统的总请求数。步骤 4.4 显示本发明是个死循环，因为实际情况就是只要计算机不关机，磁盘请求调度系统不断接收应用程序提交的数据读写请求，不断对请求进行处理。除非计算机关机或断电，本发明才强制停止运转，现实状态中高性能计算中心的巨型机一般是不关机的，因此能耗优化需持续进行。
     采用本发明可以达到如下效果：
     1) 本发明 3.2 步对调度延迟时间内到达的请求进行排序后提交磁盘处理，达到了缩短磁盘寻道距离，减小寻道时间，从而减小磁盘忙时间，降低磁盘能量消耗的目的。 2) 本发明 4.2 根据调度延迟时间内请求的平均响应时间、请求响应时间阈值，动态调整延迟时间的大小，消除了因磁盘延迟处理请求所引发的请求平均响应时间过大的情况。
     附图说明图 1 是磁盘的结构示意图。
     图 2 是采用先来先服务调度方式磁头移动示意图。
     图 3 是采用本发明对请求进行排序后磁头移动示意图。
     图 4 是本发明总流程图。
     图 5 是本发明第二步，排队系统接收请求，并将排序后的请求提交给提交系统，并提交磁盘处理的流程图。
     具体实施方式
     图 1 是磁盘的结构示意图。该图显示了磁头和盘片的组织结构。盘片被划分为若干个不同的磁道，磁道又被划分为扇区，扇区是数据读写的基本单位。磁头在不同的磁道之间移动，并对扇区内的数据进行读写。
     图 2 是采用先来先服务调度方式时，磁盘执行例子中的 5 个请求 x1， x2， x3， x4， x5 时，磁头移动示意图。磁头按照请求到达的顺序，移动到请求所在的磁道。当执行第二个请求时，磁头移动到磁道 20。当执行第三个请求时，磁头需要向相反的方向移动到磁道 12。执行 5 个请求，磁头移动方向需要改变两次。
     图 3 是采用本发明对请求进行排序后，磁盘执行例子中的 5 个请求 x1， x2， x3， x4， x5 时，磁头移动示意图。在对 5 个请求根据所处的磁道进行排序后，磁头分别移动到磁道 5， 8， 12， 20， 22。执行 5 个请求，磁头移动方向不改变。
     图 4 是本发明的总流程图，具体包括：第一步，构建磁盘请求调度系统，包括排队系统和请求系统。
     第二步，设置变量初值。
     第三步，排队系统接收数据读写请求，对请求进行排序，将排序后的请求提交给提交系统，提交系统将排队系统提交的请求序列添加到第二请求序列 σsub 中，并将 σsub 中的请求按顺序提交给磁盘。
     第四步，提交系统统计磁盘处理 σsub 中请求的平均响应时间，并根据平均响应时间和平均响应时间阈值，对排队系统的调度延迟时间 tdelay 进行调整，转第三步。
     图 5 描述了本发明第三步的流程，具体包括：
     3.1 排队系统接收应用程序提交的数据读写请求，并将请求 xi 放入请求序列中；
     3.2 每隔时间 tdelay，对保存在请求序列中的请求进行排序，排序方法是：
     3.2.1 如果则将 n 个请求按照磁道地址由小到大进行排序， l 表示 σ中请求访问的最小磁道地址， r 表示最大磁道地址；
     3.2.2 如果则将 n 个请求按照磁道地址由大到小进行排序；3.3 更新磁头所处的磁道地址 h 为排序后最后一个请求所处的磁道； 3.4 排队系统将排序后的请求序列发送给提交系统，排队系统清空请求序列； 3.5 提交系统接收排队系统提交的请求序列； 3.6 提交系统依次取出序列头部的请求，提交给磁盘处理，并在序列中删除该请求。

