计算机组成与体系结构------磁盘调度

Posted 2020-10-22 Timer

一.磁盘结构与参数

　　1.磁盘结构

　　　　1）磁道：

• • • 磁盘上的一组同心圆
    • 磁盘上的数据都是存放在磁道上的
    • 其宽度和磁头宽度相同
    • 为减少磁道和磁道之间的干扰，之间要保持一定的间隔

　　　　

　　　　2）道密度

• • • 沿磁盘半径的方向单位长度内磁道的数目简称为道密度，简称为TPI(每一英寸/道)，实际计算中，也有以毫米为单位 。
    • 称最外层为0道，由外向内递增

　　　   3）位密度

• • • 沿磁道方向单位长度内存储的二进制的信息的个数成为位密度（每毫米/位）　　　　　　
    • 为了简化电路的设计。每个磁道存储的位数都是相同的，但是由于磁道半径的变化，所以磁盘的位密度也是由外向内逐步增加的，密度也就越来越大

　　　　4）扇区

• • • 磁盘传输的数据是以块，或者说以记录为单位，因此，磁盘上的数据以块的方式进行存放，而这些块通常称为扇区。　　
    • 每个磁道所包括的扇区不等，一般是10~100个扇区，为避免干扰，扇区之间也留有空隙。

　　　　5）柱面

• • • 柱面的概念，柱面是若干个记录面组成的磁盘组
    • 所有盘面上相同位置的磁道就称为一个柱面，具有N个磁盘记录面的磁盘，每个柱面就有N个磁道，若每个磁盘记录面有N个磁道，那么这个磁盘组就有N个柱面。

　　　　　　 

　　2.磁盘容量

　　　　1）总磁道数：

• • • • m:磁盘的记录面数
      • TPI:磁盘的道密度
      • de:最外圈的直径
      • di:最内圈的直径　　　　　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　

　　　　2）非格式化容量

• • • • w:位密度（每毫米的位数）
      • d:最内圈的直径
      • m:磁盘记录的面数
      • n:每一面的磁道数

　　　　　　　　　　

　　　　3）磁盘格式化容量

• • • • 能够实际存储有用信息的总量
      • 格式化容量=磁盘存储容量
      • s：每一个磁道的扇区数　
      • b:每个扇区所存储的字节数　　　　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　

 

 　3.数据存取过程

　　　　1）磁盘存放数据规则

• • • • 在向磁盘记录一个文件时，应将文件尽可能记录在同一柱面上
      • 当一个柱面记录不下时，再记录到相邻的柱面上
      • 当一个文件超出一个磁道容量时，剩下的部分应该存放在其他盘面同一编号的磁道上，同一柱面的其他磁道上
      • 为存取磁盘上的一个物理记录，必须具有三个参数，分别是柱面号，磁头号（盘面号），扇区号。
      • 磁盘根据柱面号来控制移动壁做径向运动沿着半径，带动读写头到达所需的柱面，从磁头号来确定哪一个磁头来读写数据，然后等待访问的信息块旋转到读写头下时来进行存取。

 

 

　　　　2）磁盘存取数据操作

• • • • 磁盘在实现这些操作时，分为查找，搜索，读，写和控制。
      • 查找：将读写头定位到指定的柱面并选择指定的磁头
      • 搜索：指定的磁头寻找要访问的记录块

　　　　3）平均存取时间

• • • • 平均存取时间是反映磁盘数据操作速度的指标，单位是毫秒（ms）。
      • 它包括三个时间段，分别是平均寻道时间，平均定位时间和转动延迟。
      • 平均定位时间+转动延迟统称为等待时间

　　

　　4.数据传输速率　　

　　　　1）计算公式

• • • • TB：一个磁道上记录的字节数
      • T：磁盘每旋转一圈所需要的时间　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　

• • • • s：每个磁道的扇区数
      • b：每个扇区所存储的字节数

• • • • rpm磁盘转速

　　　　　　　　　　

　　　　 2）计算公式变形

　　　　　　　　　　

