操作系统复习-4.3 磁盘组织与管理

4.3.1 磁盘的结构

磁盘（Disk）是由表面涂有磁性物质的金属或塑料构成的圆形盘片，通常一个称为磁头的导体线圈从磁盘中存取数据。在读/写操作期间，磁头固定，磁盘在下面高速旋转。磁盘的盘面上的数据存储在一组同心圆中，称为磁道。每个磁道与磁头一样宽，一个盘面上有上千个磁道。磁道又划分为几百个扇区，每个扇区固定存储大小（通常为512B），一个扇区称为一个盘块。相邻磁道及相邻扇区间通过一定的间隙分隔开，以避免精度错误。由于扇区按固定圆心角划分，所以密度从最外道向里道增加，磁盘的存储能力受限于最内道的最大记录密度。

磁盘安装在一个磁盘驱动器中，它由磁头臂、用于旋转磁盘的主轴和用于数据输入/输出的电子设备组成。多个盘片垂直堆叠，组成磁盘组，每个盘面对应一个磁头，所有磁头固定在一起，与磁盘中心的距离相同且一起移动。所有盘片上相对位置相同的磁道组成柱面。安装这种物理结构组织，扇区就是磁盘可寻址的最小存储单位，磁盘地址用“柱面号 ● 盘面号 ● 扇区号（或块号）”表示。

磁盘按不同方式可以分为若干类型：磁头相对于盘片的径向方向固定的称为固定头磁盘，每个磁道一个磁头；磁头可移动的称为活动头磁盘，磁头臂可以来回伸缩定位磁道。磁盘永久固定在磁盘驱动器内的称为固定盘磁盘；可移动和替换的称为可换盘磁盘。

4.3.2 磁盘调度算法

一次磁盘读写操作的时间由寻找（寻道）时间、延迟时间和传输时间决定：
1）寻找时间Ts： 活动头磁盘在读写信息前，将磁头移动到指定磁道所需要的时间。这个时间除跨越n条磁道的时间外，还包括启动磁臂的时间s，即

Ts = m × n + s

式中，m是与磁盘驱动器速度有关的常数，约为0.2ms，磁臂的启动时间约为2ms。
2）延迟时间Tr： 磁头定位到某一磁道的扇区（块号）所需要的时间，设磁盘的旋转速度为r，则

Tr = 1/2r

对于硬盘，典型的旋转速度为5400r/m，相当于一周11.1m，则Tr为5.55ms；对于软盘，其旋转速度在300600r/m之间，则Tr为50100ms。
3）传输时间Tt： 从磁盘读出或向磁盘写入数据所经历的时间，这个时间取
4000
决于每次所读/写的字节数b和磁盘的旋转速度：

Tt = b/rN

式中，r为磁盘每秒钟的转数；N为一个磁道上的字节数。

在磁盘存取时间的计算中，寻道时间与磁盘调度算法相关，下面将介绍分析几种算法，而延迟时间和传输时间都与磁盘旋转速度相关，且为线性相关，所以在硬件上，转速是磁盘性能的一个非常重要的参数。

总平均存取时间Ta可以表示为

Ta = Ts + 1/2r + b/rN

虽然给出了总平均存取时间的公式，但是这个平均值是没有太大实际意义的，因为在实际的磁盘I/O操作中，存取时间与磁盘调度算法密切相关。调度算法直接决定寻找时间，从而决定了总的存取时间。

目前常用的磁盘调度算法有以下几种：
（1）先来先服务（First Come First Served，FCFS）算法

FCFS算法根据进程请求访问磁盘的先后顺序进行调度，这是一种简单的调度算法。该算法的优点是具有公平性。如果只有少数进程需要访问，且大部分请求都是访问簇的文件扇区，则有望达到较好的性能；如果有大量进程竞争使用磁盘，那么这种算法在性能上往往接近于随机调度。所以，时间磁盘调度中考虑一些更为复杂的调度算法。
（2）最短寻找时间优先（Shortest Seek Time First，SSTF）算法

SSTF算法选择调度处理的磁道是与当前磁头所在磁道距离最近的磁道，以使每次的寻找时间最短。当然，总是选择最小寻找时间并不能保证平均寻找时间最小，但是能提供比FCFS算法更好的性能。这种算法会产生“饥饿”现象。
（3）扫描（SCAN）算法（又称电梯算法）

