文章目錄

• • • 1 磁盤的結構
    • • 1.1 磁盤、磁道、扇區
      • 1.2 磁盤如何讀取數據
      • 1.4 盤面、柱面、磁盤的物理地址
      • 1.5 磁盤的分類
      • 1.6 磁盤的結構小結
    • 2 磁盤調度算法
    • • 2.1 一次磁盤讀/寫操作需要的時間
      • 2.2 先來先服務算法（`FCFS`）
      • 2.3 最短尋找時間優先（`SSTF`）
      • 2.4 掃描算法（`SCAN`）
      • 2.5 `LOOK` 調度算法
      • 2.6 循環掃描算法（`C-SCAN`）
      • 2.7 `C-LOOK` 調度算法
      • 2.8 磁盤調度算法小結
    • 3 減少磁盤延遲時間的方法
    • • 3.1 交替編號
      • 3.2 錯位命名
      • 3.3 減少磁盤延遲方法小結
    • 4 磁盤管理
    • • 4.1 磁盤初始化
      • 4.2 引導快
      • 4.3 壞塊的管理
      • 4.4 磁盤管理小結

1 磁盤的結構

1.1 磁盤、磁道、扇區

磁盤的表面由一些磁性物質組成，可以用這些磁性物質來記錄二進制數據

磁盤介紹：

1.2 磁盤如何讀取數據

需要把“磁頭”移動到想要讀/寫的扇區所在的磁道。磁盤會轉起來，讓目標扇區從磁頭下面劃過，才能完成對扇區的讀/寫操作。

1.4 盤面、柱面、磁盤的物理地址

可用（柱面號，盤面號，扇區號）來定位任意一個“磁盤塊”。在“文件的物理結構”小節中，我們經常提到文件數據存放在外存中的幾號塊，這個塊號就可以轉換成（柱面號，盤面號，扇區號）的地址形式。

可根據該地址讀取一個“塊”

根據“柱面號”移動磁臂，讓磁頭指向指定柱面；

激活指定盤面對應的磁頭；

磁盤旋轉的過程中，指定的扇區會從磁頭下面劃過，這樣就完成了對指定扇區的讀/寫。

1.5 磁盤的分類

1.6 磁盤的結構小結

2 磁盤調度算法

2.1 一次磁盤讀/寫操作需要的時間

尋找時間（尋道時間）T_s：在讀/寫數據前，將磁頭移動到指定磁道所花的時間。
①啟動磁頭臂是需要時間的。假設耗時為s；
②移動磁頭也是需要時間的。假設磁頭勻速移動，每跨越一個磁道耗時為m，總共需要跨越n條磁道。則：
尋道時間T_s=s+m*n

現在的硬盤移動一個磁道大約需要0.2ms，磁臂啟動時間約為2ms

延遲時間T_R：通過旋轉磁盤，使磁頭定位到目標扇區所需要的時間。設磁盤轉速為r（單位：轉/秒，或轉/分），則平均所需的延遲時間T_R=（1/2）*（1/r）=1/2r
1/r就是轉一圈需要的時間。找到目標扇區平均需要轉半圈，因此再乘以1/2

硬盤的典型轉速為5400轉/分，或7200轉/分，磁盤轉速越高，延遲時間越小，讀寫速度越快

傳輸時間T：從磁盤讀出或向磁盤寫入數據所經歷的時間，假設磁盤轉速為r，此次讀/寫的字節數為b，每個磁道上的字節數為N。則：
傳輸時間T_t=（1/r）*（b/N）=b/（rN）

每個磁道要可存N字節的數據，因此b字節的數據需要b/N個磁道才能存儲。而讀/寫一個磁道所需的時間剛好又是轉一圈所需要的時間1/r

總的平均存取時間T_t=T_s+1/2r+b/（rN）

延遲時間和傳輸時間都與磁盤轉速相關，且為線性相關。而轉速是硬件的固有屬性，因此操作系統也無法優化延遲時間和傳輸時間，但是操作系統的磁盤調度算法會直接影響尋道時間

2.2 先來先服務算法（FCFS）

算法思想：根據進程請求訪問磁盤的先后順序進行調度。

手動模擬：

假設磁頭的初始位置是100號磁道，有多個進程先后陸續地請求訪問55、58、39、18、90、160、150、38、184號磁道
按照FCFS的規則，按照請求到達的順序，磁頭需要依次移動到55、58、39、18、90、160、150、38、184號磁道

磁頭總共移動了（100-55）+（58-55）+19+21+72+70+10+112+146=498個磁道
響應一個請求平均需要移動498/9=55.3個磁道（平均尋找長度）

