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操作系统 4.3-生磁盘的使用

news 来源：原创 2025/6/23 9:06:19

磁盘的物理组成

盘面：
- 磁盘由多个盘面组成，每个盘面上都有数据存储的区域。
磁道：
- 每个盘面上都有若干个同心圆，这些同心圆称为磁道。磁道是数据存储的路径。
扇区：
- 磁道被进一步划分为若干个扇区，扇区是磁盘的最小访问单位。
- 扇区大小通常为512字节。

磁盘的io流程

该幻灯片描述了磁盘的输入/输出（I/O）过程，具体步骤如下：

开始使用磁盘：
- 首先，系统需要通过IDE控制器与磁盘建立连接，开始磁盘的I/O操作。
磁盘I/O过程：
- 磁盘的I/O过程包括以下几个步骤：控制器、寻道、旋转、传输。
寻道：
- 控制器发送指令，使磁头移动到正确的磁道上。这是为了定位到数据所在的物理位置。
旋转：
- 磁盘旋转，使得目标扇区移动到磁头下方。这个过程需要等待磁盘旋转到正确的位置，可能会有一定的延迟。
传输：
- 一旦目标扇区位于磁头下方，数据就可以从磁盘读取到内存中，或者从内存写入到磁盘中。
内存缓存：
- 读取或写入的数据首先会进入内存缓存。对于读取操作，数据从磁盘读出后存储在内存缓存中；对于写操作，数据首先写入内存缓存，然后再从缓存写入磁盘。

使用磁盘

柱面（Cylinder）

柱面是磁盘上所有盘面中具有相同径向位置的磁道的集合。

当计算机需要读取或写入数据时，它会根据柱面号、磁头号和扇区号来确定目标数据的位置。

通过控制磁头的移动和盘片的旋转，计算机可以准确地定位到特定柱面上的特定扇区，进行数据的读写操作。

磁头（Head）

每个盘面对应一个磁头。

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”。

每个磁头上都有读和写的操作装置，用于读取和写入数据。

磁头臂是支持磁头的可移动臂，通过电动机或电磁力控制，可以使磁头在盘片上移动到不同的磁道位置。

扇区（Sector）

每个盘片被划分为一个个磁道，每个磁道又划分为一个个扇区。

扇区是磁盘的最小访问单位，通常为512字节。

在读取或写入数据时，磁头需要准确地定位到相应的扇区。磁盘驱动器在向磁盘读取和写入数据时，要以扇区为单位。

代码分析

从提供的幻灯片内容中，我们可以提取出两个函数的代码，它们是 do_hd_request 和 hd_out。以下是提取的代码和总结：

提取的代码

void do_hd_request(void) {
    ...hd_out(dev, nsect, sec, head, cyl, WIN_WRITE, ...); // 调用hd_out函数
    port_write(HD_DATA, CURRENT->buffer, 256); // 将数据写入硬盘
}

void hd_out(drive, nsect, sec, head, cyl, cmd...) {
    port = HD_DATA; // 数据寄存器端口(0x1f0)
    outb_p(nsect, ++port); // 输出扇区数
    outb_p(sec, ++port);   // 输出起始扇区号
    outb_p(cyl, ++port);   // 输出柱面号
    outb_p(cyl >> 8, ++port); // 输出柱面号的高字节
    outb_p(0xA0 | (drive << 4) | head, ++port); // 输出驱动器和磁头信息
    outb_p(cmd, ++port); // 输出命令
}

代码总结

do_hd_request 函数：
- 这个函数处理硬盘的I/O请求。
- 它调用 hd_out 函数来设置硬盘控制器的参数，包括设备号（dev）、扇区数（nsect）、扇区号（sec）、磁头号（head）、柱面号（cyl）等。
- 然后，它使用 port_write 函数将数据从内存缓冲区（CURRENT->buffer）写入硬盘，这里写入的数据量为256字节。
hd_out 函数：
- 这个函数负责将控制命令和参数输出到硬盘控制器。
- 它首先设置数据寄存器端口（HD_DATA）。
- 然后，它使用 outb_p 函数依次输出扇区数、扇区号、柱面号、柱面号的高字节、驱动器和磁头信息以及命令。
- 这些参数用于控制硬盘的读写操作，例如移动磁头到指定的柱面和磁头位置，然后读取或写入指定的扇区。

这些代码是磁盘驱动程序的核心部分，它们实现了操作系统与硬盘硬件之间的直接交互，是文件系统和数据存储管理的基础。

如何通过盘块号读写磁盘

盘块

盘块（Block）是文件系统中用于数据存储和管理的一个逻辑概念，它是文件系统中数据存储的基本单位。盘块是逻辑上的划分，不同于磁盘物理结构中的扇区（Sector）、柱面（Cylinder）和磁头（Head）等概念。以下是盘块的详细解释：

