磁盤的物理組成

1. 盤面：

   • 磁盤由多個盤面組成，每個盤面上都有數據存儲的區域。

2. 磁道：

   • 每個盤面上都有若干個同心圓，這些同心圓稱為磁道。磁道是數據存儲的路徑。

3. 扇區：

   • 磁道被進一步劃分為若干個扇區，扇區是磁盤的最小訪問單位。

   • 扇區大小通常為512字節。

磁盤的io流程

該幻燈片描述了磁盤的輸入/輸出（I/O）過程，具體步驟如下：

1. 開始使用磁盤：

   • 首先，系統需要通過IDE控制器與磁盤建立連接，開始磁盤的I/O操作。

2. 磁盤I/O過程：

   • 磁盤的I/O過程包括以下幾個步驟：控制器、尋道、旋轉、傳輸。

3. 尋道：

   • 控制器發送指令，使磁頭移動到正確的磁道上。這是為了定位到數據所在的物理位置。

4. 旋轉：

   • 磁盤旋轉，使得目標扇區移動到磁頭下方。這個過程需要等待磁盤旋轉到正確的位置，可能會有一定的延遲。

5. 傳輸：

   • 一旦目標扇區位于磁頭下方，數據就可以從磁盤讀取到內存中，或者從內存寫入到磁盤中。

6. 內存緩存：

   • 讀取或寫入的數據首先會進入內存緩存。對于讀取操作，數據從磁盤讀出后存儲在內存緩存中；對于寫操作，數據首先寫入內存緩存，然后再從緩存寫入磁盤。

使用磁盤

柱面（Cylinder）

柱面是磁盤上所有盤面中具有相同徑向位置的磁道的集合。

當計算機需要讀取或寫入數據時，它會根據柱面號、磁頭號和扇區號來確定目標數據的位置。

通過控制磁頭的移動和盤片的旋轉，計算機可以準確地定位到特定柱面上的特定扇區，進行數據的讀寫操作。

磁頭（Head）

每個盤面對應一個磁頭。

所有的磁頭都是連在同一個磁臂上的，因此所有磁頭只能“共進退”。

每個磁頭上都有讀和寫的操作裝置，用于讀取和寫入數據。

磁頭臂是支持磁頭的可移動臂，通過電動機或電磁力控制，可以使磁頭在盤片上移動到不同的磁道位置。

扇區（Sector）

每個盤片被劃分為一個個磁道，每個磁道又劃分為一個個扇區。

扇區是磁盤的最小訪問單位，通常為512字節。

在讀取或寫入數據時，磁頭需要準確地定位到相應的扇區。磁盤驅動器在向磁盤讀取和寫入數據時，要以扇區為單位。

代碼分析

從提供的幻燈片內容中，我們可以提取出兩個函數的代碼，它們是 do_hd_request 和 hd_out。以下是提取的代碼和總結：

提取的代碼

void do_hd_request(void) {...hd_out(dev, nsect, sec, head, cyl, WIN_WRITE, ...); // 調用hd_out函數port_write(HD_DATA, CURRENT->buffer, 256); // 將數據寫入硬盤
}
?
void hd_out(drive, nsect, sec, head, cyl, cmd...) {port = HD_DATA; // 數據寄存器端口(0x1f0)outb_p(nsect, ++port); // 輸出扇區數outb_p(sec, ++port); ? // 輸出起始扇區號outb_p(cyl, ++port); ? // 輸出柱面號outb_p(cyl >> 8, ++port); // 輸出柱面號的高字節outb_p(0xA0 | (drive << 4) | head, ++port); // 輸出驅動器和磁頭信息outb_p(cmd, ++port); // 輸出命令
}

