【组成原理-存储】磁盘及其调度算法
1 磁盘的构造和性能
1.1 磁盘的构造
- 盘片：磁盘由多个盘片组成。
- 盘面：一个盘片有两个盘面。
- 磁道：磁盘的盘面被划分成一个个磁道，一个同心圆环就是一个磁道。
- 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”。各个扇区存放的数据量相同。
- 柱面：所有盘面中相对位置（或编号）相同的磁道组成一个柱面。磁道数与柱面数相等。
- 磁头和磁臂：所有的磁头都是连在同一个磁臂上的，因此所有磁头只能“共进退”。“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。
- 地址结构：可用【柱面号（磁道号），盘面号（磁头号），扇区号】决定任意一个磁盘块的位置。
- 磁盘容量的计算公式：
磁盘容量 = 柱面数 * 每个柱面的磁道数 * 每个磁道的扇区数 * 扇区大小 - 块/簇：在 Unix 系统下，块是操作系统中最小的逻辑存储单位；在 Windows 系统下，簇是操作系统中最小的逻辑存储单位。簇和块的概念是等价的，每个簇（块）可以包括 2、4、8、16、32、64...个扇区。簇（块）是为了操作系统读写方便而设计的，它是一个逻辑概念，是操作系统与磁盘打交道的最小单位，文件所占用的空间必须是簇（块）的整数倍（若文件大小小于一簇，那么也要占一簇的空间）。
【如何理解柱面上的磁道？】如上图，该硬盘是由 3 个盘片组成，那么它就有 6 个可用的盘面和 6 个磁头（每个盘都有上下两面），而每一个盘面上都被逻辑划分为多个磁道，处在 0~5 号盘面上磁道号相同的磁道合起来就被称为一个柱面，在这里的话 0 柱面就是由 6 个盘面上的总共 6 个 0 磁道组成，但是实际使用时却不能分辨 0 磁道在哪个盘面上。为了确切指出具体的逻辑位置，需要指出该磁道在哪个盘面上。由于一个盘面对应一个磁头，因此也可以使用第几号磁头来表示磁道在哪个盘面上。
总结：当提到磁盘的一个柱面上有 6 个磁道时，就是在说该磁盘有 6 个盘面。
参考资料：（1）硬盘磁道和柱面（2）存储基础知识：扇区与块/簇 - 潇湘隐者 - 博客园
相关例题
【例 1】假定有一个磁盘组共有 100 个柱面，每个柱面上有 8 个磁道，每个盘面被划分成 8 个扇区。现有一个含 5000 个逻辑记录的文件，逻辑记录的大小与扇区一致，该文件以顺序结构的形式被存放到磁盘上。柱面、磁道、扇区的编号从 0 开始，逻辑记录的编号从 0 开始。文件信息从 0 柱面、0 磁道、0 扇区开始存放。试问，该文件编号为 3468 的逻辑记录应存放在哪个柱面的第几个磁道的第几个扇区上？
【解】题中给出每个柱面上有 8 个磁道，即：该磁盘有 8 个盘面，每个盘面有 100 个磁道，每个磁道有 8 个扇区。
现在说明数据是如何被存储在磁盘里的。因为磁头是固定在一起的，所以在存放数据时，先存满一个扇区。待 8 个扇区都存满了，意味着已存满某一盘面上的一个磁道，需要往其他盘面上的同编号磁道存放。待 8 个盘面上的所有同编号磁道存满了，也就意味着该柱面已经存满了数据。这也说明，应尽量把文件记录在同一个柱面上，这样磁头就不需要重新寻找其他磁道。
注意，本题的地址编号方式与通常习惯不同，“柱面上的第几个磁道”实际所指第几个盘面。一个柱面大小为 8 * 8 = 64 个扇区，那么有 3468 / 64 = 54...12，说明柱面号为 54（或磁道号为 54），剩余 12 个扇区。因为一个盘面有 8 个扇区，所以 12 / 8 = 1...4，说明磁道号为 1（通常习惯是写成盘面号或磁头号为 1），扇区号为 4。
【例 2】某计算机系统中的磁盘有 300 个柱面，每个柱面有 10 个磁道，每个磁道有 200 个扇区，扇区大小为 512B，则：
（1）磁盘容量为多少？
（2）若文件系统的每簇包含 2 个扇区，则簇号 100530 的磁盘物理地址是多少？
【解】（1）题中给出每个柱面上有 10 个磁道，即：该磁盘有 10 个盘面，每个盘面有 300 个磁道，每个磁道有 200 个扇区，扇区大小为 512B，则
磁盘容量 = 300 * 10 * 200 * 512 / 1024 = 3 * 105 KB。（2）与例 1 的思路类似，一个柱面大小为 10 * 200 / 2 = 1000 簇，那么有 100530 / 1000 = 100...530，说明柱面号为 100（或磁道号为 100），剩余 530 个簇。因为一个盘面有 200 / 2 = 100 个簇，所以 530 / 100 = 5...30，说明盘面号为 5，簇号为 30，转化成扇区号为 60。
