【操作系统】输入输出系统

Myth丶恋晨 2022-11-14 00:56 566阅读 0赞

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> 资料来源于我的操作系统老师——WYQ老师

### 文章目录 ###

*  6.1 I/O系统的功能、模型和接口
 *   *  6.1.1 I/O系统的基本功能
     *  6.1.2 I/O系统的层次结构和模型
     *  6.1.3 I/O系统接口
 *  6.2 I/O设备和设备控制器
 *   *  6.2.1 I/O设备
     *  6.2.2 设备控制器
     *  6.2.3 内存映像I/O
     *  6.2.4 I/O通道
 *  6.3 中断机构和中断处理程序
 *  6.4 设备驱动程序
 *   *  6.4.1设备驱动程序的功能
     *  6.4.2 设备驱动程序的处理过程
     *  6.4.3 对I/O设备的控制方式
 *  6.5 与设备无关的 I/O软件
 *   *  6.5.1 与设备无关软件的基本概念
     *  6.5.2 与设备无关的软件
     *  6.5.3 设备分配
     *  6.5.4 逻辑设备名到物理设备名映射的实现
 *  6.6 用户层的I/O软件
 *   *  6.6.1 系统调用
     *  6.6.2 假脱机(Spooling)系统
 *  6.7 缓冲区管理
 *   *  6.6.1 缓冲的引入
     *  6.6.2 单缓冲区和双缓冲区
     *  6.6.3 环形缓冲区
     *  6.6.4 缓冲池(Buffer Pool)
 *  6.8 磁盘存储器的性能和调度
 *   *  6.8.1 磁盘性能简述
     *  6.8.2 早期的磁盘调度算法
     *  6.8.3 基于扫描的磁盘调度算法

**基本任务**:完成用户提出的I/O请求，提高I/O速率，改善I/O设备的利用率。  
**主要功能**:缓冲区管理,设备分配,设备处理,虚拟设备,设备独立性等。  
**追求目标**：方便性；并行性；均衡性；独立性。

# 6.1 I/O系统的功能、模型和接口 #

## 6.1.1 I/O系统的基本功能 ##

**I/O管理示意图**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzQ2MDIyNA_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
**基本功能**  
1.隐藏物理设备的细节  
2.实现设备独立性  
3.提高处理机和I/O设备的利用率  
4.对I/O设备进行控制  
5.确保对设备的正确共享  
6.错误处理

## 6.1.2 I/O系统的层次结构和模型 ##

**1.I/O软件的层次结构**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzQ2MDIyNA_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]  
**2.I/O系统中各种模块之间的层次视图**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzQ2MDIyNA_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]

## 6.1.3 I/O系统接口 ##

**1.块设备接口**：是块设备管理程序与高层之间的接口。  
**2.流设备接口**：是流设备管理程序与高层之间的接口，又称为字符设备接口。  
**3.网络通信接口**：在现代OS中，都提供了面向网络的功能。操作系统也必须提供相应的网络软件和网络通信接口，使计算机能通过网络与其它计算机进行通信。

# 6.2 I/O设备和设备控制器 #

## 6.2.1 I/O设备 ##

**1.按使用特性分类：**  
①存储设备：也称外存、辅存，是存储信息的主要设备。  
②I/O设备 ：分为输入设备、输出设备和交互式设备。  
**2.按传输速率分类：**  
①低速设备：其传输速率仅为每秒几个字节至数百个字节，如键盘、鼠标器。  
②中速设备：传输速率在每秒数千个字节至数十万个字节，如行式打印机、激光打印机等。  
③高速设备：传输速率在数十万字节至千兆字节，如磁带机、磁盘机、光盘机等。

## 6.2.2 设备控制器 ##

\*\* 1.设备控制器的组成\*\*  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzQ2MDIyNA_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]  
**2.设备控制器的基本功能**  
①接收和识别命令；  
②数据交换；  
③标识和报告设备的状态；  
④地址识别；  
⑤数据缓冲区；  
⑥差错控制。

