Lecture 6. 磁盘操作与磁盘调度（21 页）

硬盘驱动器的物理特性

数据组织和性能

磁盘调度算法

机械硬盘的结构

机械硬盘普遍采用 SATA（串行 ATA）接口，初版 SATA 到 SATA3.2 逐渐变快。

对于机械硬盘来说，盘片（platter） 越小，意味着重量约轻，噪音越少，旋转起来所需要的功率越小，越省电，同时寻道（seek）性能会越好，通常寻道需要 4~9ms。但是，盘片小了，那么用来记录数据的面积也小了，需要增加密度来弥补这个缺陷。

信令接口（signalling interface） 越快，传输速度也会越快。

如果硬盘只有一个盘片，那么就会有总共两面。其中只有一面能用来存储数据，另一面空着用来保存 定位信息（positioning info）。而如果硬盘有两个盘片，那就有三面可以用来存数据。

盘片是圆形的，上面有数千条同心圆 磁道（track）。每个磁道都被分成了好多块 扇区（sector），扇区是最小的可以寻址、读取、写入的存储单元。老旧设备的扇区通常是 512 字节，现在新设备大多数 4096 字节。

扇区的数量实在是太多了，所以有些操作系统（比如 Windows），会把相邻的几个扇区当作一个 簇（cluster）。簇是文件可以占用的空间的最小单位。这样做可以让资源利用更高效。

每个盘片表面都有一个 磁头（head），也叫读写头。这个磁头可以在盘片表面线性移动到对应的磁道，然后等待目标扇区转动到磁头下方位置。

每个扇区都包含 ID、状态码 status code、同步位模式（synchronization bit pattern）（用来引导磁头），然后 512 或 4096 字节的数据，再接着纠错码（ECC），最后还会有跟下一个扇区之间的 gap。

如果使用更大的扇区，那么可以节省乱七八糟的各种信息的数量，但是文件占用的最小空间也增加了。

由于磁道是同心圆，所以如果外侧和内侧的密度是一致的，那么外侧的扇区数量就是比内侧更多的。

于是，磁道可能会根据离心距离被分成若干组。内侧（红色）扇区数量最少，外侧（灰色）扇区数量最多。

于是，如果盘片旋转的位置恒定，那么外层磁道传输数据的速度就会比内层快。而磁道、扇区的编号是从外侧到内侧递增的，所以这样的结构对于比较新的、空的硬盘来说，会有更好的性能。

固态硬盘是非易失的存储，是 electrical 的（不是 mechanical 的）。相比机械硬盘，SSD 更省电（不需要寻道），性能更好（因为不需要磁头到处乱跑），但容量相对少，价格更贵。

磁盘调度，是针对机械硬盘而非固态硬盘的。

机械硬盘性能的瓶颈，主要受限于磁头的物理移动。这个时间称为 寻址时间（seek time）。

在多任务系统当中，可能将要使用多个扇区。如何规划磁头移动的顺序，降低平均寻址时间（磁头移动的总距离），非常重要。

原生指令排序（Native Command Queuing），是应用在 SATA 当中的一个扩展技术，能允许硬盘驱动器在内部优化不同 IO 命令的执行顺序。

之前提到过，磁头移动是线性（垂直）的，不是水平的。它只能移动到对应的磁道上，等待扇区转动过来。之前还提到过，磁道编号、扇区编号都是从外向里递增的。

假设外层磁道编号是 0，最内层磁道编号是 199。当前磁头位于 53 号磁道。那么对于磁道序列 ${98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67}$，不同的调度算法表现如何？

先到先服务。跟进程调度的 FCFS 类似，虽然公平，但是性能不咋滴。看示意图，很明显，磁头里里外外跑来跑去的，不好。

是最短寻道时间优先的（shortest seek time first）意思，类似于进程调度里面的 SJF 算法。算是对于 FCFS 的一种改进。

注意，SSTF 并不是平均寻道时间最快的算法。比如，序列 ${53, 37, 14, 65, 67, 98, 122, 124, 183}$ 比 SSTF 序列更快。

缺点跟 SJF 一样，可能会出现饥饿现象，即外侧或内侧的磁道由于距离太远，总是被中间的插队。

扫描算法。当前方向走到头，然后掉头，再走到头，再掉头，如此往复。

缺点是，当走到头之后刚刚掉头回来的时候，由于刚才扫过一遍了，这里可能很空；但是另一头由于比较久没有被扫描，任务很多。于是，SCAN 算法有了一个改进——C-SCAN 调度算法

C-SCAN 是循环扫描（circular）的意思。也就是说，走到头之后，不掉头，直接刷的一下移动到最开始的地方，重新按照之前的方向扫一遍。也就是，头是接着尾端的。

LOOK 和 C-LOOK 是对于 SCAN 和 C-SCAN 的一种改进。走到头是没有必要的，LOOK 是走到最远的有任务的位置。下面是 C-LOOK 的示意图。