# 6.6 磁盘存储器管理

## 一、磁盘的性能参数

### 1.1 寻道时间

**定义**：磁头移动到目标磁道所需的时间。

**计算**：
$$T_s = m × n + s$$

其中：
- m：每移动一个磁道的时间
- n：移动的磁道数
- s：启动时间

### 1.2 旋转延迟

**定义**：目标扇区旋转到磁头下方所需的时间。

**平均旋转延迟**：
$$T_r = \frac{1}{2r}$$

其中：
- r：磁盘转速（转/秒）

**例子**：
- 磁盘转速：7200 RPM（转/分钟）= 120转/秒
- 平均旋转延迟：1/(2×120) = 4.17ms

### 1.3 传输时间

**定义**：读写数据所需的时间。

**计算**：
$$T_t = \frac{b}{rN}$$

其中：
- b：传输的字节数
- r：磁盘转速（转/秒）
- N：每磁道的字节数

### 1.4 总访问时间

$$T_a = T_s + T_r + T_t$$

**注意**：
- 寻道时间和旋转延迟占主导
- 传输时间相对较小

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## 二、磁盘调度算法

### 2.1 先来先服务（FCFS）

**思想**：按请求到达的顺序服务。

**优点**：
- 公平
- 实现简单

**缺点**：
- 寻道时间长
- 磁头移动大

### 2.2 最短寻道时间优先（SSTF）

**思想**：选择与当前磁头位置最近的请求。

**优点**：
- 寻道时间短
- 平均等待时间少

**缺点**：
- 可能产生饥饿
- 远处请求长期得不到服务

### 2.3 扫描算法（SCAN，电梯算法）

**思想**：
- 磁头从一端向另一端移动
- 途中服务遇到的请求
- 到达端点后反向移动

**优点**：
- 避免饥饿
- 寻道时间较短

**缺点**：
- 两端请求等待时间长

### 2.4 循环扫描算法（C-SCAN）

**思想**：
- 磁头从一端向另一端移动
- 途中服务遇到的请求
- 到达端点后快速返回起点
- 只单向服务

**优点**：
- 等待时间更均匀
- 避免两端请求等待时间过长

**缺点**：
- 返回时不服务，浪费

### 2.5 LOOK算法

**思想**：
- SCAN算法的改进
- 只移动到最远请求处，不移动到端点

**优点**：
- 减少不必要的移动

### 2.6 C-LOOK算法

**思想**：
- C-SCAN算法的改进
- 只移动到最远请求处，不移动到端点
- 快速返回到最小请求处

**优点**：
- 减少不必要的移动
- 等待时间均匀

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## 三、磁盘管理

### 3.1 磁盘初始化

**低级格式化（物理格式化）**：
- 划分扇区
- 设置扇区头部、尾部、校验码
- 标记坏扇区

**分区**：
- 将磁盘划分为多个逻辑分区
- 每个分区可以独立使用

**高级格式化（逻辑格式化）**：
- 创建文件系统数据结构
- 超级块、inode表、目录等

### 3.2 坏块管理

**坏块**：
- 不能正常读写的扇区

**处理方法**：
- **扇区备用**：预留一些扇区替换坏块
- **坏块链表**：记录坏块位置，不再使用

### 3.3 磁盘碎片整理

**碎片**：
- 文件分散存储在磁盘的不连续位置

**影响**：
- 增加寻道时间
- 降低磁盘性能

**整理**：
- 移动文件，使文件连续存储
- 减少碎片

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## 四、提高磁盘I/O速度的方法

### 4.1 提前读

**思想**：
- 预测接下来要访问的数据
- 提前读入内存

**依据**：
- 空间局部性

### 4.2 延迟写

**思想**：
- 数据先写入缓冲区
- 延迟写入磁盘

**优点**：
- 减少磁盘写次数
- 可能避免写入（数据被修改多次）

### 4.3 优化物理块分布

**思想**：
- 将相关数据存储在相邻位置
- 减少寻道时间

### 4.4 虚拟盘

**思想**：
- 使用内存模拟磁盘
- 提高访问速度

**缺点**：
- 易失性
- 占用内存

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## 五、RAID技术

### 5.1 RAID 0（条带化）

**特点**：
- 数据分散存储在多个磁盘
- 提高读写速度
- 无冗余，可靠性低

### 5.2 RAID 1（镜像）

**特点**：
- 数据完全复制到两个磁盘
- 提高可靠性
- 容量减半

### 5.3 RAID 5（分布式奇偶校验）

**特点**：
- 数据和校验信息分布在多个磁盘
- 允许一个磁盘故障
- 读写性能较好

### 5.4 RAID 6（双分布式奇偶校验）

**特点**：
- 两个独立的奇偶校验
- 允许两个磁盘故障

### 5.5 RAID 10（镜像+条带化）

**特点**：
- 先做镜像，再做条带化
- 性能和可靠性都好

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## 六、考研重点

1. **磁盘性能参数**：寻道时间、旋转延迟、传输时间
2. **磁盘调度算法**：FCFS、SSTF、SCAN、C-SCAN、LOOK、C-LOOK
3. **磁盘管理**：低级格式化、分区、高级格式化、坏块管理
4. **提高磁盘I/O速度的方法**：提前读、延迟写、优化分布、虚拟盘
5. **RAID技术**：RAID 0、1、5、6、10的特点

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*下一节：6.7 设备驱动程序*