磁盘和固态磁盘

磁盘的物理结构

磁盘的表面由一些磁性的物质组成，可以用这些磁性物质来记录二进制数据。磁盘的盘面被划分成一个个磁道，这样一个“圈”就是一个磁道。同一磁盘上不同磁道上记录的信息量相同，因此内侧磁道上的数据密度较大。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

如下图，所示。一个磁盘中可能会有多个盘面，一个盘面上会有不同的磁道。对于活动的头磁盘，磁臂可以来回伸缩来确定磁头定位磁道，因此每个盘面对应一个磁头。而对于一个固定头磁盘，每个盘面的每个磁道都有一个对应的磁头。

在这里插入图片描述

了解了磁道的物理结构，我们便可以用（柱面号，盘面号，扇区号）（编号的顺序不能换，在后面的减少延迟时间的方法具体解释）来定义任意一个“磁盘块”。根据该地址读取一个“块”的过程如下：

根据柱面号移动磁臂，让磁头指向指定柱面
激活指定盘面对应的磁头
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（实质上是电流的磁效应，和切割磁感线，具体的可以看机组中的磁盘描述）

磁盘一次读/写操作的时间

一次磁盘的读写时间

一次磁盘的读写时间由寻找（寻道）时间、旋转延迟时间和传输时间决定

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。

启动磁头臂需要的时间
移动磁头需要的时间

延迟时间 $T_R$ ：通过旋转磁盘，使磁头定位到目标扇区所需要的时间。设转速为r，则平均所需的延迟时间 $T_R = \frac{1}{2r}$

传输时间 $T_t$ ：从磁盘读出或向磁盘写入数据所经历的时间，假定磁盘转速为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 $T_t = \frac{b}{rN}$

总的平均存取时间$T_a=T_s + \frac{1}{2r} + \frac{b}{rN} $

延迟时间和传输时间都与磁盘的转速相关，。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。但是操作系统的硬盘调度算法会直接影响寻道时间。

磁盘调度算法

先来先服务算法（FCFS）

FCFS算法的根据进程请求访问磁盘的先后顺序进行调度。

优点是该种算法的具有公平性，不会产生饥饿现象。当只有少量进程需要访问，且大部分请求都是访问簇聚的文件扇区，则有达到较好的性能

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性能上较差，寻道时间较长

最短寻找时间（SSTF）

SSTF(Shortest Seek Time First)算法有限处理与当前磁头最近的磁道。可以保证每次的寻道时间最短，但是不能保证总的寻道时间最短.（贪心思想）

优点：性能较好，平均寻道时间短

缺点：可能产生饥饿现象（当进程中有一个较大的磁道号的请求时，但后面来了很多低磁道号，导致大磁道号的请求长时间未被响应）

SCAN算法（电梯调度算法）

SSTF算法会产生饥饿的原因在于，磁头可能会一直在一个区域内来回移动。于是出现了SCAN算法，SCAN算的思想在于：只磁头移动到最外侧磁道的时候才能往回移动，移动到最内侧磁道的时候才能往外移动。这种方式类似于电梯的运行，因此也叫做电梯算法

优点：性能较好，平均寻道时间较短，不会产生饥饿现象

缺点：

只有到达最边上的磁道才能改变磁头方向，有部分时间浪费
SCAN算法对个位置磁道的响应频率不平均，磁道号高的磁道更容易被多次访问，可以根据下图看出

注意：若题目中无特别说明，则SCAN就是LOOK

LOOK调度算法

LOOK算法与SCAN算法的不同之处在于，弥补了SCAN算法的第一个缺点。

LOOK算法的思想是：如果在磁头的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。

优点：相比于SCAN算法来，不需要每次都移动到最外侧或者最内侧才改变磁头方向，是寻道时间进一步缩短

循环扫描算法C-SCAN

C-SCAN算法其实也是对SCAN算法的一个改进，C-SCAN算法弥补了SCAN算法的缺点2——对不同位置的磁道访问频率不同

C-SCAN算法规定只有磁头朝某个特定方向运动时才处理磁道访问请求，而返回时直接快速移动至起事端而不处理任何请求

优点：比SCAN算法，对各个位置磁道的响应频率都很平均

缺点：只有到达最边上的磁道时才能改变磁头移动方向，因此会浪费部分寻道时间（SCAN算法的缺点1）

注意：若题目中无特别说明，C-SCAN就是C-LOOK

C-LOOK算法

C-LOOK算法其实就是C-SCAN和LOOK算法的结合。

C-LOOK算法的思想：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请求的位置即可，返回过程中磁头不处理请求

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，是寻道时间进一步缩短

注意：若题目中无特别说明，则SCAN就是LOOK；C-SCAN就是C-LOOK

减少延迟时间的方法

假设现在要读取，下图这种扇区编号连续磁盘中的2、3扇区：

磁头在读取一个扇区的时候，需要一下小段的时间处理，此时磁头不工作。但此时磁头又在不停地旋转。因此当读取完2号扇区的时，无法连续地读入3号扇区，必须等待盘片继续旋转，再次划过磁头，才能完成扇区读入。

所以若磁盘按照顺序对扇区编号的时读取多个连续的逻辑区，可能要很长的延迟时间

交替编号

阅读了上面这个小案例后，可以想到用不连续的给扇区编号来解决。即采用交替编号的策率，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时跟段

磁盘地址结构的设计

这个小节就是解释为什么磁盘的物理地址是（柱面号，盘面号，扇区号）而不是（盘面号，柱面号，扇区号）

若要连续读取物理地址（00，000，000）~（00，000，111）转两圈可读完，之后在读取物理地址相邻的区域，即（00，001，000）~（00，001，111）。

若采用（盘面号，柱面号，扇区号）的地址结构，因为要切换磁道所以需要启动磁头臂，将磁头移动到下一个磁道，再转两圈对数据进行读取。

而要是采用（柱面号，盘面号，扇区号）的地址结构，因为两部分数据在不同盘片的同一磁道，因此只需要激活对应盘片磁道的磁臂即可，从而节省了启动磁头臂并移动的时间

虽然采用（盘面号，柱面号，扇区号）

错位命名

采用错位命名的原因和采用交替编号的理由类似。即如果要连续访问(00,00,111)和(00,01,000)这两个地址。

若不采用错位命名的方式，如下图。当0号盘面读取完，一号盘面对应的磁头也一起转过了这个扇区，所以还需要再转一圈才可以读取出其中的数据

而当采用错位命名的方式，如下图。由于采用错位命名方式，因此当读完磁盘块(00,00,111)之后，还有一段时间处理，当(00,01,000)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

磁盘的管理

磁盘的初始化

Step1：在磁盘可以存储数据之前，必须将它分成扇区，以便磁盘控制器可以进行读写，这个过程称为低级格式化（物理格式化），将磁盘的各个磁道划分为扇区。一个扇区通常可以分为头、数据区、尾三个部分组成。管理扇区的各种数据结构一般放在头、尾两根部分，包含扇区校验码（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）

Step2：将磁盘分区，每个分区由若干柱面组成（即C、D、E盘）

Step3：进行逻辑格式化，创建文件系统。包括创建问及那系统的根目录、初始化存储空间管理所使用的数据结构