## 6.2.3 内存映像I/O ##

**I/O端口编址方式：**  
独立编址:利用特定的I/O指令访问I/O端口；  
统一编址:内存映像I/O，对内存和控制器统一访问方法，简化了I/O的编程。

## 6.2.4 I/O通道 ##

**一、I/O通道的引入**

*  实际上I/O通道是一种特殊的处理机。  
    与一般处理机不同于两方面：  
    1.指令类型单一，只用于I/O操作；  
    2.通道没有内存，它与主机共享内存。
 *  引入目的  
    解脱CPU对I/O的组织、管理。
 *  CPU只需发送I/O命令给通道；
 *  通道通过内存中的相应通道程序完成任务。

**二、类型**  
**1.字节多路通道：**  
各子通道以时间片轮转方式共享通道，适用于低、中速设备。  
**2.数组选择通道：**  
无子通道，仅一主通道，某时间段由某设备独占，适于高速设备。  
但通道未共享，利用率低。  
**3.数组多路通道：**  
综合了前2种通道类型的优点，多个子通道可以共享一个主通道。  
**带通道的硬件连接结构**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzQ2MDIyNA_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]  
**三、“瓶颈”问题**  
由于通道价格昂贵，致使数量较少，使它成为I/O系统的瓶颈，进而造成系统吞吐量的下降。如下例所示：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzQ2MDIyNA_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]  
解决“瓶颈”问题：最有效的办法便是增加设备到主机间的通路而不增加通道，如下图所示：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzQ2MDIyNA_size_16_color_FFFFFF_t_70 6]

# 6.3 中断机构和中断处理程序 #

*  中断是指CPU对系统中发生的异步事件的响应。
 *  是指CPU在正常执行程序的过程中，由于某个外部或内部事件的作用，强迫CPU停止当前正在执行的程序，转去为该事件服务（称为中断服务），待服务结束后，又能自动返回到被中断的程序中继续执行。  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzQ2MDIyNA_size_16_color_FFFFFF_t_70 7]  
    **为什么采用中断处理**
 *  重要事件的及时处理；
 *  异常事件的及时处理；
 *  实现CPU与低速外部设备的速度匹配与并行工作。

**中断机制**  
中断机制是OS内核最重要的功能之一；  
系统中的所有中断都由内核响应；  
中断是进程并发执行的基础；  
OS是由中断驱动的。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzQ2MDIyNA_size_16_color_FFFFFF_t_70 8]  
**关于中断机制**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzQ2MDIyNA_size_16_color_FFFFFF_t_70 9]  
**中断源** — 引起中断的异步事件（如系统调用，I/ O请求等）  
**中断请求** — 向CPU发出中断信号。  
**中断现场的保护与恢复** — 利用系统栈。  
**中断处理** — 查中断向量表，转中断处理程序处理。

**中断向量表和中断优先级**  
①中断向量表：为每种设备配以相应的中断处理程序，并把该程序的入口地址，放在中断向量表的一个表项中，并为每一个设备的中断请求，规定一个中断号，它直接对应于中断向量表的一个表项中。  
②中断优先级：系统根据不同中断信号源，对服务要求的紧急程度的不同，它们分别规定不同的优先级。

**中断处理过程**

*  中断响应：保存断点、取中断服务的入口地址；转向中断服务程序执行中断处理。
 *  中断处理：执行中断服务程序中规定的操作。
 *  中断返回：将压栈的断点从堆栈中弹出；CPU转向被中断的主程序继续执行。

**简单中断处理**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzQ2MDIyNA_size_16_color_FFFFFF_t_70 10]  
**中断与程序并发之间的关系**

