计算机组成原理与体系结构——磁盘工作原理

Posted 2021-06-19 天界程序员

1. 磁盘结构与参数

  传统的硬盘盘结构是像下面这个样子的，它有一个或多个盘片，用于存储数据。盘片多采用铝合金材料；中间有一个主轴，所有的盘片都绕着这个主轴转动。一个组合臂上面有多个磁头臂，每个磁头臂上面都有一个磁头，负责读写数据。

  在磁盘的结构中，盘面 用来保存数据，读取数据要有专业的设备，就是 磁头。像多叠的磁盘，他会有多张盘在里面，每一个盘面存储一定的信息。要读取信息的话磁头要定位到目标的 磁道 上面（圆环上面一圈一圈的同心圆就是磁道，信息实际上也是存在磁道上面的，磁头定位到目标磁道的时间叫做寻道时间），然后等磁盘旋转过程中，磁头从某个 扇区 中读取道数据。

存取时间 = 寻道时间 + 等待时间（平均定位时间 + 转动延迟）
注意：寻道时间是指磁头移动到磁道所需的时间；等待时间为等待读写的扇区转到磁头下方所用的时间。

2. 练习

   假设某磁盘的每个磁道划分成11个物理块，每块存放1个逻辑记录。逻辑记录R₀ ，R₁，… R₉，R₁₀存放在同一个磁道上，记录的存放顺序如下表所示：

物理块	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
逻辑记录	R0	R1	R2	R3	R4	R5	R6	R7	R8	R9	R10

如果磁盘的旋转周期为 33 ms , 磁头当前处在R₀的开始处。若系统使用的单缓冲区顺序处理这些记录，每个记录处理时间为 3 ms , 则处理这11个记录的最长时间为 _ (1）_ ;若对信息存储进行优化分布后，处理11个记录的最少时间为 _ （2）_。

（1）A. 33ms B. 336ms C. 366ms D. 376ms

（2）A. 33ms B. 66ms   C. 86ms   D. 93ms

解题思路：

• 题目中提到单缓冲区这一个条件，意思是，一次只能加载一个扇区的数据到缓冲区，这部分数据在缓冲区中的期间，磁盘还在转动，但是不会再去磁盘中读取数据。

• 按照题意，数据在磁盘中的分布如下：
  磁盘的旋转周期为33ms，一共有11个扇区，所以每个扇区的扫描时间是3ms。
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  将R₀块的数据加载到缓冲区中花费3ms $⟹$ 这时候磁头到达了R₁最开始的位置
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  处理数据的时间是3ms，处理期间，由于这时候缓冲区中还有数据，所以无法将R₁块的数据加载的缓冲区中
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  缓冲区中的R₀数据被处理完所花时间3ms $⟹$ 但是这时候磁盘转过了R₁转到了R₂最开始的位置
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  所以必须要在等30ms等磁盘再次转到R₁，之后R₁数据加载到缓冲区花3ms，缓冲区中数据被处理完花3ms，磁盘转到了R₃…以此类推。
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  所以除了R₀块以外，其他每块数据的花费时间是：加载3ms + 处理3ms + 等待磁盘旋转到合适位置30ms，而R₀的花费时间就是：加载3ms + 处理3ms
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  所以最终这11块数据处理完的时间就是：（3 + 3 + 30）X 10 + 3 + 3 = 366 ms

• 我们对信息的存储优化为如下分布后，处理完这11块数据的时间只要66ms,这是最理想的状态，每块数据都是：读取花费3ms + 处理花费 3ms = 总共 6ms 。 11 * 6 = 66 ms。