操作系统~磁盘的结构、磁盘调度算法、磁盘的管理

文章目录

磁盘的结构
- 磁盘的物理地址
磁盘调度算法
- 一次磁盘读/写操作需要的时间
- 先来先服务算法（FCFS)
- 最短寻找时间优先(SSTF)
- 扫描算法(SCAN)
- LOOK调度算法
- 循环扫描算法(C-SCAN)
- C-LOOK调度算法
磁盘管理
- 磁盘地址结构的设计
- 磁盘初始化
- 引导块

磁盘的结构

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

一个磁道又被划分成一个个扇区，每个扇区就是一个“磁盘块”。各个扇区存放的数据量相同（如1KB)

磁盘的盘面被划分成一个个磁道。这样的一个“圈”就是一个磁道

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”。

在“文件的物理结构”小节中，我们经常提到文件数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。

磁盘调度算法

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。

①启动磁头臂是需要时间的。假设耗时为s;

②移动磁头也是需要时间的。假设磁头匀速移动，每跨越个磁道耗时为m，总共需要跨越n条磁道。则:
寻道时间Ts = s+ m*n

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)
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:
总的平均存取时间T=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
但是操作系统的磁盘调度算法会直接影响寻道时间

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。

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

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。

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

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:
①只有到达最边上的磁道时丈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)

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)

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

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。

磁头总共移动了(200-100)+ (200-O)+(9o-O)= 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。

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

磁盘管理

磁盘地址结构的设计

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: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

磁盘初始化

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)

引导块

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

开机时计算机先运行“自举装入程序”，通过执行该程序就找到引导块，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)