*  中断是程序并发的前提条件。
 *  如果没有中断，操作系统不能获得系统控制权，无法按调度算法对处理机进行重新分配，一个程序将一直运行到结束而不会被打断。

**中断、异常、陷入**  
①中断：中断是来自处理器外部的请求事件。  
②异常：异常是指令执行过程中在处理器内部发生的特殊事件。  
③陷入：由处理器内部事件所引起的特殊中断（trap）。  
★中断和异常、陷入的主要区别：是信号的来源不同。

# 6.4 设备驱动程序 #

*  是I/O进程与设备控制器之间的通信程序；
 *  是驱动物理设备和DMA控制器或I/O控制器等直接进行I/O操作的子程序的集合；
 *  负责设置设备有关寄存器的值，启动设备进行I/O操作，指定操作的类型和数据流向等。

## 6.4.1设备驱动程序的功能 ##

(1)接收上层软件发来的命令和参数，并将命令中的抽象要求，转换为与设备相关的低层操作序列；  
(2)检查用户I/O请求的合法性，了解I/O设备的工作状态，传递与I/O设备操作有关的参数，设置设备的工作方式；  
(3)发出I/O命令，如果设备空闲，便立即启动I/O设备，完成指定的I/O操作；如果设备忙碌，则将请求者挂在设备队列上等待；  
(4)及时响应由设备控制器发来的中断请求，并根据其中断类型，调用相应的中断处理程序进行处理。

## 6.4.2 设备驱动程序的处理过程 ##

1.  将抽象要求转换为具体要求
2.  检查I/O请求的合法性
3.  读出和检查设备的状态
4.  传送必要的参数
5.  工作方式的设置
6.  启动I/O设备

## 6.4.3 对I/O设备的控制方式 ##

**I/O控制方式的宗旨**  
尽量减少主机对I/O控制的干预，把主机从繁杂的I/O控制事务中解脱出来，以便更多地去完成数据处理。

**1. 轮询方式**

*  CPU的绝大部分时间，都处于等待I/O设备完成数据I/O的循环测试中;
 *  造成对CPU的极大浪费。
 *  ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzQ2MDIyNA_size_16_color_FFFFFF_t_70 11]  
    **2. 中断控制方式**  
    中断驱动方式可以成百倍地提高CPU的利用率。  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzQ2MDIyNA_size_16_color_FFFFFF_t_70 12]  
    **3.DMA方式**  
    DMA方式较之中断驱动方式，又进一步提高了CPU与I/O设备的并行操作程度。  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzQ2MDIyNA_size_16_color_FFFFFF_t_70 13]  
    **DMA控制器的组成**  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzQ2MDIyNA_size_16_color_FFFFFF_t_70 14]  
    **DMA工作过程**  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzQ2MDIyNA_size_16_color_FFFFFF_t_70 15]

**4.通道控制方式**  
通道是通过执行通道程序，并与设备控制器共同实现对I/O设备的控制的。  
**通道方式**：CPU只需给出  
（1）通道程序首址。  
（2）要访问I/O设备  
**通道的工作原理**  
**CPU**

*  执行用户程序，当遇到I/O请求时，可根据该请求生成通道程序放入内存；
 *  将该通道程序的首地址放入CAW中；
 *  执行“启动I/O”指令，启动通道工作。

**通道**

*  接收到“启动I/O”指令后，从CAW中取出通道程序的首地址；
 *  根据首地址取出第一条指令放入CCW中；
 *  向CPU发回答信号，使CPU可继续执行其他程序；
 *  开始执行通道程序，完成传输工作；
 *  传输完成后，向CPU发I/O中断，并且通道停止工作；
 *  CPU接收中断信号，从CSW中取得有关信息，决定下一步工作。

**I/O控制发展的主要推动因素**  
推动I/O控制发展的主要动力在于:

*  尽量减少主机对I/O控制的干预，
 *  把主机从繁杂的I/O控制中解脱出来，
 *  把时间和精力投入到数据处理中。

**几种I/O控制方式的适用场合**  
不同的I/O控制方式之间的优劣不是绝对地，它们均会在不同的应用场景取得良好的性能效果。

*  如果I/O频繁发生，而且每次I/O的时间较短，则适合使用程序直接控制I/O方式；
 *  如果每次I/O时间较长，则适合使用DMA或通道方式；
 *  如果I/O 发生不确定，则适合使用中断驱动I/O方式。

