24.原生磁盘的使用

Posted 2022-08-03 PacosonSWJTU

【README】

1.本文内容总结自 B站 《操作系统-哈工大李治军老师》，内容非常棒，墙裂推荐；

2.磁盘操作抽象

• 第1层抽象：通过盘块号读写磁盘（或逻辑盘块号）；
• 第2层抽象：用队列缓存多个进程读写的盘块号；
• 第3层抽象：文件（或通过文件操作磁盘）；参见第25讲内容；

3.盘块号调度算法

• 先来先服务- FCFS；
• 最短寻道优先-SSTF；
• 扫描调度-SCAN ；
• 电梯调度-C-SCAN；（推荐，性能最优）

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【1】磁盘工作原理

【1.1】 磁盘结构  

【图解】

• 1）磁盘由叠起来的盘片组成，1个盘片的2个面都有磁材料，都可以存储信息；
• 2）1个盘面划分为多个圆环，每个圆环叫做磁道；
• 3）每个磁道划分为多个扇区，每个扇区固定512字节；扇区是读写磁盘的基本单位；
• 4）磁头：每当有磁盘读写请求时，在磁盘控制器下，磁头就会移动去寻找磁道，磁道再自身旋转进而定位到扇区；

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【1.2】磁盘读写过程

【图解】

• 步骤1：磁盘控制器控制磁头移动，找到正确磁道；  
• 步骤2：磁道自身旋转，使得对应扇区旋转到磁头下，方便磁头读写；
• 步骤3：磁头把当前扇区的数据读入到内存缓冲区；（磁信号转为电信号）；
• 步骤4：程序把内存缓冲区中的某字节送入cpu，cpu修改字节内容并把数据返还到内存缓冲区；
• 步骤5：把内存缓冲区中数据写出到磁盘（同读磁盘相同，写磁盘也需要磁头移动，磁道自身旋转到对应扇区，最后写操作）；（电信号产生磁信号）；

小结：

• 磁盘IO过程： 磁盘控制器 -> 磁头寻道 -> 磁道旋转 -> 传输（读写操作）

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【1.3】 使用磁盘

1）根据上述内容，我们知道磁盘工作原理，即磁头移动找到对应磁道，磁道自身旋转把对应扇区旋转到磁头下；
补充：

• 不同盘片且具有相同投影的圆环组成1个磁柱，即不同盘片上的多个磁道组成1个磁柱；
• 所以，cpu只需要把 磁柱号，磁头号，扇区号（可以算出磁道号），映射的内存地址，连续读写的扇区数  等多个参数 送入磁盘控制器，然后使用 DMA控制器 盗用总线把磁盘数据读入内存；

2）用out 指令 把上述4个参数送入磁盘控制器；

 

 【图解】
1）符号表示

磁柱号	Cyl == cylinder
磁头号	head
扇区号	Sect == sector
内存地址

上述把多个参数直接送入磁盘控制器，编码复杂，太麻烦，所以进行了如下抽象；

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【2】磁盘操作抽象

• 第1层抽象：通过盘块号读写磁盘；
• 第2层抽象：用队列缓存多进程读写的盘块号

【2.1】第一层抽象：通过盘块号读写磁盘

（图1）
【图解】

• 1）程序给出盘块号 block ，送入磁盘驱动程序；
• 2）磁盘驱动根据给定的盘块号block和磁盘参数计算出  磁柱 cyl， 磁头号 head，扇区号sec 等参数并送入磁盘控制器；（CHS参数）
• 3）磁盘控制器操作 磁头，盘面等进行工作；

问题：

• 如何把block 计算出 磁柱号，磁头号，扇区号，即一维地址 推导出3维地址；
• 扇区号如何编址？ 为什么这样编址 ？

设计思想：

• 考虑到程序执行的局部性原理，给定的block号相邻的盘块可以快速读出；

1）磁盘访问时间

• 磁盘访问时间 = 写入控制器时间 + 寻道时间 + 旋转时间 + 传输时间 

时间类型	描述	耗时
写入控制器时间	磁盘驱动根据block推导出 磁柱号，磁头号，扇区号等参数，并把上述参数送入控制器；
寻道时间	磁头移动寻找到磁柱上的对应磁道； （或移动磁臂时间）	12ms 到 8ms （最耗时，机械运动，直线移动）
旋转时间	磁道自己旋转使得对应扇区在磁头下	半周4ms
传输时间	磁头读写时间（磁信号产生电信号或电信号产生磁信号）	50M/秒，约 0.3ms

