操作系统8-磁盘

磁盘及设备

一、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一些二进制数据。

磁盘的表面被划分为了一个个磁道，一个小圈就是一个磁道。
一个磁道又被划分成了一个个扇区，每个扇区就是一个个磁盘块，各个扇区存放的数据量相同。

最内侧的磁道上的扇区面积最小，因此数据密度最大。

1、如何在磁盘中读/写数据

需要把磁头移动到想要读/写扇区所在的磁道，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。

一个磁盘有很多盘面，每个盘面有一个磁头，这些磁头由磁头臂 统一带动往里或者往外移动。

可以使用(柱面号，盘面号，扇区号)来定位任意一个“磁盘块”

2、磁盘的分类

磁头是否可以移动分为：

• 活动头磁盘
• 固定头磁盘

盘片是否可以更换，划分为：

• 可更换的称为可还盘磁盘
• 固定盘磁盘

总结

二、磁盘调度算法

1、一次磁盘读/写需要的时间

寻找时间(寻道时间)：在读/写数据前，将磁头移动到指定磁道所花的时间，时间包括

• 1、启动刺头臂所需的时间，假设耗时为s
• 2、移动磁头也是需要花时间的，假设磁头是匀速移动的，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T = s+m*n；

延迟时间TR:通过旋转磁盘，使得磁头定位到目标扇区所需要的时间，设磁盘转速为r，则平均所需的延迟时间TR = (1/2)*(1/r) = 1/2r。
1/r就是转一圈所需的时间，找到目标扇区平均需要转半圈，因此再乘以1/2.

所以买磁盘的时候要看转速，速度越快，读写越快

传输时间：从磁盘读出或者向磁盘写入数据所需的时间，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 = (1/r)*(b/N)=b/(rN)

每个磁道可以存N字节数据，因此b字节的数据需要b/N个磁道才能存储，而读写一个磁道所需的时间刚好又是一转所需的时间1/r。

延迟时间和传输时间都与磁盘转速有关，而转速是硬件的固有熟悉，因此操作系统无法优化延迟时间和传输时间。

2、先来先服务算法

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在100磁道，有多个进程新后陆续在请求访问55、58、39、18、90、160、150、38、184磁道

通过计算得到磁头总共移动了45+3+19+21+72+70+10+112+146=498个磁道

3、最短寻找时间优先(SSTF)

SSTF算法会优先处理的磁道是当前磁头最近的磁道，可以保证每次的寻道时间最短，但是不能保证总的寻道时间最短。(其实就是贪心，只能保证眼前最优，但未必整体最优)。

假设磁头的初始位置在100磁道，有多个进程新后陆续在请求访问55、58、39、18、90、160、150、38、184磁道
总共移动了248个磁道

4、扫描算法

只有磁头移动到最外侧磁道才能往内移动，移动到最内侧磁道才能往外侧移动。

假设磁头的初始位置在100磁道，有多个进程新后陆续在请求访问55、58、39、18、90、160、150、38、184磁道

总共移动了282个磁道

5、LOOK调度算法

如果在磁头移动方向上没有其他请求，可以立即改变磁头移动方向。

假设磁头的初始位置在100磁道，有多个进程新后陆续在请求访问55、58、39、18、90、160、150、38、184磁道

6、循环扫描算法(c-scan)

规定磁头朝某个特定方向移动的时候才处理磁道上面的请求，而返回的时候直接快速到起始端而不处理任何请求。

假设磁头的初始位置在100磁道，有多个进程新后陆续在请求访问55、58、39、18、90、160、150、38、184磁道

总共移动(200-100+200+90-0)=390个磁道

7、C-Look调度算法

如果磁头移动方向上已经没有磁到访问请求了，就可以立即让磁头返回，并且只需返回到有磁道访问请求的位置即可

总结

三、减少磁盘延迟时间的方法

磁盘读入一个扇区数据之后需要一小段时间进行处理，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”

可以使用==交替编号(使逻辑上相邻的在物理上有一定的间隔)==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的时间延迟更小。

为什么柱面号要在盘面号之前？

• 因为读取地址连续的磁盘块的时候，使用(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，因为如果柱面号相同，扇区号相同，那么只需要激活不同盘面的磁头即可。