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1、(10)申请公布号 CN 102508618 A (43)申请公布日 2012.06.20 C N 1 0 2 5 0 8 6 1 8 A *CN102508618A* (21)申请号 201110342045.3 (22)申请日 2011.11.02 G06F 3/06(2006.01) (71)申请人中国人民解放军国防科学技术大学地址 410073 湖南省长沙市开福区德雅路 109号 (72)发明人杨学军董勇唐玉华陈娟吴俊杰王之元王会权 (74)专利代理机构国防科技大学专利服务中心 43202 代理人郭敏 (54) 发明名称一种基于请求动态延迟调度的磁盘能耗优化方法 (5。

2、7) 摘要本发明公开了一种基于请求动态延迟调度的磁盘能耗优化方法，要解决的技术问题是如何动态地调整磁盘调度延迟时间，在满足请求平均响应时间要求前提下，尽可能延迟调度时机，降低磁盘能量。技术方案是构建由排队系统、提交系统组成的磁盘请求调度系统，排队系统接收数据读写请求，对请求进行排序，将排序后的请求提交给提交系统，提交系统统计调度延迟时间内请求的平均响应时间，根据设定的请求平均响应时间阈值，动态调整调度延迟时间。采用本发明可缩短磁盘寻道距离，减小寻道时间，从而减小磁盘忙时间，降低磁盘能量消耗，且通过动态调整延迟时间的大小消除了因磁盘延迟处理请求所引发的请求平均响应时间。

3、过大的情况。 (51)Int.Cl. 权利要求书2页说明书5页附图3页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请权利要求书 2 页说明书 5 页附图 3 页 1/2页 2 1.一种基于请求动态延迟调度的磁盘能耗优化方法，其特征在于包括以下步骤：第一步、构建磁盘请求调度系统，该系统由排队系统，提交系统组成，排队系统是一个软件，负责接收应用程序提交的数据读写请求，将请求放入第一请求序列中，每隔t delay 时间将中的请求排序后发送给提交系统；提交系统是一个软件，负责每隔t delay 时间接收排队系统提交的排队后的请求序列，将请求序列添加到第二请求序列 sub 。

4、，并将 sub 的请求提交给磁盘执行，并统计请求的平均响应时间，依据平均响应时间和平均响应时间阈值修正排队系统提交请求的时间间隔t delay ；第二步，设置变量初值，包括： 2.1设置请求平均响应时间阈值t res ，将t res 设定为用户程序对请求响应时间的要求或请求平均响应时间的历史统计值； 2.2设置调度延迟时间t delay 的初值为t res ； 2.3设定磁头的位置h为0磁道；第三步，排队系统接收数据读写请求，对请求进行排序，将排序后的请求提交给提交系统，提交系统将排队系统提交的请求序列添加到第二请求序列 sub 中，并将 sub 中的请求按顺序提交给磁盘，具体方。

5、法为： 3.1排队系统接收应用程序提交的数据读写请求x i ，记录请求到达时间并将请求x i 放入第一请求序列中，i为请求到达的编号，i为整数； 3.2每隔时间t delay ，对保存在中的请求序列进行排序，n为 t delay 时间段中到达请求的总数，n为整数，排序后的请求序列用表示； 3.3根据中请求的排序，更新磁头所处的磁道地址h为排序后最后一个请求所处的磁道； 3.4排队系统将排序后的请求序列发送给提交系统，排队系统清空第一请求序列； 3.5提交系统接收排队系统提交的，将添加到第二请求序列 sub ； 3.6提交系统依次取出 sub 中位于序列头部的请求，提交给磁盘处理，并在 su。

6、b 中删除该请求；第四步、提交系统统计磁盘处理 sub 中请求的平均响应时间，并根据平均响应时间和平均响应时间阈值，对排队系统的调度延迟时间t delay 进行调整，方法是： 4.1磁盘执行完 sub 中的请求x j 后，j为请求在中的编号，1jn，提交系统记录其完成时间计算x j 的响应时间为是x j 的到达时间； 4.2提交系统统计调度延迟时间t delay 内，磁盘完成所有请求的平均响应时间 m为调度延迟时间内磁盘完成的请求数；将和请求响应时间阈值t res 对比，调整排队系统新的调度延迟时间为t delay ； 4.3提交系统将调整后的t delay 发送给排队系统； 4.4。

