生磁盘的使用--OS

生磁盘的使用

首先认识一下磁盘是什么东西

操作系统是如何使用磁盘的？

实际上简化为三步就是

1. 磁头放在磁道上
2. 旋转磁盘
3. 磁生电进行IO读写操作

使用磁盘的最直观想法

就是往磁盘控制器写入柱面(cyl)、磁头(head)、扇区(sect)、缓存位置，然后让磁盘控制器完成磁盘读写操作

关键代码如下

void do_hd_request(void)
{
    ...
    hd_out(dev,nect,sec,head,cyl,WIN_WRITE,...);
    port_write(HD_DATA, CURRENT->buffer,256);
}
void hd_out(drive, nsect, sec, head, cyl, cmd...)
{
    port = HD_DATA;  //数据寄存器端口(0x1f0)
    outb_p(nsect, ++port);
    outb_p(sect, ++port);
    outb_p(cyl, ++port);
    outb_p(cyl>>8, ++port);
    outb_p(0xA0 | (drive<<4) | head, ++port);
    outb_p(cmd, ++port);
}

这样基本上就能使用磁盘了，但是太过复杂，用户必须要有磁头、扇区等数据，因此我们对磁盘的使用进行抽象。

通过盘块号读写磁盘(一层抽象)

通过盘块号(block)读写磁盘,磁盘驱动负责从block计算出cyl,head,sec(CHS);

问题是如何编址，才能让用户使用起来更高效，也就是block相邻的盘块可以快速的读出

磁盘访问时间主要花在寻道时间(磁头从起点开始，找到对应的磁道)

因此我们希望相邻盘块的盘块号尽量放在同一个磁道上

如何才能使相邻盘块的盘块号放在同一个磁道？我们观察一下磁盘的结构，实际上，一个磁道上有多个扇区，我们将相邻盘块放在这些扇区上，就能有效的减少寻道的次数，当第一个盘面的磁道的扇区被用完时，我们在柱面上寻找另一个磁道继续分配盘块，因为磁头是由机械臂杠控制的，所以多个磁头是同时寻道的，我们将其他盘块铺在柱面的其他磁道上，不用重新寻道，可以大大的减少时间，提高效率

盘块的计算公式为

block = C*(heads*sectors)+H*sectors+S

通过block就可以计算出C、H、S了

盘块和扇区的区别？

盘块实际上跟扇区差不多，但是操作系统可以控制盘块的大小，让磁盘一次性读取更多的数据，可以提高效率，因为数据读取非常快，但是也会造成空间浪费

代码如下

static void make_request()
{
    struct request *req;
    req = request + NR_REQUEST;
    req->sector=bh->b_blocknr<<1;
    add_request(major+blk_dev,req);
}
void do_hd_request(void)
{
    unsigned int block=CURRENT->sector;
    __asm__("div1 %4":"=a"(block),"=d"(sec):"0"(block),
            "1"(0),"r"(hd_info[dev].sect));
    __asm__("div1 %4:":"=a"(cyl),"=d"(head):"0"(block),
            "1"(0),"r"(hd_info[dev].head));
    hd_out(dev,nsect,sec,head,cyl.WIN_WRITE,...);
    ...
}

上面的代码就是根据block = C * (headssectors)+Hsectors+S公式计算出C,H,S

多个进程通过队列使用磁盘(第二层抽象)

当有多个进程要求使用磁盘时，操作系统维护一个队列保存各个进程申请的盘块号(block)，现在问题就是如何设计调度算法，才能使磁盘访问变得更高效，也就是使寻道时间减少

FCFS磁盘调度算法

• 最公平、最简单的算法

但是这种算法极其低效，因为磁盘请求毫无规律，磁头做了大量的移动，因此我们希望磁头在移动时，如果遇到请求的磁道，就顺便将其读取。

SSTF磁盘调度

• 短磁道优先，Shortest-seek-time First

磁道短的先处理，由于系统读写频繁，磁头可能在一段区域内震荡，容易出现饥饿现象

C-SCAN磁盘调度

电梯算法: 每次都划到磁道距离最大的请求处，然后在寻道过程中顺便处理磁道短的请求，例如一个电梯最高楼层有人请求，则电梯直接到达最高楼层，然后再下楼时同时接上下面楼层的请求

算法实现

static void make_request()
{
    ...
    req->sector = bh->b_blocknr<<1;
    add_request(major+blk_dev,req);
}
static void add_request(struct blk_dev_struct *dev, struct request *req)
{
    struct request *tmp = dev->current_request;
    req->next = NULL;
    cli();
    for(;tmp->next;tmp=tmp->next)
        if((IN_ORDER(tmp,req) || !IN_ORDER(tmp,tmp->next)) &&
            IN_ORDER(req, tmp->next))
            break;
    req->next = tmp->next;
    tmp->next = req;
    sti();
}
#define IN_ORDER(s1, s2)\
    ((s1)->dev<(s2)->dev||((s1)->dev==(s2)->dev\
    && (s1)->sector<(s2)->sector))

我们看一下队列插入的这段代码

for(;tmp->next;tmp=tmp->next)
    if((IN_ORDER(tmp,req) || !IN_ORDER(tmp,tmp->next)) &&
        IN_ORDER(req, tmp->next))
        break;
req->next = tmp->next;
tmp->next = req;

插入的条件有两个，第一个条件是

• tmp next
• tmp next, req next

可以想象一下，第一个条件形成的就是一个递增的队列，但是如果只有第一个条件，那这就变成了SSTF算法了，因此我们要让这个队列往下掉，也就是说不会形成一个递增的队列，当有较小的数时，我们将其插入其中，这样它就会往下掉了，相当于这条红线的作用了

生磁盘使用整理

1. 进程“得到盘块号”，算出扇区号(sector)
2. 用扇区号make req,用电梯算法add_requset
3. 进程sleep_on
4. 磁盘中断处理
5. do_hd_request算出cyl,head,sectot
6. hd_out调用outp(…)完成端口写