# 6.5 与设备无关的 I/O软件 #

*  与设备无关的软件是I/O系统最高层软件；
 *  在其下面是设备驱动程序；
 *  但它和设备驱动程序之间的界限，将随操作系统和设备的不同而有所差异。

## 6.5.1 与设备无关软件的基本概念 ##

1.以物理设备名使用设备  
2.引入了逻辑设备名：是抽象的设备名  
3.逻辑设备名到物理设备名的转换

## 6.5.2 与设备无关的软件 ##

与设备无关软件的功能  
1.设备驱动程序的统一接口  
2.缓冲管理  
3.差错控制  
4.对独占设备的分配与回收  
5.提供独立于设备的逻辑数据块

## 6.5.3 设备分配 ##

**1.设备分配中的数据结构**  
⑴系统设备表SDT：这是系统范围的数据结构，记录系统中全部设备的情况，每个设备占一个表目。  
⑵设备控制表DCT：为每一个设备都配置了一张，记录设备的情况。  
⑶控制器控制表COCT ：为每一个控制器都设置一张，记录控制器使用情况。  
⑷通道控制表CHCT ：为每一个通道都设置一张，记录通道使用情况。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzQ2MDIyNA_size_16_color_FFFFFF_t_70 16]  
**2.设备分配时应考虑的因素**  
⑴设备的固有属性

*  独占设备的分配策略
 *  共享设备的分配策略
 *  虚拟设备的分配策略

⑵设备分配算法  
先来先服务、优先级高者优先。  
⑶设备分配中的安全性  
安全分配方式、不安全分配方式。

**3.独占设备的分配程序**  
（1）基本的设备分配程序  
当某进程提出I/O请求后，系统的设备分配程序，可按下述步骤进行设备分配：

*  分配设备；
 *  分配控制器；
 *  分配通道。

（2）设备分配程序的改进

*  上述分配过程，进程是以物理设备名提出I/O请求的。
 *  如果所指定的设备已分配给其它进程，则分配失败,不具备设备无关性。
 *  为此，进程应使用逻辑设备名请求I/O。

## 6.5.4 逻辑设备名到物理设备名映射的实现 ##

**1.逻辑设备表LUT(Logical Unit Table)**  
**2.逻辑设备表的设置问题**  
⑴在整个系统中只设置一张LUT  
⑵为每个用户设置一张LUT

# 6.6 用户层的I/O软件 #

*  实现与用户交互的接口；
 *  用户可直接调用在用户层提供的、与I/O操作有关的库函数，对设备进行操作。

## 6.6.1 系统调用 ##

*  系统调用的本质就是过程调用。
 *  由于OS的特殊性，使应用程序不能采用一般的过程调用方式去调用OS中的过程，而必须用系统调用命令去调用的系统过程，所以系统调用是一种特殊的过程调用。

**1.系统调用与库函数**

*  系统调用是操作系统的一部分，是内核提供给用户的程序接口，运行在核心态；
 *  库函数是语言或应用程序的一部分，运行在用户态；
 *  许多库函数都使用系统调用来实现功能；
 *  没有使用系统调用的库函数，执行效率通常比使用的高，因为使用系统调用时，需要上下文的切换及处理机状态的转换。

**2.系统调用与一般的过程调用的区别**

*  运行在不同的系统状态：  
    调用程序—用户态；被调用程序—系统态。
 *  通过陷入机制进入：  
    调用过程—陷入—被调用过程。
 *  系统调用返回后，可能返回被中断进程也可能重新调度。

