文章目录
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- [7.8.1 磁盘物理特性](#7.8.1 磁盘物理特性)
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- [1. 物理结构](#1. 物理结构)
- [2. I/O 操作步骤](#2. I/O 操作步骤)
- [7.8.2 磁盘系统与磁盘分类](#7.8.2 磁盘系统与磁盘分类)
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- [1. 固定头磁盘](#1. 固定头磁盘)
- [2. 移动头磁盘](#2. 移动头磁盘)
- [7.8.3 磁盘调度算法](#7.8.3 磁盘调度算法)
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- [1. 先来先服务](#1. 先来先服务)
- [2. 最短寻道时间优先](#2. 最短寻道时间优先)
- [3. 电梯调度算法 / 扫描法 (SCAN)](#3. 电梯调度算法 / 扫描法 (SCAN))
- [4. 单向扫描法](#4. 单向扫描法)
- [第7章 本章小结](#第7章 本章小结)
核心目标：磁盘是计算机主要的辅助存储器。
7.8.1 磁盘物理特性
1. 物理结构
- 盘面：磁盘由多个盘片叠在一起，每个盘片有两个面。
- 磁道：盘面被划分成一个个同心圆，称为磁道。
- 柱面 ：所有盘面上半径相同的磁道构成了柱面。（注意：读写数据时，磁头是先定位到柱面，然后电子切换磁头，所以同一柱面的数据读写最快，不需要机械移动）。
- 扇区：磁道被进一步划分为扇区，这是物理读写的基本单位。
2. I/O 操作步骤
要想读写数据，必须经历三个步骤：
- 寻找 ：移动磁头臂，将磁头定位到指定的柱面 。（机械运动，最慢）
- 旋转 ：等待指定的扇区旋转到磁头下方。
- 传输：数据在磁头和内存之间传输。
7.8.2 磁盘系统与磁盘分类
1. 固定头磁盘
- 特点：每个磁道都有一个专用的读写头。
- 优缺点：读写时不需要移动磁头（无寻道时间），速度极快，但成本极高。
2. 移动头磁盘
- 特点：每个盘面只有一个磁头，需要通过机械臂移动来跨越不同的磁道。
- 优缺点：成本低，但速度慢（因为有物理移动）。
- 重点 ：因为移动慢，所以我们需要 "磁盘调度算法" 来规划路线，少走弯路。
7.8.3 磁盘调度算法
场景假设 ：
当前磁头位置：53号 柱面。
请求队列（等待访问的柱面序列）：98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67。
1. 先来先服务
FCFS - First Come First Serve
- 原理：按请求产生的先后顺序进行访问，不进行任何优化。
- 路线：53 -> 98 -> 183 -> 37 -> 122 -> 14 -> 124 -> 65 -> 67。
- 结果 ：总移动距离 640 个柱面。
- 评价：公平，但效率极低，磁头来回大幅度摆动，寻找时间长。
2. 最短寻道时间优先
SSTF - Shortest Seek Time First
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原理 ：贪心算法。每次都选择距离当前磁头最近的那个请求进行服务。
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路线 ：
- 当前 53，最近的是 65。
- 当前 65，最近的是 67。
- ... 依次类推 ...
- 序列：53 -> 65 -> 67 -> 37 -> 14 -> 98 -> 122 -> 124 -> 183。
- 评价 ：
- 优点：平均寻道时间较短，性能好于 FCFS。
- 缺点 ：可能产生 "饥饿" 现象。如果一直有附近的请求源源不断地来，远处的请求（如 183）可能永远排不上队。
3. 电梯调度算法 / 扫描法 (SCAN)
- 原理 ：像电梯一样，磁头固定在一个方向 上移动（如向外），途中处理所有请求，直到到达边缘（或该方向无请求），然后改变方向（向里），继续处理。
- 路线 ：
- 假设向磁道号增加的方向移动：53 -> 65 -> 67 -> 98 -> 122 -> 124 -> 183 -> (掉头) -> 37 -> 14。
- 结果：总移动距离大幅减少。
- 评价 ：
- 优点：消除了"饥饿"现象，效率高。
- 缺点：对两端的请求不太公平（刚扫过去又要等一轮）。
4. 单向扫描法
C-SCAN / Circular SCAN
- 原理 ：规定磁头只在单方向移动 时读写。当磁头到达最远端时，立即快速返回到起始端（0号柱面），返回途中不进行读写。
- 目的：为了减少最内侧和最外侧磁道的等待时间不均问题，提供更均匀的响应时间。
第7章 本章小结
- I/O 系统架构 ：
- 外设 -> 控制器 -> 通道 -> CPU。
- 数据传送方式 （CPU 逐渐解放的过程）：
- 程序轮询（忙等）。
- 中断（并行，字传输）。
- DMA（直接存储访问，块传输）。
- 通道（I/O 处理机，负责复杂的 I/O 程序）。
- 核心技术 ：
- 中断技术：系统调用的基础，处理流程（保护现场/恢复现场）。
- 缓冲技术：解决速度不匹配（单缓冲/双缓冲/循环缓冲）。
- SPOOLing 技术：将独占设备虚拟化为共享设备（如虚拟打印机）。
- 设备分配 ：
- 数据结构：SDT -> DCT -> COCT -> CHCT。
- 策略：先拿设备，再拿控制器，最后拿通道。
- 磁盘调度 （必考计算）：
- FCFS, SSTF, SCAN, C-SCAN 的算法逻辑及优缺点。