磁盤及設備

一、磁盤的結構

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一些二進制數據。

磁盤的表面被劃分爲了一個個磁道，一個小圈就是一個磁道。
一個磁道又被劃分成了一個個扇區，每個扇區就是一個個磁盤塊，各個扇區存放的數據量相同。

最內側的磁道上的扇區面積最小，因此數據密度最大。

1、如何在磁盤中讀/寫數據

需要把磁頭移動到想要讀/寫扇區所在的磁道，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。

一個磁盤有很多盤面，每個盤面有一個磁頭，這些磁頭由磁頭臂統一帶動往裏或者往外移動。

可以使用(柱面號，盤面號，扇區號)來定位任意一個“磁盤塊”

2、磁盤的分類

磁頭是否可以移動分爲：

活動頭磁盤
固定頭磁盤

盤片是否可以更換，劃分爲：

可更換的稱爲可還盤磁盤
固定盤磁盤

總結

二、磁盤調度算法

1、一次磁盤讀/寫需要的時間

尋找時間(尋道時間)：在讀/寫數據前，將磁頭移動到指定磁道所花的時間，時間包括

1、啓動刺頭臂所需的時間，假設耗時爲s
2、移動磁頭也是需要花時間的，假設磁頭是勻速移動的，每跨越一個磁道耗時爲m，總共需要跨越n條磁道，

尋道時間T = s+m*n；

延遲時間TR:通過旋轉磁盤，使得磁頭定位到目標扇區所需要的時間，設磁盤轉速爲r，則平均所需的延遲時間TR = (1/2)*(1/r) = 1/2r。
1/r就是轉一圈所需的時間，找到目標扇區平均需要轉半圈，因此再乘以1/2.

所以買磁盤的時候要看轉速，速度越快，讀寫越快

傳輸時間：從磁盤讀出或者向磁盤寫入數據所需的時間，假設磁盤轉速爲r，此次讀/寫的字節數爲b，每個磁道上的字節數爲N。則：傳輸時間 = (1/r)*(b/N)=b/(rN)

每個磁道可以存N字節數據，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一轉所需的時間1/r。

延遲時間和傳輸時間都與磁盤轉速有關，而轉速是硬件的固有熟悉，因此操作系統無法優化延遲時間和傳輸時間。

2、先來先服務算法

根據進程請求訪問磁盤的先後順序進行調度。

假設磁頭的初始位置在100磁道，有多個進程新後陸續在請求訪問55、58、39、18、90、160、150、38、184磁道

通過計算得到磁頭總共移動了45+3+19+21+72+70+10+112+146=498個磁道

3、最短尋找時間優先(SSTF)

SSTF算法會優先處理的磁道是當前磁頭最近的磁道，可以保證每次的尋道時間最短，但是不能保證總的尋道時間最短。(其實就是貪心，只能保證眼前最優，但未必整體最優)。

假設磁頭的初始位置在100磁道，有多個進程新後陸續在請求訪問55、58、39、18、90、160、150、38、184磁道
總共移動了248個磁道

4、掃描算法

只有磁頭移動到最外側磁道才能往內移動，移動到最內側磁道才能往外側移動。

假設磁頭的初始位置在100磁道，有多個進程新後陸續在請求訪問55、58、39、18、90、160、150、38、184磁道

總共移動了282個磁道

5、LOOK調度算法

如果在磁頭移動方向上沒有其他請求，可以立即改變磁頭移動方向。

假設磁頭的初始位置在100磁道，有多個進程新後陸續在請求訪問55、58、39、18、90、160、150、38、184磁道

6、循環掃描算法(c-scan)

規定磁頭朝某個特定方向移動的時候才處理磁道上面的請求，而返回的時候直接快速到起始端而不處理任何請求。

假設磁頭的初始位置在100磁道，有多個進程新後陸續在請求訪問55、58、39、18、90、160、150、38、184磁道

總共移動(200-100+200+90-0)=390個磁道

7、C-Look調度算法

如果磁頭移動方向上已經沒有磁到訪問請求了，就可以立即讓磁頭返回，並且只需返回到有磁道訪問請求的位置即可

總結

三、減少磁盤延遲時間的方法

磁盤讀入一個扇區數據之後需要一小段時間進行處理，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”

可以使用==交替編號(使邏輯上相鄰的在物理上有一定的間隔)==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的時間延遲更小。

爲什麼柱面號要在盤面號之前？

因爲讀取地址連續的磁盤塊的時候，使用(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，因爲如果柱面號相同，扇區號相同，那麼只需要激活不同盤面的磁頭即可。

總結

四、磁盤管理

1、磁盤初始化

1、低級格式化(物理格式化)，將磁盤的各個磁道劃分爲扇區，一個扇區可以分爲頭、數據區域、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，包括扇區校驗碼等，校驗碼用於校驗扇區中的數據是否發生了錯誤。
2、將磁盤進行分區，每個分區由若干柱面組成(即分爲我們熟悉的C、D、E盤)
3、進行邏輯格式化，創建文件系統，包括創建文件系統根目錄、初始化存儲空間管理所用的數據結構(如位示圖、空閒分區表)
-4、引導塊，計算機開機的時候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中的數據在出廠的時候就寫入了，並且以後不能再修改。