组成原理-存储磁盘及其调度算法

Posted 2023-01-12 Mount256

文章目录

• • 1 磁盘
  • • 1.1 磁盘的构成
    • 1.2 磁盘的性能参数
    • 1.3 硬件层面上减少延迟时间的方法
    • 1.4 相关例题
  • 2 磁盘的调度算法
  • • 2.1 先来先服务算法（FCFS）
    • 2.2 最短寻找时间优先算法（SSTF）
    • 2.3 扫描算法（SCAN，电梯算法）
    • 2.4 LOOK 调度算法
    • 2.5 循环扫描算法（C-SCAN）
    • 2.6 C-LOOK 调度算法
  • 3 磁盘的管理
  • • 3.1 磁盘的初始化
    • 3.2 引导块和操作系统引导过程
    • • 3.2.1 引导块（初始块）
      • 3.2.2 操作系统引导过程
    • 3.3 坏块
  • 4 固态硬盘

1 磁盘

1.1 磁盘的构成

• 盘片：磁盘由多个盘片组成。
• 盘面：一个盘片可能会有两个盘面。
• 磁道：磁盘的盘面被划分成一个个磁道，一个同心圆环就是一个磁道。
• 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。
• 柱面：所有盘面中相对位置相同的磁道组成柱面。
• 磁头和磁臂：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”。“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。
• 地址结构：可用（柱面号，盘面号，扇区号）决定任意一个磁盘块的位置。

1.2 磁盘的性能参数

性能参数	描述	公式	备注
寻道时间（寻找时间）	在读/写数据前，将磁头移动到指定磁道所花的时间	T = p + m*n	启动磁头臂的时间为 p，磁头每跨越一个磁道耗时为 m，总共需要跨越 n 条磁道
延迟时间	磁头定位（寻找）到目标扇区所需要的时间	T = (1/2)*(1/r) = 1/(2r)	磁盘转速为 r（单位：转/分），则旋转一圈的时间为 60s/r（单位：秒）。因为在定位过程中，最多旋转 1 圈，最少不用旋转（0 圈），所以在平均情况下，需要旋转半圈，时间需除于 2
（读取数据所用的）传输时间	从磁盘读出或向磁盘写入数据所经历的时间	T = (b/N) / r = b/(rN)	磁盘转速为 r（单位：转/分），此次读/写的字节数为 b，每个磁道上的字节数为 N，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 60s/r（单位：秒）
（访问一个扇区的）传输时间	磁头扫过一个扇区所用的时间	传输时间 = (旋转一圈的时间 / 每条磁道的平均扇区数) = (一个扇区的容量大小 / 数据传输率)	对于磁盘的传输速率，K、M、G、T 一般是以 10 为底的单位，而不是以 2 为底！1K = 103，1M = 106，1G = 109，1T = 1012。比如 20MB/s = 20 * 106 B/s ≠ 20 * 220 B/s

【注 1】总的平均存取时间 = 寻道时间 + 延迟时间 + 传输时间 = 寻道时间 + 转半圈寻找扇区的时间 + 读取时间。

【注 2】注意转速的单位：我们通常用 r 转/秒 或 r 转/分，但有些题目会告诉你 r 秒/转 或 r 分/转，需要小心。

【注 3】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。不过在硬件层面上可以优化。

1.3 硬件层面上减少延迟时间的方法

• 原理：连续读取编号相邻的扇区时，磁头读取完一个扇区后需要一段准备时间才可以读取下一个扇区，但是磁盘又在不停地旋转，不会等待磁头准备完毕才重新旋转，因此我们可以边旋转边准备，等准备好了也正好转到要读的扇区了。
• 方法：

