概述
基本概念
磁盘有正反两个盘面,每个盘面有多个同心圆,每个同心圆是一个磁道,每个同心圆又被划分为多个扇区,数据就被存在扇区中。
磁头首先寻找到对应磁道,然后等到磁盘进行周期旋转到指定的扇区,才能读取到对应的数据。存取时间 = 寻道时间 + 等待时间
盘面号(磁头号):0 ~ M-1
;由于一个盘面上只有一个磁头,所以盘面号也叫作磁头号
柱面号(磁道号):0 ~ L-1
;磁道编号通常是从外沿向内进行编号
扇区号:1 ~ N
;对于同一条磁道可以分为若干扇区,对于扇区分成三个字段
标识符字段:存放扇区的标识信息
校验字段:检验磁盘读写操作的正确性
数据字段:存放数据信息
存储容量计算公式
存储容量 = 磁头数 × 磁道(柱面)数 × 每道扇区数 × 每扇区字节数
扇区编址方式
- CHS方式:柱面/磁头/扇区,××磁道(柱面),××磁头,××扇区,DOS中称为
绝对扇区
表示法。 - LBA方式:相对扇区号,以磁盘第一个扇区(0柱面、0磁头、1扇区)作为LBA的0扇区,后面的扇区依次编号
LBA扇区号与CHS间的转换
- CHS转换为LBA:若L、M、N分别表示一个磁盘的柱面数(磁道数)、盘面数(磁头数)、扇区数,则第
i
柱面j
磁头k
扇区所对应的LBA扇区号为: L B A = ( i ∗ M ∗ N ) + ( j ∗ N ) + k − 1 LBA=(i*M*N)+(j*N)+k-1 LBA=(i∗M∗N)+(j∗N)+k−1 - LBA转换为CHS:若知道LBA扇区号,则对应的柱面号、磁头号、扇区号分别是:
- 柱面号: i = i n t ( L B A / ( M ∗ N ) ) i=int(LBA/(M*N)) i=int(LBA/(M∗N))
- 磁头号: j = [ L B A m o d ( M ∗ N ) ] / N j=[LBAmod(M*N)]/N j=[LBAmod(M∗N)]/N
- 扇区号: k = [ L B A m o d ( M ∗ N ) ] m o d N + 1 k=[LBAmod(M*N)]modN+1 k=[LBAmod(M∗N)]modN+1
磁盘类型
按照磁头是否需要移动进行分类:
- 固定头磁盘:对于同一盘面上的不同磁道,都有相应位置固定的磁头进行读写,如上图中的黑色磁头和蓝色磁头分别读取一个磁道,对多条磁道进行读写的时候,磁头不需要移动位置。所以对于一个盘面上的多条磁道可以并行进行读取,访问速度较快。同样价格也较高
- 移动头磁盘:对于移动头磁盘,它的磁头是可以沿着径向臂进行径向移动,所以只需要使用一个磁头就可以访问所有的磁道。但是同一时间只能访问一个磁道,只能实现顺序读写,读写速度较慢,造价较低。计算机中使用的磁盘大多数都是移动头磁盘
磁盘访问时间
以移动头磁盘为例
寻道时间Ts
:把磁头移动到指定磁道上所经历的时间。
T s = m ∗ n + s T_s=m*n+s Ts=m∗n+s
m
:一般磁盘:0.2~0.3
;高速磁盘:m≤0.1
s
:磁臂启动时间,约为2ms~3ms
磁盘读写操作中绝大部分时间都是寻道时间,所以对寻道时间进行优化可以有效的大幅减少访问时间。
旋转延迟时间Tr
:指定扇区移动到磁头下面所经历的时间。
也就是要读取的蓝色扇区移动到黑色磁头下面所要经历的时间。旋转延迟时间最长为 1 r \frac{1}{r} r1,最短为0。平均旋转延迟时间为 T r = 1 2 r T_r=\frac{1}{2r} Tr=2r1,r
表示转速。
传输时间Tt
:把数据从磁盘读出或向磁盘写入数据所经历的时间。
T t = b r N T_t=\frac{b}{rN} Tt=rNb
b
表示要读写的字节数,N
表示一条磁道上总的字节数
因此,可将磁盘访问时间 T a T_a Ta表示为:
T a = T s + 1 2 r + b r N T_a=T_s+\frac{1}{2r}+\frac{b}{rN} Ta=Ts+2r1+rNb
磁盘调度
当有大量磁盘I/O请求时,恰当选择调度顺序,以降低完成这些I/O服务的总时间。
磁盘调度方式主要有以下两种:
- 移臂调度:当同时有多条磁道访问请求时,确定磁道访问顺序,以减少平均寻道时间
- 旋转调度:当一条磁道上有多个扇区访问请求时,确定扇区访问顺序,以减少旋转延迟时间。按照扇区距离磁头的位置的偏差来进行调度。
旋转调度算法较为简单,只是按照扇区距离磁头的位置的偏差来进行调度。
磁盘调度算法
主要有两类:
