OS-5.1 磁盘
磁盘的结构
磁盘是由表面涂有磁性物质的盘片构成的存储设备。
磁盘 磁道 扇区
每个盘面分成一个个磁道，每个磁道分成一个个扇区。
每个扇区存放的数据量相同。因此内侧的扇区数据密度大。
盘面 柱面
磁盘不止一个盘面的。会有多个盘面。（甚至每个面还可能是双面的）
所有磁头都是连接在同一个磁臂。
柱面：所有盘面中相对位置相同的磁道组成柱面
磁盘的物理地址
（柱面号，盘面号，扇区号）
如何在磁盘中读写数据
- 根据柱面号移动磁臂。让磁头指向指定柱面（即磁道）。
- 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，这样子就完成了对指定扇区的读写
磁盘的分类
活动头磁盘：磁头可以在不同磁道间移动的。
固定头磁盘：每一个磁道都有一个磁头。（磁头也就不需要移动了）
可换盘磁盘：盘片可以更换
固定盘磁盘：…
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磁盘调度算法
一次磁盘读写操作需要的时间
==①寻道时间==：磁头移动寻找磁道的时间
- 启动磁头臂s
- 移动磁头跨越n条磁道，跨越一条m
- 总寻道时间 Ts = s+n*m
==②延迟时间==：旋转磁盘，使磁头定位到目标扇区所需要的时间
- 磁盘转速r（转/秒，/分）（转一圈时间就是1/r）
- 延迟时间（平均，即半圈就能找到）Tr = （1/2）*（1/r） = 1/（2r）
==③传输时间==：向磁盘读写数据的时间
- 磁盘转速r，读写字节数b，每个磁可存的字节数N
- 传输时间 Tt = (1/r)*(b/N) = b/(rN)
平均总时间 Ta = Ts + 1/(2r) + b/(rN)
- r，N，b都是固定的。所以能优化的只有①寻道时间。
磁盘调度算法
①FCFS
根据进程请求访问磁盘的先后顺序进行调度。
优点：公平。
缺点：当大量进程，或者访问的磁道分散，性能很差。
②最短寻找时间优先（SSTF）
选择眼前最优（磁道与当前磁道最近的），但不一定是总体最优。
优点：性能好，平均寻道时间短。
缺点：可能有“饥饿”现象。
③扫描算法（SCAN）
SSTF产生饥饿的原因是：磁头有可能在一个小区域内来回移动。SCAN解决了这个问题
只有磁头移动到最外侧磁道的时候才能往内移动。
只有磁头移动到最内侧磁道的时候才能往外移动。
（也叫电梯算法）
优点：性能好且没有“饥饿”
==缺点==：①只有到达边边的磁道才能改变方向。②算法对于各个位置磁道的响应频率不均匀，边上的相应时间短。
④LOOK调度算法
解决了SCAN的缺点①
如果在磁道移动方向没有别的请求了，就可以立即改变磁头移动方向了。
（边移动边观察，叫LOOK哈哈哈）
优点：平均寻道时间又短了点。
⑤循环扫描算法(C-SCAN)
解决了SCAN的缺点②
只有磁头朝某个特定方向移动时才处理磁道请求，
返回时直接快速移动至 起始端 而不处理任何请求。
优点：对于各个位置磁道的响应频率很平均，不会有偏爱。
缺点：①只有到达最边上的磁道才能改变磁头移动方向。②返回不用去起始端，去起始的第一个位置就行。③寻道时间比SCAN长。
⑥C-LOOK算法
解决了C-SCAN的缺点
如果磁头移动方向上已经没有磁道访问请求了，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就行了。
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其他算法：
NstepSCAN：
将磁盘请求队列划分为若干长度为N的子队列。调度器按FCFS原则依次处理各子队列。
在处理每个子队列内部时，采用SCAN算法进行扫描。
在处理每个子队列时，若有新请求到达，则系统将其放入尚未处理的其他子队列中，不插入当前的子队列。
FSCAN：
NstepSCAN的简化，队列划分为两个子队列：当前任务队列和新请求队列。
减少延迟时间的方法
读取连续逻辑扇区，所需要的延迟时间会比较大。
一般来说，连续存放的下一块存放在：同一个柱面，同一个通道，的下一个扇区中。
因为扇区数据的读写消耗时间，盘片继续旋转，需等到下一圈才能读取物理相邻的扇区。
解决方法①：交替编号
让逻辑上相邻的扇区有一定的物理间隔。
可以使连续读取逻辑扇区所需要的延迟时间更小。
磁盘地址结构的设计
磁盘的物理地址（柱面号，盘面号，扇区号）
为什么不是：（盘面号，柱面号，扇区号）
原因：在取地址连续的磁盘块时，（柱面号，盘面号，扇区号）不需要移动磁头。（相邻的柱面号相同，盘面号不同，转动磁盘就行了）
解决方法②：错位命名
若相邻的盘面相对位置相同处扇区编号相同：
若错位命名：
磁盘的管理
==磁盘初始化==
低级 / 物理格式化：将空白磁盘的各个磁道划分磁道，扇区。并将扇区号、磁道号等写入每个扇区的头部和尾部。
逻辑分区：将磁盘分区（C盘D盘）。每个分区由若干个柱面组成。每个分区的起始扇区和大小都记录在磁盘主引导记录的分区表中。
高级 / 逻辑格式化：在分区上建立文件系统。其中存储的数据结构包括：空闲和已分配的空间，以及一个初始为空的目录。
引导块/启动块/启动分区
计算机启动时需要运行初始化程序（自举程序）来完成初始化并加载OS。【初始化CPU，寄存器，内存等等】
ROM中存放很小的自举转入程序。完整的自举程序存放在初始块/引导块中。
ROM中的代码指示磁盘控制器，将引导块读入内存并执行。
引导块可以从指定位置加载操作系统内核并启动。
坏块的管理
属于硬件故障，系统无法修复。
坏块对操作系统是透明的。
所以应该标记出来，避免OS错误使用到。
简单的磁盘：逻辑格式化时将其标记出来。
复杂的磁盘：磁盘控制器维护一个坏块链，并管理备用扇区。
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固态硬盘SSD
**==静态==**磨损均衡：
空闲期间自动迁移：
将低磨损块中：长期未更新的“冷数据”放到高磨损块。
将高磨损块中：有效数据迁移到低磨损块中。
使得高磨损块以只读为主，低磨损块以写为主。
静态方法比动态方法优秀！
性能对比：
连续读写 – 机械硬盘！（寻道方便）
随机读写 – 固态硬盘！
机械硬盘对比固态硬盘
闪存芯片替代了机械驱动器。
闪存翻译层替代了磁盘控制器。
SSD的结构
系统对SSD的读写是以==“页”==为单位的。
系统对SSD的擦除是以==“块”==为单位的。
SSD的一个页，相当于磁盘的一个扇区
Other
提高磁盘IO速度的方法：
- 改进文件的目录结构和检索目录的方法
- 选取好的文件存储结构
- 提高磁盘IO速度：采用磁盘高速缓存。调整磁盘io请求顺序。延迟写。优化物理块分布等等。
光盘能随机读写！
磁盘上的文件以块为单位进行读写？
旋转延迟的大小与 文件的结构有关：
- 连续分配的磁盘中，文件的物理地址连续。
- 链接分配的磁盘中，文件的物理地址不连续。
when簇+随机寻道： 读写一个通道的时间，包括寻道时间+读写磁道时间。即T+r
- 簇：一个磁道所有扇区归一，即以一个磁道为基本单位而不是扇区。