## 6.6.2 假脱机(Spooling)系统 ##

**1.假脱机技术**  
该技术是利用专门的外围控制机，先将低速I/O设备上的数据，传送到高速磁盘上，或者相反。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzQ2MDIyNA_size_16_color_FFFFFF_t_70 17]  
**1.Spooling系统的组成**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzQ2MDIyNA_size_16_color_FFFFFF_t_70 18]  
**2.Spooling系统的工作原理**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzQ2MDIyNA_size_16_color_FFFFFF_t_70 19]  
**3.Spooling系统的特点**  
(1)提高了I/O的速度。  
(2)将独占设备改造为共享设备。  
(3)实现了虚拟设备功能。  
**4.假脱机打印机系统**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzQ2MDIyNA_size_16_color_FFFFFF_t_70 20]  
**5.守护进程**  
利用守护进程实现打印

*  对每个用户而言，系统只是及时将数据输出到缓冲区，并没真正被打印，只是让用户感觉系统已为他打印。
 *  其真正的打印操作，是在打印机空闲且该打印任务在等待队列中已排到队首时进行的。
 *  并且，打印操作本身也是利用CPU的一个时间片，没有使用专门的外围机。
 *  这一过程是用户不可见的。

实现设备虚拟时所依赖的关键技术是——SPOOLing技术

# 6.7 缓冲区管理 #

## 6.6.1 缓冲的引入 ##

1.缓和CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾  
2.减少对CPU的中断频率，放宽对CPU中断响应时间的限制  
3.解决数据粒度不匹配的问题  
4.提高CPU和I/O设备之间的并行性

## 6.6.2 单缓冲区和双缓冲区 ##

**1.单缓冲区**  
在单缓冲情况下，每当用户进程发出一I/O请求时，操作系统便在主存中为之分配一缓冲区，如图所示。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzQ2MDIyNA_size_16_color_FFFFFF_t_70 21]  
系统对每一块数据的处理时间表示为:Max(C，T)+M。

**2.双缓冲区**系统处理一块数据的时间可以粗略地认为是Max(C，T) 。

*  也称为缓冲对换(Buffer Swapping)。
 *  在设备输入时，先将数据送入第一缓冲区，装满后便转向第二缓冲区。
 *  此时操作系统可以从第一缓冲区中移出数据，并送入用户进程(见图)。接着由CPU对数据进行计算。  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzQ2MDIyNA_size_16_color_FFFFFF_t_70 22]

## 6.6.3 环形缓冲区 ##

**1.环形缓冲区的组成**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzQ2MDIyNA_size_16_color_FFFFFF_t_70 23]  
**2.环形缓冲区的使用**  
计算进程和输入进程可利用下述两个过程来使用环形缓冲区。  
(1)Getbuf过程  
(2)Releasebuf过程  
**3.进程之间的同步问题**  
使用输入循环缓冲，可使输入进程和计算进程并行执行。相应地，指针Nexti和指针Nextg将不断地沿着顺时针方向移动，这样就可能出现下述两种情况:  
(1) Nexti指针追上Nextg指针：缓冲区已满。  
(2) Nextg指针追上Nexti指针：缓冲区已空。

## 6.6.4 缓冲池(Buffer Pool) ##

**1.缓冲池的引入**  
为了提高缓冲区的利用率，目前广泛流行既可用于输入又可用于输出的公用缓冲池，在池中设置了多个可供若干个进程共享的缓冲区。

**2.缓冲池的组成**  
空缓冲队列emq、输入队列inq、输出队列outq  
用于收容输入数据的工作缓冲区：hin  
用于提取输入数据的工作缓冲区：sin  
用于收容输出数据的工作缓冲区：hout  
用于提取输出数据的工作缓冲区：sout  
Getbuf过程和Putbuf过程

**3.缓冲池的工作方式**  
（1）收容输入  
（2）提取输入  
（3）收容输出  
（4）提取输出

# 6.8 磁盘存储器的性能和调度 #

## 6.8.1 磁盘性能简述 ##

**1.磁盘的类型**  
软盘\\硬盘\\U盘\\SSD盘;  
**固态硬盘和普通硬盘的区别**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzQ2MDIyNA_size_16_color_FFFFFF_t_70 24]  
**普通机械硬盘（HDD）**

