一.磁盘的结构

1.磁盘
磁盘是由表面涂有磁性物质的金属或塑料构成的圆形盘片，通过一个称为磁头的导体线圈从磁盘存取数据
2.磁道
磁盘盘面上的数据存储在一组同心圆中，称为磁道

3.扇区和盘块
磁道划分为扇区，每个扇区固定存储大小，各个扇区存放的数据量相同（最内侧磁道上的扇区面积最小，但数据密度最大），一个扇区称为一个盘块

4.在磁盘中读/写数据
需要把“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。

5.磁盘驱动器（活动头磁盘）

可用(柱面号，盘面号，扇区号)来定位任意一个“磁盘块”。在“文件的物理结构”中提到的文件数据存放在外存中的几号块，这个块号就可以转换成(柱面号，盘面号，扇区号)的地址形式。

柱面号定磁道，盘面号定盘面，扇区号定扇区。
①根据“柱面号”移动磁臂，让磁头指向指定柱面
②激活指定盘面对应的磁头
③磁盘旋转的过程中，指定的扇区会从磁头下面划过，这样就完成了对指定扇区的读/写

磁盘的物理地址是(柱面号，盘面号，扇区号)
如（000,00,000）-（001，01,111）
可以看出，先读（000,00,000）-（000,00,111）
再读（000,01,000）-（000，01,111）
再读（001,00,000）-（000，00,111）
…
即：先换扇区，再换盘面，再换柱面
按此方式，可以做到磁头移动次数最少，大大提高效率

6.磁盘分类
（1）固定头磁盘：磁头相对盘片的径向方向固定，磁头不可移动。这种磁盘中每个磁道有一个磁头，选择磁道时，激活与之对应的磁头即可。

（2）活动头磁盘：磁头可移动，磁头臂可来回伸缩定位磁道，每一个盘面有一个磁头。
（3）固定盘磁盘：磁盘永久固定在磁盘驱动器内
（4）可换盘磁盘：可移动和替换的

二.磁盘调度算法

（一）一次读/写磁盘需要的时间

1.寻找时间/寻道时间
在读/写数据前，磁头移动到指定磁道的时间
寻找时间=启动磁头臂时间s+移动磁头时间（跨越n个磁道的时间，即跨越每一个磁道用时m×跨越磁道个数n）=s+m×n

2.旋转延迟时间
通过旋转磁盘，使磁头定位到目标扇区需要的时间。
设磁盘转速为r转/秒（或转/分），则平均所需旋转延迟时间=找到目标扇区平均需要转半圈1/2×转一圈所需时间（通常用ms表示）=1/2×转一圈所需时间

3.传输时间
从磁盘读出或向磁盘写入数据的时间。
设磁盘转速为r，此次读/写字节数为b，每个磁道上的字节数为N，则传输时间=转一圈所需时间×b/N

• 在磁盘上进行一次读写操作需要哪几部分时间？其中哪部分时间最长？
  在磁盘上进行一次读写操作花费的时间由寻道时间、延迟时间和传输时间决定，其中寻道时间是将磁头移动到指定磁道所需要的时间，延迟时间是磁头定位到某一磁道的扇区所需要的时间，传输时间是从磁盘读出或向磁盘写入数据所经历的时间。一般来说，寻道时间因为要移动磁臂，所以占用时间最长
• 存储一个文件时，当一个磁道存储不下时，剩下部分是存在同一个盘面的不同磁道好，还是存在同一柱面的不同盘面好？
  寻道时间对于一次磁盘访问的影响是最大的，若存在同一个盘面的不同磁道，则磁臂势必要移动，这样会大大增加文件的访问时间，而存在同一个柱面上的不同盘面就不需要移动磁道，所以一般情况下存在同一柱面上的不同盘面更好

不同的磁盘调度算法会对寻找时间产生影响

（二）磁盘调度算法

1.先来先服务FCFS

First Come First Served
·优点：公平、简单
·缺点：如果请求访问的磁道很分散，性能较差

磁盘总移动次数55（100到55）+3（55到58）+19（58到39）+…=498个磁道

响应一个请求平均需要移动498/9=55.3个磁道，即为平均寻找长度

2.最短寻找时间优先SSTF

Shortest Seek Time First
选择调度处理的磁道是与当前磁头所在磁道距离最近的磁道
·优点：性能较好、平均寻道时间短
·缺点：可能产生饥饿现象

3.扫描算法/电梯调度算法SCAN

Structural Clustering Algorithm for Networks
·优点：性能较好、平均寻道时间较短、不会产生饥饿现象
·缺点：对各个位置磁道的响应频率不均匀，只有到达最边上的磁道才能改变磁头移动方向