~	方法	描述
一个盘面	交替编号	让编号相邻的扇区在物理上不相邻
多个盘面	错位命名	让相邻盘面的扇区编号错位

1.4 相关例题

【例 1】设磁盘转速为 7200 转/分，平均寻道时间为 9ms，每条磁道的平均扇区数为 400，则访问一个扇区的平均存取时间是多少？

• 旋转一圈的时间 = (60s / 7200) * 1000 = 8ms，旋转延迟时间 = 1/2 * 旋转一圈所用时间 = 4ms
• 传输时间 = (60s / 7200) / 400 * 1000 = 0.02ms
• 寻道时间 = 9ms
• 平均存取时间 = 寻道时间 + 旋转延迟时间 + 传输时间 = 9ms + 4ms + 0.02ms = 13.02ms

【例 2】设磁盘的转速为 10000 转/分，平均寻道时间为 6ms，磁盘传输速率为 20MB/s，磁盘控制器延迟为 0.2ms，读取一个 4KB 扇区所需的平均时间是多少？

• 旋转一圈的时间 = (60s / 10000) * 1000 = 6ms，旋转延迟时间 = 1/2 * 旋转一圈所用时间 = 3ms
• 传输时间 = 读取时间 + 延迟时间 = (4KB) / (20MB/s) * 1000 + 0.2 = 0.2ms + 0.2ms = 0.4ms
• 寻道时间 = 6ms
• 平均存取时间 = 寻道时间 + 旋转延迟时间 + 传输时间 = 6ms + 3ms + 0.4ms = 9.4ms

【例 3】已知某磁盘的平均转速是 r 秒/转，平均寻找时间是 T 秒，每个磁道可以存储的字节数是 N，现在向该磁盘写入 b 字节的数据，采用随机寻道的方法，每道的所有扇区组成一个簇，其平均访问时间是？

• 注意 r 秒/转 即为旋转一圈的时间
• 磁道数 = 数据总量/每个磁道可以存储的数据 = b/N
• 寻道时间 = 磁道数 * 平均寻找时间 = (b/N) * T
• 传输时间 = 磁道数 * 旋转一圈的时间 = (b/N) * r
• 注意一个道就作为一个簇，不用涉及定位扇区的时间（延迟时间）
• 平均访问时间 = 寻道时间 + 传输时间 = (T+r) * (b/N)

2 磁盘的调度算法

算法	缺点
先来先服务算法（FCFS）	~
最短寻找时间优先算法（SSTF）	可能导致饥饿
扫描算法（SCAN，电梯算法）	对于各个位置磁道的响应频率不平均
循环扫描算法（C-SCAN）	~

假设在一个磁盘上，有 1000 个柱面，编号从 0~999，用下面的算法计算为了满足磁盘队列中的所有请求，磁盘臂必须移动过的磁道数目。假设最后服务的请求时在磁道 345 上，并且读写头正在朝磁道 0 移动。在按 FIFO 顺序排列的队列中包含了如下磁道上的请求：123,874,692,475,105,376。

2.1 先来先服务算法（FCFS）

• 算法思路：根据进程请求访问磁盘的先后顺序进行调度。
• 序列：123,874,692,475,105,376
• 算法运行：（假设最后服务的请求时在磁道 345 上）

磁头	磁道访问的顺序
磁头移动	345,123,874,692,475,105,376

• 磁头总共移动的磁道数 = (345-123)+(874-123)+(874-692)+(692-475)+(475-105)+(376-105) = 2013

2.2 最短寻找时间优先算法（SSTF）

• 算法思路：优先处理与当前磁头最近的磁道（贪心思想）。
• 序列：123,874,692,475,105,376
• 算法运行：（假设最后服务的请求时在磁道 345 上）

磁头	磁头位置
初始	345
磁头最近的磁道	376
磁头最近的磁道	475
磁头最近的磁道	692
磁头最近的磁道	874
磁头最近的磁道	123
磁头最近的磁道	105

• 磁头总共移动的磁道数 = (874-345)+(874-105) = 1298

2.3 扫描算法（SCAN，电梯算法）

• 算法思路：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。
• 序列：123,874,692,475,105,376
• 算法运行：（假设最后服务的请求时在磁道 345 上，并且读写头正在朝磁道 0 移动）