盘块号：
- 每个盘块都有一个唯一的标识符，称为盘块号（Block Number）。盘块号用于在文件系统中定位和访问特定的盘块。
盘块与扇区的关系：
- 盘块通常由一个或多个扇区组成。一个扇区是磁盘上最小的物理存储单位，通常大小为512字节。
- 文件系统将一个或多个连续的扇区组合成一个盘块，以提高数据管理的效率。
盘块的分配：
- 文件系统使用盘块分配表（Block Allocation Table, BAT）或inode（索引节点）等数据结构来记录每个文件占用的盘块信息。
- 当文件被创建或修改时，文件系统会分配新的盘块或更新现有文件的盘块信息。
盘块的优缺点：
- 优点：简化了文件数据的管理，提高了数据存储和检索的效率。
- 缺点：如果文件大小不是盘块大小的整数倍，最后一个盘块可能会有未使用的空间，导致一定的空间浪费。就是用空间换时间

为什么使用盘块

磁盘访问时间的组成：
- 磁盘访问时间包括写入控制器时间、寻道时间、旋转时间和传输时间。
- 寻道时间：磁头移动到目标磁道的时间，通常在12毫秒到8毫秒之间。
- 旋转时间：磁盘旋转到目标扇区的时间，对于7200转/分钟的硬盘，半周大约需要4毫秒。
- 传输时间：数据从磁盘传输到内存的时间，大约0.3毫秒（50MB/秒）。
盘块相邻的优势：
- 相邻的盘块在物理位置上接近，因此可以快速连续读出，减少了寻道时间和旋转时间，提高了磁盘访问效率

优点分析

提高效率：通过减少寻道时间和旋转时间，提高了磁盘访问的速度，从而提高了整体的系统性能。
抽象层次：操作系统通过提供这一层抽象，隐藏了磁盘的物理访问细节，使得上层应用程序可以更加方便地使用磁盘资源。

如何编址？为什么这样编址？

如何编址：磁盘驱动通过算法将盘块号映射到CHS地址。这通常涉及到磁盘的几何结构和盘块的布局。
为什么这样编址：这种编址方式是为了优化磁盘访问效率。通过将相邻的盘块放在磁盘上的相邻位置，可以减少寻道时间和旋转时间，从而提高数据访问速度。

扇区号的获得

从CHS到扇区号

CHS地址转换：磁盘的物理地址通常由柱面号（Cylinder）、磁头号（Head）和扇区号（Sector）组成。幻灯片中提到的公式 Cx(HeadsxSectors) + HxSectors + S 用于计算从CHS地址到扇区号的转换。
- C：柱面号
- Heads：磁盘上的磁头数
- Sectors：每个磁道上的扇区数
- H：磁头号
- S：扇区号

磁盘请求的创建和处理过程

从提供的幻灯片内容中，我们可以提取出两个函数的代码，它们是 make_request 和 do_hd_request。以下是提取的代码和分析：

提取的代码

// 创建一个磁盘请求
static void make_request()
{
    struct request *req;
    req = request + NR_REQUEST;
    req->sector = bh->b_blocknr << 1;
    add_request(major + blk_dev, req);
}

// 处理硬盘请求
void do_hd_request(void)
{
    unsigned int block = CURRENT->sector;
    asm volatile (
        "divl %4, %%eax;"    // block / sect (每个磁头的扇区数)
        "=a" (block),        // 输入：eax = 被除数
        "=d" (sec),          // 输出：edx = 余数（扇区号）
        "0" (block),         // 输入：eax = 被除数
        "1" (0),             // 输入：edx = 0（初始化为0）
        "r" (hd_info[dev].sect) // 输入：ecx = 除数（每个磁头的扇区数）
    );
    asm volatile (
        "divl %4, %%eax;"    // (block / sect) / head (磁头数)
        "=a" (cyl),          // 输出：eax = 商（柱面号）
        "=d" (head),         // 输出：edx = 余数（磁头号）
        "0" (block),         // 输入：eax = 被除数
        "1" (0),             // 输入：edx = 0（初始化为0）
        "r" (hd_info[dev].head) // 输入：ecx = 除数（磁头数）
    );
    hd_out(dev, nsect, sec, head, cyl, WIN_WRITE, ...);
    ...
}

代码分析

make_request 函数：
- 这个函数用于创建一个新的磁盘请求。
- 它分配一个新的请求结构体 req，并设置请求的扇区号 req->sector。
- bh->b_blocknr << 1：将块号左移一位，为了将块号转换为扇区号（假设每个块由两个扇区组成）。
- add_request：将新创建的请求添加到请求队列中。
do_hd_request 函数：
- 这个函数处理硬盘请求，将盘块号转换为CHS地址，并调用 hd_out 函数执行实际的磁盘操作。
- CURRENT->sector：获取当前请求的扇区号。
- 使用内联汇编（asm volatile）进行除法运算，将扇区号转换为柱面号（cyl）、磁头号（head）和扇区号（sec）。
  - 第一个除法运算计算扇区号（sec）。
  - 第二个除法运算计算柱面号（cyl）和磁头号（head）。
- hd_out：执行实际的磁盘操作，包括寻道、旋转和数据传输。