• LOOK调度算法
  如果在磁头移动方向上没有别的请求，可立即改变磁头移动方向
  

4.循环扫描算法C-SCAN

Circular-Structural Clustering Algorithm for Networks
磁头单向移动来提供服务，回返时直接快速移动至起始端而不服务任何请求
·优点：对于各个位置磁道的响应频率平均
·缺点：只有到达最边上的磁道才能改变磁头移动方向

• C-LOOK算法
  如果在磁头移动方向上没有别的请求，可立即让磁头返回至有磁道访问请求的位置
  优点：不需要每次都移动到最外侧或最内侧才能改变磁头方向，寻道时间进一步缩短

（三）减少磁盘延迟时间的方法

磁头读取一块的内容后，需要一小段时间处理，而盘片又在不停地旋转。如果要读取的扇区相邻排列，则磁头移动到下一扇区时上一个数据还未读取完。只能等待下一圈才能处理下一个扇区。因此，如果逻辑上相邻的扇区在物理上也相邻，则读入几个连续的逻辑扇区，可能需要很长的“延迟时间”

1.解决方法一：交替编号

让逻辑上相邻的扇区在物理上有一定的间隔，可以使读取连续的逻辑扇区所需要的延迟时间更小。

2.解决方法二：错位命名

【正常命名】

【错位命名】
0号盘面0号扇区的正下方是1号盘面的7号扇区，以此类推

盘面顺时针转动，希望读到橙色部分

①0号盘面读7号扇区时，1号盘面划过3号扇区

②磁头准备时，0号盘面划过0号扇区，1号盘面划过7号扇区

③磁头开始读下一个，1号盘面的0号扇区被读取，0号盘面的4号扇区划过

可以看到，两个橙色部分在最短时间内被读取

三.磁盘的管理

1.磁盘初始化

（1）物理格式化：划分扇区
一个扇区通常可由头、数据区域、尾三个部分组成。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）
（2）磁盘分区：将磁盘分为由一个或多个柱面组成的分区

（3）对物理分区进行逻辑格式化（创建文件系统）：建立根目录文件，建立用于存储空间管理的数据结构（如位示图、空闲分区表）

2.引导块

计算机启动时需要运行初始化程序（自举程序）来完成初始化，ROM（只读存储器）中存放很小的自举装入程序，完整的自举程序存放在引导块/启动块/启动分区中。

开机时计算机先运行“自举装入程序”，通过执行该程序就可找到引导块，并将完整的“自举程序”读入内存，完成初始化

3.坏块

磁盘有移动部件且容错能力弱，很容易导致一个或多个扇区损坏。
管理：
（1）简单的磁盘：逻辑格式化时将坏块标记出来（如在FAT表上标明）。操作系统可知。
（2）复杂的磁盘：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。

四.固态硬盘SSD

1.组成

（1）闪存翻译层：负责翻译逻辑块号，找到对应页。支持随机访问，系统给定一个逻辑地址，闪存翻译层可通过电路迅速定位到对应的物理地址
（2）存储介质：由多个闪存芯片组成，每个芯片包含多个块，每个块包含多个页

磁盘的读写单位是“块”；如果系统要读的逻辑块存放在固态硬盘中，则“逻辑块”对应固态硬盘中的一个“页”。固态硬盘的“页”可以看成磁盘的“块/扇区”，固态硬盘的“块”可以看成磁盘的“磁道”。

固态硬盘以“页”为单位读写，以块为单位“擦除”。擦干净的块，其中的每页都可以写一次，读无限次。若想擦除某页数据，为保留同块中其他页的数据，需要将其他页数据复制到另一块，未来要在“被擦除”块处写入的新数据，需写入新块中。同时闪存翻译层需要修改逻辑块号的映射（到新地址）

要写的页如果有数据，则不能写入，需要将块内其他页全部复制到一个新的(擦除过的）块中，再写入新的页。因此，读的速度快、写的速度慢。

2.SSD与机械硬盘比较

（1）SSD读写速度快，随机访问性能高，用电路控制访问位置；机械硬盘通过移动磁臂旋转磁盘控制访问位置，有寻道时间和旋转延迟
（2）SSD安静无噪音、耐摔抗震、能耗低、造价更贵
（3）SSD的一个“块“被擦除次数过多（重复写同一个块）可能会坏掉，而机械硬盘的扇区不会因为写的次数太多而坏掉

3.磨损均衡技术

将“擦除”平均分布在各个块上，以提升使用寿命
（1）动态磨损均衡
写入数据时，优先选择累计擦除次数少的新闪存块
（2）静态磨损均衡
SSD监测并自动进行数据分配、迁移，让老旧的闪存块承担以读为主的储存任务，让较新的闪存块承担更多的写任务