哈工大李治军老师操作系统笔记【26】：生磁盘的使用（Learning OS Concepts By Coding Them !）

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• 还是从硬件开始
• 从磁盘开始，怎么让磁盘用起来，再转起来
• 其实和控制之前的外设一样，核心是out再加上中断处理

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1 磁盘

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• 磁盘的基本单位是扇区
• 磁盘的一个扇区是512字节
• 扇区的大小是传输时间和碎片浪费的折衷

1.1 使用磁盘

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• 读/写一个字节，具体的操作如下：

1. 首先将磁头移动到指定的磁道上
2. 然后磁道开始旋转
3. 转到相应的扇区以后，再一转，磁生电电生磁
4. 磁生电的时候，磁信号就变成电信号，然后就读回去了，也就是读到内存的缓冲区当中
5. 读到内存的缓冲区后 ，再将这个内存缓冲区修改一个字节，然后再到里面转，再电生磁，把这个字节写进去
6. 核心就是移动磁头移动到磁道上，然后转动磁道移动到扇区上，然后一边旋转一边磁生电电生磁和内存缓冲区进行数据的交互，是读了还是写了都一样

综上，磁盘/O过程：控制器→寻道→旋转→传输！

怎么使用磁盘？就是移动磁头，旋转磁盘，进行读写，就是这三步，所以只要告诉计算机/磁盘控制器这几个数怎么移动磁头，怎么旋转，这样，磁盘驱动器就会自己工作，核心就是告诉磁盘控制器这几个参数

1.2 最直接的使用磁盘

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• 柱面： 就是刚刚移动的磁道（将磁头移动到磁道上）（现在不是一张盘，现在是一堆盘，所以现在就是一堆磁道形成一个柱面，知道柱面后，磁壁就会移动到相应的柱面上），cyl
• 磁头： 旋转到这个柱面了，那到底是在第一个盘面读写还是其他几个呢？这就要根据磁头来定，head
• 扇区： 到底读写这个盘面的哪个扇区sec
• 所以传递了这三个值，磁盘就知道该怎么移动磁壁，怎么让哪个磁头上电，怎么旋转磁盘
• 再告诉缓冲区后（告诉内存的位置），接下来就可以利用总线倒用技术DMA进行倒用总线，这样的话就可以将磁盘扇区上的数据放到内存上，或者将内存的数据写到扇区上，这样就完事了，具体来说，只要传递这几个值就可以读写磁盘，写到磁盘控制器上，用out指令

void do hd request(void)
{··.hd out(dev,nsect,sec,head,cyl,WIN WRITE,...)
port write(HD DATA,CURRENT->buffer,256);}
void hd out(drive,nsect,sec,head,cyl,cmd...)
{
port=HD_DATA;//数据寄存器端口(0x1f0)
outb_p(nsect,++port);outb_p(sect,++port);
outb p(cyl,++port);outb_port(cyl>>8,++port);
outb_p(0xAOI(drive<<4)head,++port);
outb p(cmd,++port);}

• 可以看出，最后就是一堆out指令
• 就是通过这些out指令，把磁头，柱面，扇区都写到了某些端口上
• 并且这些柱面磁头扇区还要转变为他认的格式，所以要左移右移进行拼接，这些都是细节

SSD本来就不是磁盘（uh-oh），实际上它是一种闪存（$flash$），操作当然不一样。

1.3 通过盘块号读写磁盘

• 上面那种还是太麻烦了，因为要知道很多信息，现在想直接知道磁盘号就能完成类似的工作该怎么做？
• 可以发个盘块号，总比发磁头扇区柱面这三个参数要容易的多
• 用户根据盘块号来读写磁盘
• 磁盘驱动会负责将盘块号来计算出那三个参数，柱面磁头扇区（后面简称CHS）
• 这是这一层抽象的核心
• CHS是一个三维编址（参考柱面坐标系）
• 而盘块号是一维编址，所以要明白一维到三维的这个换算编址

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• 现在要求，连续的盘块号可以快速读出（就是在浪费时间的地方少浪费时间）
• 主要是移动磁壁时间花费多，这个时间又称为寻道时间，寻找哪个磁道，寻找哪个柱面，最核心的就放在寻道时间上
• 现在我们希望相邻盘块号的盘块应该尽量放在同一个磁道，这样才能让连续盘块进行读写的时候，尽量少花费时间，少花费时间就是少寻道
• 磁头数不一定等于盘数，而是等于盘面数，一个盘可能两面都有磁性物质的

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• Sectors: 总扇区数，Heads: 总磁头数；C: 目标柱面，H: 目标磁头，S: 目标扇区
• 上方的公式当中，第一项是一个完整的柱面包含的扇区数，第二项是前H个磁头包含的扇区数，最后加上$S$个扇区就是$block$了
• 所以说$block$ $\%$ $sectors=S$，因为前面的$sectors$都有公因数，所以直接消掉，只剩下一个$S$了，这样就可以通过$block$反推回$CHS$了
• 由一个磁道形成的柱面从上到下编号结束了，到下一个磁道开始从上到下的编号，就能理解了。这里理解为每个磁道上的扇区数量是一样的
• 磁盘读写的单位是扇区
• 现在用空间的大小来换时间
• 读写的单位从一个空间换成盘块
• 用空间的浪费换区时间效率，所以读写磁盘的基本单位从扇区变为盘块（几个连续的扇区），也就是磁盘
• 得到连续的扇区，就能得到CHS，这些扇区有了，再通过out发给磁盘控制器，进行计算

1.4 输出block

• 现在使用磁盘可以通过盘块号使用，block
• 用下方的公式，就能算出CHS

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• linux0.11的盘块是2个扇区
• 盘块越大读写效率越高

1.5 多进程使用盘块

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• 多个进程的话必须形成请求队列
• 到底应该先给谁呢？这就要进行折中和调度
• 磁盘驱动从队列当中取出来，算出CHS
• 这里仍然是生磁盘，即从盘块号来使用
• 熟磁盘是使用文件的

多个磁盘访问请求出现在请求队列怎么办？
调度的目标是仕么？调度时主要考察什么？

• 给调度算法，仍然从FCFS开始
• 对磁盘来说，时间是最核心的因素，寻道时间又是最主要的大头
• FCFS先来先服务，从中发现问题，在一步步改进

1.6 FCFS磁盘调度算法

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• 每个进程访问磁盘，由程序决定
• 那些数字代表柱面

1.7 SSTF短寻道优先磁盘调度

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• 在移动过程中把经过的请求处理了
• 位于中间的比较多，总是会在中间晃荡，磁头总在中间移动
• 远处请求划不过去，存在饥饿
  

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1.8 SCAN扫描磁盘调度

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• 扫过去再扫回来
  

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• 既公平，又移动比较小

1.9 C-SCAN磁盘调度（电梯算法）

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• 就是这个电梯只有一个方向，走到头了立刻复位，复位过程不带人
  

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• 多进程通过电梯算法将自己的的请求放在队列当中

1.10 多进程使用磁盘

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• 注解如下if当中的条件
• 当temp->next小于temp的时候相当于进行了折回
• 第一种是上楼的过程中处理，第二种是折回来从头处理
• 猜测队列第2种情况是req
• 就是反向复位的时候如果req
• 第一个条件，是看req是不是能在上楼过程中被处理，后面那个条件是将req放在下楼过程中处理

2 总结

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