第 2 讲 磁盘管理

认识计算机外设与计算机 !

PCI 总线图形控制器

IDE 控制器

总线控制器 CPU- 内存总线

对我们来说，磁盘无疑是最重要的设备，我们下载的电影放在这里，我们写的论文也放在这里…

认识一下磁盘

磁道

扇区

盘面

画一个示意图 :

看看俯视图 :

磁盘的数据单位是扇区扇区大小： 512 字节

扇区是磁盘的寻址单位、访问单位

扇区的大小是传输时间和碎片浪费的折衷所以，磁盘被称为块设备 !

4

　磁盘的结构和布局

柱面 C ylinder 磁道 Head （磁头号、盘面号） 扇区 Sector

磁盘的结构划分• 低级格式化• 划分磁道、扇区

• 高级格式化• 安装文件系统

5

磁盘的 I/O

总线控制器

IDE 控制器让我们仔细想想磁盘如何读 / 写 1 一个字节 ?

(1)(2)

(3)

分析磁盘 I/O 的重点在于第 2 步 !

磁道内存缓存读出了一个字节写 ( 修

改 ) 一个字节磁盘 I/O: 缓存队列控制器寻道旋转传输 !

磁盘 I/O 的分析 可以整理磁盘 I/O 的过程：

进程请求队列

磁盘控制器磁盘

我们最关心的磁盘什么时候读 / 写完 ?磁盘访问延迟 = 队列时间 + 控制器时间 +

寻道时间 + 旋转时间 + 传输时间

扇区磁道Head

12 ms to 8 ms

( 半周 ): 8 ms to 4 ms

50M/ 秒约 0.25ms

前两项可以忽略 !

关键所在 : 最小化寻道时间和旋转延迟 !

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磁盘管理减少访问磁盘的总时间

磁盘调度：移臂调度、旋转调度减少访问磁盘的次数

缓冲延迟写提前读簇虚拟盘

I/O 过程是解开许多磁盘问题的钥匙 磁盘调度：

磁盘访问延迟 = 队列时间 + 控制器时间 + 寻道时间 + 旋转时间 + 传输时间

12 ms to 8 ms 8 ms to 4 ms 约 0.25ms

前两项可以忽略 !

多个磁盘访问请求出现在请求队列怎么办 ? 调度调度的目标是什么 ? 调度时主要考察什么 ?

目标当然是平均访问延迟小 !寻道时间是主要矛盾 !

磁盘调度 : 输入多个磁道请求，给出服务顺序 !

FCFS 磁盘调度 最直观、最公平的调度：

一个实例 : 磁头开始位置 =53 ；请求队列 =98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67

0 14 37 53 65 67 98 122 124 183 199

磁头在长途奔袭 !

FCFS: 磁头共移动 640 磁道 !

在移动过程中把经过的请求处理了 !

SSTF 磁盘调度 Shortest-seek-time First ：

继续该实例 : 磁头开始位置 =53 ；请求队列 =98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67

0 14 37 53 65 67 98 122 124 183 199

如果在处理 183 之前又来一些中间磁道的请求，则…

SSTF: 磁头共移动236(4+53+169) 磁道，要少很多 !

SSTF 存在饥饿问题

SCAN 磁盘调度 SSTF+ 中途不回折：每个请求都有处理机会

继续该实例 : 磁头开始位置 =53 ；请求队列 =98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67

0 14 37 53 65 67 98 122 124 183 199

这些请求的等待时间较长，只因所在方向不够幸运 !根据其特征， SCAN 也被称为电梯算法 !

SCAN: 磁头共移动53+183=236 磁道，

和 SSTF 一样 !

SCAN 导致延迟不均

C-SCAN 磁盘调度 SCAN+ 直接移到另一端：两端请求都能很快处理

继续该实例 : 磁头开始位置 =53 ；请求队列 =98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67

0 14 37 53 65 67 98 122 124 183 199

CSCAN 中的 C 是环的意思 !

CSCAN: 磁头共移动188+200 磁道 !其中 200 会较快 !

140(183199)没有必要

C-LOOK 磁盘调度 CSCAN+ 看一看：前面没有请求就回移

继续该实例 : 磁头开始位置 =53 ；请求队列 =98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67

0 14 37 53 65 67 98 122 124 183 199

LOOK 和 C-LOOK 是比较合理的缺省算法操作系统中所有的算法都要因地制宜 !

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磁盘管理减少访问磁盘的总时间

磁盘调度：移臂调度、旋转调度减少访问磁盘的次数

缓冲延迟写提前读簇虚拟盘

I/O 过程是解开许多磁盘问题的钥匙 磁盘寻址：对于内存，我们往往更关心存放内容的地址

实际上就是扇区怎么编址 ?

显然这个地址是 ( 盘面 ?, 磁道 ?, 扇区 ?)

寻道和旋转费时多花最少时间访问最多扇区的方案 : 磁臂不动、磁盘旋转一周，访问磁头遇到的所有扇区。

磁臂

让这些扇区的编址邻近 : 因为局部性 !

柱面 !

扇区编址 (1): CHS(Cylinder/Head/Sector)

扇区编址 (2): 扇区编号

扇区编号—现代磁盘的常见寻址方式磁臂

扇区编号，按照 (C,H,S)将扇区形成一维扇区数组，数组索引就是扇区编号

柱面 1 柱面 2 柱面 n…

整个磁盘

磁道 1 磁道 2 磁道 k…

一个柱面

扇区 1 扇区 2 扇区 p…

一个磁道

0

kp

(k+1)p (k+2)p …

体现了局部性 !

