操作系统——磁盘

磁盘的结构

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

磁盘表面被划分成一个个隧道，一个圈就是一个隧道。

扇区

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，每个扇区存放的数据量相同。
最内侧的扇区面积最小，数据密度最大。

可以用（柱面号，盘面号，扇区号）来定位任意一个“磁盘块”
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。

磁盘的分类：

根据磁头是否的数量分类：

1、活动头磁盘：
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，每个盘面只有一个磁头。

3、固定头磁盘：
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。

根据磁盘是否可以更换分类：

1、可换盘磁盘
盘片可以更换

2、固定盘磁盘
盘片不可更换

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一次磁盘读/写操作需要花费的时间：

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，每跨越一个磁道耗时为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)x(1/r)= 1/(2r)
传输时间T: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:
传输时间Tt=(1/r)x(b/N) = b/(rN)

总的平均存取时间Tt=Ts +1/2r + b/(rN)

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磁盘调度算法

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，算法性能还可以。
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

例题

2、最短寻找时间算法（SSTF）

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。

优点： 性能较好，平均寻道时间短
缺点： 可能产生饥饿现象

例题

3、扫描算法（SCAN）

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。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。
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)

例题

4、LOOK调度算法

在scan算法的基础上，如果磁头移动方向上没有别的请求，就可以立刻改变磁头方向

优点： 与SCAN算法相比，不需要每次都移动到最外侧或者最内侧，缩短了寻道时间。

例题

5、循环扫描算法（C-SCAN）

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。

例题

6、C-LOOK调度算法

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

例题

减少磁盘读数据延迟时间过长的方法：

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。

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)
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

错位命名

若采用错位命名的策略，即让位于不同盘面上逻辑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。

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磁盘的管理

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)

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。
ROM中只存放很小的“自举装入程序”
完整的自举程序存放在磁盘的启动块（即引导块/启动分区上），启动块位于磁盘的固定位置。拥有启动块的磁盘称为启动磁盘/系统磁盘/C:盘。
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

坏块的管理

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。