 小结：

• 可以看到耗时最长的阶段是寻道时间，所以在访存时，我们应该减少寻道时间（或减少寻道次数）；

2）如何做到减少寻道时间（或减少寻道次数）

• 首先，把相邻block的盘块放在同一个磁道上（或相邻扇区上）；
• 然后，根据给定block盘块号，把相邻盘块（或相邻扇区）一起读入到内存；
• 补充：block是逻辑盘块号，最终是要映射到物理磁盘扇区上的；

3）扇区编址

 （图2）
【图解】综上，根据以上分析，我们对磁盘扇区就知道如何编址了。（相邻扇区号是连续的） ，参见图1和图2。

• 若每个磁道7个扇区，可以看到 0号扇区与7号扇区的投影是重合的；
• 如 0号扇区在盘片1的地址 0~512字节；7号扇区在盘片2的地址0~512字节；
• 因为磁臂上的多个磁头（每个盘片1个磁头）是作为一个整体一起移动的；即 盘片1的磁头移动到 0~512字节的扇区，盘片2的磁头也移动到了 0~512字节的扇区，......；

4）通过 CHS（柱面号C，磁头号H，扇区偏移号S）计算目标扇区号

• 目标扇区号 = C*(heads*sectors) + H *Sectors + S； （公式1）
• 其中 head 表示每个柱面的磁头数量，sector 表示每个磁道的扇区数量；

5）每次读写的扇区数量增多，读写速度会上升（一定程度上）；
6）每次读写1K， 每次读写1M， 区别如下表所示。

每次读写数据量	扇区数	读写速度	磁盘碎片	磁盘空间利用率
1K	2	100K/秒	0.5K	高
1M	2K	40M/秒	0.5M	低（因为浪费多）

目前，磁盘容量可以做到很大，完全可以用空间去换时间效率，即把读写单位变大，每次读写1M，而不是1K；
7）对应到读写扇区的高效方案是：

• 每次读写多个相邻连续扇区，这些扇区组成1个逻辑盘块；而不是仅读写一个扇区；

小结：

• 操作系统把磁盘读写单位从扇区 转换为盘块，提高了磁盘读写效率；（一个盘块是连续的几个扇区）

【例】以盘块为单位读写磁盘（重要）

• 步骤1：当操作系统收到 磁盘读写请求时，首先把 盘块号 转为 多个连续扇区的扇区号；
• 步骤2：磁盘驱动根据扇区号算出 CHS（柱面号，磁头号，扇区号偏移），并通过out指令把CHS值送入磁盘控制器；
• 步骤3：磁盘控制器读写目标扇区号数据到内存缓冲区，并返回给上层应用程序；

综上：应用程序可以通过盘块号来读写磁盘。

 

 【图解】

• Req->sector = bh->b_blocknr << 1 ；扇区号等于盘块号左移一位，即乘以2； 所以每个盘块会读写2个扇区数据；
• Do_hd_request方法：根据盘块号算出 公式1的变量，如 CHS-柱面号，磁头号，扇区号偏移，每个磁道的扇区数nsect，每个柱面的磁头数量head等；
• hd_out方法：向磁盘控制器 发出out指令，控制器根据参数读写目标扇区数据；

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【2.2】第二层抽象：（用队列缓存多进程读写的盘块号）

操作系统是多进程图像，存在多个进程使用盘块号读写磁盘的情况。
当有多个进程时，需要使用缓冲队列存储不同进程的盘块号。
1）盘块请求队列

 【图解】
1）请求队列用于存储不同进程访问磁盘的盘块号；
2）磁盘驱动什么时候从队列中取出盘块号？

• 当磁盘驱动读写完上一个盘块号的数据，就会发出磁盘中断；则磁盘中断处理程序会从请求队列中取出下一个盘块号；

3）问题：多个磁盘访问请求出现在请求队列怎么办？

• 考虑用磁盘调度 。

4）问题：调度的目标是什么？ 调度时主要考察什么 ?

