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一.磁盘相关概念
1.磁盘
2.磁道
3.扇区
4.盘面、柱面
5.磁盘的分类
二.磁盘调度算法
1.一次磁盘读/写操作需要的时间
2.先来先服务算法(FCFS)
3.最短寻找时间优先(SSTF)
4.扫描算法(SCAN)
5.LOOK调度算法
6.循环扫描算法(C-SCAN)
7.C-LOOK调度算法
三.减少…目录
一.磁盘相关概念
1.磁盘
2.磁道
3.扇区
4.盘面、柱面
5.磁盘的分类
二.磁盘调度算法
1.一次磁盘读/写操作需要的时间
2.先来先服务算法(FCFS)
3.最短寻找时间优先(SSTF)
4.扫描算法(SCAN)
5.LOOK调度算法
6.循环扫描算法(C-SCAN)
7.C-LOOK调度算法
三.减少延迟时间的方法
1.交替编号
2.错位命名
四.磁盘管理
1.磁盘初始化
2.引导块
3.坏块的管理 一.磁盘相关概念
1.磁盘
磁盘的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,如图所示,若要读取盘片中的二进制数据,就需要由磁头臂带动磁头移动,把“磁头”移动到想要读/写的扇区所在的磁道上,读取数据,磁头移动的方向为下图红色线来回方向
中间的马达可以带动磁盘转动,让目标扇区从磁头下面划过才能完成对扇区的读/写操作。 2.磁道
一个磁盘的盘面被划分成一个个磁道这样的一个“圈”就是一个磁道,实际上磁盘的磁道数量非常多 3.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(如1KB),由于各个扇区存放的数据量相同,所以最内侧磁道上的扇区面积最小因此数据密度最大 4.盘面、柱面
磁盘有多个盘片摞起来,如下图所示:每个盘面对应一个磁头,一个盘片可能会有两个盘面,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” 所有盘面中相对位置相同的磁道组成柱面
可用(柱面号盘面号扇区号)来定位任意一个“磁盘块”。在“文件的物理结构”中我们提到文件数据存放在外存中的几号块这个块号就可以转换成(柱面号盘面号扇区号)的地址形式。 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。 5.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 ,盘片不可更换的称为固定盘磁盘 二.磁盘调度算法 1.一次磁盘读/写操作需要的时间
(1)寻找时间(寻道时间):在读/写数据前将磁头移动到指定磁道所花的时间。 ①启动磁头臂是需要时间的。假设耗时为s; ②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 s m*n 现在的硬盘移动一个磁道大约需要0.2ms磁臂启动时间约为2ms (2)延迟时间: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 (1/2)*(1/r) 1/2r 注: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,磁盘的转速越高,延迟时间越短,磁盘读写速度越快. 硬盘的典型转速为5400 转/分或7200转/分 (3)传输时间: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(1/r)*(b/N) b/(rN) 注: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 总的平均存取时间就是三者加在一起: T 1/2r b/(rN)
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,唯一能改变的是寻找时间,可以通过磁盘调度算法映像寻道时间
总结: 2.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。 假设磁头的初始位置是100号磁道有多个进程先后陆续地请求访问55、58、39、18、90、160、150、38、184号磁道 按照FCFS的规则按照请求到达的顺序磁头需要依次移动到55、58、39、18、90、160、150、38、184号磁道 磁头总共移动了 4531921727010112146498个磁道 处理的请求数为9,响应一个请求平均需要移动 498/955.3个磁道(平均寻找长度) 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的去
缺点:女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 3.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) 假设磁头的初始位置是100号磁道有多个进程先后陆续地请求访问55、58、39、18、90、160、150、38、184号磁道 按照SSTF算法会优先处理离当前磁头最近的磁道,访问顺序如下图所示: 磁头总共移动了(100-18)(184-18)248个磁道 响应一个请求平均需要移动 248/927.5 个磁道(平均寻找长度) 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 例如,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。 4.扫描算法(SCAN)
SSTF算法会产生饥饿的原因在于:磁头有可能在一个小区域内来回来去地移动。为了防止这个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。 假设某磁盘的磁道为 0~200号磁头的初始位置是100号磁道且此时磁头正在往磁道号增大的方向移动有多个进程先后陆续地请求访问55、58、39、18、90、160、150、38、184号磁道 按照SCAN算法的要求,磁头必须先移动到最外侧,才能往内侧移动 磁头总共移动了(200-100)(200-18)282个磁道 响应一个请求平均需要移动282/931.3个磁道(平均寻找长度) 这个算法的平均寻道时间比先来先服务算法短得多,虽然不比最短寻找时间优先算法,但他不会产生饥饿,所以: 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。 ②SCAN算法对于各个位置磁道的响应频率不平均(如: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) 5.LOOK调度算法