代碼總結

1. do_hd_request 函數：

   • 這個函數處理硬盤的I/O請求。

   • 它調用 hd_out 函數來設置硬盤控制器的參數，包括設備號（dev）、扇區數（nsect）、扇區號（sec）、磁頭號（head）、柱面號（cyl）等。

   • 然后，它使用 port_write 函數將數據從內存緩沖區（CURRENT->buffer）寫入硬盤，這里寫入的數據量為256字節。

2. hd_out 函數：

   • 這個函數負責將控制命令和參數輸出到硬盤控制器。

   • 它首先設置數據寄存器端口（HD_DATA）。

   • 然后，它使用 outb_p 函數依次輸出扇區數、扇區號、柱面號、柱面號的高字節、驅動器和磁頭信息以及命令。

   • 這些參數用于控制硬盤的讀寫操作，例如移動磁頭到指定的柱面和磁頭位置，然后讀取或寫入指定的扇區。

這些代碼是磁盤驅動程序的核心部分，它們實現了操作系統與硬盤硬件之間的直接交互，是文件系統和數據存儲管理的基礎。

如何通過盤塊號讀寫磁盤

盤塊

盤塊（Block）是文件系統中用于數據存儲和管理的一個邏輯概念，它是文件系統中數據存儲的基本單位。盤塊是邏輯上的劃分，不同于磁盤物理結構中的扇區（Sector）、柱面（Cylinder）和磁頭（Head）等概念。以下是盤塊的詳細解釋：

1. 盤塊號：

   • 每個盤塊都有一個唯一的標識符，稱為盤塊號（Block Number）。盤塊號用于在文件系統中定位和訪問特定的盤塊。

2. 盤塊與扇區的關系：

   • 盤塊通常由一個或多個扇區組成。一個扇區是磁盤上最小的物理存儲單位，通常大小為512字節。

   • 文件系統將一個或多個連續的扇區組合成一個盤塊，以提高數據管理的效率。

3. 盤塊的分配：

   • 文件系統使用盤塊分配表（Block Allocation Table, BAT）或inode（索引節點）等數據結構來記錄每個文件占用的盤塊信息。

   • 當文件被創建或修改時，文件系統會分配新的盤塊或更新現有文件的盤塊信息。

4. 盤塊的優缺點：

   • 優點：簡化了文件數據的管理，提高了數據存儲和檢索的效率。

   • 缺點：如果文件大小不是盤塊大小的整數倍，最后一個盤塊可能會有未使用的空間，導致一定的空間浪費。就是用空間換時間

為什么使用盤塊

1. 磁盤訪問時間的組成：

   • 磁盤訪問時間包括寫入控制器時間、尋道時間、旋轉時間和傳輸時間。

   • 尋道時間：磁頭移動到目標磁道的時間，通常在12毫秒到8毫秒之間。

   • 旋轉時間：磁盤旋轉到目標扇區的時間，對于7200轉/分鐘的硬盤，半周大約需要4毫秒。

   • 傳輸時間：數據從磁盤傳輸到內存的時間，大約0.3毫秒（50MB/秒）。

2. 盤塊相鄰的優勢：

   • 相鄰的盤塊在物理位置上接近，因此可以快速連續讀出，減少了尋道時間和旋轉時間，提高了磁盤訪問效率

優點分析

• 提高效率：通過減少尋道時間和旋轉時間，提高了磁盤訪問的速度，從而提高了整體的系統性能。

• 抽象層次：操作系統通過提供這一層抽象，隱藏了磁盤的物理訪問細節，使得上層應用程序可以更加方便地使用磁盤資源。

如何編址？為什么這樣編址？

• 如何編址：磁盤驅動通過算法將盤塊號映射到CHS地址。這通常涉及到磁盤的幾何結構和盤塊的布局。

• 為什么這樣編址：這種編址方式是為了優化磁盤訪問效率。通過將相鄰的盤塊放在磁盤上的相鄰位置，可以減少尋道時間和旋轉時間，從而提高數據訪問速度。

扇區號的獲得

從CHS到扇區號

• CHS地址轉換：磁盤的物理地址通常由柱面號（Cylinder）、磁頭號（Head）和扇區號（Sector）組成。幻燈片中提到的公式 Cx(HeadsxSectors) + HxSectors + S 用于計算從CHS地址到扇區號的轉換。