• 调度目标：平均访问延迟小；
• 调度时考察：寻道时间是主要矛盾；

解决方法：

• 在磁盘驱动中编写一个算法，选择下一个要读取的盘块号，使得磁盘工作速度快；
• 如 ppt，word都有读写盘块请求，那如何让磁盘工作速度更快；
• 而磁盘读写最耗时的是寻道时间，即如何最小化寻道时间；

补充：

• 生磁盘：根据盘块号使用磁盘；
• 熟磁盘：根据文件使用磁盘；

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【3】磁盘调度算法（如何选择盘块）

【3.1】FCFS -磁盘调度算法

1）FCFS： 先来先服务；即盘块调度顺序，与盘块在队列的顺序一致；

 【图解】
1）请求队列： 请求队列= [ 98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67 ] ，队列里存储的是盘块号，也可以理解为磁道号（因为盘块号会被磁盘驱动计算出 磁头号，柱面号，扇区号偏移 ）。
2）根据 FCFS 先来先服务的盘块调度算法，盘块调度顺序与队列顺序一致。
磁头移动路径如上图折线所示，总结如下（磁头起始位置在53，可以理解为在第53号磁道）：

调度盘块	98	183	37	122	14	124	65	67
移动磁道数量	45	85	146	85	108	110	59	2

小结：磁头总共移动了 640 个磁道。

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【3.2】 SSTF-最短寻道优先

1）SSTF： Shortest seek time first ，最短寻道优先；

• 选择与当前磁道距离最短的磁道进行访问；

 【图解】
根据最短寻道优先算法，选择与当前磁道距离最短的磁道访问请求，显然盘块调度顺序与队列中的盘块顺序不一致。队列= [ 98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67 ]
磁头移动路径如上图折线所示，总结如下（磁头起始位置在第53号磁道）：

调度盘块	65	67	37	14	98	122	124	183
移动磁道数量	12	2	30	23	84	24	2	59

小结：磁头总共移动了 236个磁道。

2）比较结果：

• 显然 最短寻道优先算法 优于 先来先服务算法。

3）最短寻道优先的问题  

• 因为该算法是选择与当前磁道距离最短的磁道进行访问，所以访问路径是在中间移动，即磁头频繁在磁道中间位置，而会造成 边缘磁道 长时间不访问的现象，即 导致边缘磁道的饥饿问题。

所以需要对 最短寻道优先算法进行优化改进。

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【3.3】SCAN-扫描调度算法

1）SCAN：扫描调度算法；

• SCAN算法是 SSTF（最短寻道优先）的变体，是由 SSTF + 中途不回折 的思想；
• 即 SCAN算法先是向某一边（如左边）移动直到边界，移动同时访问盘块号；然后在向另一边（右边）移动直到边界。

 【图解】
根据SCAN算法，先向某一边移动直到边界，然后向另一边移动直到边界。队列= [ 98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67 ]。
则磁头移动路径如上图折线所示，总结如下（磁头起始位置在第53号磁道）：

调度盘块	37	14	65	67	98	122	124	183
移动磁道数量	16	23	51	2	31	24	2	59

 总计：磁头总共移动了 208个磁道。（上图给出的是236，原因在于它访问了 第0号磁道，从第14号磁道到第0号磁道双向需要移动28个磁道）

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【3.4】C-SCAN-电梯调度算法

1）C-SCAN：现实生活中的电梯算法；

• SCAN算法是 SSTF的变体，是由 SSTF + 中途不回折 的思想；

2）步骤：

• 步骤1：C-SCAN算法中先是向某一边（如左边）移动直到边界，移动的同时访问盘块号；
• 步骤2：然后立即移动到另一边的边界（如最右边183），仅移动但不做任何盘块访问（这是电梯调度算法与 SCAN算法的区别）；
• 步骤3：同步骤1类似，以右边的边界为起点，向左边移动并访问盘块号直到左边边界；

补充：同电梯类似，电梯每次都会移动到到最高楼层接人，并把人送达目的地直到最低楼层；所以称电梯算法。

 【图解】
根据SCAN算法，队列= [ 98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67 ]，
则磁头移动路径如上图折线所示，总结如下（磁头起始位置在第53号磁道）：