总结

四、磁盘管理

1、磁盘初始化

• 1、低级格式化(物理格式化)，将磁盘的各个磁道划分为扇区，一个扇区可以分为头、数据区域、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，包括扇区校验码等，校验码用于校验扇区中的数据是否发生了错误。
• 2、将磁盘进行分区，每个分区由若干柱面组成(即分为我们熟悉的C、D、E盘)
• 3、进行逻辑格式化，创建文件系统，包括创建文件系统根目录、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、 引导块，计算机开机的时候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中的数据在出厂的时候就写入了，并且以后不能再修改。
  

2、坏块的管理

所谓坏块就是坏了、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，以免错误使用到它。

对于简单的磁盘，可以在逻辑格式化的时候(建立文件系统的时候)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。

对于复杂的磁盘，磁盘控制器会维护一个坏块链表。
在磁盘出厂前进行低级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。

总结

设备

1、I/O设备的概念和分类

什么是IO设备

”IO“设备就是“输入/输出”
IO设备就是可以将数据输入(如鼠标、键盘就是典型的输入型设备)到计算机或者接收计算机输出数据的外部设备(显示器-输出型设备)，属于计算机的硬件部件。

UNIX系统将外部设备抽象成一种特殊的文件，用户可以使用与文件操作相同的方式对外部设备进行操作。

• write操作：向外部设备写出数据
• read操作：从外部设备读入数据

I/O设备的分类-按使用特性

• 1、人机交互类外部设备
• 2、存储设备
• 3、网络通信设备

IO设备的分类-按传输速率分类

• 1、低速设备
• 2、中速设备
• 3、高速设备

IO设备的分类-按信息交换的单位分类

• 块设备(传输速率较高，可寻址，即对它可随机的读/写任一块。)
• 字符设备
  

总结

IO控制器

IO设备的组成：

• 机械部件
• 电子部件(IO控制器、设备控制器)

IO设备的机械部件主要用来执行具体的IO操作
比如我们看得见摸得着的鼠标/键盘的按钮，显示屏的LED，移动硬盘的磁臂、磁盘盘面。

IO设备的电子部件通常是一块插入主板扩充槽的印刷电路板。

IO设备的电子部件

CPU无法直接控制IO设备的机械部件，因此IO设备还需要一个电子部件作为CPU和IO设备机械部件之间的中介，用于实现CPU队设备的控制。

这个电子部件就是IO控制器，又称为设备控制器，CPU可以控制IO控制器，又由IO控制器来控制设备的机械部件。

IO控制器的功能：

• 接受和识别CPU发出的命令
  如CPU发来的read/write命令，IO控制器中会有相应的控制寄存器来存放命令和参数。

• 向CPU报告设备的状态

• 数据交换

• 地址识别

IO控制器的组成

• CPU与控制器之间的接口
• IO逻辑
• 控制器与设备的借口

总结

IO控制方式

• 1、程序直接控制方式
• 2、中断驱动方式
• 3、DMA方式
• 4、通道控制方式

学习的时候需要考虑的问题有：

• 1、完成一次读/写操作的流程
• 2、CPU干预的频率
• 3、数据传送的单位
• 4、数据的流向
• 5、主要缺点和主要优点

1、程序直接控制方式

• 完成一次读/写操作的流程
• CPU干预很频繁，IO操作开始之前，完成之后需要CPU介入，并且在等待IO完成的过程中CPU需要不断的轮询检查。
• 数据传送的单位，每次读/写是一个字
• 数据流向
  读操作(数据输入)：IO设备-》CPU寄存器-〉内存
  写操作(数据输出)：内存-》CPU寄存器-〉IO设备
• 优点：实现简单，
• 缺点：CPU和IO设备只能串行工作，CPU需要一直轮询检查，长期处于忙等状态，CPU利用率低。
  完成一次读/写操作的流程

2、中断驱动方式

引入中断机制，由于IO设备速度很慢，因此在CPU发出读/写命令之后，可将等待IO的进程阻塞，先切换到别的进行运行，当IO结束之后，控制器会向CPU发出一个中断信号，CPU检测到中断信号后，会保存当前进程的运行环境信息，转去执行中断处理程序处理该中断。

3、DMA方式(传送单位是块)

之前的读/写操作都必须经过CPU，DMA不再经过CPU

• 1、数据的传送单位是“块”，不再是一个字、一个字传送
• 2、数据的流向是从设备直接放入内存，或者从内存直接到设备，不需要CPU作为”快递小哥“

4、通道控制方式

通道：一种硬件，可以理解为弱鸡版的CPU，通道可以识别并执行一系列通道指令

总结