《操作系统概念精要》之磁盘篇

磁盘

现代计算机系统最常用的外部大量存储就是磁盘或者硬盘。

磁盘结构.png

磁盘的大致结构为图上所示。他包括一系列的盘片（platter），在盘片的两面都涂着磁质材料。通过在盘片上进行磁性记录可以保存信息。

读写磁头（read-write head）在一个盘片“飞行”从而可以读写数据。磁头是悬挂在磁臂(arm)上的，磁臂将所有磁头作为一个整体和进行一起移动。

每一个磁盘的盘片（platter）上逻辑的可以分为磁道（track）。磁道又可以分为扇区(sector)。同一磁道上的柱面形成了柱面(cylinder)。每个磁盘驱动器有数千个同心柱面，每个柱面又有数百个扇区。

一般判断一个磁盘的好坏是通过传输速率和定位时间。
传输速率：在驱动器和计算机之间数据传输的速率。
定位时间又分为寻道时间（移动磁臂到所有的柱面所需时间）和 旋转延时（旋转磁臂到所要的扇区所需要的时间）。

磁盘驱动器通过I/O总线的一组电缆连到计算机。在使用中有多种可用的总线，这就对应了多种 I/O接口。其中包括 硬盘接口技术（ATA） ，串行接口（SATA），外部串行（eSATA）,通用 串口总线(USB)。

数据传输的总线由 控制器来进行。在计算机的那一头的叫做主机控制器， 在I/O驱动器的这一头为磁盘控制器。

I/O操作在执行的时候，计算机会下达一个命令到主机控制器，接着主机控制器通过消息将该命令下达给 磁盘控制器， 磁盘控制器开始操作磁盘驱动器工作， 磁头和磁臂开始工作。磁盘控制器通常具有内置缓存，他会把数据传输到缓存上，而到主机的传输，则由内置缓存和主机控制器进行。

SSD

SSD 具有与传统硬盘相同的特性，容量大，但是它会更可靠，他们有移动部件；而且更快，没有寻道时间和延迟。

磁盘连接

计算机访问磁盘有两种方式。一种方式是通过I/O端口，称为主机连接存储， 另外一种是分布式系统的远程主机（称为网络连接存储）。
主机连接存储：主机连接通过本地的端口来访问存储。这些端口使用多种技术。典型的台式机采用I/O 总线，一般SATA的接口更为常用。
网络连接存储：网络连接存储（NAS）设备是一种专用的存储结构，可以通过数据网络来进行远程访问。客户机通过远程过程调用（RPC）来访问连接存储。 RPC通过TCP或者UDP协议进行访问。

网络连接存储.png

存储区域网络

网络连接存储有一个缺点： 存储I/O操作消耗太多的网络带宽。从而增加网络的延迟。这在大型C/S 的模式下非常严重。
存储区域网络(SAN)为专用网络，它是在网络协议上使用了一种新的存储协议。

存储区域网络.png

它的优势是在于灵活。多个主机和多个存储阵列（storage array）之间可以连接到同一个SAN上，存储可以动态分配到主机。 也就是说当主机的磁盘不够时，他可以通过配置SAN 来进行动态的磁盘分配。

磁盘调度

每当进程需要进程磁盘访问的时候，他就向操作系统发出一个系统调用。每个请求需要一些信息：

• 这个操作是输入还是输出
• 传输的磁盘地址是什么
• 传输的内存是什么
• 传输的扇区数是多少
  如果磁盘驱动器和控制器空闲，则立即执行请求，否则需要将这个请求添加到磁盘驱动器的请求队列中。

对于处于请求队列的所有I/O请求，操作系统在进行选取的时候，应该需要一种调度算法来保证I/O设备的效率最大化。那么如何来评估这个效率呢
对于磁盘驱动器（就是开始那张图的全部零件加起来的装置）是根据两个量来进行评估的。访问速度和 磁盘带宽。
根据上面的图再来回顾下两个概念：
寻道时间：移动磁臂到所有的柱面所需时间。
旋转延时：旋转磁臂到所要的扇区所需要的时间。
磁盘带宽：传输自己的总数除以所需要的总时间。

磁盘结构.png

在考虑三个因素的情况下，下面有不同的调度算法。

FCFS(先来先服务)

和进程的CPU调度和 内存调度一样，先到的先服务。实现起来比较见到，直接通过一个FIFO的队列实现即可。

FCFS磁盘调度.png

最短寻道时间优先（SSTF）

顾名思义：当在移动磁头到别处处理请求之前，处理高进当前磁头位置最近的请求。
和CPU调度的最短作业优先（SJF）调度一样，它会导致磁盘请求的饥饿。

最短寻道时间.png

SCAN调度(扫描)

