磁盘详解（一文搞懂磁盘）-程序员宅基地

技术标签：操作系统学习笔记数据库

一.磁盘的结构

二.磁盘的分类

2.1按照磁头是否可以移动分类

一.磁盘的结构

分块解析：

磁道：磁盘的盘面被划分成一个个磁道。这样的一个“圈”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（如1KB）

盘面，柱面：

二.磁盘的分类

2.1按照磁头是否可以移动分类

2.2按照盘片是否可以更换分类

三.磁盘的读写过程

寻找时间（寻道时间） T S ：在读 / 写数据前，将磁头移动到指定磁道所花的时间。

① 启动磁头臂是需要时间的。假设耗时为 s ；

② 移动磁头也是需要时间的。假设磁头匀速移动，每跨越一个磁道耗时为 m ，总共需要跨越 n 条磁道。则：寻道时间 T S = s + m*n

延迟时间 T R ：通过旋转磁盘，使磁头定位到目标扇区所需要的时间。设磁盘转速为 r （单位：转 / 秒，或转 / 分），则平均所需的延迟时间 T R = (1/2)*(1/r) = 1/2r

传输时间Tt ：从磁盘读出或向磁盘写入数据所经历的时间，假设磁盘转速为 r ，此次读 / 写的字节数为 b ，每个磁道上的字节数为 N 。则：传输时间T t = (1/r) * (b/N) = b/(rN)

例题：

寻求正确的轨道。磁头当前所在的位置在外围的21扇区，如果要访问12，必须先将磁头移到其所在的位置，即寻道（seek）。平均寻道时间大约需要 4ms。完全寻道（从表面的一端到另一端）可能需要两到三倍的时间。寻道有许多阶段：首先是磁盘臂移动时的加速阶段；然后随着磁盘臂全速移动而惯性滑动；然后随着磁盘臂减速而减速；最后，在磁头小心地放置在正确的磁道上时停下来。不是纯粹的线性成本。必须加速、滑行、减速、停放。停放时间（settling time）可能需要 0.5～2ms，因为驱动器必须确定找到正确的磁道。

等待旋转。等待期望的扇区旋转到磁头下。这种等待在现代驱动器中经常发生，并且是 I/O 服务时间的重要组成部分，又称之为旋转延迟（rotational delay/rotation delay）。平均旋转延迟直接根据 RPM 计算。15000 RPM 等于 250 RPS（每秒转速）。因此，每次旋转需要 4ms。平均而言，磁盘将会遇到半圈旋转，因此平均时间为 2ms。

传输数据。传输速度很快，取决于 RPM 和扇区密度。100+ MB/s 是典型的最大传输速率。传输时间就是传输大小除以峰值传输速率。512 字节 * (1s / 100 MB) ≈ 5 us。

读/写时间由三个组成部分：时间 = 寻道 + 旋转 + 传输时间

顺序工作负载：每个的吞吐量是多少？

Cheeta: 125 MB/s

Barracuda: 105 MB/s

随机工作负载：每个的吞吐量是多少？假设随机读取 16 KB。

Cheetah 平均随机读取 16 KB 需要多长时间？

四.磁盘的调度

由于I/O的高开销，操作系统在决定哪个I/O与磁盘交互扮演一个重要角色。磁盘调度程序（disk scheduling）。

不像任务调度程序，磁盘调度程度对于每一个任务的长度是未知的，它只能靠好的猜测。通过估计任务花费时间来确定执行最短任务（SJF）。磁头的位置、任务请求的位置，比任务的长度更重要。

最大限度地缩短访问时间并最大限度地提高数据传输带宽，需要减少花费在寻道上的时间。

4.1FCFS先来先服务算法

优点：公平；如果请求访问的磁道比较集中的话，算法性能还算过的去

缺点：如果有大量进程竞争使用磁盘，请求访问的磁道很分散，则 FCFS 在性能上很差，寻道时间长。

4.2SSTF最短寻找时间优先

Eg ：本例中，如果在处理 18 号磁道的访问请求时又来了一个 38 号磁道的访问请求，处理 38 号磁道

的访问请求时又来了一个 18 号磁道的访问请求。如果有源源不断的 18 号、 38 号磁道的访问请求

到来的话， 150 、 160 、 184 号磁道的访问请求就永远得不到满足，从而产生“饥饿”现象。

4.3 SACN扫描算法

优点：性能较好，平均寻道时间较短，不会产生饥饿现象

缺点： ① 只有到达最边上的磁道时才能改变磁头移动方向，事实上，处理了 184 号磁道的访问请

求之后就不需要再往右移动磁头了。

② SCAN 算法对于各个位置磁道的响应频率不平均（如：假设此时磁头正在往右移动，且刚处理过

90 号磁道，那么下次处理 90 号磁道的请求就需要等磁头移动很长一段距离；而响应了 184 号磁道

的请求之后，很快又可以再次响应 184 号磁道的请求了）

4.4C-SACN循环扫描算法

SCAN 算法对于各个位置磁道的响应频率不平均，而 C-SCAN 算法就是为了解决这个问题。规定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。

进一步改进，即磁头移动只需要到达最远端的一个请求即可返回，不需要到达磁盘端点。这种形式的SCAN算法和C-SCAN算法称为LOOK调度和C-LOOK调度，因为它们在朝一个给定方向移动前会查看是否有请求。

4.5 SPTF（最短定位时间优先）

五.磁盘减少延迟采取的措施

5.1磁道偏移

5.2多区

5.3磁盘缓存

六.磁盘地址结构表示

磁盘上的物理地址一般用：柱面号，盘面号，扇区号（或者块号）表示

比如要寻找第0个柱面，0个盘面，第七个扇区

则表示为（000，00，111）

七.IO合并

设想请求读取队列：33, 8, 34

在这种情况下，调度程序应该将 33 和 34 的请求合并在一起。

合并在操作系统级别尤其重要，因为它减少了发送到磁盘的请求数量，从而降低了开销。

本文链接：https://blog.csdn.net/m0_63006478/article/details/131194007

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