（一）磁盤硬件

磁盤相對于内存有如下3個主要優點：容量很大；每位的價格非常低；當關掉電源後，存儲的信息不丢失。然而，磁盤的動作是機械運動，無論盤片轉動還是磁頭移動，都不可能無限快。所以，磁盤讀寫往往是系統I/O的瓶頸，為改善系統性能，合理地調度磁盤是必要的。

磁盤有很多種類型，最常見的是硬磁盤和軟磁盤。磁盤讀與寫的速度相同，因而用做輔助存儲器。為了提供高存儲器可靠性，可将若幹磁盤組成陣列。從外部看，一個硬盤的組成結構（如圖6-8所示）為：磁頭（Header）、柱面（Cylinder）和扇區（Sector）。

圖6-8 硬盤結構示意圖

· 磁頭

通常看到的硬盤都是封裝好的，看不到内部的構成情況。事實上，在同一個硬盤中存在好幾張硬盤盤片（通常為9片），每片硬盤盤片與雙面軟盤一樣，每面有一個讀/寫頭。最上面和最下面兩張盤片的外存儲面分别與硬盤頂部和底座接觸，所以通常這兩個存儲面不存放數據，也沒有對應的磁頭。硬盤所包含的盤片數可以用如下公式計算出來：

硬盤盤片數=（磁頭數 2）/2

例如常見的16個磁頭的硬盤，通常有（16 2）/2=9個存儲盤片。

· 柱面

通常，把磁盤存儲面上的存儲介質同心圓圓環稱作磁道。對于硬盤來說，由于有多個盤片，這些盤片中同一位置上的磁道不僅存儲密度相同，而且其幾何形狀就像一個存儲介質組成的圓柱一樣，所以，将硬盤上的多個盤片上的同一磁道稱作柱面。

· 扇區

從幾何特性來說，扇區是将磁道按照相同角度等分的扇形。每個磁道上的等分段，都是一個扇區。一個扇區所對應的數據存儲量就是數據塊大小。通常，一個硬盤扇區的大小在512 ～2 048 B之間。

在現代磁盤技術中，将盤面分為若幹區，在外邊的區中每個磁道包含的扇區數比裡邊區中的扇區數多，例如，劃分為兩個區，外區中每個磁道有32個扇區，而内區中每個磁道有16個扇區。實際磁盤，如WD 18300，有16個區。

為了隐藏每個磁道有多少扇區的細節，現代磁盤驅動器提供給操作系統的是虛拟的幾何參數，如有x個柱面、y個磁頭，每個磁道z個扇區。當操作系統提出尋道請求時，再由磁盤控制器把請求的參數重新映射成實際的磁道地址。就是說，磁盤的邏輯地址是由邏輯塊構成的一維數組，邏輯塊是傳送的最小單位，其大小一般為512 B。當然，某些磁盤可以低級格式化，此時可以選擇另外的邏輯塊大小。當文件系統讀/寫某個文件時，就要由邏輯塊号映像成物理塊号，由磁盤驅動程序把它轉換成磁盤地址，再由磁盤控制器把它映像成具體的磁盤地址。

（二）磁盤調度算法

存取盤塊中的信息一般要用3部分時間：首先，系統要把磁頭移到相應的磁道或柱面上，這個時間叫做尋道時間；一旦磁頭到達指定磁道，必須等待所需要的扇區轉到讀寫頭下，這個延遲時間叫做旋轉延遲時間；最後，信息實際在盤和内存之間進行傳送也要花費時間，這部分時間叫做傳輸時間。一次磁盤服務的總時間就是這三者之和。

操作系統的一項職責就是有效地利用硬件。對于磁盤驅動器來說，就是盡量加快存取速度和增加磁盤帶寬（即所傳送的總字節數除以第1個服務請求至最後傳送完成所用去的總時間）。通過調度磁盤I/O服務的順序可以改進存取時間和帶寬。對于大多數磁盤來說，尋道時間遠大于旋轉延遲時間與傳輸時間之和。所以，減少平均尋道時間就可以顯著地改善系統性能。

· 先來先服務法

先來先服務（FCFS）調度算法最簡單，也最容易實現。但它并沒有提供最佳的服務（平均來說）。例如，有一個請求磁盤服務的隊列，要訪問的磁道分别是：

98，183，37，122，14，124，65，67

最早來的請求是訪問98道，最後一個是訪問67道。設磁頭最初在53道上，它要從53道移到98道，然後依次移到183，37，122，14，124，65道，最後移到67道，總共移動了640個磁道。其調度方式如圖6-9所示。

圖6-9 先來先服務調度算法示例

可見，這種調度算法産生的磁頭移動幅度太大：從122道到14道，然後又回到124道。如果把鄰近磁道的請求放在一起服務（如37和14道，122和124道），那麼，磁頭移動總量将明顯減少，對每個請求的服務時間也減少，從而可改善磁盤的吞吐量。此外，磁頭頻繁大幅度移動，容易産生機械振動和誤差，對使用壽命也有損害。

· 最短尋道時間優先法

在把磁頭移到遠處、為另外的請求服務之前，應該先把靠近磁頭當前位置的所有請求都服務完。這種假定的根據是最短尋道時間優先（Shortest Seek Time First, SSTF）調度算法。SSTF選擇的下一個請求距當前磁頭所在位置有最小的尋道時間。由于尋道時間通常正比于兩個請求的磁道差值，所以，磁頭移動總是移到距當前道最近的磁道上去。

例如，用SSTF算法處理上面的請求隊列。當前磁頭在53道上，最接近的磁道是65。一旦移到65道，則下一個最接近的是67道。在此點，到37道的距離是30，而到98道的距離是31，所以，37道距67道最近，被選為下一個服務對象。接下去的服務順序是14，98，122，124道，最後是183道，如圖6-10所示。

圖6-10 最短尋道時間優先調度

采用這種方法，磁頭共移動了236個磁道，是FCFS算法的1/3多一點。很明顯，它改善了磁盤服務。

SSTF從本質上講是SJF (短作業優先法) 調度的形式，它可能導緻某些請求長期得不到服務（即出現“饑餓”問題）。在實際系統中，請求可在任何時候到達。假設隊列中有兩個請求，14和186道。當正在為14道服務時，一個靠近它的請求到來，那麼，它将在下面得到服務，而186道的請求必須等待。從理論上講，這種彼此接近的請求流可能接連不斷地到達，那麼，186道的請求将無限期地等待下去。

SSTF算法與FCFS算法相比有顯著改進，但并不是最優的。例如，若把磁頭從53道移到37道（盡管它不是靠得最近的），然後移到14道，接下去是65，67，98，122，124和183道，則磁頭總移動量降為208個磁道。

· 電梯法

由于到來的請求隊列具有動态性質，所以可采用掃描法。磁頭從磁盤的一端出發，向另一端移動，遇到所需的磁道時就進行服務，磁頭僅移到每個方向上有服務請求的最遠的道上。即：一旦在當前方向上沒有請求了，磁頭的移動方向就反過來，繼續下面的服務。這種算法調度磁頭的移動過程與調度電梯的移動過程相似，因而稱作電梯（Elevator）法。

采用前面的例子，但要知道磁頭移動方向和它最近的位置。如果磁頭正向0道方向移動，那麼，它先為37道服務，接着是14道；到達14道後，因在這個方向上沒有請求了，所以磁頭移動方向反過來，移向盤的另一端，服務序列分别是65, 67, 98, 122, 124和183道。

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