江

江小南

2023/05/09阅读：38主题：萌绿

【操作系统】磁盘的结构、磁盘的调度算法、减少磁盘延迟时间的方法、磁盘的管理、固态硬盘

1. 磁盘的结构

1. 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记录二进制数据。

2. 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。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。

3. 盘面、柱面

4. 磁盘的物理地址

可用（柱面号、盘面号、扇区号）来定位任意一个“磁盘块”。在“文件的物理结构”中，我们经常提到文件数据存放在外存中的几号块，这个块号就可以转换成（柱面号、盘面号、扇区号）的地址形式。

可根据该地址读取一个“块”。①根据“柱面号”移动磁臂，让磁头指向指定柱面；②激活指定盘面对应的磁头；③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。

5. 磁盘的分类

2. 磁盘调度算法

1. 一次磁盘读/写操作需要的时间

寻找时间（寻道时间）Ts：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。则寻道时间Ts=s+m*n;

说明：现在的硬盘移动一个磁道大约需要0.2ms，磁臂启动时间约为2ms。

延迟时间Tr：通过旋转磁盘，是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Tr=(1/2)*(1/r)=1/2r

说明：1/r就是转一圈需要的时间。找到目标扇区平均需要转半圈，因此再乘以1/2。硬盘的典型转速为5400转/分，或7200转/分。

传输时间Tt：从磁盘读出或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：传输时间Tt=(1/r)*(b/N)=b/(rN)。

说明：每个磁道要可存N字节的数据，因此b字节的数据需要b/N哥磁道才能储存。而读/写一个磁道所需的时间刚好又是转一圈所需要的时间1/r。

总的平均存取时间Ta=Ts+1/2r+b/(rN)。

注意：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。

2. 磁盘的调度算法

1. 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话，算法性能还算过得去。

缺点：如果有大量进程竞争使用磁盘，请求访问的词搭配很分散，则FCFS在性能上很差，寻道时间长。

2. 最短寻找时间优先（SSTF）

SSTF算法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。

3. 扫描算法（SCAN）

SSTF算法会产生饥饿的原因在于：磁头有可能在一个小区域内来回地移动。为了防止这个问题，可以规定，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。这就是扫描算法（SCAN）的思想。由于磁头移动的方式很像电梯，因此也叫电梯算法。

优点:性能较好，平均寻道时间较短，不会产生饥饿现象。

缺点:①只有到达最边上的磁道时才能改变磁头移动方向，事实上，处理了184号磁道的访问请求之后就不需要再往右移动磁头了。②SCAN算法对于各个位置磁道的响应频率不平均(如:假设此时磁头正在往右移动，且刚处理过90号磁道，那么下次处理90号磁道的请求就需要等磁头移动很长一段距离;而响应了184号磁道的请求之后，很快又可以再次响应184号磁道的请求了)

4. LOOK调度算法

扫描算法(SCAN)中，只有到达最边上的磁道时才能改变磁头移动方向，事实上，处理了184号磁道的访问请求之后就不需要再往右移动磁头了。LOOK 调度算法就是为了解决这个问题，如果在磁头移动方向上已经没有别的请求，就可以立即改变磁头移动方向。(边移动边观察，因此叫LOOK )

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，使寻道时间进一步缩短。

5. 循环扫描算法（C-SCAN）

SCAN算法对于各个位置磁道的响应频率不平均，而C-SCAN算法就是为了解决这个问题。规定只有磁头朝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端而不处理任何请求。

优点:比起SCAN来，对于各个位置磁道的响应频率很平均。

缺点:只有到达最边上的磁道时才能改变磁头移动方向，事实上，处理了184号磁道的访问请求之后就不需要再往右移动磁头了;并且，磁头返回时其实只需要返回到18号磁道即可，不需要返回到最边缘的磁道。另外，比起SCAN算法来，平均寻道时间更长。

6. C-LOOK调度算法

C-SCAN算法的主要缺点是只有到达最边上的磁道时才能改变磁头移动方向，并且磁头返回时不一定需要返回到最边缘的磁道上。C-LOOK算法就是为了解决这个问题。如果磁头移动的方向上已经没有磁道访问请求了，就可以立即让磁头返回，并且磁头只需要返回到有磁道访问请求的位置即可。

优点:比起C-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，使寻道时间进一步缩短。

3. 减少延迟时间的方法

假设要连续读取橙色区域的2、3、4扇区:

磁头读取一块的内容(也就是一个扇区的内容)后，需要一小段时间处理，而盘片又在不停地旋转因此，如果2、3号扇区相邻着排列，则读完2号扇区后无法连续不断地读入3号扇区必须等盘片继续旋转，3号扇区再次划过磁头，才能完成扇区读入。

结论: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”。

1. 方法一——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。

思考:为什么磁盘的物理地址是(柱面号，盘面号，扇区号)而不是( 盘面号，柱面号，扇区号)。

答案: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。

2. 方法二——错位命名

4. 磁盘的管理

1. 磁盘初始化

磁盘初始化:

进行低级格式化(物理格式化)，将磁盘的各个磁道划分为扇区。一个扇区通常可分为头、数据区域(如512B大小)、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(如奇偶校验、CRC循环冗余校验码等，校验码用于校验扇区中的数据是否发生错误)
将磁盘分区，每个分区由若干柱面组成(即分为我们熟悉的C盘、D盘、E盘)
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)