王道OS

时间: 2023-07-11 admin IT培训

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1 磁盘的结构

1.1 磁盘、磁道、扇区

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

1.1.1 如何在磁盘中读/写数据

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

1.2 磁盘的物理地址


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”小节中,我们经常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

1.3 磁盘的分类

1.3.1 根据磁头可否移动

1.3.2 根据磁头是否可更换

2 磁盘调度算法

2.1 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
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/r为转一圈所需要的的时间)= 1/2r

传输时间Tt:从磁盘读出或向磁盘写入数据经历的时间,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Tt=(1/r) * (b/N) = b/(rN)

总的平均存取时间Ta = Ts + 1/2r + b/(rN)

2.2 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

Eg:假设磁头的初始位置是100号磁道,有多个进程先后陆续的请求访问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,磁头需要一次移动到55、58、39、18、90、160、150、38、184号磁道


磁头总共移动了 45+3+19+21+72+70+10+112+146=498个磁道
响应一个请求平均需要移动498/9=55.3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,算法性能还能算的过去
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

2.3 最短寻找时间优先算法(SSTF)

SSTF算法会优先处理的磁道是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)

Eg:假设磁头的初始位置是100号磁道,有多个进程先后陆续的请求访问55、58、39、18、90、160、150、38、184号磁道

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248/9 = 27.5 个磁道(平局寻找长度)

优点:性能较好,平均寻道时间短
缺点可能产生“饥饿”现象

Eg:饥饿现象: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

2.4 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

Eg:假设磁头的初始位置是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的请求访问55、58、39、18、90、160、150、38、184号磁道

磁头总共移动了(200-100)+(200-18) = 282个磁道
响应一个请求平均需要移动 282/9 = 31.3个磁道(平均寻找长度)

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。2:SCAN算法对于各个位置磁道的响应频率不平均(如:假设磁头此时正在往右移动,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)

2.5 LOOK调度算法

扫描算法中,只有到达了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)

Eg:假设磁头的初始位置是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的请求访问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 250/9 = 27.5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

2.6 循环扫描算法(CSCAN)

SCAN算法对于各个位置的响应频率不平均,而CSCAN算法就是为了解决这个问题。规定只有磁头朝着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段而不处理任何请求

Eg:假设磁头的初始位置是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的请求访问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 390/9 = 43.3个磁道(平均寻找长度)

优点:比起SCAN来说,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

2.7 CLOOK调度算法

CSCAN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。CLOOK算法就是为了解决这个问题。如果磁头移动的方向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

Eg:假设磁头的初始位置是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的请求访问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 322/9 = 35.8个磁道(平均寻找长度)

优点:比起CSCAN算法,不需要每次都移动到最外侧或最内则才改变磁头方向,使寻道时间进一步缩短

3 减少延迟时间的方法

3.1 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

3.1.1 磁盘地址结构的设计

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)?

答: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

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

  • 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)的扇区:
    (00,000,000)~(00,000,111)读两圈可读完
    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
  • 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(00,000,000)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

3.2 错位命名


4 磁盘的管理

4.1 磁盘初始化

Step1: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。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,检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(即分为我们熟悉的C盘、D盘、E盘)

Step3: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)

4.2 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

ROM
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

ROM中只存放很小的“自举装入程序”
开机时计算机选运行“自举装入程序”,通过执行该程序就可以找到引导块,并将完整的“自举程序”读入内存,完成初始化

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(C盘)

4.3 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,表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,坏块对操作系统系统透明