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针对设备特性的调度策略针对设备特性的调度策略旋转调度

对磁盘访问的 5 个请求应作如下调度柱面号 盘面号 扇区号 2 7 7 5 2 1 5 3 5 5 3 8 40 6 3

柱面号 盘面号 扇区号 2 7 7 5 2 1 5 3 8 5 3 5 40 6 3

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磁盘管理减少访问磁盘的总时间

磁盘调度：移臂调度、旋转调度减少访问磁盘的次数

缓冲延迟写提前读读写单位：扇区、组块虚拟盘

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UNIX缓冲管理算法 缓冲读、写示意图

缓冲读

高速缓冲

用户数据区

用户进程磁盘

预先缓存缓冲写

高速缓冲

用户数据区

用户进程磁盘

延迟发送

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磁盘管理减少访问磁盘的总时间

磁盘调度：移臂调度、旋转调度减少访问磁盘的次数

缓冲延迟写提前读读写单位：扇区、组块虚拟盘

I/O 过程是解开许多磁盘问题的钥匙 分析磁盘扇区尺寸：

磁盘访问延迟 = 队列时间 + 控制器时间 + 寻道时间 + 旋转时间 + 传输时间

12 ms to 8 ms 8 ms to 4 ms 约 0.25ms

前两项可以忽略 !

扇区尺寸为 1 byte ：没有碎片；传输速度 100

byte/ 秒 ( 寻道时间 10ms)

扇区尺寸 1 KByte ：碎片 0.5K ；传输 100 KByte/ 秒扇区尺寸 1 MByte ：碎片 0.5M ；传输 4 Mbyte/

秒

扇区大小

空间利用率

传输速度

举例：磁盘块 VS （柱面、磁道、扇区）•假设一个磁盘由 128 个柱面组成，每个柱面上有

16 个磁道，每个磁道上有 8 个扇区，一个扇区大小为 512 个字节， 8 个连续扇区组成一块，问这个磁盘空间有多少个磁盘块？每块大小是多少？

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磁盘管理减少访问磁盘的总时间

磁盘调度：移臂调度、旋转调度减少访问磁盘的次数

缓冲延迟写提前读读写单位：扇区、组块虚拟盘：将内存当外存用

不同的程序员看到的磁盘• I/O子系统（设备无关层）看到的

磁盘块：一个磁盘块 =2n 个扇区•驱动程序看到的：

（柱面、磁道、扇区）• 程序员看到的：文件

文件 --------- 磁盘块 ----------( 柱面、磁道、扇区 )

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I/O 系统的层次及功能

Óû§²ãÈí¼þ

É豸¶ÀÁ¢ÐÔÈí¼þ

É豸Çý¶¯³ÌÐò

Öжϴ¦Àí³ÌÐò

Ó²¼þ

I/OÓ¦´ð

²úÉúI/OÇëÇ󡢸ñʽ»¯I/O¡¢Spooling

Ó³Éä¡¢±£»¤¡¢·Ö¿é¡¢»º³å¡¢·ÖÅä

ÉèÖÃÉ豸¼Ä´æÆ÷£¬¼ì²é¼Ä´æÆ÷״̬

Ö´ÐÐI/O²Ù×÷

将整个过程贯穿在一起 第 1步：得到要访问的扇区的编号；得到读

的源 (或写的目标 ) 内存地址 算法输入 !

第 2步：将扇区编号和内存地址写给 DMA ；然后阻塞 查手册、写端口 !

第 3步： DMA 处理完成后中断 CPU ；中断处理程序唤醒阻塞进程 编写中断处理程

序 ! 第 4步：进程继续…

获得编号是使用磁盘的关键 !

直接使用扇区编号寻址磁盘吗 ?

磁盘页表

物理内存

请求调页—页面置换

load [addr] i

页错误处理程序(1)

(2)(3)

(4)

(5)(6)

交换出去的页面放在哪里 ?

交换出去

交换分区问题的关键是写到磁盘的什么位置 ?

交换出去的页面显然要写到磁盘上如果是代码段和数据段，直接写到可执行文件中如果是堆栈段呢 ? 创建一个文件吗 ?

变成了页面文件扇区映射关系，显然是低效的应该是直接“页面扇区”PTE

P=0换出地址 为提高效率，这部分磁盘不存文件，直接用扇区号寻址。 (交换分区 )这样使用的磁盘称为生磁盘 (raw disk)

Linux 交换分区安装 Linux 时，需创建一硬盘分区作为交换分区

fdisk命令可以查看分区信息

因为交换分区要和内存不断交换，所以是动态变化的swap 分区的大小通常是内存大小的两倍

Linux 内存页面的定期换出存在一个定期调度的进程 (kswapd)

void kswapd(void) //页面换出的框架{ for(;;) //daemon 进程的基本结构 {static int refscans=0; reference_bits_scan(); //clock扫描 if(refscans++>60) //1 分钟启动一次 {inactive_scan(); refscans=0; wake_up(&kswap_down);}//唤醒等页面换出的进程 sleep_on_timeout(HZ);//每 HZ(1秒 ) 调度kswapd} }}//kswapd 的间接结果是形成一个 inactive页面对列 inactive_scan() 然后调用 swap_out()将页面写到交换分区上

UNIX 类 OS 大都这样 !

谢谢！操作系统自己用磁盘可以用扇区寻址，操作系统之上的应用程序用文件名 + 字节流访问文件。下一单元就学习这个