总结

这段代码展示了Linux 0.11内核中磁盘请求的创建和处理过程。make_request 函数负责创建新的磁盘请求，而 do_hd_request 函数负责将盘块号转换为CHS地址，并执行实际的磁盘操作。

通过内联汇编进行除法运算，实现了从盘块号到CHS地址的转换，这是磁盘驱动程序中的关键步骤。

多个进程使用磁盘

多进程通过队列使用磁盘

请求队列：
- 当多个进程需要访问磁盘时，它们的请求被放入一个请求队列中。这个队列管理所有磁盘访问请求，确保它们有序地被处理。
磁盘驱动：
- 磁盘驱动负责从请求队列中取出请求，并将其转换为磁盘控制器可以理解的CHS（柱面、磁头、扇区）地址。
磁盘控制器：
- 磁盘控制器根据磁盘驱动提供的CHS地址执行实际的磁盘操作，如寻道、旋转和数据传输。

磁盘调度

调度目标：
- 磁盘调度的主要目标是最小化平均访问延迟。这意味着调度算法需要尽可能减少磁盘访问请求的等待时间。
调度时主要考察的因素：
- 寻道时间：磁头移动到目标磁道的时间，这是磁盘访问时间中的主要部分。
- 旋转时间：磁盘旋转到目标扇区的时间。
- 传输时间：数据从磁盘传输到内存的时间。
调度算法：
- FCFS（First-Come, First-Served）：最简单的调度算法，按照请求到达的顺序处理。虽然公平，但可能不是最高效的，因为它不考虑磁头的当前位置或请求的物理位置。
- 更复杂的算法：如SSTF（Shortest Seek Time First）、SCAN（Elevator Algorithm）等，这些算法试图通过优化磁头移动路径来减少寻道时间，从而提高整体性能。

FCFS

最直观、最公平的调度：
- FCFS算法按照请求到达的顺序处理，确保每个请求都能被公平地处理。
实例分析：
- 磁头开始位置为53。
- 请求队列为：98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67。
磁头移动：
- FCFS算法导致磁头共移动了640个磁道。
- 磁头在移动过程中处理了经过的请求。
磁头在长途奔袭：
- 图中显示了磁头在处理请求时的移动路径，磁头需要在磁盘上进行大量的移动，这可能导致效率低下。
效率问题：
- FCFS算法虽然公平，但可能导致磁头在磁盘上进行大量的寻道操作，增加了寻道时间和旋转时间，从而降低了磁盘的整体性能。

SSTF

SSTF（Shortest Seek Time First，最短寻道时间优先）磁盘调度算法。SSTF算法是一种优化磁盘访问时间的算法，它选择距离当前磁头位置最近的请求进行处理，以减少磁头移动的距离。以下是对幻灯片内容的分析：

算法原理：
- SSTF算法选择距离当前磁头位置最近的请求进行处理，以减少寻道时间。
- 这种方法可以显著减少磁头移动的总距离，从而提高磁盘访问效率。
实例分析：
- 磁头开始位置为53。
- 请求队列为：98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67。
磁头移动：
- 在这个实例中，SSTF算法导致磁头共移动了236个磁道（4+53+169）。
- 相比FCFS算法的640个磁道，SSTF算法显著减少了磁头移动的距离。
效率提升：
- 通过优先处理距离当前磁头位置最近的请求，SSTF算法可以更快地响应请求，减少等待时间。
饥饿问题：
- SSTF算法存在饥饿问题，即远离当前磁头位置的请求可能会长时间得不到处理。
- 如果在处理183号请求之前，又来了一些中间磁道的请求，那么183号请求可能会被推迟处理，导致延迟。

SCAN

SCAN磁盘调度算法，也称为电梯算法，它是一种常见的磁盘调度策略，旨在优化磁盘的寻道操作，减少寻道时间。

算法原理：
- SCAN算法模拟电梯的运行方式，磁头从一个方向开始移动，直到达到最后一个请求，然后改变方向，继续处理另一方向的请求。
- 这种算法确保每个请求最终都会被处理，避免了SSTF算法中可能出现的饥饿问题。
实例分析：
- 磁头开始位置为53。
- 请求队列为：98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67。
磁头移动：
- 在这个实例中，SCAN算法导致磁头共移动了236个磁道（53+183）。
- 与SSTF算法相比，SCAN算法在处理请求时更加公平，因为它确保了磁头会遍历所有请求。
公平性：
- SCAN算法通过确保每个方向上的请求都被处理，提高了算法的公平性。
效率：
- SCAN算法通过减少磁头的来回移动，提高了磁盘访问的效率。
- 与SSTF相比，SCAN算法在处理大量随机分布的请求时，通常能提供更好的性能。