【例 3】某文件系统的簇和磁盘扇区大小分别为 1KB 和 512B。若一个文件的大小为 1026B，则系统分配给该文件的磁盘空间大小是（ ）
A. 1026B
B. 1536B
C. 1538B
D. 2048B
【解】簇是操作系统与磁盘打交道的最小单位，文件所占用的空间必须是簇（本题为 1024B）的整数倍（若文件大小小于一簇，那么也要占一簇的空间）。因此一个大小为 1026B 的文件占用两个簇，即 2048B，选 D。
1.2 磁盘阵列
RAID：独立冗余磁盘阵列
| RAID 分级 | 解释 |
|---|---|
| RAID0 | 无冗余、无校验的磁盘阵列（连续多个数据块交替存放，并行读写，但没有容错能力） |
| RAID1 | 镜像磁盘阵列（两个磁盘同时读写，互为备份） |
| RAID2 | 采用海明码的磁盘阵列 |
| RAID3 | 位交叉奇偶校验的磁盘阵列 |
| RAID4 | 块交叉奇偶校验的磁盘阵列 |
| RAID5 | 无独立校验的奇偶校验的磁盘阵列 |
1.3 磁盘的性能参数
1.3.1 磁盘性能参数的概念和计算
| 性能参数 | 描述 | 公式 | 备注 |
|---|---|---|---|
| 寻道时间（寻找磁道的时间） | 在读/写数据前，将磁头移动到指定磁道所花的时间 | T = p + m*n |
启动磁头臂的时间为 p，磁头每跨越一个磁道耗时为 m，总共需要跨越 n 条磁道 |
| 延迟时间（寻找扇区的时间） | 磁头定位（寻找）到目标扇区所需要的时间 | T = (1/2)*(1/r) = 1/(2r) |
磁盘转速为 r（单位：转/分），则旋转一圈的时间为 60s/r（单位：秒）。因为在定位过程中，最多旋转 1 圈，最少不用旋转（0 圈），所以在平均情况下，需要旋转半圈，时间需除于 2 |
| （读取数据所用的）传输时间 | 从磁盘读出或向磁盘写入数据所经历的时间 | T = (b/N) / r = b/(rN) |
磁盘转速为 r（单位：转/分），此次读/写的字节数为 b，每个磁道上的字节数为 N，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是转一圈所需时间 60s/r（单位：秒） |
| （访问一个扇区的）传输时间 | 磁头扫过一个扇区所用的时间 | 传输时间 = (旋转一圈的时间 / 一条磁道的扇区总数) = (一个扇区的容量大小 / 数据传输率) |
对于磁盘的传输速率，K、M、G、T 一般是以 10 为底的单位，而不是以 2 为底！1K = 103，1M = 106，1G = 109，1T = 1012。比如 20MB/s = 20 * 106 B/s ≠ 20 * 220 B/s |
【注 1】总的平均存取时间 = 寻道时间 + 延迟时间 + 传输时间 = 寻道时间 + 转半圈寻找扇区的时间 + 读取时间。
【注 2】注意转速的单位：我们通常用 r 转/秒 或 r 转/分，但有些题目会告诉你 r 秒/转 或 r 分/转，需要小心。
【注 3】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。不过在硬件层面上可以优化。
1.3.2 提高磁盘 I/O 速度
（1）减少延迟时间
- 原理：连续读取编号相邻的扇区时，磁头读取完一个扇区后需要一段准备时间才可以读取下一个扇区，但是磁盘又在不停地旋转，不会等待磁头准备完毕才重新旋转，因此我们可以边旋转边准备，等准备好了也正好转到要读的扇区了。
- 方法：
| 盘面状况 | 方法 | 描述 |
|---|---|---|
| 一个盘面 | 交替编号 | 让编号相邻的扇区在物理上不相邻 |
| 多个盘面 | 错位命名 | 让相邻盘面的扇区编号错位 |
（2）采用磁盘高速缓存：在内存中为磁盘设置一个缓冲区，在缓冲区中保存了某些盘块的副本，类似于 Cache。
（3）提前读：若采用顺序访问方式对文件进行访问，则可以预知下一次要读写的盘块，此时可以先采取预先读的方式。
（4）延迟写：缓冲区中的数据原本须立即写回磁盘，但考虑到之后可能会有进程再次访问数据，因此不立刻将缓冲区的数据写回磁盘。
（5）优化物理块的分布：若将文件存储在同一个磁道中，则磁头不需要有多余的移动，大大节省了访问时间。
（6）虚拟盘：利用内存去模拟磁盘，称为虚拟盘或 RAM 盘。