*  单片盘和多片盘;
 *  固定头磁盘和活动头(移动头)磁盘。

**2.磁盘数据的组织和格式**

*  磁盘设备可包括一个或多个物理盘片；
 *  每个磁盘片有一个或两个存储面；
 *  每个盘面上有若干个磁道；
 *  每条磁道又被从逻辑上划分成若干个扇区（sectors）；
 *  一个(或多个)扇区称为一个物理块(块block、簇cluster)；
 *  磁盘以块为单位统一编号；
 *  块是信息存储、传输、分配的基本单位；
 *  磁盘总块数由扇区数、磁道数以及柱面数决定。

**磁盘分区**

*  在磁盘低级格式化完成后，一般要对磁盘进行分区。
 *  在逻辑上，每个分区就是一个独立的逻辑磁盘。
 *  每个分区的起始扇区和大小都记录在磁盘0扇区的主引导记录分区表所包含的分区表中。
 *  分区表中必须有一个分区被标记成活动的，以保证能够从硬盘引导系统。

**磁盘高级格式化**

*  在真正可以使用磁盘前，还需要对磁盘进行一次高级格式化;
 *  设置一个引导块、空闲存储管理、根目录和一个空文件系统;
 *  同时在分区表中标记该分区所使用的文件系统。

**3.磁盘访问时间**  
（1)寻道时间Ts：把磁臂(磁头)移动到指定磁道上所经历的时间。  
 T s = m ∗ n + s T\_s=m\*n+s Ts=m∗n\+s

（2)旋转延迟时间Tτ：指定扇区移动到磁头下面所经历的时间。  
 T t = 1 / 2 r ( 均 值 ) T\_t=1/2r(均值) Tt=1/2r(均值)

（3)传输时间Tt：把数据从磁盘读出或向磁盘写入数据所经历的时间。  
 T t = b / ( r N ) T\_t=b/(rN) Tt=b/(rN)

访问时间Ta表示为：  T = T s + 1 / ( 2 r ) + b / ( r N ) T=T\_s+1/(2r)+b/(rN) T=Ts\+1/(2r)\+b/(rN)

**磁盘调度**

*  当有多个访盘请求等待时，采用一定的策略，对这些请求的服务顺序调整安排 → 降低平均磁盘服务时间，达到公平、高效。
 *  公平：一个I/O请求在有限时间内满足。
 *  高效：减少设备机械运动带来的时间开销。

## 6.8.2 早期的磁盘调度算法 ##

**1.扫描（SCAN）算法**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzQ2MDIyNA_size_16_color_FFFFFF_t_70 25]

**2.循环扫描（CSCAN）算法**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzQ2MDIyNA_size_16_color_FFFFFF_t_70 26]

## 6.8.3 基于扫描的磁盘调度算法 ##

**3.NStepSCAN算法**

*  N步SCAN算法是将磁盘请求队列分成若干个长度为N的子队列;
 *  磁盘调度将按FCFS算法依次处理这些子队列;
 *  而每处理一个队列时又是按SCAN算法，对一个队列处理完后，再处理其他队列;
 *  当正在处理某子队列时，如果又出现新的磁盘I/O请求，便将新请求进程放入其他队列，这样就可避免出现粘着现象。

**4. FSCAN算法**

*  FSCAN算法实质上是N步SCAN算法的简化，即FSCAN只将磁盘请求队列分成两个子队列;
 *  一个是由当前所有请求磁盘I/O的进程形成的队列，由磁盘调度按SCAN算法进行处理;
 *  在扫描期间，将新出现的所有请求磁盘I/O的进程，放入另一个等待处理的请求队列;
 *  这样，所有的新请求都将被推迟到下一次扫描时处理。

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