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磁盘的结构：

如何在磁盘中读/写数据：

 磁盘的分类：

磁盘调度：

一次磁盘读/写操作需要的时间：

寻道时间：

延迟时间：

传输时间：

磁盘调度算法：

先来先服务顺序为：

最短寻道顺序为：

电梯寻道顺序：

循环电梯算法顺序：

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磁盘的结构：

在学习磁盘调度算法之前，一定要了解磁盘的结构：

磁盘：磁盘的表面由一些磁性物质组成，可以用这些磁性物质来记录二进制数据

磁道：磁盘的盘面被划分为一个个磁道，这样的一圈就是一个磁道

扇区：一个磁道又被划分为一个个扇区，每个扇区就是一个“磁盘块”，每个扇区存放的数据量相同。因此最内侧磁道上的扇区面积最小，数据密度也最大

•每个盘面都对应一个磁头，一个盘片可能会有两个盘面（正面和背面）

•并且：所有的磁头都是连在同一个磁臂上的，因此所有磁头只能“共进退”

•所有盘面中相对位置相同的磁道组成了柱面

所以磁盘的物理地址：
可用 (柱面号，盘面号，扇区号) 来定位任意一个“磁盘块”。我们经常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。

具体地：

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。

如何在磁盘中读/写数据：

磁盘由中间的马达带动旋转，磁头会由磁头臂带动，在红色箭头方向移动

磁头在磁道的最外层，如果要读取橙色磁道，那么磁头臂带动磁头，移动到橙色磁道，接着移动扇区，让目标扇区从磁头下面划过，就能完成对扇区的读/写操作。

 磁盘的分类：

根据磁头是否能移动，可以将磁盘分为活动磁盘和固定头磁盘

磁头可以移动的称为活动头磁盘。磁臂可以来回伸缩来带动磁头定位磁道

磁头不可移动的称为固定头磁盘。这种磁盘中每个磁道有一个磁头,每个磁道都有对应的磁头，所以读取某一个磁道的数据的时候，只需要激活与其对应的磁头就可以了。

根据盘片是否能更换，可以将磁盘分为可更换磁盘和固定盘磁盘

磁盘调度：

一次磁盘读/写操作需要的时间：

寻道时间：

确定需要读取的数据存放到哪个磁道上之后，需要将磁头移动到相应的磁道上，这里的移动时间也称为寻找时间(寻道时间) Ts: 在读/写数据前，将磁头移动到指定磁道所花的时间。

①启动磁头臂是需要时间的。假设耗时为 s;

②移动磁头也是需要时间的。假设磁头匀速移动，每跨越一个磁道耗时为 m，总共需要跨越n 条磁道。则:寻道时间 T= s + m*n

注：

现在的硬盘移动一个磁道大约需要0.2ms，磁臂启动时间约为2ms

延迟时间：

延迟时间是通过旋转磁盘，使磁头定位到目标扇区所需要的时间。设磁盘转速为r (单位:转/秒，或转/分)，则平均所需的延迟时间 T =(1/2)*(1/r)= 1/2r

注：1/r 就是转一圈需要的时间。找到目标扇区平均需要转半圈，因此再乘以 1/2

注：硬盘的典型转速为5400 转/分，或 7200转/分

传输时间：

传输时间是 从磁盘读出或向磁盘写入数据所经历的时间，假设磁盘转速为r，此次读/写的字节数为b，每个磁道上的字节数为N。则:

传输时间= (1/r)* (b/N) = b/(rN)

注：每个磁道要可存 N 字节的数据，因此 b 字节的数据需要 b/N 个磁道才能存储。而读/写一个磁道所需的时间刚好又是转一圈所需要的时间 1/r

总的平均存取时间：=Ts+1/2r+b/(rN)

延迟时间和传输时间都与磁盘转速相关，且为线性相关。而转速是硬件的固有属性，因此操作系统也无法优化延迟时间和传输时间。所以操作系统能影响的只有寻道时间，根据不同的磁盘调度算法影响寻道时间。

对于磁盘调度的题型可以看看：

1.假设磁盘块与缓冲区大小相同，每个盘块读入缓冲区的时间为15us，由缓冲区送至用户区的时间是5us，在用户区内系统对每块数据的处理时间为1us，若用户需要将大小为10个磁盘块的Doc1文件逐块从磁盘读入缓冲区，并送至用户区进行处理，那么采用单缓冲区需要花费的时间为 ( )us;采用双缓冲区需要花费的时间为 ()us。