- 移臂调度:在满足一个磁盘请求时,总是选取与当前移动臂前进方向上最近的那个请求,使移臂距离最短
- 旋转调度:在满足一个磁盘请求时,总是选取与当前读写头旋转方向上最近的那个请求,是旋转圈数最少
移臂调度算法
FCFS
先来先服务,First Come First Served,根据进程请求访问磁盘的先后顺序进行调度。
假设当前磁道在100号磁道,磁头正向磁道号增加的方向(由外向里)移动。现依次有如下磁盘请求队列:23, 376, 205, 132, 61, 190, 29, 4, 40
则磁盘调度顺序为:23, 376, 205, 132, 61, 190, 29, 4, 40
寻道距离:Ts = (100-23) + (376-23) + (376-205) + (205-132) + ... + (40-4)
平均寻道距离 = Ts / 9
。
由于先来新服务算法并没有对磁盘访问进行优化,所以它可能会得到比较长的寻道距离。
SSTF
Shortest Seek Time First,最短寻道时间优先算法,在选择下一条磁道时,总是访问与当前磁盘距离最近的磁盘进行访问。
对于上例,其磁盘调度顺序为:132, 190, 205, 61, 40, 29, 23, 4, 376
寻道距离:Ts = (132-100) + (190-132) + (205-190) + ... + (23-4) + (376-4)
最短寻道距离优先可以保障每一次的寻道距离最短,但是不能够保障最后系统得到的平均寻道距离最短。
存在的问题:
- 不能保证平均寻道距离最短;
- 会产生饥饿现象; 如果系统不断的出现在100号磁道附近的磁道访问请求,则原先较远的磁道请求如205, 376 就会处于很长时间的等待中
- 影响磁盘的机械寿命:不考虑磁头的移动方向,可能会造成磁盘频繁的改变其磁头运动方向。从而影响磁盘的机械寿命
SCAN
扫描算法,又称为电梯算法,磁头在磁盘上双向移动,选择磁头当前所在磁道最近的请求访问的磁道,并且与磁头移动方向一致,磁头永远都从里向外或从外向里一致移动完才掉头,是目前操作系统中用的比较广泛的一种磁盘移臂调度算法。
在对下一条磁道进行选择时,需要判断:
- 欲访问磁道与当前磁道的距离
- 磁头当前的移动方向,即:保持处于磁道号增加或减少状态
对于上例,其磁盘调度顺序为:132, 190, 205, 376, 61, 40, 29, 23, 4
寻道距离:Ts = (132-100) + (190-132) + (205-190) + (376-205) + (376-61) + (61-40) +... + (23-4)
CSCAN
单项扫描调度算法,与SCAN不同的是,只做单向移动,即只能从里向外或从外向里。
N-Step-SCAN
N步扫描算法,为了克服扫描算法和最短寻道时间有限算法的磁臂粘着
现象而引入的。
磁臂粘着
现象就是指当系统不断的提出对当前磁道的访问,那么磁头会一直处于该磁道上进行磁道访问请求,导致其它磁道的访问被推迟的现象。
N步扫描算法的算法思想:将磁盘请求队列分成若干个长度为N的子队列,磁盘调度将按FCFS算法依次处理这些子队列; 而每处理一个子队列时又采用SCAN算法。
如对于上例,若其子队列的长度为4,则可以分为3个队列:
它就会首先处理第一个队列中的四个磁道请求,再处理第二个队列和最后的第三个队列。其对于每一个队列的处理都是按照扫描算法来进行处理。
FSCAN
该算法实质上是N步SCAN算法的简化, 它只将磁盘请求队列分成两个子队列:
- 由当前所有请求磁盘形成的队列,由磁盘调度按SCAN算法进行处理
- 在扫描期间,将新出现的所有磁盘I/O请求, 放入另一个等待处理的请求队列
如上例,先把所有的磁盘请求放在第一个队列中,对其应用扫描算法进行磁盘调度。若访问过程中出现的新的磁盘请求就放在下面的新队列中,当第一个队列全部访问完,再处理第二个队列。
旋转调度算法
当同一磁道(柱面)上有多个扇区请求时,总是选取与当前读写头最近的那个I/O请求,使旋转圈数最少。
例:对磁盘访问的5个请求,若磁头在1号柱面,先按SCAN算法做移臂调度(柱面号排序),再进行旋转调度(块号排序),则调度顺序如下:
实战
磁盘调度算法
在磁盘调度管理中,应先进行移臂调度,再进行旋转调度。假设磁盘移动臂位于21号柱面上,进程的请求序列如下表所示。如果采用最短移臂调度算法,那么系统的响应序列应为()。
4个备选项为:
②⑧③⑤⑦①④⑥⑨