调度盘块	37	14	183	124	122	98	67	65
移动磁道数量	16	23	169	59	2	24	31	2

 总计：磁头总共移动了326个磁道。但磁头从第14号移动到第183号磁道是非常快速的（不做任何访问），所以 326 - 169 = 157个磁道。

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【小结】磁盘调度算法

盘块队列= [ 98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67 ]；

算法名称	移动磁道个数	性能
FCFS-先来先服务	640
SSTF-最短寻道优先	236
SCAN-扫描调度	208
C-SCAN-电梯调度	157	最优（推荐）

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【4】多个进程共同使用磁盘

 【图解】多个进程共同使用磁盘步骤（重要*）

• 步骤1：多个进程在访问磁盘的时候，多个进程要产生请求放入请求队列；
• 步骤2：然后磁盘中断触发中断处理程序从队列中取出请求盘块号；
• 步骤3：根据盘块号换算出CHS，通过out指令发送给磁盘控制器以进行读写多个扇区；

总结：这就是使用生磁盘的完整故事；

【代码】进程访问磁盘创建请求

// 进程访问磁盘创建请求 
static void make_request（） 

	...
	// 把盘块号换算为扇区号；（乘以2）
	req->sector = bh-> b_blocknr << 1;
	// 把盘块请求添加到队列中 
	add_request(major + blk_dev, req);	


// add_request 把请求添加到队列 
static void add_request(struct blk_dev struct *dev, struct request *req) 

	cli(); // 关中断
	
	for(;temp->next; temp = tmep->next) 
	
		if (( IN_ORDER(temp, req) || !IN_ORDER(temp, temp->next) ) 
			&& IN_ORDER(req, temp->next)) break; 
	
	req->next = temp->next; 
	temp->next = req; 
	sti(); // 开中断


// 补充 cli 与 sti 构建起临界区，只允许一个进程进入。
// IN_ORDER 方法 ： 判断 s1 小于 s2 (比较扇区号大小)
#define IN_ORDER(s1, s2) 

	(( s1->dev < s2->dev )|| (s1->dev == s2->dev && s1->sector < s2->sector ))

【代码解说】

• 当 temp 小于req 且 req小于temp->next； 或 temp 大于 temp->next 且 req小于temp->next 时，循环退出；

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【4.1】生磁盘的使用整理

 【图解】
1）进程得到盘块号， 算出扇区号；

• 如何得到盘块号？ 进程或程序是操作文件的，那就是通过文件得到盘块号；
• 并根据盘块号算出扇区号，因为一个盘块对应多个扇区，所以可以看做是起始扇区号；

2）用扇区号 make req（制作磁盘请求），用电梯算法 add_request （选择下一个盘块号）

• 用扇区号 make req，制作一个磁盘扇区访问请求，这个制作请求的代码包含了 内存缓冲区申请与管理的代码（对真实磁盘读写性能提升非常大）；
• 用电梯算法把该请求放入请求队列中；

3）进程sleep_on  

• 用户进程把 磁盘访问请求 放入队列后就睡眠了；磁盘具体的读写操作由硬件去完成； （即进程间的相互协作）

4）磁盘中断处理

• 磁盘控制器执行完上一个请求后，会发出中断；
• 中断处理程序会从请求队列中获取请求（获取下一个盘块号）；

5）do_hd_request 算出 柱面号，磁头号，扇区号；

• 步骤1：磁盘驱动根据 out 命令发出磁盘读写指令；
• 步骤2：读写完成后（或把数据读取到内存缓冲区），会再次发出中断，中断处理程序会调用 read_intr() 方法；
• 步骤3：read_intr()方法会结束请求并唤醒进程；
• 步骤4：进程被唤醒后，就可以在内存缓冲区中读取想要的数据了，进程就可以继续工作了；（从进程发出磁盘读写请求，到被唤醒这段时间，进程是阻塞或睡眠的，显然读写磁盘的程序执行是比较慢的，重要一点是磁盘寻道耗时长）

6）hd_out 调用 outp(...) 完成磁盘端口读写

小结：到这里，生磁盘的使用就完整介绍完了；

• 我们把磁盘的使用抽象为盘块号，然后再在此基础上抽象为 多进程共同使用磁盘的方式；使得磁盘使用更加高效；

补充：如何得到盘块号？

• 上文讲到通过文件来获取盘块号；
• 那通过文件如何来获取盘块号呢。所以引出了 生磁盘到文件 的内容（参见第25章内容）；