操作系统 —— 磁盘

磁盘的结构

磁盘、磁道、扇区

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 : 磁盘的盘面被划分成一个个磁道， 一个圈就是一个磁道。

扇区 : 每一个磁道被划分成一个个扇区，每个扇区就是一个个 " 数据块 "，各个扇区存放的数据量相同。

• 最内侧磁道上的扇区面积最小, 因此数据密度最大

如何在磁盘中读/写数据

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。

盘面、柱面

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 ”。

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。

磁盘的分类

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。

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。

---

盘片可以更换的称为可换盘磁盘。

盘片可以更换的称为固定盘磁盘。

磁盘调度算法

一次磁盘读/写操作需要的时间

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。

优点：公平；如果请求访问的磁道比较集中的话，算法性能还算过得去。

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）

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。

产生饥饿的原因在于：

磁头在一个小区域内来回来去地移动。

扫描算法（SCAN）

为了防止饥饿问题，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。

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。

② SCAN算法对于各个位置磁道的响应频率不平均

Eg：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

相对于扫描算法，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。

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。

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。

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。

减少延迟的方法

磁头读入一个扇区数据后需要一小段时间处理，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”

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。

磁盘地址结构的设计

磁盘的物理地址是 （柱面号、盘面号、扇区号）

为什么不是 （盘面号、柱面号、扇区号）？

在读取地址连续的磁盘块时，可以减少磁头移动消耗的时间。

错位命名

让相邻盘面的扇区编号 “错位”。

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。

初始化程序 ( 自举程序 ) 如果直接放在ROM（只读存储器）中。ROM中的数据在出厂时就写入了。并且以后不能再修改，会很不方便。

解决方法：

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

坏块的处理

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，以免错误地使用到它。

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。