（7）使用磁盘冗余阵列（RAID）：由于采用了并行交叉存取的方式，可使磁盘的 I/O 速度提高。
1.3.3 相关例题
【例 1】设磁盘转速为 7200 转/分，平均寻道时间为 9ms，每条磁道的平均扇区数为 400，则访问一个扇区的平均存取时间是多少？
- 旋转一圈的时间 = (60s / 7200) * 1000 = 8ms，旋转延迟时间 = 1/2 * 旋转一圈所用时间 = 4ms
- 传输时间 = 8ms / 400 = 0.02ms
- 寻道时间 = 9ms
- 平均存取时间 = 寻道时间 + 旋转延迟时间 + 传输时间 = 9ms + 4ms + 0.02ms = 13.02ms
【例 2】设磁盘的转速为 10000 转/分，平均寻道时间为 6ms，磁盘传输速率为 20MB/s，磁盘控制器延迟为 0.2ms，读取一个 4KB 扇区所需的平均时间是多少？
- 旋转一圈的时间 = (60s / 10000) * 1000 = 6ms，旋转延迟时间 = 1/2 * 旋转一圈所用时间 = 3ms
- 传输时间 = 读取时间 + 延迟时间 = (4KB) / (20MB/s) * 1000 + 0.2 = 0.2ms + 0.2ms = 0.4ms
- 寻道时间 = 6ms
- 平均存取时间 = 寻道时间 + 旋转延迟时间 + 传输时间 = 6ms + 3ms + 0.4ms = 9.4ms
【例 3】已知某磁盘的平均转速是 r 秒/转，平均寻找时间是 T 秒，每个磁道可以存储的字节数是 N，现在向该磁盘写入 b 字节的数据，采用随机寻道的方法，每道的所有扇区组成一个簇，其平均访问时间是？
- 注意“r 秒/转”即为旋转一圈的时间
- 磁道数 = 数据总量/每个磁道存储容量 = b/N
- 读写一个磁道所需时间 = 寻道时间 + 读写磁道时间 = T + r
- 注意一个磁道就作为一个簇，不用涉及定位扇区的时间（延迟时间）
- 访问一个簇平均访问时间 = 读写一个磁道所需时间 * 磁道数 = (T+r) * (b/N)
【例 4】（盘面未采用交替编号）假设磁盘的每个磁道划分为 9 个块，现在一个文件有 A, B,…, I 共 9 条记录，每条记录的大小与块的大小相等，设磁盘转速为 27ms/转，每读出一块后需要 2ms 的处理时间。若忽略其他辅助时间，且一开始磁头在即将要读 A 记录的位置，试问：若顺序存放这些记录顺序读取，处理该文件要多少时间？
【解】磁盘转速为 27ms/转，则读取每个扇区所需时间为 3ms。
读取第一个记录 A，需要花费 3ms，然后还需要 2ms 的处理时间。但记录 A 处理完成后，磁头位于记录 B 扇区的 2/3 位置，并不在记录 B 的开头。为了完整读取记录 B，必须再转接近一圈重新抵达记录 B 的开头，需要花费的时间为 27ms - 2ms = 25ms。
等到记录 B 读取并处理完成后，又是上面类似的过程，于是总结如下：
| 过程 | 时间 |
|---|---|
| 读取并处理 A | 5ms |
| 转到 B | 25ms |
| 读取并处理 B | 5ms |
| 转到 C | 25ms |
| 读取并处理 C | 5ms |
| 转到 D | 25ms |
| 读取并处理 D | 5ms |
| 转到 E | 25ms |
| 读取并处理 E | 5ms |
| 转到 F | 25ms |
| 读取并处理 F | 5ms |
| 转到 G | 25ms |
| 读取并处理 G | 5ms |
| 转到 H | 25ms |
| 读取并处理 H | 5ms |
| 转到 I | 25ms |
| 读取并处理 I | 5ms |
所以一共花费的时间为 8 * 25ms + 9 * 5ms = 245ms。
【例 5】（盘面采用交替编号）一个交叉存放信息的磁盘，信息存放方式如下图所示。每个磁道有 8 个扇区，每个扇区 512B，旋转速度为 3000 转/分。假定磁头已在读取信息的磁道上，0 扇区转到磁头下需要 1/2 转，且设备对应的控制器不能同时进行输入/输出，在数据从控制器传送全内存的这段时间内，从磁头下通过的扇区数为 2。请回答：
（1）依次读取一个磁道上的所有扇区需要多少时间？
（2）该磁盘的数据传输率是多少？
【解】（1）旋转速度为 3000 转/分，即 20ms/转，每个扇区的读取时间为 20/8 = 2.5ms。
过程如下表所示：
| 过程 | 时间 |
|---|---|
| 0 扇区转到磁头下 | 10ms |