扫描算法(SCAN)中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。LOOK 调度算法就是为了解决这个问题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) 假设某磁盘的磁道为0~200号磁头的初始位置是100号磁道且此时磁头正在往磁道号增大的方向移动有多个进程先后陆续地请求访问55、58、39、18、90、160、150、38、184号磁道 磁头总共移动了(184-100)(184-18)250个磁道 响应一个请求平均需要移动 250/927.5个磁道(平均寻找长度) 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 6.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。 假设某磁盘的磁道为 0~200号磁头的初始位置是100号磁道且此时磁头正在往磁道号增大的方向移动有多个进程先后陆续地请求访问55、58、39、18、90、160、150、38、184号磁道 磁头总共移动了(200-100)(200-0)(90-0)390 个磁道 响应一个请求平均需要移动 390/943.3个磁道(平均寻找长度) 优点:比起SCAN 来对于各个位置磁道的响应频率很平均。 缺点:与SCAN算法相同,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。 7.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。 假设某磁盘的磁道为 0~200号磁头的初始位置是100号磁道且此时磁头正在往磁道号增大的方向移动有多个进程先后陆续地请求访问55、58、39、18、90、160、150、38、184号磁道 磁头总共移动了(184-100)(184-18)(90-18)322 个磁道 响应一个请求平均需要移动 322/935.8个磁道(平均寻找长度)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 注:若题目中无特别说明则SCAN 就是 LOOK,C-SCAN 就是C-LOOK,也就是只要在磁头移动方向上不再有请求就立即改变磁头方向 三.减少延迟时间的方法
通过旋转磁盘使磁头定位到目标扇区所需要的时间。
假设要连续读取橙色区域的 2、3、4扇区:磁头读取一块的内容(也就是一个扇区的内容)后需要一小段时间处理而盘片又在不停地旋转,如图所示,虽然磁头会划过3号扇区,但是此时还在还需要时间处理,并不能立即访问3号扇区 因此如果2、3号扇区相邻着排列则读完2号扇区后,无法连续不断地读入3号扇区,必须等盘片继续旋转3号扇区再次划过磁头才能完成扇区读入.所以,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,可以使用交替编号的方法
1.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。
若此时读取3号扇区后,想要读取0号扇区,读取0号扇区前,磁头已经做好了下一次读取数据的准备,因此随着磁盘的旋转,磁头也可以划过0号扇区,读取0号扇区数据 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) 假设某磁盘有8个柱面/磁道(假设最内侧柱面/磁道号为0),4个盘面8个扇区。则可用3个二进制位表示柱面2个二进制位表示盘面3个二进制位表示扇区。 ① 若物理地址结构是(盘面号柱面号扇区号)且需要连续读取物理地址(00,000,000)~(00,001,111)的扇区; (00,000,000)~(00,000,111)转两圈可读完 之后再读取物理地址相邻的区域即(00,001,000)~(00,001,111)需要启动磁头臂将磁头移动到下一个磁道 ② 若物理地址结构是(柱面号盘面号扇区号)且需要连续读取物理地址(000,00,000)~(000,01,111)的扇区: (000,00,000)~(000,00,111)由盘面0的磁头读入数据,之后再读取物理地址相邻的区域即(000,01,000)~(000,01,111)由于柱面号/磁道号相同只是盘面号不同因此不需要移动磁头臂。只需要激活相邻盘面的磁头即可 所以: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 2.错位命名
若相邻的盘面相对位置相同处扇区编号相同,由于磁盘的物理地址采用的是(柱面号,盘面号,扇区号),若要读取0号盘面(000,00,111),其中111是2进制,转为10进制就是0号盘面的7号扇区,而1号盘面则需读取(000,01,000),即1号盘面的0号扇区
如下图所示,读取完磁盘块(000,00,111)之后需要短暂的时间处理而盘面又在不停地转动因此当(000,01,000)第一次划过1号盘面的磁头下方时并不能读取数据只能再等该扇区再次划过磁头,为了解决这一问题,可以使用错位命名 如图所示,0号盘面的1号扇区对应1号盘面的4号扇区,若现在依然要读取0号盘面(000,00,111),1号盘面则需读取(000,01,000),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已经处理完0号盘面的数据了就可以直接读取数据。从而减少了延迟时间 四.磁盘管理
1.磁盘初始化 第一步: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循环几余校验码等校验码用于校验扇区中的数据是否发生错误) 第二步: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) 第三步: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) 2.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,计算机开机时,会读取ROM中的相应程序完成初始化工作
注:ROM一般是出厂时就集成在主板上的
若初始化程序程序(自举程序)放在ROM中存在什么问题? 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。如何解决呢? 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。 自举装入程序很小,所以能够保证不改变,拥有启动分区的磁盘称为启动磁盎或系统磁盘(C:盘) 开机时计算机先运行ROM中的“自举装入程序”通过执行该程序CPU就可知道引导块在磁盘的哪个位置,并找到引导块将完整的“自举程序”读入内存完成初始化 3.坏块的管理
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(文件分配表)表上标明。(在这种方式中坏块对操作系统不透明) 操作系统在对存储空间进行管理时,一定要访问FAT表中,而坏块会在FAT表上标明 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。 同时会保留一些“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,即操作系统不可知