  3）如果未给出每次到的扇区数以及每扇区的存储字节数，则可以根据以下公式计算磁盘的平均数据传输速率 

　　　　　　　　　　　　　　　　

 

　　　　4）举例说明

　　假设一个有3个盘片的硬盘，共有4个记录面，转速为7200转/分，盘面有效记录区域的外直径为30cm,内直径为10cm，记录位密度为250位/mm，磁道密度为8道/mm，每磁道分为16个扇区，每扇区512字节。

• • • • 总磁道数=4*8*（30-10）/2*10=3200道

      • 非格式化容量=道密度w*3.14*最内圈直径*总磁道数/8bit/1024/1024=（250*3.14*10*10*3200）/8/1024/1024=29.95MB

      • 格式化容量=总磁道数*每一个磁道的扇区数*每扇区的字节数=3200*16*512/1024/1024=25MB

      • 平均数据传输速率=TB/T=(16*512*7200/60)/1024=960kb/s　　　　

 

 

　　5.磁盘调度算法　

　　　　1)磁盘调度定义

　　磁盘是一个可以被多个进程共享的一个设备，当多个进程请求访问磁盘的时候，为了保证信息的安全，系统在每一时刻只允许一个进程输入输出磁盘，其余进程只能等待，因此，操作系统应该采用一种适当的调度算法，使各进程对磁盘的平均访问时间最短，这里指的一般是寻道时间，因为等待时间与磁盘本身的结构有关。（平均等待时间是磁盘转速时间的一半）磁盘调度分为移臂调度和旋转调度两类，并且要先进行移臂调度然后再进行旋转调度，由于磁盘最耗时的是寻道时间，因此，磁盘调度的目标使磁盘的平均时间最短，当磁盘的移动壁定位后，有多个进程等待访问这个柱面的时候，应当如何决定这些进程的访问顺序呢？这就是旋转调度要考虑的问题。系统应该选择延迟时间最短的进程对磁盘的扇区进行访问， 当有若干个等待进程请求访问磁盘上的信息时，旋转调度应考虑三种情况1.进程请求访问的是同一磁道上不同编号的扇区2.进程请求访问的是不同磁道上不同标号的扇区3.进程秦请求的是不同磁道上统一编号的扇区，对于1、2两种情况，旋转调度总是让首先到达旋转磁头位置下的扇区进行传输操作，而对于不同磁道同一扇区编号的请求操作，旋转调度可以任选一个读写磁头位置下的扇区进行操作。　　　

 

　　　　　　　　　　

 

　　　　　　

　　　　2）磁盘调度算法种类

• • • FCFS:先来先服务算法

      • 按照先来后到的顺序，没有做任何优化
      • 优点：公平简单，使每个请求都会得到处理，不会出现某个请求长时间得不到请求的情况
      • 缺点：平均寻道时间可能比较长　　

    • SSTF：最短寻道时间优先算法

      • 访问的磁道距离当前磁头所在的磁道最近
      • 优点：这样就可以使每次寻道所用的时间最短，FCFS算法会引起磁头在盘面上大范围的移动　
      • 缺点：会因为距离过长而推迟一些请求的服务，甚至导致无限拖延，这种情况称为饥饿。　

    • SCAN：扫描算法（也称电梯算法）

      • 不仅考虑到下一个访问磁道与当前磁道的距离，而且优先考虑再磁头前进方向上的最短查找时间，排除了磁头在磁盘上某个位置的往复移动。就像电梯一样，电梯到了10楼，往上走，即使按下9楼，也不会往回走，而是走到最高目标层再下来，而不是在9层和10层之间做往复运动。　
      • 优点：很大程度上消除了SSTF的不公平性，有利于对中间磁道的请求 　
      • 缺点：当磁头由里向外移动过某一磁道的时候，这是恰有一个进程请求访问这个磁道，这是进程必须等待磁头由里向外，再由外向里扫描完要访问的磁道，才能处理这个进程的请求。

    • N-SCAN

    • C-SCAN

      • 规定磁头单向移动，消除对两端磁道不公平的算法。