王道操作系统___第四章02

4.2_1_磁盘的结构

磁盘、磁道、扇区

• 磁盘的表面由一些磁性物质组成，可以用这些磁性物质来记录二进制数据
• 磁盘的盘面被划分为一个个磁道
• 一个磁道又被划分为一个个扇区，每个扇区就是一个磁盘块，各个扇区存放的数据量相同。
• 最内侧磁道上的扇区面积最小，因此数据密度最大。

如何在磁盘中读/写数据

• 需要把磁头移动到想要读/写的扇区所在的磁道上
• 磁盘会转起来，让目标扇区从磁头下面划过，才能完成对扇区的读/写操作
• 磁头臂会带动磁头，把其放到目标扇区所在的磁道上

盘面、柱面

• 一个盘片可能会有两个盘面，每个盘面对应一个磁头。
• 所有的磁头都是连在同一个磁臂上的，因此所有磁头只能共进退。
• 所有盘面中相对位置相同的磁道组成柱面。

磁盘的物理地址

• 可以用（柱面号，盘面号，扇区号）来定义任意一个磁盘块。
• 根据柱面号移动磁臂，让磁头指向指定柱面。
• 激活指定盘面对应的磁头
• 磁盘旋转的过程中，指定的扇区会从磁头下面划过，这样就完成了对指定扇区的读/写

磁盘的分类

• 磁头可以移动的称为活动头磁盘。磁臂可以来回伸缩带动磁头定位磁道。每个盘面有一个磁头。
• 磁盘不可移动的称为固定头磁盘。这种磁盘中每个磁道有一个磁头。每个磁道有一个磁头
• 盘片可以更换的称为可换盘磁盘，盘片不可更换的称为固定盘磁盘。

4.2_2_磁盘调度算法

一次磁盘读/写操作需要的时间

• 寻找时间T(s)：在读/写数据前，将磁头移动到指定磁道所花的时间

  • 启动磁头臂是需要花费时间的。假设耗时为s
  • 移动磁头也是需要时间的。假设磁头匀速移动，每跨越一个磁道耗时为m，总共需要跨越n条磁道。
  • T(s) = s + m*n

• 延迟时间T( r) ：通过旋转磁盘，使磁头定位到目标扇区所需要的时间。设磁盘转速为r （单位：转/秒，或 转/分），则平均所需的延迟时间T( r) = (1/2)*(1/r) = 1/2r

• 传输时间T( t)：从磁盘读出或向磁盘写入数据所经历的时间，假设磁盘转速为r，此次读/写的字节数为b，每个磁道上的字节数为N，则T( t) = (1/r) * (b/N) = b/(rN)

• 延迟时间和传输时间都与磁盘转速相关，且为线性相关。而转速是硬件的固有属性，因此操作系统也无法优化延迟时间和传输时间。但是操作系统的磁盘调度算法会直接影响寻道时间。

磁盘调度算法

• 先来先服务算法FCFS

  • 根据进程请求访问磁盘的先后顺序进行调度
  • 优点：公平，如果请求访问的磁道比较集中的化，算法性能还算过得去
  • 缺点：如果有大量进程竞争使用磁盘，请求访问的磁道很分散，则FCFS在性能上很差，寻道时间长

• 最短寻找时间优先SSTF

  • 会优先处理的磁道是与当前磁头最近的磁道。可以保证每次的寻道时间最短，但是并不能保证总的寻道时间最短。(其实就是贪心算法的思想，只是选择眼前最优，但是总体未必最优)
  • 优点：性能较好，平均寻道时间短
  • 缺点：可能产生饥饿现象。

• 扫描算法SCAN

  • 只有磁头移动到最外侧磁道的时候才能往内移动，移动到最内侧磁道的时候才能往外移动
  • 优点：性能较好，平均寻道时间较短，不会产生饥饿现象。
  • 缺点：只有到达最边上的磁道时才能改变磁头移动方向，对各个位置上磁道的响应频率不平均。

• LOCK调度算法

  • 如果在磁头移动方向上已经没有别的请求了，就可以立即改变磁头移动方向。
  • 优点：比起SCAN算法来，不需要每次都移动到最外侧或最内侧才改变磁头方向，使寻道时间进一步算短。

• 循环扫描算法C-SCAN

  • 规定只有磁头朝着某个特定方向移动时才处理磁道访问请求，而返回时直接快速移动至起始段而不处理任何请求。
  • 优点：比起SCAN来，对于各个位置磁道的响应频率很平均
  • 缺点：只有达到最边上的磁道时才能改变磁头移动方向，比起SCAN算法来，平均寻道时间更长。

• C-LOCK 调度算法

  • 如果磁头移动的方向上已经没有磁道的访问请求了，就可以立即让磁头返回，并且磁头只需要返回到起始段附近有磁道访问请求的位置即可。
  • 比起C-SCAN算法来说，不需要每次都移动到最外侧或最内侧才改变磁头方向，使寻道时间进一步缩短。

4.2_3_减少延迟时间的方法

• 磁头读入一个扇区数据后需要一小段时间处理，如果逻辑上相邻的扇区在物理上也相邻，则读入几个连续的逻辑扇区，可能需要很长的延迟时间。

交替编号

• 若采用交替编号的策略，即让逻辑上相邻的扇区在物理上有一定的间隔，可以使读取连续的逻辑扇区所需要的延迟时间更小。

磁盘地址结构的设计

• 读取地址连续的磁盘块时，采用(柱面号，盘面号，扇区号)的地址结构可以减少磁头移动消耗的时间。

错位命名

• 让相邻盘面的扇区编号错位
• 与交替编号的原理相同，错位命名法可降低延迟时间。

4.2_4_磁盘的管理

磁盘初始化

• 进行低级格式化，将磁盘的各个磁道划分为扇区。一个扇区通常可以分为头、数据区域、尾三个部分组成。管理扇区所需要的各种数据结构一般存放在头、尾两个部分，包括扇区校验码。
• 将磁盘分区，每个分区由若干柱面组成
• 进行逻辑格式化，创建文件系统。包括创建文件系统的根目录、初始化存储空间管理所用的数据结构。（如位示图、空闲分区表）

引导快

• 计算机开机时需要进行一系列初始化工作，这些初始化工作是通过执行初始化程序完成的
• 初始化程序可以放在ROM中，ROM中的数据在出厂时就写入了，并且以后不能再修改。
• ROM中只存放很小的自举装入程序，完整的自举装入程序放在磁盘的启动快(即引导快/启动分区)上，启动快位于磁盘的固定位置。
• 开机时计算机先运行自举装入程序，通过执行该程序就可找到引导快，并将完整的自举装入程序读入内存，完成初始化。
• 拥有启动分区的磁盘称为启动磁盘或系统磁盘。

坏快的管理

• 坏了、无法使用的扇区就是坏块。这属于硬件故障，操作系统是无法修复的。应该将坏块标记出来，以免错误的使用到它。
• 对于简单的磁盘，可以在逻辑格式化时(建立文件系统时)对整个磁盘进行坏块检查，标明哪些扇区是坏扇区，比如：在FAT表上标明(在这种方式下，坏块对操作系统不透明)
• 对于复杂的磁盘，磁盘控制器会维护一个坏块链表。在磁盘出厂前进行低级格式化时就将坏块链进行初始化。会保留一些备用扇区，用于替换坏块。这种方案称为扇区备用。且这种处理方式中，坏块对操作系统透明。