磁头	磁道访问的顺序
磁头朝磁道 0 移动	345,123,105,0
磁头朝磁道 999 移动	0,376,475,692,874

• 磁头总共移动的磁道数 = (345-0)+(874-0) = 1219

2.4 LOOK 调度算法

• 算法思路：基于扫描算法，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。
• 序列：123,874,692,475,105,376
• 算法运行：（假设最后服务的请求时在磁道 345 上，并且读写头正在朝磁道 0 移动）

磁头	磁道访问的顺序
磁头朝磁道 0 移动	345,123,105
没有更小的磁道号，磁头朝磁道 999 移动	105,376,475,692,874

• 磁头总共移动的磁道数 = (345-105)+(874-105) = 1009

2.5 循环扫描算法（C-SCAN）

• 算法思路：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。
• 序列：123,874,692,475,105,376
• 算法运行：（假设最后服务的请求时在磁道 345 上，并且读写头正在朝磁道 0 移动）

磁头	磁道访问的顺序
磁头朝磁道 0 移动	345,123,105,0
磁头回滚至 999，朝磁道 0 移动	0,999,874,692,475,376

• 磁头总共移动的磁道数 = (345-0)+(999-0)+(999-376) = 1967

2.6 C-LOOK 调度算法

• 算法思路：基于循环扫描算法，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。
• 序列：123,874,692,475,105,376
• 算法运行：（假设最后服务的请求时在磁道 345 上，并且读写头正在朝磁道 0 移动）

磁头	磁道访问的顺序
磁头朝磁道 0 移动	345,123,105
没有更小的磁道号，磁头朝磁道 0 移动	105,874,692,475,376

• 磁头总共移动的磁道数 = (345-105)+(874-105)+(874-376) = 1507

3 磁盘的管理

3.1 磁盘的初始化

• 低级格式化（物理格式化）：将磁盘的各个磁道划分为扇区。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，校验码用于校验扇区中的数据是否发生错误）。
• 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）。
• 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。

3.2 引导块和操作系统引导过程

3.2.1 引导块（初始块）

• 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（即 boot 程序，或自举程序）完成的。
• 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。
• 拥有启动分区的磁盘称为启动磁盘或系统磁盘。
• 引导硬盘和非引导硬盘：即装了操作系统的硬盘和没有装操作系统的硬盘。

3.2.2 操作系统引导过程

• 激活 CPU：CPU 读取 ROM 中的 boot 程序，开始执行 Bios 的指令。
• 硬件自检：启动 boot 程序后，检查硬件是否有故障。
• 加载带有操作系统的硬盘：硬件自检后，BIOS 读取 boot sequence，把控制权交给启动顺序排在第一位的存储设备。若发现该存储设备是非引导硬盘，则去检查下一个存储设备，如果找不到引导硬盘，则宕机。
• 加载主引导记录 MBR：CPU 通过 MBR 去硬盘哪个主分区去找操作系统，执行磁盘引导程序，扫描分区表。
• 加载活动分区（又称主分区，即安装了操作系统的分区）：MBR 中记录哪些分区是活动分区，通过 MBR 开始加载活动分区的第一个扇区。
• 加载分区引导记录 PBR：活动分区的第一个扇区又称为 PBR，从根目录下找到完整的操作系统初始化程序（即启动管理器）并执行，完成“开机”的一系列动作。

3.3 坏块

• 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。
• 对于简单结构的磁盘：逻辑格式化时将坏块标记出来。（坏块对操作系统不透明）
• 对于复杂结构的磁盘：磁盘控制器维护一个坏块链，并管理备用扇区。（坏块对操作系统透明）

4 固态硬盘

项目	描述
原理	EEPROM（电可擦除 ROM）
组成	多个闪存芯片，每个芯片有多个块，每个块有多个页
读写特性	以“页”为单位读写，支持随机访问（读快、写慢）
擦除特性	以“块”为单位擦除，一个块如果被擦除次数过多会损坏
磨损均衡技术	动态磨损均衡（优先写入擦除次数较少的块）、静态磨损均衡（自动检测并迁移分配数据，使其寿命更长）
优点	噪音小，读写速度快，抗震
缺点	造价高