这种调度方法也叫电梯调度，这个也比较好理解， 磁臂从磁盘的一段开始，向另一端移动，在移过每个柱面时，处理请求。当到达磁盘的另一端时，磁头反方向移动，继续处理。

电梯调度.png

C-SCAN(循环扫描)

这个是电梯算法的一个变种，它会把向一个方向进行扫描，直到磁盘的另一端结束，然后立马回到磁盘的另外一端，再次进行扫描。

C-SCAN.png

LOOK 调度

它是C-SCAN的变种，它在扫描的时候并不是扫描整个磁盘，而是在队列中的最小和最大之间。

LOOK调度.png

如何选择调度算法？
SSTF是最常见的，但是对于磁盘负荷较大的系统，SCAN和C-SCAN会更好，因为他不会产生饥饿。当然对于任何调度算法，性能还在余于请求的数量和类型。除此之外，文件的分配方式也会影响磁盘的服务请求。后面来讲文件系统结构和方式。
对于没有没有移动磁头的SSD来说，它通常可以用FCFS的策略。

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磁盘管理

磁盘格式化

一个新的磁盘是一个空白盘：它只是一个磁性记录材料的盘子。在磁盘上可以存储数据之前，他必须分为扇区，以便磁盘控制器能够读写。这个过程叫做低级格式化或者物理格式化。
低级格式化为每个扇区使用特殊的数据结构，填充磁盘。每个扇区的数据结构通常包括头部，数据区域和尾部。头部和尾部包含了一些磁盘控制器的使用信息。如扇区的纠错代码（Error-Correcting, ECC）。当控制器通过正常I/O写入一个扇区的数据时，ECC采用根据区域所有字节而计算的新值来进行更新。在读取一个扇区时，ECC会重新计算。并且与原来的值进行比较。如果存储的和计算的值不一样，表示扇区已经损坏，并且扇区可能已经损坏。

大多数磁盘在制作的时候已经进行了低级格式化。这种格式化也方便磁盘制造商进行测试磁盘，并且初始化逻辑块号到无损磁盘扇区的映射。

引导块

为了开始运行计算机，如打开电源或者重启时，它必须有一个初始化的程序来运行。它初始化系统的所有部分，从CPU寄存器到设备控制器和内存，接着启动操作系统。
对于大多数计算机，自举程序处于只读存储器 （ROM）。它是只读的数据，不会被计算机病毒影响，所以位于ROM的自举程序一般放在固定位置，它的功能就是在通电或者复位的时候，从磁盘上调入完整的** 引导程序**。 这个引导程序存储在磁盘上，通常称为启动块。

windows的磁盘引导.png

windows允许将磁盘分为多个分区，有一个分区是引导分区（boot partition）,其中包含了操作系统和设备程序。 一般的windows系统将引导代码存放在磁盘的第一个扇区，它为主引导记录（MBR）。
windows的启动过程，通电后，首先加载并允许在系统ROM中的代码，这个代码会指示系统从MBR上加载引导代码。除了引导代码,MBR还包括 一个分区表和一个表示（标示那个分区为引导系统）。

坏块

因为磁盘具有移动部件并且容错差（磁头在磁盘表面上方），容易出现故障。有时候，这种故障时彻底的，需要更换磁盘，并且从备份介质上将其内容恢复到新盘。更为常见的是， 一个或者多个扇区坏掉，而且大多数磁盘出厂时就有坏块。

复杂的磁盘在恢复坏块时，它的控制器维护磁盘内的坏块列表。这个列表在出厂低级格式化时初始化，并且在磁盘使用寿命内更新。低级格式化将一些块放在一边作为备用，操作系统看不到这些块。控制器可以采用备用块来逻辑地代替坏块。这种方案叫做扇区备用。
一般的扇区处理：

• 操作系统尝试读取逻辑块87
• 控制器计算ECC,发现87为坏块。他向操作系统汇报这一情况。
• 当操作系统下次启动时可以运行特殊命令，请求控制器转换成备用块替代坏块
• 之后的访问87，就使用的是 备用块。

它的替代方案是：扇区滑动。 假定17号扇区变坏，并且第一个可用备用逻辑扇区在202之后，那么他就会进行滑动，类似于在有序数组的插入一个中间值，所有的扇区都往后移动一个扇区。直到扇区18写入扇区19。然后以后的17就映射到现在的18。