操作系统 —— 磁盘

目录

  • 1. 磁盘的结构
    • 1.1. 磁盘、磁道、扇区
    • 1.2. 如何在磁盘中读/写数据
    • 1.3. 盘面、柱面
    • 1.4. 磁盘的物理地址
    • 1.5. 磁盘的分类
  • 2. 磁盘调度算法
    • 一次磁盘读/写操作需要的时间
    • 2.1. 先来先服务算法(FCFS)
    • 2.2. 最短寻找时间优先(SSTF)
    • 2.3. 扫描算法(SCAN)
    • 2.4. LOOK 调度算法
    • 2.5. 循环扫描算法(C-SCAN)
    • 2.6. C-LOOK 调度算法
  • 3. 减少延迟的方法
    • 3.1. 交替编号
    • 3.2. 磁盘地址结构的设计
    • 3.3. 错位命名
  • 4. 磁盘的管理
    • 4.1. 磁盘的初始化
    • 4.2. 引导块
    • 4.3. 坏块的处理

1. 磁盘的结构

1.1. 磁盘、磁道、扇区

磁盘: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。

磁道 : 磁盘的盘面被划分成一个个磁道, 一个圈就是一个磁道。

扇区 : 每一个磁道被划分成一个个扇区,每个扇区就是一个个 " 数据块 ",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
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1.2. 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。

1.3. 盘面、柱面

1.4. 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 ”。

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。

1.5. 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。


盘片可以更换的称为可换盘磁盘

盘片可以更换的称为固定盘磁盘

2. 磁盘调度算法

一次磁盘读/写操作需要的时间

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。

2.1. 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,请求访问的磁道很分散,则FCFS在性能上很差,寻道时间长。

2.2. 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。

Eg:本例中,如果在处理18号磁道的访问请求时又来了一个38号磁道的访问请求,处理38号磁道的访问请求时又来了一个18号磁道的访问请求。如果有源源不断的18号、38号磁道的访问请求到来的话,150、160、184号磁道的访问请求就永远得不到满足,从而产生“ 饥饿 ”现象。

产生饥饿的原因在于:

磁头在一个小区域内来回来去地移动。

2.3. 扫描算法(SCAN)

为了防止饥饿问题,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。

② SCAN算法对于各个位置磁道的响应频率不平均

Eg: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。

2.4. LOOK 调度算法

相对于扫描算法,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。

2.5. 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。

2.6. 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”

3.1. 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。

3.2. 磁盘地址结构的设计

磁盘的物理地址是 (柱面号、盘面号、扇区号)

为什么不是 (盘面号、柱面号、扇区号)?

在读取地址连续的磁盘块时,可以减少磁头移动消耗的时间。

3.3. 错位命名

让相邻盘面的扇区编号 “错位”。

4. 磁盘的管理

4.1. 磁盘的初始化

Step 1: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)

Step 2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)。

Step 3: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)

4.2. 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 ( 自举程序 ) 如果直接放在ROM(只读存储器)中。ROM中的数据在出厂时就写入了。并且以后不能再修改,会很不方便。

解决方法:

  • 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。
  • 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)

4.3. 坏块的处理

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。

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