磁盘的工作原理

磁盘是使用最多的外部存储系统。

基本结构

基本结构为盘片+磁头。每个磁盘有多个盘片、多个磁头，对应关系是每个盘片对应两个磁头（正反两面）。

  • 扇区：盘片被划分为多个扇区，同个磁盘中的各个盘片扇区数相同。每个磁道有着相同的扇区数。
  • 磁道：盘片上以盘片中心为圆心，不同半径的同心圆。
  • 柱面：==不同盘片相同半径的磁道==所组成的圆柱。

读写的顺序是：==按照柱面从外到内进行读写，在柱面内的顺序为先读同一盘面的各个扇区，再从上到下读不同盘面==（不严谨，仅代表盘片的顺序）。

基本结构

磁盘的划分

硬盘实际扇区数比硬盘标签上标定的大：

  • 固件区：于存储硬盘的固件（硬盘控制器使用）；
  • 工作区 ：用户存储数据的区域，也就是硬盘标定容量的扇区
  • 保留区：超过在固件里定义的硬盘容量的扇区部分

对于磁盘，每个磁道可利用的扇区数并不是常量。绝大多数磁盘都有一些缺陷扇区。这些无法使用的扇区会破坏地址空间的连续性，因此必须用磁盘上的其他空闲扇区来替代这些缺陷扇区。

  • P表：又称为永久缺陷列表，用于记录硬盘生产过程中产生的缺陷
  • G表：又称为增长缺陷列表，用于记录硬盘使用过程中由于磁介质性能变弱而引起的缺陷

划分

磁盘的组织

  • 主引导扇区MBR
  • 分区表
  • 分区引导扇区DBR
  • 容量及访问时间

主引导区MBR

主引导记录MBR：硬盘的0柱面、0磁头、1扇区称为主引导扇区。

MBR不属于任何一个操作系统，不会夹带操作系统的性质，具有公共引导的特性。

MBR的内容是在硬盘分区时由分区软件（如FDISK）写入该扇区的。该记录占用512个字节，它用于硬盘启动时将系统控制权转给用户指定的、在分区表中登记了某个操作系统分区。

MBR的内容：

  • 前446字节为启动代码及数据
  • 447-510字节：分区表DPT。由4个分区项组成（限制了只能有4个主分区），每项为16字节，记录了启动时所需的分区参数
  • 511-512字节：幻数AA和55，若没有则被认为是没有被分区的硬盘

MBR

硬盘分区有三种，主磁盘分区、扩展磁盘分区、逻辑分区 。

  • 一个硬盘主分区至少有1个，最多4个

    主分区只能有一个是激活的active，其余为inactive

  • 扩展分区可以没有，最多1个。主分区+扩展分区总共不能超过4个

    分区如果没有被分为主分区和逻辑分区就被浪费了，一般把主分区意外的部分全分为扩展分区

  • 扩展分区不能直接使用，需要分为若干个逻辑分区。逻辑分区可以有若干个

磁盘分区表DPT

硬盘分区表分为四小部分，每一小部分表示一个分区的信息，占16字节

DPT记录了分区所在的起始以及结束的磁头号、扇区号、柱面号，之前已经使用的扇区数。

DPT

磁盘的访问

使用逻辑块对磁盘的空间进行管理。

记每个磁道的扇区数为s，磁头的总数为t，柱面号为i，磁头号为j，扇区号为k。

==则可以得到块号b=k+s∗(j+i∗t)b=k+s*(j+i*t)==

==理解的关键在于：磁盘的读写是从内柱面到外柱面，在柱面内为从上到下访问。==

  • 柱面号 = 块号/（磁头数*扇区数）=b/(t∗s)=ib/(t*s) = i
  • 磁头号 = （块号mod（磁头数*扇区数））/扇区数=(bmod  (t∗s))/s=(s∗j+k)/s=j(b \mod (t*s))/s=(s*j+k)/s=j
  • 柱面号 = （块号mod（磁头数*扇区数））mod扇区数=(bmod  (t∗s))mod  s=(s∗j+k)mod  s=k(b \mod (t*s)) \mod s=(s*j+k) \mod s=k

访问时间=寻道时间+旋转延迟时间+传输时间

  • 寻道时间：找到对应的磁道，认为是与移动的磁道数n相关，TS=m∗n+sT_S=m*n+s，m、s为常数，s为启动时间
  • 旋转延迟时间：转到对应的扇区，认为是转半圈的时间
  • 传输时间：就是传输信息的时间

磁盘的调度

当磁盘有多个读写请求时，磁头如何移动才能有最高的读写效率。

先来先服务FCFS

按访问请求到达的先后次序服务。

  • 简单、公平
  • 效率不高，相邻两次请求可能会造成最内到最外的柱面寻道，使磁头反复移动，增加了服务时间，对机械也不利。

最短寻道时间优先算法SSTF

优先选择距当前磁头最近的访问请求进行服务，主要考虑寻道优先。

  • 改善了磁盘平均服务时间。
  • 可能产生“饥饿”现象，造成某些访问请求长期等待得不到服务。

扫描算法（SCAN ）（电梯调度）

考虑捎带的磁头移动

当有访问请求时，磁头按一个方向移动，在移动过程中对遇到的访问请求进行服务，然后判断该方向上是否还有访问请求，如果有则继续扫描；否则改变移动方向，并为经过的访问请求服务，如此反复。

  • 克服了最短寻道优先的缺点，既考虑了距离，同时又考虑了方向
  • 但由于是摆动式的扫描方法，两侧磁道被访问的频率仍低于中间磁道。

循环扫描算法（CSCAN）

按照所要访问的柱面位置的次序去选择访问者。移动臂到达最后一个柱面后，立即带动读写磁头快速返回到 0 号柱面。

==返回时不为任何的等待访问者服务。返回后可再次进行扫描。==

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磁盘的空间管理

位图、空闲表、成组链接法

位图

用一串二进制位反映磁盘空间中分配使用情况，每个物理块对应一位，分配的物理块为0，否则为1

申请物理块时，可以在位示图中查找1的位，返回对应的物理块号；归还时，将对应位转置为1

空闲表

将所有空闲块记录在一个表中，即空闲表；主要记录两项内容：起始块号，块数

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成组链接法

空闲块链表：把所有空闲块链成一个表

成组链接法：把空白物理块分成组，再通过指针把组与组之间链接起来

成组链接法的优点：

  1. 空白块号登记不占用额外空间；
  2. 节省时间；
  3. 采用后进先出的栈结构思想

成组链接法

RAID

见课件

条带化：==一个字节块可能存放在多个数据盘上==

  • 优点：并行存取，性能好，磁盘负载均衡
  • 缺点：可靠性、不同IO 请求需要排队

镜像：数据完全拷贝一份

  • 优点：可靠性
  • 缺点：存储开销

校验：数据通过某种运算（异或）得出，用以检验该组数字的正确性

  • 优点：可靠性，快速恢复
  • 缺点：开销

RAID

提高IO速度的方式

  1. 选择性能好的磁盘

  2. 并行化

  3. 采用适当的调度算法

  4. 设置磁盘高速缓冲区

  5. 提前读：利用局部性原理

    顺序访问时，常提前读入下一块到缓冲区中

  6. 延迟写：设置缓冲队列，直到来到队头时才真正写