磁盘存储器的管理——操作系统笔记

一、磁盘的结构

1、磁盘、磁道、扇区、盘面、柱面的概念

  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。

2、如何在磁盘中读/写数据

  读/写数据时需要把“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。

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”。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”：

• 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。

3、磁盘分类

根据磁头分类

• 磁头可以移动的称为活动头磁盘，磁臂可以来回伸缩来带动磁头定位磁道；
• 磁头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。

根据磁盘分类

• 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、总结

二、磁盘调度算法

1、一次磁盘读/写操作需要的时间

（1）寻找时间

  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；
• 寻道时间 $ TS =s+m*n$

（2）延迟时间

  延迟时间 TR：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 $ TR =(1/2)*(1/r)=1/(2r)$ （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）。

（3）传输时间

  传输时间 Tt：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： 传输时间 $ Tt =(1/r)* (b/N)=b/(rN)$。

（4）总平均存取时间

  总平均存取时间 $ Ta =TS +1/(2r)+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。

2、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。假设磁头的初始位置是 100 号磁道，有多个进程先后陆续地请求访问 55、58、39、18、90、160、150、38、184号磁道。

  按照 FCFS 的规则，按照请求到达的顺序，磁头需要依次移动到 55、58、39、18、90、160、150、38、184号磁道。

• 磁头总共移动了 45+3+19+21+72+70+10+112+146=498 个磁道；
• 响应一个请求平均需要移动 498/9=55.3 个磁道（平均寻找长度）；
• 优点：公平；如果请求访问的磁道比较集中的话，算法性能还算过的去；
• 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。

3、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）

  假设磁头的初始位置是100号磁道，有多个进程先后陆续地请求访问55、58、39、18、90、160、150、38、184号磁道。

• 磁头总共移动了 (100-18)+(184-18)=248 个磁道；
• 响应一个请求平均需要移动 248/9=27.5 个磁道（平均寻找长度）；
• 优点：性能较好，平均寻道时间短；
• 缺点：可能产生“饥饿”现象。

4、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来去地移动。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。

  假设某磁盘的磁道为 0~200 号，磁头的初始位置是 100 号磁道，且此时磁头正在往磁道号增大的方向移动，有多个进程先后陆续地请求访问 55、58、39、18、90、160、150、38、184号磁道。（只有到了最边上的磁道才能改变磁头移动方向）

• 磁头总共移动了 (200-100)+(200-18)=282 个磁道；
• 响应一个请求平均需要移动 282/9=31.3 个磁道（平均寻找长度）；
• 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，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。SCAN 算法对于各个位置磁道的响应频率不平均。

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，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）

• 磁头总共移动了 (184-100)+(184-18)=250 个磁道；
• 响应一个请求平均需要移动 250/9=27.5 个磁道（平均寻找长度）；
• 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。

  假设某磁盘的磁道为 0~200 号，磁头的初始位置是 100 号磁道，且此时磁头正在往磁道号增大的方向移动，有多个进程先后陆续地请求访问 55、58、39、18、90、160、150、38、184号磁道。（只有到了最边上的磁道才能改变磁头移动方向。磁头返回途中不处理任何请求）

• 磁头总共移动了 (200-100)+(200-0)+(90-0)=390 个磁道；
• 响应一个请求平均需要移动 390/9=43.3 个磁道（平均寻找长度）；
• 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。

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。

  假设某磁盘的磁道为 0~200 号，磁头的初始位置是 100 号磁道，且此时磁头正在往磁道号增大的方向移动，有多个进程先后陆续地请求访问 55、58、39、18、90、160、150、38、184号磁道。（磁头只需要返回最靠近边缘的、并且需要访问的磁道上即可）

• 磁头总共移动了 (184-100)+(184-18)+(90-18)=322 个磁道；
• 响应一个请求平均需要移动 322/9=35.8 个磁道（平均寻找长度）；
• 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。

6、总结

三、减少延迟时间的方法

  延迟时间：通过旋转磁盘，使磁头定位到目标扇区所需要的时间。

1、交替编号

  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”。

  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。

2、磁盘地址结构的设计

  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）。

  假设某磁盘有 8 个柱面/磁道（假设最内侧柱面/磁道号为 0 ）， 4 个盘面，8 个扇区。则可用 3 个二进制位表示柱面，2 个二进制位表示盘面，3 个二进制位表示扇区。

  若物理地址结构是（盘面号，柱面号，扇区号），且需要连续读取物理地址 (00,000,000) ~ (00,001,111) 的扇区时。(00,000,000) ~ (00,000,111) 转两圈可读完；在读 (00,001,000) ~ (00,001,111) 之前，需要启动磁头臂，将磁头移动到下一个磁道。

  若物理地址结构是（柱面号，盘面号，扇区号），且需要连 续读取物理地址 (000,00,000) ~ (000,01,111) 的扇区：(000,00,000) ~ (000,00,111) 由盘面 0 的磁头读入数据；在读 (000,01,000) ~ (000,01,111)，由于柱面号/磁道号相同，只是盘面号不同，因此不需要移动磁头臂。只需要激活相邻盘面的磁头即可。

  所以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。

3、错位命名

  若相邻的盘面相对位置相同处扇区编号相同。读取完磁盘块（000, 00,111）之后，需要短暂的时间处理，而盘面又在不停地转动，因此当（000,01,000）第一次划过 1 号盘面的磁头下方时，并不能读取数据，只能再等该扇区再次划过磁头。

  错位命名法：由于采用错位命名法，因此读取完磁盘块（000,00,111）之后，还有一段时间处理，当（000,01,000）第一次划过 1 号盘面的磁头下方时，就可以直接读取数据。从而减少了延迟时间。

4、总结

四、磁盘的管理

1、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）。

2、引导块

  计算机开机时需要进行一系列初始化的工作，这些初始化工作是通过执行初始化程序（自举程序）完成的。

  初始化程序可以放在 ROM （只读存储器）中。ROM 中的数据在出厂时就写入了（集成在主板上），并且以后不能再修改。万一需要更新自举程序，将会很不方便，因为 ROM 中的数据无法更改。如何解决呢？

  将完整的自举程序放在磁盘的启动块（即引导块/启动分区）上，启动块位于磁盘的固定位置。而 ROM 中只存放很小的“自举装入程序”，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块，并将完整的“自举程序”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（C:盘）。

3、坏块的管理

  坏了、无法正常使用的扇区就是“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，以免错误地使用到它。

  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。（在这种方式中，坏块对操作系统不透明）

  对于复杂的磁盘，磁盘控制器（磁盘设备内部的一个硬件部件）会维护一个坏块链表。 在磁盘出厂前进行低级格式化（物理格式化）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。

4、总结