  • C：柱面號

  • Heads：磁盤上的磁頭數

  • Sectors：每個磁道上的扇區數

  • H：磁頭號

  • S：扇區號

磁盤請求的創建和處理過程

從提供的幻燈片內容中，我們可以提取出兩個函數的代碼，它們是 make_request 和 do_hd_request。以下是提取的代碼和分析：

提取的代碼

// 創建一個磁盤請求
static void make_request()
{struct request *req;req = request + NR_REQUEST;req->sector = bh->b_blocknr << 1;add_request(major + blk_dev, req);
}
?
// 處理硬盤請求
void do_hd_request(void)
{unsigned int block = CURRENT->sector;asm volatile ("divl %4, %%eax;" ? ?// block / sect (每個磁頭的扇區數)"=a" (block), ? ? ? ?// 輸入：eax = 被除數"=d" (sec), ? ? ? ? ?// 輸出：edx = 余數（扇區號）"0" (block), ? ? ? ? // 輸入：eax = 被除數"1" (0), ? ? ? ? ? ? // 輸入：edx = 0（初始化為0）"r" (hd_info[dev].sect) // 輸入：ecx = 除數（每個磁頭的扇區數）);asm volatile ("divl %4, %%eax;" ? ?// (block / sect) / head (磁頭數)"=a" (cyl), ? ? ? ? ?// 輸出：eax = 商（柱面號）"=d" (head), ? ? ? ? // 輸出：edx = 余數（磁頭號）"0" (block), ? ? ? ? // 輸入：eax = 被除數"1" (0), ? ? ? ? ? ? // 輸入：edx = 0（初始化為0）"r" (hd_info[dev].head) // 輸入：ecx = 除數（磁頭數）);hd_out(dev, nsect, sec, head, cyl, WIN_WRITE, ...);...
}

代碼分析

1. make_request 函數：

   • 這個函數用于創建一個新的磁盤請求。

   • 它分配一個新的請求結構體 req，并設置請求的扇區號 req->sector。

   • bh->b_blocknr << 1：將塊號左移一位，為了將塊號轉換為扇區號（假設每個塊由兩個扇區組成）。

   • add_request：將新創建的請求添加到請求隊列中。

2. do_hd_request 函數：

   • 這個函數處理硬盤請求，將盤塊號轉換為CHS地址，并調用 hd_out 函數執行實際的磁盤操作。

   • CURRENT->sector：獲取當前請求的扇區號。

   • 使用內聯匯編（asm volatile）進行除法運算，將扇區號轉換為柱面號（cyl）、磁頭號（head）和扇區號（sec）。

     • 第一個除法運算計算扇區號（sec）。

     • 第二個除法運算計算柱面號（cyl）和磁頭號（head）。

   • hd_out：執行實際的磁盤操作，包括尋道、旋轉和數據傳輸。

總結

這段代碼展示了Linux 0.11內核中磁盤請求的創建和處理過程。make_request 函數負責創建新的磁盤請求，而 do_hd_request 函數負責將盤塊號轉換為CHS地址，并執行實際的磁盤操作。

通過內聯匯編進行除法運算，實現了從盤塊號到CHS地址的轉換，這是磁盤驅動程序中的關鍵步驟。

多個進程使用磁盤

多進程通過隊列使用磁盤

1. 請求隊列：

   • 當多個進程需要訪問磁盤時，它們的請求被放入一個請求隊列中。這個隊列管理所有磁盤訪問請求，確保它們有序地被處理。

2. 磁盤驅動：

   • 磁盤驅動負責從請求隊列中取出請求，并將其轉換為磁盤控制器可以理解的CHS（柱面、磁頭、扇區）地址。

3. 磁盤控制器：

   • 磁盤控制器根據磁盤驅動提供的CHS地址執行實際的磁盤操作，如尋道、旋轉和數據傳輸。

磁盤調度

1. 調度目標：

   • 磁盤調度的主要目標是最小化平均訪問延遲。這意味著調度算法需要盡可能減少磁盤訪問請求的等待時間。

2. 調度時主要考察的因素：

   • 尋道時間：磁頭移動到目標磁道的時間，這是磁盤訪問時間中的主要部分。

   • 旋轉時間：磁盤旋轉到目標扇區的時間。

   • 傳輸時間：數據從磁盤傳輸到內存的時間。

3. 調度算法：

   • FCFS（First-Come, First-Served）：最簡單的調度算法，按照請求到達的順序處理。雖然公平，但可能不是最高效的，因為它不考慮磁頭的當前位置或請求的物理位置。