優缺點分析：

優點：公平；如果請求訪問的磁道比較集中的話，算法性能還算過的去
缺點：如果有大量進程競爭使用磁盤，請求訪問的磁道很分散，則FCFS在性能上很差，尋道時間長。

2.3 最短尋找時間優先（SSTF）

算法思想：SSTF算法會優先處理的磁道是與當前磁頭最近的磁道。可以保證每次的尋道時間最短，但是并不能保證總的尋道時間最短。（其實就是貪心算法的思想，只是選擇眼前最優，但是總體未必最優）

手動模擬：

假設磁頭的初始位置是100號磁道，有多個進程先后陸續地請求訪問55、58、39、18、90、160、150、38、184號磁道

磁頭總共移動了（100-18）+（184-18）=248個磁道
響應一個請求平均需要移動248/9=27.5個磁道（平均尋找長度）

優缺點分析：

優點：性能較好，平均尋道時間短
缺點：可能產生“饑餓”現象

產生饑餓的原因在于：磁頭在一個小區域內來回來去地移動

Eg：本例中，如果在處理18號磁道的訪問請求時又來了一個38號磁道的訪問請求，處理38號磁道的訪問請求時又來了一個18號磁道的訪問請求。如果有源源不斷的18號、38號磁道的訪問請求到來的話，150、160、184號磁道的訪問請求就永遠得不到滿足，從而產生“饑餓”現象。

2.4 掃描算法（SCAN）

算法思想：SSTF算法會產生饑餓的原因在于：磁頭有可能在一個小區域內來回來去地移動。為了防止這個問題，可以規定，只有磁頭移動到最外側磁道的時候才能往內移動，移動到最內側磁道的時候才能往外移動。這就是掃描算法（SCAN）的思想。由于磁頭移動的方式很像電梯，因此也叫電梯算法。

手動模擬：

假設某磁盤的磁道為0~200號，磁頭的初始位置是100號磁道，且此時磁頭正在往磁道號增大的方向移動，有多個進程先后陸續地請求訪問55、58、39、18、90、160、150、38、184號磁道

磁頭總共移動了（200-100）+（200-18）=282個磁道
響應一個請求平均需要移動282/9=31.3個磁道（平均尋找長度）

優缺點分析：

優點：性能較好，平均尋道時間較短，不會產生饑餓現象
缺點：

只有到達最邊上的磁道時才能改變磁頭移動萬問，事實上，處理184號磁道的訪問請求之后就不需要再往右移動磁頭了。

SCAN算法對于各個位置磁道的響應頻率不平均（如：假設此時磁頭正在往右移動，且剛處理過90號磁道，那么下次處理90號磁道的請求就需要等磁頭移動很長一段距離；而響應了184號磁道的請求之后，很快又可以再次響應184號磁道的請求了）

2.5 LOOK 調度算法

算法思想：掃描算法（SCAN）中，只有到達最邊上的磁道時才能改變磁頭移動方向，事實上，處理了184號磁道的訪問請求之后就不需要再往右移動磁頭了。LOOK調度算法就是為了解決這個問題，如果在磁頭移動方向上已經沒有別的請求，就可以立即改變磁頭移動方向。（邊移動邊觀察，因此叫LOOK）

手動模擬：

假設某磁盤的磁道為0~200號，磁頭的初始位置是100號磁道，且此時磁頭正在往磁道號增大的方向移動，有多個進程先后陸續地請求訪問55、58、39、18、90、160、150、38、184號磁道

磁頭總共移動了（184-100）+（184-18）=250個磁道
響應一個請求平均需要移動250/9=27.5個磁道（平均尋找長度）

優缺點分析：
優點：比起SCAN算法來，不需要每次都移動到最外側或最內側才改變磁頭萬問，使尋道時間進一步縮短

2.6 循環掃描算法（C-SCAN）

算法思想：SCAN算法對于各個位置磁道的響應頻率不平均，而C-SCAN算法就是為了解決這個問題。規定只有磁頭朝某個特定方向移動時才處理磁道訪問請求，而返回時直接快速移動至起始端而不處理任何請求。

手動模擬：

假設某磁盤的磁道為0~200號，磁頭的初始位置是100號磁道，且此時磁頭正在往磁道號增大的方向移動，有多個進程先后陸續地請求訪問55、58、39、18、90、160、150、38、184號磁道

磁頭總共移動了（200-100）+（200-0）+（90-0）=390個磁道
響應一個請求平均需要移動390/9=43.3個磁道（平均尋找長度）

優缺點分析：

優點：比起SCAN來，對于各個位置磁道的響應頻率很平均。
缺點：只有到達最邊上的磁道時才能改變磁頭移動方向，事實上，處理了184號磁道的訪問請求之后就不需要再往右移動磁頭了；并且，磁頭返回時其實只需要返回到18號磁道即可，不需要返回到最邊緣的磁道。另外，比起SCAN算法來，平均尋道時間更長。

