第九课磁盘存储器管理 教学目的: 磁盘存储器既用于存储文件,也是实现虚拟存储器 所必需的硬件,磁盘存储器管理的主要任务 为文件分配必要的存储空间; 合理地组织文件存取方式,以提高对文件的访问速 度; 提高磁盘存储空间的利用率; 提高对磁盘的Ⅰ/O速度,以改善文件系统性能: 采取必要冗余措施来确保文件系统的可靠性
第九课 磁盘存储器管理 教学目的： 磁盘存储器既用于存储文件，也是实现虚拟存储器 所必需的硬件，磁盘存储器管理的主要任务 为文件分配必要的存储空间； 合理地组织文件存取方式，以提高对文件的访问速 度； 提高磁盘存储空间的利用率； 提高对磁盘的I／O速度，以改善文件系统性能； 采取必要冗余措施来确保文件系统的可靠性
教学要求: 了解磁盘组织、磁盘存储器类型和磁盘的访问时间 等磁盘性能,熟悉磁盘调度算法 ·掌握文件的物理结构及连续分配、链接分配、索引 分配和UNIX直接间接混合寻址方式等外存分配方法。 掌握空闲表、位示图法、空闲块链接法和 UNIX OS采 用的成组链接法等空闲存储空间的管理方法
教学要求： • 了解磁盘组织、磁盘存储器类型和磁盘的访问时间 等磁盘性能，熟悉磁盘调度算法。 • 掌握文件的物理结构及连续分配、链接分配、索引 分配和UNIX直接间接混合寻址方式等外存分配方法。 • 掌握空闲表、位示图法、空闲块链接法和UNIX OS采 用的成组链接法等空闲存储空间的管理方法
(一)磁盘Wo( Disk O) (1)磁盘性能概述 1。磁盘组织 磁盘物理组织 每个磁盘都是由盘片,磁道和扇区组成。磁道是盘片 每个表面上的环形区域,柱面是有多个盘片的磁盘上处 于同一磁头位置的一组磁道组成。盘片的每一个面有一 个磁头,磁头一般都连在一个公用的磁头移动机构磁臂 上,这样所有的磁头都一起移动,每盘片的每个面上的 磁头都永远定位在同一逻辑道上。每个磁道被分为扇区 的部分,一个扇区是磁盘上最小的物理存储单元,扇区 的数据大小永远都是2的幂,并且几乎永远是512B。MS DOS、 Windows98∧N都以簇为单位来开辟存储区,而簇 是一个或多个连续的扇区
（一）磁盘I/O(Disk I/O) （1） 磁盘性能概述 1。磁盘组织： 磁盘物理组织 每个磁盘都是由盘片，磁道和扇区组成。磁道是盘片 每个表面上的环形区域，柱面是有多个盘片的磁盘上处 于同一磁头位置的一组磁道组成。盘片的每一个面有一 个磁头，磁头一般都连在一个公用的磁头移动机构磁臂 上，这样所有的磁头都一起移动，每盘片的每个面上的 磁头都永远定位在同一逻辑道上。每个磁道被分为扇区 的部分，一个扇区是磁盘上最小的物理存储单元，扇区 的数据大小永远都是2的幂，并且几乎永远是512B。MSDOS、Windows98/NT都以簇为单位来开辟存储区，而簇 是一个或多个连续的扇区
扇区 磁臂 柱面 磁头
柱面 扇区 磁臂 磁头
磁盘性能概述1 磁盘的容量=每扇区的字节数(512字节)×(扇区 数/道)×(柱面数)×(磁头数) 由于DOS最多只能检测到前1024个柱面,为了解决上述困难, 引入逻辑磁头概念,即通过增加磁头数来减少柱面数,达到 用D0S管理大空间的硬盘,但由于记录磁头数(8位)、柱面 数(10位)、扇区数(6位)数据结构限制,用DOS管理硬盘 最大容量=每个扇区的容量×每个磁道扇区数量×每个磁头 柱面数(磁道数)×磁头数=0.5K×63×1024×256=7.8GB。 机器CMoS配置中为4.3GB硬盘设置以下三种工作模式供选 择: Mode Sector Head g⊥S 容量 NORMAL 63 14848 283MB ARGE 63 144 928 4.01G LBA 63 255 524 4.01G
磁盘性能概述-1 磁盘的容量=每扇区的字节数（512字节）×（扇区 数/道）×（柱面数）×（磁头数） 由于DOS最多只能检测到前1024个柱面，为了解决上述困难， 引入逻辑磁头概念，即通过增加磁头数来减少柱面数，达到 用DOS管理大空间的硬盘，但由于记录磁头数（8位）、柱面 数（10位）、扇区数（6位）数据结构限制，用DOS管理硬盘 最大容量=每个扇区的容量×每个磁道扇区数量×每个磁头 柱面数（磁道数）×磁头数＝0.5K×63×1024×256≒7.8GB。 机器CMOS配置中为4.3GB硬盘设置以下三种工作模式供选 择： Mode Sector Head Cgls 容量 NORMAL 63 9 14848 283MB LARGE 63 144 928 4.01G LBA 63 255 524 4.01G