C-SCAN

这张幻灯片介绍了C-SCAN（Circular SCAN）磁盘调度算法，这是一种类似于电梯算法的磁盘调度策略，但在到达一端后直接移动到另一端，而不是改变方向。以下是对幻灯片内容的分析和总结：

算法原理：
- C-SCAN算法从磁头的当前位置开始，向一个方向移动，处理所有请求，到达磁盘的一端后，直接移动到另一端，然后继续处理请求。
- 这种算法确保了两端的请求都能被快速处理。
实例分析：
- 磁头开始位置为53。
- 请求队列为：98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67。
磁头移动：
- 在这个实例中，C-SCAN算法导致磁头共移动了157+200个磁道。
- 其中200个磁道是磁头从一端移动到另一端的距离，这个过程很快，因为它是连续的，没有寻道时间。
效率：
- C-SCAN算法通过直接从一端移动到另一端，减少了磁头的寻道时间，提高了磁盘访问的效率。
- 这种算法特别适合于请求分布均匀的情况，因为它可以确保所有请求都能被快速处理。
公平性：
- C-SCAN算法在处理请求时，可能会对靠近磁头起始位置的请求提供更快的服务，而对远离起始位置的请求提供较慢的服务。

代码实现

从提供的幻灯片内容中，我们可以提取出两个函数的代码：make_request 和 add_request，以及一个宏定义 IN_ORDER。以下是提取的代码和总结：

提取的代码

// 创建一个磁盘请求
static void make_request()
{
    struct request *req;
    req->sector = bh->b_blocknr << 1;
    add_request(major + blk_dev, req);
}

// 将请求添加到请求队列
static void add_request(struct blk_dev_struct *dev, struct request *req)
{
    struct request *tmp = dev->current_request;
    req->next = NULL;
    cli(); // 关中断（互斥）
    for (; tmp->next; tmp = tmp->next)
        if (IN_ORDER(tmp, req) || !IN_ORDER(tmp, tmp->next))
            && IN_ORDER(req, tmp->next)) break;
    req->next = tmp->next; 
    tmp->next = req; 
    sti();
}

// 判断请求是否有序
#define IN_ORDER(s1, s2) \
    ((s1)->dev < (s2)->dev || \
    ((s1)->dev == (s2)->dev && (s1)->sector < (s2)->sector))

代码总结

make_request 函数：
- 这个函数初始化一个新的磁盘请求，设置请求的扇区号 req->sector，并将请求添加到磁盘请求队列中。
- bh->b_blocknr << 1：假设每个块由两个扇区组成，因此将块号左移一位来计算扇区号。
add_request 函数：
- 这个函数将一个新的请求插入到磁盘请求队列中，保持队列的有序性。
- 使用 cli() 关闭中断来确保在操作请求队列时的互斥访问。
- 通过 IN_ORDER 宏判断请求是否有序，如果新请求应该插入到 tmp 和 tmp->next 之间，则进行插入。
- 使用 sti() 重新开启中断。
IN_ORDER 宏：
- 这个宏用于判断两个请求是否有序，即是否按照设备号和扇区号的顺序排列。
- 如果第一个请求的设备号小于第二个请求的设备号，或者设备号相同但扇区号小于第二个请求的扇区号，则认为有序。

总结如何使用生磁盘

这张幻灯片介绍了操作系统中生磁盘（raw disk）的使用流程，以及如何通过磁盘驱动程序来管理多个进程对磁盘的访问。

进程获取盘块号：
- 进程首先需要获取到要访问的盘块号（block number）。
计算扇区号：
- 根据盘块号计算出对应的扇区号（sector number）。这通常涉及到将盘块号映射到磁盘的物理地址。
创建请求并加入请求队列：
- 使用计算出的扇区号创建一个磁盘请求（make req）。
- 将该请求加入到请求队列中（add_request），可能使用电梯算法（SCAN算法）来优化请求的处理顺序。
进程等待：
- 进程在发起磁盘请求后进入等待状态（sleep_on）。
磁盘中断处理：
- 当磁盘操作完成时，磁盘控制器会产生一个中断信号。
- 中断处理程序（read_intr）被触发，唤醒等待的进程。
执行磁盘请求：
- 磁盘驱动程序处理请求（do_hd_request），计算出具体的柱面（cylinder）、磁头（head）和扇区号（sector）。
端口写入：
- 使用端口写入操作（hd_out），通过outp函数将数据写入磁盘控制器的端口，完成数据的实际读写操作。