| 读取 0 扇区 | 2.5ms |
| 转到 1 扇区（此时正在传输 0 扇区数据） | 5.0ms |
| 读取 1 扇区 | 2.5ms |
| 转到 2 扇区（此时正在传输 1 扇区数据） | 5.0ms |
| 读取 2 扇区 | 2.5ms |
| 转到 3 扇区（此时正在传输 2 扇区数据） | 5.0ms |
| 读取 3 扇区 | 2.5ms |
| 转到 4 扇区（此时正在传输 3 扇区数据） | 5.0ms |
| 读取 4 扇区 | 2.5ms |
| 转到 5 扇区（此时正在传输 4 扇区数据） | 5.0ms |
| 读取 5 扇区 | 2.5ms |
| 转到 6 扇区（此时正在传输 5 扇区数据） | 5.0ms |
| 读取 6 扇区 | 2.5ms |
| 转到 7 扇区（此时正在传输 6 扇区数据） | 5.0ms |
| 读取 7 扇区 | 2.5ms |
| 传输 7 扇区数据 | 5.0ms |
依次读取一个磁道上的所有扇区的时间：10ms + (2.5ms + 5.0ms) * 8 = 70ms。
（2）每个磁道有 8 个扇区，每个扇区 512B，则一个磁道数据大小为 8 * 512B = 4KB。
故数据传输率为 4KB / 70ms = 58.5kB/s。
2 磁盘的调度算法
| 算法 | 缺点 |
|---|---|
| 先来先服务算法（FCFS） | ~ |
| 最短寻找时间优先算法（SSTF） | 可能导致饥饿 |
| 扫描算法（SCAN，电梯算法） | 对于各个位置磁道的响应频率不平均 |
| 循环扫描算法（C-SCAN） | ~ |
假设在一个磁盘上，有 1000 个柱面，编号从 0~999，用下面的算法计算为了满足磁盘队列中的所有请求，磁盘臂必须移动过的磁道数目。假设最后服务的请求时在磁道 345 上，并且读写头正在朝磁道 0 移动。在按 FIFO 顺序排列的队列中包含了如下磁道上的请求：123,874,692,475,105,376。
2.1 先来先服务算法（FCFS）
- 算法思路：根据进程请求访问磁盘的先后顺序进行调度。
- 序列：123,874,692,475,105,376
- 算法运行：（假设最后服务的请求时在磁道 345 上）
| 磁头 | 磁道访问的顺序 |
|---|---|
| 磁头移动 | 345,123,874,692,475,105,376 |
- 磁头总共移动的磁道数 = (345-123)+(874-123)+(874-692)+(692-475)+(475-105)+(376-105) = 2013
2.2 最短寻找时间优先算法（SSTF）
- 算法思路：优先处理与当前磁头最近的磁道（贪心思想）。
- 序列：123,874,692,475,105,376
- 算法运行：（假设最后服务的请求时在磁道 345 上）
| 磁头 | 磁头位置 |
|---|---|
| 初始 | 345 |
| 磁头最近的磁道 | 376 |
| 磁头最近的磁道 | 475 |
| 磁头最近的磁道 | 692 |
| 磁头最近的磁道 | 874 |
| 磁头最近的磁道 | 123 |
| 磁头最近的磁道 | 105 |
- 磁头总共移动的磁道数 = (874-345)+(874-105) = 1298
2.3 扫描算法（SCAN，电梯算法）
- 算法思路：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。 - 序列：123,874,692,475,105,376
- 算法运行：（假设最后服务的请求时在磁道 345 上，并且读写头正在朝磁道 0 移动）
| 磁头 | 磁道访问的顺序 |
|---|---|
| 磁头朝磁道 0 移动 | 345,123,105,0 |
| 磁头朝磁道 999 移动 | 0,376,475,692,874 |
- 磁头总共移动的磁道数 = (345-0)+(874-0) = 1219
2.4 LOOK 调度算法
- 算法思路：基于扫描算法，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。
- 序列：123,874,692,475,105,376
- 算法运行：（假设最后服务的请求时在磁道 345 上，并且读写头正在朝磁道 0 移动）
| 磁头 | 磁道访问的顺序 |
|---|---|
| 磁头朝磁道 0 移动 | 345,123,105 |