2.7 C-LOOK 調度算法

算法思想：C-SCAN算法的主要缺點是只有到達最邊上的磁道時才能改變磁頭移動方向，并且磁頭返回時不一定需要返回到最邊緣的磁道上。C-LOOK算法就是為了解決這個問題。如果磁頭移動的方向上已經沒有磁道訪問請求了，就可以立即讓磁頭返回，并且磁頭只需要返回到有磁道訪問請求的位置即可。

手動模擬：

假設某磁盤的磁道為0~200號，磁頭的初始位置是100號磁道，且此時磁頭正在往磁道號增大的方向移動，有多個進程先后陸續地請求訪問55、58、39、18、90、160、150、38、184號磁道

磁頭總共移動了（184-100）+（184-18）+（90-18）=322個磁道
響應一個請求平均需要移動322/9=35.8個磁道（平均尋找長度）

優缺點分析：

優點：比起C-SCAN算法來，不需要每次都移動到最外側或最內側才改變磁頭方向，使尋道時間進一步縮短

2.8 磁盤調度算法小結

3 減少磁盤延遲時間的方法

問題：磁頭讀入一個扇區數據后需要一小段時間處理，如果邏輯上相鄰的扇區在物理上也相鄰，則讀入幾個連續的邏輯扇區，可能需要很長的“延遲時間”
簡言之就是讀完一個扇區，不能立刻讀下一個，而磁盤在旋轉，要讀相鄰的扇區，就是等這一轉轉完

3.1 交替編號

若采用交替編號的策略，即讓邏輯上相鄰的扇區在物理上有一定的間隔，可以使讀取連續的邏輯扇區所需要的延遲時間更小。

思考：為什么？磁盤的物理地址是（柱面號，盤面號，扇區號）而不是（盤面號，柱面號，扇區號）

（盤面號，柱面號，扇區號）讀完本轉區域再讀相鄰區域時，需要啟動磁頭臂，將磁頭移動到下一個磁道；

（柱面號，盤面號，扇區號）讀完本轉區域再讀相鄰區域時，由于柱面號/磁道號相同，只是盤面號不同，因此不需要移動磁頭臂。只需要激活相鄰盤面的磁頭即可

答：讀取地址連續的磁盤塊時，采用（柱面號，盤面號，扇區號）的地址結構可以減少磁頭移動消耗的時間

3.2 錯位命名

未采用錯位命名

采用錯位命名

3.3 減少磁盤延遲方法小結

4 磁盤管理

4.1 磁盤初始化

進行低級格式化（物理格式化），將磁盤的各個磁道劃分為扇區。一個扇區通常可分為頭、數據區域（如512B大小）、尾三個部分組成。管理扇區所需要的各種數據結構一般存放在頭、尾兩個部分，包括扇區校驗碼（如奇偶校驗、CRC循環冗余校驗碼等，校驗碼用于校驗扇區中的數據是否發生錯誤）

將磁盤分區，每個分區由若干柱面組成（即分為我們熟悉的C盤、D盤、E盤）

進行邏輯格式化，創建文件系統。包括創建文件系統的根目錄、初始化存儲空間管理所用的數據結構（如位示圖、空閑分區表）

4.2 引導快

計算機開機時需要進行一系列初始化的工作，這些初始化工作是通過執行初始化程序（自舉程序）完成的

初始化程序可以放在ROM（只讀存儲器）中。ROM中的數據在出廠時就寫入了，并且以后不能再修改
ROM一般在出廠時就集成到了主板之上

以前的操作系統：計算機開機時，先讀取ROM中程序并執行，完成初始化工作

初始化程序程序（自舉程序）放在ROM中存在什么問題？
萬一需要更新自舉程序，將會很不方便，因為ROM中的數據無法更改。如何解決呢？

現在的操作系統：ROM中只存放很小的“自舉裝入程序”，完整的自舉程序放在磁盤的啟動塊（即引導塊
/啟動分區）上，啟動塊位于磁盤的固定位置。
擁有啟動分區的磁盤稱為啟動磁盤或系統磁盤（C盤）

4.3 壞塊的管理

壞了、無法正常使用的扇區就是“壞塊”。這屬于硬件故障，操作系統是無法修復的。應該將壞塊標記出來，以免錯誤地使用到它

對于簡單的磁盤，可以在邏輯格式化時（建立文件系統時）對整個磁盤進行壞塊檢查，標明哪些扇區是壞扇區，比如：在FAT表上標明。（在這種方式中，壞塊對操作系統不透明）

對于復雜的磁盤，磁盤控制器（磁盤設備內部的一個硬件部件）會維護一個壞塊鏈表。
在磁盤出廠前進行低級格式化（物理格式化）時就將壞塊鏈進行初始化。
會保留一些“備用扇區”，用于替換壞塊。這種方案稱為扇區備用。且這種處理方式中，壞塊對操作系統透明。

4.4 磁盤管理小結

總結

以上是生活随笔為你收集整理的17 操作系统第四章 磁盘管理 磁盘的结构 磁盘调度算法 减少磁盘延迟时间的方法的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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