   • 更復雜的算法：如SSTF（Shortest Seek Time First）、SCAN（Elevator Algorithm）等，這些算法試圖通過優化磁頭移動路徑來減少尋道時間，從而提高整體性能。

FCFS

1. 最直觀、最公平的調度：

   • FCFS算法按照請求到達的順序處理，確保每個請求都能被公平地處理。

2. 實例分析：

   • 磁頭開始位置為53。

   • 請求隊列為：98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67。

3. 磁頭移動：

   • FCFS算法導致磁頭共移動了640個磁道。

   • 磁頭在移動過程中處理了經過的請求。

4. 磁頭在長途奔襲：

   • 圖中顯示了磁頭在處理請求時的移動路徑，磁頭需要在磁盤上進行大量的移動，這可能導致效率低下。

5. 效率問題：

   • FCFS算法雖然公平，但可能導致磁頭在磁盤上進行大量的尋道操作，增加了尋道時間和旋轉時間，從而降低了磁盤的整體性能。

SSTF

SSTF（Shortest Seek Time First，最短尋道時間優先）磁盤調度算法。SSTF算法是一種優化磁盤訪問時間的算法，它選擇距離當前磁頭位置最近的請求進行處理，以減少磁頭移動的距離。以下是對幻燈片內容的分析：

1. 算法原理：

   • SSTF算法選擇距離當前磁頭位置最近的請求進行處理，以減少尋道時間。

   • 這種方法可以顯著減少磁頭移動的總距離，從而提高磁盤訪問效率。

2. 實例分析：

   • 磁頭開始位置為53。

   • 請求隊列為：98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67。

3. 磁頭移動：

   • 在這個實例中，SSTF算法導致磁頭共移動了236個磁道（4+53+169）。

   • 相比FCFS算法的640個磁道，SSTF算法顯著減少了磁頭移動的距離。

4. 效率提升：

   • 通過優先處理距離當前磁頭位置最近的請求，SSTF算法可以更快地響應請求，減少等待時間。

5. 饑餓問題：

   • SSTF算法存在饑餓問題，即遠離當前磁頭位置的請求可能會長時間得不到處理。

   • 如果在處理183號請求之前，又來了一些中間磁道的請求，那么183號請求可能會被推遲處理，導致延遲。

SCAN

SCAN磁盤調度算法，也稱為電梯算法，它是一種常見的磁盤調度策略，旨在優化磁盤的尋道操作，減少尋道時間。

1. 算法原理：

   • SCAN算法模擬電梯的運行方式，磁頭從一個方向開始移動，直到達到最后一個請求，然后改變方向，繼續處理另一方向的請求。

   • 這種算法確保每個請求最終都會被處理，避免了SSTF算法中可能出現的饑餓問題。

2. 實例分析：

   • 磁頭開始位置為53。

   • 請求隊列為：98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67。

3. 磁頭移動：

   • 在這個實例中，SCAN算法導致磁頭共移動了236個磁道（53+183）。

   • 與SSTF算法相比，SCAN算法在處理請求時更加公平，因為它確保了磁頭會遍歷所有請求。

4. 公平性：

   • SCAN算法通過確保每個方向上的請求都被處理，提高了算法的公平性。

5. 效率：

   • SCAN算法通過減少磁頭的來回移動，提高了磁盤訪問的效率。

   • 與SSTF相比，SCAN算法在處理大量隨機分布的請求時，通常能提供更好的性能。

C-SCAN

這張幻燈片介紹了C-SCAN（Circular SCAN）磁盤調度算法，這是一種類似于電梯算法的磁盤調度策略，但在到達一端后直接移動到另一端，而不是改變方向。以下是對幻燈片內容的分析和總結：