SCAN算法在磁头当前移动方向上选择与当前磁头所在磁盘距离最近的请求作为下一次服务的对象，实际上就是在最短寻找时间优先算法的基础上规定了磁头运动的方向。由于磁头移动规律与电梯运行相似，故又称为电梯调度算法。SCAN算法对最近扫描过的区域不公平，因此，它在访问局部性方面不如FCFS算法和SSTF算法好。
（4）循环扫描（Circular SCAN，C-SCAN）算法

在扫描算法的基础上规定磁头单向移动来提供服务，回返时直接快速移动至起始端而不服务任何请求。由于SCAN算法偏向于处理那些接近最里面或最外面的磁道的访问请求，所以使用改进型的C-SCAN算法来避免这个问题。

采用SCAN算法和C-SCAN算法时磁头总是严格地遵守从盘面的一端到另一端，显然，在实际使用时还可以改进，即磁头移动只需要到达最远端的一个请求即可返回，不需要到达磁盘断点。这种形式的SCAN算法和C-SCAN算法称为LOOK和C-LOOK调度。这是因为它们在朝一个给定方向移动前会查看是否有请求。

对比以上几种磁盘调度算法，FCFS算法太过简单，性能较差，仅在请求队列长度接近于1时才较为理想；SSTF算法较为通用和自然；SCAN算法和C-SCAN算法算法在磁盘负载较大时比较占优势。他们之间的比较见下表。

算法	优点	缺点
FCFS算法	公平、简单	平均寻道距离大，仅应用在磁盘I/O较少的场合
SSTF算法	性能比“先来先服务”好	不能保证平均寻道时间最短，可能出现“饥饿”现象
SCAN算法	寻道性能较好，可避免“饥饿”现象	不利于远离磁头一端的访问请求
C-SCAN算法	清除了对两端磁道请求的不公平

除减少寻找时间外，减少延迟时间也是提高磁盘传输效率的重要因素。可以对盘面扇区进行交替编号，对磁盘片组中的不同盘面错位命名。

磁盘是连续自转设备，磁头读/写一个物理块后，需要经过短暂的的处理时间才能开始读/写下一块。假设逻辑记录数据连续存放，则连续读/写多个记录时能减少磁头的延迟时间；同柱面不同盘面的扇区若能错位编号，连续读/写相邻两个盘面的逻辑记录时也能减少磁头延迟时间。

磁盘寻块时间分为三个部分，寻道时间、延迟时间和传输时间，寻道时间和延迟时间属于“找”的时间，凡是“找”的时间可以通过一定的方法削减，但传输时间是磁盘本身性质所决定的，不能通过一定的措施减少。

4.3.3 磁盘的管理

1. 磁盘初始化

一个新的磁盘只是一个含有磁性记录材料的空白盘。在磁盘能存储数据之前，它必须分成扇区以便磁盘控制器能进行读和写操作，这个过程称为低级初始化（物理分区）。低级初始化为磁盘的每个扇区采用特别的数据结构。每个扇区的数据结构通常由头、数据区域（通常为512B大小）和尾部组成。头部和尾部包含一个初始化为空的目录。

2. 引导块

计算机启动时需要运行一个初始化程序（自举程序），它初始化CPU、寄存器、设备控制器和内存等，接着启动操作系统。为此，该自举程序应找到磁盘上的操作系统内核，装入内存，并转到起始地址，从而开始操作系统的运行。

自举系统通常保存在ROM中，为了避免改变自举代码需要改变ROM硬件的问题，故只在ROM中保留很小的自举装入程序，将完整功能的自举程序保存在磁盘的启动块上，启动块位于磁盘的固定位。拥有启动分区的磁盘称为自动磁盘或者系统磁盘。

3. 坏块

由于磁盘有移动部件且容错能力弱，所以容易导致一个或多个扇区损坏。部分磁盘甚至从出厂时就有坏扇区。根据所使用的磁盘和控制器，对这些块有多种处理方式。

对于简单磁盘，如电子集成驱动器（IDE）。坏扇区可手工处理，如MS-DOS的Format命令执行逻辑格式化时便会扫描磁盘以检查坏扇区。坏扇区在FAT表会标明，因此程序不会使用。

对于复杂的磁盘，如小型计算机系统接口（SCSI），其控制器维护一个磁盘坏块链表，该链表在出厂前进行低级格式化时就初始化了，并在磁盘的整个使用过程中不断更新。低级格式化将一些块保留作为备用，对操作系统透明。控制器可以用块来逻辑地替代坏块，这种方案称为扇区备用。

对坏块的处实质上就是用某种机制，使系统不去使用坏块。坏块属于硬件故障，操作系统是不能修复坏块的。