5.3 磁盘与固态硬盘

磁盘的结构（盘面、磁道、扇区、柱面）与磁盘地址；磁盘的初始化、分区、引导块与坏块；寻道时间、旋转延迟与传输时间；FCFS、SSTF、SCAN、LOOK、C-SCAN、C-LOOK、N 步 SCAN、FSCAN 磁盘调度算法；减少旋转延迟的方法；固态硬盘的结构、读写特性与磨损均衡。

磁盘的结构

磁盘由表面涂有磁性物质的圆形盘片组成，每个盘片的上下两面都可以存储数据（称为盘面），每个盘面对应一个磁头。

• 磁道：盘面上的一组同心圆，每个磁道有相同的宽度，相邻磁道之间有一定的间隙；
• 扇区：每个磁道被划分为若干个弧段，即扇区，每个扇区存放相同数量的数据（如 512 B），因此内侧磁道的位密度比外侧高；扇区是磁盘读写的最小单位；
• 柱面：所有盘面上相对位置相同的磁道组成一个柱面。所有磁头都装在同一个磁臂上，一起沿半径方向移动，因此同一时刻所有磁头都位于同一个柱面上。

磁盘地址用 （柱面号，盘面号，扇区号） 表示。按磁头是否可移动，磁盘分为固定头磁盘（每个磁道一个磁头）和活动头磁盘（磁头可沿径向移动），常见的是活动头磁盘。

磁盘的管理

• 磁盘初始化：新磁盘要先进行低级格式化（物理格式化），把每个磁道划分为扇区。每个扇区由头、数据区（如 512 B）和尾三部分组成，头和尾中有扇区号、纠错码（ECC）等信息；
• 分区：把磁盘划分为一个或多个分区，每个分区由若干柱面组成，可以作为一个独立的逻辑磁盘；
• 逻辑格式化：在分区上创建文件系统，写入初始的文件系统数据结构（空闲空间、已分配空间的管理结构，以及一个空目录）；
• 引导块：计算机启动时运行的自举程序负责初始化 CPU、寄存器、设备控制器和内存，然后启动操作系统。ROM 中只保留很小的自举装入程序，完整的自举程序存放在磁盘的启动块（引导块）中，启动块位于磁盘的固定位置。拥有启动分区的磁盘称为启动磁盘或系统磁盘；
• 坏块：对于简单的磁盘，坏块可以由文件系统手工标记（如在 FAT 中标明），使程序不会使用它；对于复杂的磁盘，控制器维护一个坏块链表，在低级格式化时用备用扇区替换坏块（扇区备用），这对操作系统透明。

磁盘的存取时间

一次磁盘读写操作的时间由三部分组成：

1. 寻道时间 T_s：把磁头移动到指定磁道所需的时间。T_s = m × n + s，其中 s 为启动磁臂的时间，n 为跨越的磁道数，m 为跨越一个磁道的时间。题目中通常直接给出平均寻道时间；
2. 旋转延迟时间 T_r：磁头定位到所要读写的扇区所需的时间。设磁盘转速为 r，则平均旋转延迟为转半圈的时间，即 T_r = 1 / (2r)；
3. 传输时间 T_t：从磁盘读出或向磁盘写入数据的时间。设每次读写 b 字节，一个磁道上有 N 字节，则 T_t = b / (rN)。

磁盘调度算法

寻道时间是存取时间中最主要的部分，也是唯一可以由操作系统通过调整服务次序来减少的部分。磁盘调度算法决定了多个磁盘访问请求的服务次序，目标是使平均寻道时间最短。

在 SSTF、SCAN、C-SCAN 中，如果一个或几个进程对某一磁道的访问频率很高，反复请求同一磁道，磁臂可能长时间停留在那里不动，其他请求得不到服务，这种现象称为磁臂粘着。N 步 SCAN 和 FSCAN 正是为此提出的。

减少旋转延迟的方法

磁盘调度算法减少的是寻道时间。为了减少旋转延迟，可以：

• 交替编号：让逻辑上相邻的扇区在物理上有一定的间隔。因为读完一个扇区后需要一段时间处理数据，如果逻辑上相邻的扇区物理上也相邻，处理完时磁头已经错过下一个扇区，要再等将近一圈；
• 错位命名：让相邻盘面上同一位置的扇区编号错开，这样从一个盘面切换到下一个盘面时，不必再等待一圈才能读到下一个逻辑扇区。

固态硬盘（SSD）

固态硬盘是一种基于闪存技术的存储器，它与 U 盘没有本质区别，只是容量更大、存取性能更好。一个 SSD 由一个或多个闪存芯片和闪存翻译层组成：闪存翻译层负责把来自 CPU 的逻辑块读写请求翻译成对底层物理设备的读写控制信号，因此它相当于磁盘控制器。

一个闪存由若干块组成，每块由 32～128 页组成，页大小为 512 B～4 KB。其读写特性是：

• 数据以页为单位读写；
• 只有在一页所属的块整块被擦除后，才能写这一页。一旦一个块被擦除，块中的每一页都可以直接再写一次；
• 某个块进行了若干次（约 10⁵ 次）重复写之后就会磨损坏，不能再使用。

因此 SSD 的随机读很快；随机写较慢——写一页时，如果它所在的块中还有其他有效的页，要先把这些页复制到一个新的（已擦除的）块中，然后才能擦除原块并写入。SSD 没有机械部件，访问时间短、能耗低、抗震性好，但价格较高，而且有寿命限制。

为了延长寿命，闪存翻译层采用磨损均衡技术，把擦除平均分布在所有块上：

• 动态磨损均衡：写入数据时，自动选择擦除次数较少的新块；
• 静态磨损均衡：SSD 监测并自动进行数据分配，让老的块承担以读为主的存储任务（存放很少修改的数据），让较新的块承担更多的写任务。

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