②③⑧④⑥⑨①⑤⑦
②⑧③④⑤①⑦⑥⑨
①②③④⑤⑥⑦⑧⑨
请求序列 | 柱面号 | 磁头号 | 扇区号 |
---|---|---|---|
① | 17 | 8 | 9 |
② | 23 | 6 | 3 |
③ | 23 | 9 | 6 |
④ | 32 | 10 | 5 |
⑤ | 17 | 8 | 4 |
⑥ | 32 | 3 | 10 |
⑦ | 17 | 7 | 9 |
⑧ | 23 | 10 | 4 |
⑨ | 38 | 10 | 8 |
解析:
应先进行移臂(对应柱面)调度,再进行旋转(对应磁头、扇区)调度。由表可知
①⑤⑦在17柱面(21-17=4)
②③⑧在23柱面(23-21=2)
④⑥在32柱面(32-21=9)
因此按最短移臂算法,应该是23柱面、17柱面、32柱面、38柱面。应该是②⑧③⑤⑦①④⑥⑨。
磁头移动耗时
某磁盘磁头从一个磁道移到另一个磁道需要10ms。文件在磁盘上非连续存放,逻辑上相邻数据块的平均移动距离为10个磁道,每块的旋转延迟时间及传输时间分别为100ms和2ms,则读取一个100块的文件需要()ms。
答案:20200
解析:读取一个连续数据需要的时间包括:移动时间、旋转延迟时间和传输时间三个部分,总时间花为(1010)+100+2=202ms。一次读取一个100块的文件需要的时间为202100=20200ms。
磁盘处理耗时
磁盘上存储数据的排列方式会影响IO服务的总时间。假设每磁道划分成10个物理块,每块存放一个逻辑记录,并且是顺序存放在同一个磁道上:
物理块 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
逻辑记录 | R1 | R2 | R3 | R4 | R5 | R6 | R7 | R8 | R9 | R10 |
假定磁盘的旋转速度为30ms/周,磁头当前处在R1开始处。使用单缓冲区顺序处理这些记录,每个记录处理时间为6ms,则最长时间为()ms,若对信息存储进行分布优化后,则处理10个记录的最少时间为()ms。
答案:306、90。
解析:
系统读记录的时间为30/10=3ms
。对第一种情况,系统读出并处理记录R1之后,将转到记录R4的开始处,为了读出记录R2,磁盘必须再转一圈,需要3ms(读记录) 加30ms (转一圈)的时间。这样,处理10个记录的总时间应为,处理前9个记录的总时间再加上读R10和处理时间:9X33ms+9ms=306ms
。
若对信息进行优化分布:
物理块 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
逻辑记录 | R1 | R8 | R5 | R2 | R9 | R6 | R3 | R10 | R7 | R4 |
当读出记录R1并处理结束后,磁头刚好转至R2记录的开始处,立即就可以读出并处理,因此处理10个记录的总时间为:10X(3ms(读记录)+6ms(处理记录))=10X9ms=90ms
缓冲耗时
某计算机系统I/O采用双缓冲工作方式,如下图。假设磁盘块和缓冲区大小相同,每个盘块读入缓冲区的时间T为10μs,缓冲区送用户区的时间M为6μs,系统对每个磁盘块数据的处理时间C为2μs。若用户需要将大小为10个磁盘块的文件逐块从磁盘读入缓冲区,并送到用户区进行处理,则采用双缓冲需花费的时间为()μs,单缓冲需花费的时间为()μs,比单缓冲节约()μs时间。
答案:108、162、54。
解析:双缓冲的工作特点是可以实现对缓冲区中数据的输入T和提取M,与CPU的计算C,三者并行工作。双缓冲的基本工作过程是在设备输入时,先将数据输入到缓冲区1,装满后便转向缓冲区2。所以双缓冲进一步加快I/O的速度,提高设备的利用率。
在双缓冲时,系统处理一块数据的时间可以粗略地认为是Max(C,T)
。如果C<T,可使块设备连续输入;如果C>T,则可使系统不必等待设备输入。本题每一块数据的处理时间为10,采用双缓冲需要花费的时间为10×10+6+2=108。
采用单缓冲的工作过程如图(a)所示。当第一块数据送入用户工作区后,缓冲区是空闲的,可以传送第二块数据。这样第一块数据的处理C1与第二块数据的输入T2是可以并行的,依次类推,如图(b)所示。
系统对每一块数据的处理时间为:Max(C,T)+M
。每一块数据的处理时间为10+6=16,文件的处理时间为16×10+2=162μs,比使用单缓冲节约162-108=54μs时间。
参考
- 软考高级