五天自学完 王道考研-操作系统 第四章 磁盘

磁盘的结构

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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。

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磁盘调度算法

一次磁盘读/写操作需要的时间

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。
启动磁头臂是需要时间的。假设耗时为s;
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)*(1/r)= 1/2r
1/r就是转一圈需要的时间。找到目标扇区平均需要转半圈,因此再乘以1/2

传输时间 Tt: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T=(1/r)*(b/N)= b/(rN)
每个磁道要可存N字节的数据,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转一圈所需要的时间1/r

总的平均存取时间Ta = Ts + 1/2r + b/(rN)

先来先服务算法(FCFS)

优点:公平;如果请求访问的磁道比较集中的话,算法性能还算过的去
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。

最短寻找时间算法(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: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)、电梯算法

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。

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
②SCAN算法对于各个位置磁道的响应频率不平均

LOOK调度算法

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)

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
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减少磁盘延迟时间的方法

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: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

由于采用错位命名法,因此读取完磁盘块(000, 00,111)之后,还有一段时间处理,当(000, 01, 000)第一次划过1号盘面的磁头下方时,就可以直接读取数据。从而减少了延迟时间

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磁盘的管理

磁盘初始化

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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
初始化程序可以放在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。
注:ROM一般是出厂时就集成在主板上的

万一需要更新自举程序,将会很不方便,因为ROM中的数据无法更改。
ROM中只存放很小的“自举装入程序
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
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)

坏块的管理-硬件故障

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

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