7、排队系统调整调度延迟时间t delay 为t delay t delay ，转第三步。 2.如权利要求1所述的一种基于请求动态延迟调度的磁盘能耗优化方法，其特征在于对保存在中的请求序列进行排序的方法是：权利要求书CN 102508618 A 2/2页 3 3.2.1如果则将n个请求按照磁道地址由小到大进行排序，l表示中请求访问的最小磁道地址，r表示最大磁道地址； 3.2.2如果则将n个请求按照磁道地址由大到小进行排序。 3.如权利要求1所述的一种基于请求动态延迟调度的磁盘能耗优化方法，其特征在于调整排队系统新的调度延迟时间为t delay 的方法是： 4.2.1如果令二者差异则。

8、 4.2.2如果则权利要求书CN 102508618 A 1/5页 4 一种基于请求动态延迟调度的磁盘能耗优化方法技术领域 0001 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 0002 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。

9、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。 0003 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。 0004 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； 0005 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； 0006 3)启动数据的读写过程，直到所请求的数据操作完成。 0007 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，。

10、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。 0008 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 。

11、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： 0009 Ep active t active +p idle t idle (1) 0010 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。 0011 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。

12、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说明书CN 102508618 A 2/5页 5 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，x 1 ，x 2 ，x 3 ，x 4 ，x 5 ，访问的磁道分别为：5，20。

13、，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+1446，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。 0012 磁盘能耗是存储系统功耗的主要组成部分，在当今数据存储需求日益增加的环境下，如何降低磁盘能耗成为“绿色计算”急需克服的关键问题之一。如何对调度延迟。

14、时间进行动态调整，避免因延迟调度使得请求的响应时间过大，同时又保证磁盘能耗节约是本领域技术人员极为关注的技术问题，目前尚无基于请求动态延迟调度的磁盘能量优化方法技术的公开报告。发明内容 0013 本发明要解决的技术问题是如何动态地调整磁盘调度延迟时间，在满足请求平均响应时间要求前提下，尽可能延迟调度时机，降低磁盘能量。本发明基于请求动态延迟调度的磁盘能量优化方法基本思想是：请求到达后，延迟向磁盘提交，将调度延迟时间内到达的请求进行排序，排序依据为这些请求访问的磁道位置以及磁头所在的位置，将排序后的请求提交磁盘处理。磁盘在对请求进行处理时到达的请求，在下一次排序后提交磁盘处理。通。

15、过对请求排序，磁盘处理请求时的寻道时间减少，能量消耗降低。调度延迟时间指向磁盘提交请求的时间间隔。 0014 延迟调度推迟了将请求提交给磁盘的时间，对请求的排序减少了磁盘处理请求时的寻道时间。调度延迟时间越长，参与排序的请求越多，在相同的磁盘访问数据量情况下磁盘的寻道时间越短。采用延迟调度后，调度延迟时间过长会增加请求的响应时间。此外，在固定的调度延迟时间条件下，请求的响应时间和请求的到达特点相关。调度延迟时间固定，单位时间内到达的请求越多，则请求的响应时间越长。因而，调度延迟时间不能固定不变，需要根据具体请求到达情况进行调整。 0015 本发明的技术方案为：采用请求调度延迟时间。

16、调整策略，对于调度延迟时间内到达的请求，根据当前磁头位置进行排序，并在到达调度延迟时间后，提交给磁盘进行处理；统计调度延迟时间内，请求的平均响应时间，根据设定的请求平均响应时间阈值，动态调整调度延迟时间，实现节约磁盘能量消耗，保证请求响应的目的。 0016 具体技术方案包括以下步骤： 0017 第一步，构建磁盘请求调度系统，该系统由请求排队子系统(简称排队系统)，请求提交子系统(简称提交系统)组成。排队系统是一个软件，负责接收应用程序提交的数据读写请求，将请求放入第一请求序列中，每隔t delay 时间将中的请求排序后发送给提交系统。 0018 提交系统是一个软件，负责每隔t de。