A.150        B.151        C.156        D.201  

A.150        B.151        C.156        D.201  

解答：

注：用户的处理过程，与用户的输入，传送过程是分开的，也就是说当数据在输入，传送的过程中，工作区可以处理前一个数据。两者互不影响，就像流水线一样，采用流水线的算法，这里有2段

①使用缓冲区：15+5

②处理：1us

单缓冲区：

（15+5+1）+20（[输入+传送时间]=最长段）*（10-1）=201us

双缓冲区： 两个缓冲区是提供两种选择，不能同时向缓冲区1和缓冲区2输入数据。但是我们可以同一时刻对缓冲区1进行输入，对缓冲区2进行输出，形成两个并行的通路。这里分为了三段：

①使用缓冲区1：15us

②使用缓冲区2：15us

③处理：1us

(15+5+1)+15（最长段）*(10-1)=156us

答案：D,C

2.假设某磁盘的每个磁道划分成11个物理块，每块存放1个逻辑记录。逻辑记录R0，R1，...R9，R10存放在同一个磁道上，记录的存放顺序如下表所示:

如果磁盘的旋转周期为33ms，磁头当前处在R0的开始处。若系统使用单缓冲区顺序处理这些记录，每个记录处理时间为3ms，则处理这11个记录的最长时间为()，若对信息存储进行优化分布后，处理11个记录的最少时间为（）。

A.33ms        B.336ms        C.366ms        D.376ms

A.33ms        B.66ms        C.86ms        D.93ms

对于R0：读3ms+处理3ms,当处理完R0之后，磁头已经到达了R1位置，要想继续处理R1，磁头必须旋转一圈，到R1的开头，也就是10个物理块（30us）

R1：30us（延迟旋转时间）+3us（读）+3us（处理）=36us

R2：30us+3us+3us

我们可以发现除了R0之外，其他的处理时间均是36us，则这11个记录的最长时间为

36*10+6=366ms

 若对信息存储进行优化分布：这里处理完之后，刚好转了2圈，1圈的时间=33ms，所以总时间为

33*2=66ms

磁盘调度算法：

假定当前磁头位于100号磁道，进程对磁道的请求序列依次为55，58，39，18，90，160，150，38，180。当采用先来先服务和最短寻道时间优先算法时，总的移动的磁道数分别是多少? (请给出寻道次序和每步移动磁道数)

先来先服务顺序为：

100 -> 55 -> 58 -> 39 -> 18 -> 90 -> 160 -> 150 -> 38 -> 180

将相邻磁道的距离加和起来就是最后的总移动磁道数

可以看到先来先服务算法(FCFS)的磁盘调度非常简单，但是其忽略了寻道时间，可能导致较长的平均寻道时间，同时也可能产生饥饿问题（就是一个或多个进程，请求由于无法得到所需的资源或服务，而长时间等待无法被处理）

最短寻道顺序为：

谁离当前所在磁道最近，就移动到哪一个磁道中，所以顺序为

100->90->58->55->39->38->18->150->160->180

最短寻道算法（SSTF）是优先选择离磁头位置最近的磁道进行访问，可以减少平均寻道时间，然而，如果请求分布不均匀，并且出现了一组连续的请求，这些请求的磁道位置非常接近，那么其他远离这个区域的请求可能会等待较长时间，产生类似于饥饿的效果。

电梯寻道顺序：

总的顺序为：18->38->39->55->58->90->100->150->160->180

从小到大：100->150->160->180->90->58->55->39->38->18

从大到小：100->90->58->55->39->38->18->150->160->180

电梯寻道算法（SCAN）的处理过程可以概括为：

磁头从某一端开始向另一端移动，途中遇到的请求被依次处理，直到到达最远的请求所在的位置，然后改变方向继续处理另一侧的请求。

这种算法使得磁盘请求的等待时间相比于最短寻道算法均衡，能够有效避免饥饿现象，并且能够快速响应新的请求。

但是，如果有连续的请求集中在磁头移动方向的最远端，可能会导致部分请求的等待时间增长。

循环电梯算法顺序：

总的顺序为：18->38->39->55->58->90->100->150->160->180

从小到大：

从大到小：

循环电梯算法（C-SCAN）的处理过程可以概括为：

C-SCAN算法将磁道分为两个方向上的两个区域：从最小磁道到最大磁道为一个方向，而从最大磁道到最小磁道为另一个方向。当磁头向一个方向移动并处理请求时，它会一直处理直到达到最远的请求所在的位置。然后，磁头会立即返回到最近的请求处（即最小磁道或最大磁道，具体取决于实现），重新开始处理新的请求。

该算法对于连续请求较为集中的情况有较好的性能，但是会导致中间位置的磁道请求长时间被忽略，这可能会对一些请求的响应时间产生较大影响。