1. 算法原理：

   • C-SCAN算法從磁頭的當前位置開始，向一個方向移動，處理所有請求，到達磁盤的一端后，直接移動到另一端，然后繼續處理請求。

   • 這種算法確保了兩端的請求都能被快速處理。

2. 實例分析：

   • 磁頭開始位置為53。

   • 請求隊列為：98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67。

3. 磁頭移動：

   • 在這個實例中，C-SCAN算法導致磁頭共移動了157+200個磁道。

   • 其中200個磁道是磁頭從一端移動到另一端的距離，這個過程很快，因為它是連續的，沒有尋道時間。

4. 效率：

   • C-SCAN算法通過直接從一端移動到另一端，減少了磁頭的尋道時間，提高了磁盤訪問的效率。

   • 這種算法特別適合于請求分布均勻的情況，因為它可以確保所有請求都能被快速處理。

5. 公平性：

   • C-SCAN算法在處理請求時，可能會對靠近磁頭起始位置的請求提供更快的服務，而對遠離起始位置的請求提供較慢的服務。

代碼實現

從提供的幻燈片內容中，我們可以提取出兩個函數的代碼：make_request 和 add_request，以及一個宏定義 IN_ORDER。以下是提取的代碼和總結：

提取的代碼

// 創建一個磁盤請求
static void make_request()
{struct request *req;req->sector = bh->b_blocknr << 1;add_request(major + blk_dev, req);
}
?
// 將請求添加到請求隊列
static void add_request(struct blk_dev_struct *dev, struct request *req)
{struct request *tmp = dev->current_request;req->next = NULL;cli(); // 關中斷（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();
}
?
// 判斷請求是否有序
#define IN_ORDER(s1, s2) \((s1)->dev < (s2)->dev || \((s1)->dev == (s2)->dev && (s1)->sector < (s2)->sector))

代碼總結

1. make_request 函數：

   • 這個函數初始化一個新的磁盤請求，設置請求的扇區號 req->sector，并將請求添加到磁盤請求隊列中。

   • bh->b_blocknr << 1：假設每個塊由兩個扇區組成，因此將塊號左移一位來計算扇區號。

2. add_request 函數：

   • 這個函數將一個新的請求插入到磁盤請求隊列中，保持隊列的有序性。

   • 使用 cli() 關閉中斷來確保在操作請求隊列時的互斥訪問。

   • 通過 IN_ORDER 宏判斷請求是否有序，如果新請求應該插入到 tmp 和 tmp->next 之間，則進行插入。

   • 使用 sti() 重新開啟中斷。

3. IN_ORDER 宏：

   • 這個宏用于判斷兩個請求是否有序，即是否按照設備號和扇區號的順序排列。

   • 如果第一個請求的設備號小于第二個請求的設備號，或者設備號相同但扇區號小于第二個請求的扇區號，則認為有序。

總結如何使用生磁盤

這張幻燈片介紹了操作系統中生磁盤（raw disk）的使用流程，以及如何通過磁盤驅動程序來管理多個進程對磁盤的訪問。

1. 進程獲取盤塊號：

   • 進程首先需要獲取到要訪問的盤塊號（block number）。

2. 計算扇區號：

   • 根據盤塊號計算出對應的扇區號（sector number）。這通常涉及到將盤塊號映射到磁盤的物理地址。

3. 創建請求并加入請求隊列：

   • 使用計算出的扇區號創建一個磁盤請求（make req）。

   • 將該請求加入到請求隊列中（add_request），可能使用電梯算法（SCAN算法）來優化請求的處理順序。

4. 進程等待：

   • 進程在發起磁盤請求后進入等待狀態（sleep_on）。

5. 磁盤中斷處理：

   • 當磁盤操作完成時，磁盤控制器會產生一個中斷信號。

   • 中斷處理程序（read_intr）被觸發，喚醒等待的進程。

6. 執行磁盤請求：

   • 磁盤驅動程序處理請求（do_hd_request），計算出具體的柱面（cylinder）、磁頭（head）和扇區號（sector）。

7. 端口寫入：

   • 使用端口寫入操作（hd_out），通過outp函數將數據寫入磁盤控制器的端口，完成數據的實際讀寫操作。