17、lay 时间接收排队系统提交的排队后的请求序列，将请求序列添加到第二请求序列 sub 。提交系统将第二请求序列 sub 的请求提交给磁盘执行，并统计请求的平均响应时间，依据平均响应时间和平均响应时间阈值修正排队系说明书CN 102508618 A 3/5页 6 统提交请求的时间间隔t delay 。第一请求序列和第二请求序列 sub 占用内存空间的动态链表，其占用的存储空间随着应用程序提交的数据读写请求数而变化。 0019 第二步，设置变量初值，包括： 0020 2.1设置请求平均响应时间阈值t res ，将t res 设定为用户程序对请求响应时间的要求或请求平均响应时间的历史统。

18、计值； 0021 2.2设置调度延迟时间t delay 的初值为t res ； 0022 2.3设定磁头的位置h为0磁道； 0023 第三步，排队系统接收数据读写请求，对请求进行排序，将排序后的请求提交给提交系统。提交系统将排队系统提交的请求序列添加到第二请求序列 sub 中，并将 sub 中的请求按顺序提交给磁盘。 0024 3.1排队系统接收应用程序提交的数据读写请求x i ，记录请求到达时间并将请求x i 放入第一请求序列中，i为请求到达的编号，i为整数； 0025 3.2每隔时间t delay ，对保存在中的请求序列进行排序， n为t delay 时间段中到达请求的总数，n为整数。

19、，排序后的请求序列用表示。排序方法是： 0026 3.2.1如果则将n个请求按照磁道地址由小到大进行排序，l表示中请求访问的最小磁道地址，r表示最大磁道地址； 0027 3.2.2如果则将n个请求按照磁道地址由大到小进行排序； 0028 3.3根据中请求的排序，更新磁头所处的磁道地址h为排序后最后一个请求所处的磁道； 0029 3.4排队系统将排序后的请求序列发送给提交系统，排队系统清空第一请求序列； 0030 3.5提交系统接收排队系统提交的，将添加到第二请求序列 sub ； 0031 3.6提交系统依次取出 sub 中位于序列头部的请求，提交给磁盘处理，并在 sub 中删除该请求；。

20、 0032 第四步，提交系统统计磁盘处理 sub 中请求的平均响应时间，并根据平均响应时间和平均响应时间阈值，对排队系统的调度延迟时间t delay 进行调整。 0033 4.1磁盘执行完 sub 中的请求x j 后，j为请求在中的编号，1jn，提交系统记录其完成时间计算x j 的响应时间为是x j 的到达时间； 0034 4.2提交系统统计调度延迟时间t delay 内，磁盘完成所有请求的平均响应时间 m为调度延迟时间内磁盘完成的请求数。将和请求响应时间阈值t res 对比，调整排队系统新的调度延迟时间为t delay ，方法如下： 0035 4.2.1如果令二者差异则 0036 4.。

21、2.2如果则说明书CN 102508618 A 4/5页 7 0037 4.3提交系统将调整后的t delay 发送给排队系统； 0038 4.4排队系统调整调度延迟时间t delay 为t delay t delay ，转第三步。 0039 在步骤4.2中，提交系统统计调度延迟时间内磁盘完成请求的平均响应时间。在调度延迟时间内，磁盘完成的请求数为m。当到达的请求数较多时，可能出现mn的情况，即磁盘没有在调度延迟时间内将上一个调度延迟时间到达的请求全部处理完成。在这种情况下，提交系统统计平均响应时间时，第二请求序列 sub 中仍然包含未处理的请求。但是，依据以下两点， sub 中。