| 没有更小的磁道号，磁头朝磁道 999 移动 | 105,376,475,692,874 |
- 磁头总共移动的磁道数 = (345-105)+(874-105) = 1009
2.5 循环扫描算法（C-SCAN）
- 算法思路：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。
- 序列：123,874,692,475,105,376
- 算法运行：（假设最后服务的请求时在磁道 345 上，并且读写头正在朝磁道 0 移动）
| 磁头 | 磁道访问的顺序 |
|---|---|
| 磁头朝磁道 0 移动 | 345,123,105,0 |
| 磁头回滚至 999，朝磁道 0 移动 | 0,999,874,692,475,376 |
- 磁头总共移动的磁道数 = (345-0)+(999-0)+(999-376) = 1967
2.6 C-LOOK 调度算法
- 算法思路：基于循环扫描算法，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。
- 序列：123,874,692,475,105,376
- 算法运行：（假设最后服务的请求时在磁道 345 上，并且读写头正在朝磁道 0 移动）
| 磁头 | 磁道访问的顺序 |
|---|---|
| 磁头朝磁道 0 移动 | 345,123,105 |
| 没有更小的磁道号，磁头朝磁道 0 移动 | 105,874,692,475,376 |
- 磁头总共移动的磁道数 = (345-105)+(874-105)+(874-376) = 1507
3 磁盘的管理
3.1 磁盘的初始化
- 低级格式化（物理格式化）：将磁盘的各个磁道划分为扇区。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）。
- 磁盘分区：每个分区由一个或多个柱面组成（即分为我们熟悉的 C盘、D盘、E盘）。
- 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。
3.2 引导块和操作系统引导过程
3.2.1 引导块（初始块）
- 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（即 boot 程序，或自举程序）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。
- 拥有启动分区的磁盘称为启动磁盘或系统磁盘。
- 引导硬盘和非引导硬盘：即装了操作系统的硬盘和没有装操作系统的硬盘。
3.2.2 操作系统引导过程
- 激活 CPU：CPU 读取 ROM 中的 boot 程序，开始执行 BIOS 的指令。
- 硬件自检：启动 boot 程序后，检查硬件是否有故障。
- 加载带有操作系统的硬盘：硬件自检后，BIOS 读取 boot sequence，把控制权交给启动顺序排在第一位的存储设备。若发现该存储设备是非引导硬盘，则去检查下一个存储设备，如果找不到引导硬盘，则宕机。
- 加载主引导记录 MBR：CPU 通过 MBR 去硬盘哪个主分区去找操作系统，执行磁盘引导程序，扫描分区表。
- 加载活动分区（又称主分区，即安装了操作系统的分区）：MBR 中记录哪些分区是活动分区，通过 MBR 开始加载活动分区的第一个扇区。
- 加载分区引导记录 PBR：活动分区的第一个扇区又称为 PBR，从根目录下找到完整的操作系统初始化程序（即启动管理器）并执行，完成“开机”的一系列动作。
3.3 坏块
- 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。
- 对于简单结构的磁盘：逻辑格式化时将坏块标记出来。（坏块对操作系统不透明）
- 对于复杂结构的磁盘：磁盘控制器维护一个坏块链，并管理备用扇区。（坏块对操作系统透明）
4 固态硬盘
| 项目 | 描述 |
|---|---|
| 原理 | EEPROM（电可擦除 ROM） |
| 组成 | 多个闪存芯片，每个芯片有多个块，每个块有多个页 |
| 读写特性 | 以“页”为单位读写，支持随机访问（读快、写慢） |
| 擦除特性 | 以“块”为单位擦除，一个块如果被擦除次数过多会损坏 |
| 磨损均衡技术 | 动态磨损均衡（优先写入擦除次数较少的块）、静态磨损均衡（自动检测并迁移分配数据，使其寿命更长） |
| 优点 | 噪音小，读写速度快，抗震 |
| 缺点 | 造价高 |