22、的请求不会无限制增加：1)应用程序的数据访问不会一直处于高请求频率状态；2)提交系统接收的请求源自操作系统，操作系统的请求控制功能限制了整个系统的总请求数。步骤4.4显示本发明是个死循环，因为实际情况就是只要计算机不关机，磁盘请求调度系统不断接收应用程序提交的数据读写请求，不断对请求进行处理。除非计算机关机或断电，本发明才强制停止运转，现实状态中高性能计算中心的巨型机一般是不关机的，因此能耗优化需持续进行。 0040 采用本发明可以达到如下效果： 0041 1)本发明3.2步对调度延迟时间内到达的请求进行排序后提交磁盘处理，达到了缩短磁盘寻道距离，减小寻道时间，从而减小磁盘忙时间，。

23、降低磁盘能量消耗的目的。 0042 2)本发明4.2根据调度延迟时间内请求的平均响应时间、请求响应时间阈值，动态调整延迟时间的大小，消除了因磁盘延迟处理请求所引发的请求平均响应时间过大的情况。附图说明 0043 图1是磁盘的结构示意图。 0044 图2是采用先来先服务调度方式磁头移动示意图。 0045 图3是采用本发明对请求进行排序后磁头移动示意图。 0046 图4是本发明总流程图。 0047 图5是本发明第二步，排队系统接收请求，并将排序后的请求提交给提交系统，并提交磁盘处理的流程图。具体实施方式 0048 图1是磁盘的结构示意图。该图显示了磁头和盘片的组织结构。盘片被划分为若干。

24、个不同的磁道，磁道又被划分为扇区，扇区是数据读写的基本单位。磁头在不同的磁道之间移动，并对扇区内的数据进行读写。 0049 图2是采用先来先服务调度方式时，磁盘执行例子中的5个请求x 1 ，x 2 ，x 3 ，x 4 ，x 5 时，磁头移动示意图。磁头按照请求到达的顺序，移动到请求所在的磁道。当执行第二个请求时，磁头移动到磁道20。当执行第三个请求时，磁头需要向相反的方向移动到磁道12。执行5个请求，磁头移动方向需要改变两次。 0050 图3是采用本发明对请求进行排序后，磁盘执行例子中的5个请求x 1 ，x 2 ，x 3 ，x 4 ，x 5 时，磁头移动示意图。在对5个请求根据所处的磁道。

25、进行排序后，磁头分别移动到磁道5，8， 12，20，22。执行5个请求，磁头移动方向不改变。 0051 图4是本发明的总流程图，具体包括：说明书CN 102508618 A 5/5页 8 0052 第一步，构建磁盘请求调度系统，包括排队系统和请求系统。 0053 第二步，设置变量初值。 0054 第三步，排队系统接收数据读写请求，对请求进行排序，将排序后的请求提交给提交系统，提交系统将排队系统提交的请求序列添加到第二请求序列 sub 中，并将 sub 中的请求按顺序提交给磁盘。 0055 第四步，提交系统统计磁盘处理 sub 中请求的平均响应时间，并根据平均响应时间和平均响应时间阈。

26、值，对排队系统的调度延迟时间t delay 进行调整，转第三步。 0056 图5描述了本发明第三步的流程，具体包括： 0057 3.1排队系统接收应用程序提交的数据读写请求，并将请求x i 放入请求序列中； 0058 3.2每隔时间t delay ，对保存在请求序列中的请求进行排序，排序方法是： 0059 3.2.1如果则将n个请求按照磁道地址由小到大进行排序，l表示中请求访问的最小磁道地址，r表示最大磁道地址； 0060 3.2.2如果则将n个请求按照磁道地址由大到小进行排序； 0061 3.3更新磁头所处的磁道地址h为排序后最后一个请求所处的磁道； 0062 3.4排队系统将排序后的请求序列发送给提交系统，排队系统清空请求序列； 0063 3.5提交系统接收排队系统提交的请求序列； 0064 3.6提交系统依次取出序列头部的请求，提交给磁盘处理，并在序列中删除该请求。说明书CN 102508618 A 1/3页 9 图1 图2 图3 说明书附图CN 102508618 A 2/3页 10 图4 说明书附图CN 102508618 A 10 3/3页 11 图5 说明书附图CN 102508618 A 11 。

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