Di Isks parameters Parameter IBM 360-KB floppy disk WD 18300 hard disk Number of cylinders 40 10601 Tracks per cylinder 29 12 Sectors per track 281(avg) Sectors per disk 720 35742000 Bytes per sector 512 512 Disk capacity 360KB 183GB Seek time (adjacent cylinders) 6 msec 0. 8 msec Seek time average case 77 msec 6.9 msec Rotation time 200 msec 8.33 msec Motor stop/start time 250 msec 20 sec Time to transfer 1 sector 22 msec 17 usec Disk parameters for the original IBM PC floppy disk and a Western Digital Wd 18300 hard disk
Disks parameters Disk parameters for the original IBM PC floppy disk and a Western Digital WD 18300 hard disk
磁盘性能概述2 磁盘的逻辑组织 个物理磁盘在逻辑上可分为几个区域,分区信息存 放在主引导块分区表中。分区表中保存磁盘各种分区起 始和终止的磁头、柱面、扇区、总的扇区数等信息。在 主引导块中有三种类型分区:主分区、扩展区和逻辑分 区。主分区是常用的,加载一个操作系统所需文件安装 其上,操作系统必须从主分区上引导,一个硬盘上只能 有四个主分区。为了突破四个分区的限制,就要在四个 分区中创建立一个扩展分区。扩展分区其实是一个逻辑 盘,它不能格式化,也不能分配盘符。但可在扩展分区 中创建一个或多个逻辑分区,(或称逻辑驱动器),每 个逻辑分区分配一个盘符,可以格式化成一个特定的文 件系统,MS-D0S、 Windows98和 Windowsnt可用 fdisk命 令将硬盘分区
磁盘性能概述-2 磁盘的逻辑组织 一个物理磁盘在逻辑上可分为几个区域，分区信息存 放在主引导块分区表中。分区表中保存磁盘各种分区起 始和终止的磁头、柱面、扇区、总的扇区数等信息。在 主引导块中有三种类型分区：主分区、扩展区和逻辑分 区。主分区是常用的，加载一个操作系统所需文件安装 其上，操作系统必须从主分区上引导，一个硬盘上只能 有四个主分区。为了突破四个分区的限制，就要在四个 分区中创建立一个扩展分区。扩展分区其实是一个逻辑 盘，它不能格式化，也不能分配盘符。但可在扩展分区 中创建一个或多个逻辑分区，（或称逻辑驱动器），每 个逻辑分区分配一个盘符，可以格式化成一个特定的文 件系统，MS-DOS、Windows98和WindowsNT可用fdisk命 令将硬盘分区
磁盘性能概述3 2。磁盘存储器类型 磁盘存储器由磁盘驱动器、磁盘控制器和磁盘(片)三个 部分组成。在硬盘存储器中,将若干个盘片组合在一起,形 成一个盘片组。当驱动器旋转时,所有盘片都沿轴平面转动, 目前硬盘转速已达每分钟5400转(高的可达7200RPM)。紧 靠着盘片的是传动臂,臂的末端是读写头 按磁头的工作方式,可以分为活动头磁盘和固定头磁盘 活动头磁盘 活动头磁盘一个盘面上仅配有一个磁头,所有磁头都安装 在一个传动臂上,在访问盘面上的磁道时,传动臂在步进电 机的控制下,可在整个盘面上从外向内,或从内向外移动, 这称为寻道。活动头磁盘只能进行串行读/写,导致I/0速度 较馒,但是由于结构简单,仍广泛用于中、小型磁盘设备中。 微杋上配置的温盘和软盘,都采用活动磁头结构
磁盘性能概述-3 2。磁盘存储器类型 磁盘存储器由磁盘驱动器、磁盘控制器和磁盘（片）三个 部分组成。在硬盘存储器中，将若干个盘片组合在一起，形 成一个盘片组。当驱动器旋转时，所有盘片都沿轴平面转动， 目前硬盘转速已达每分钟5400转（高的可达7200RPM）。紧 靠着盘片的是传动臂，臂的末端是读写头。 按磁头的工作方式，可以分为活动头磁盘和固定头磁盘。 活动头磁盘 活动头磁盘一个盘面上仅配有一个磁头，所有磁头都安装 在一个传动臂上，在访问盘面上的磁道时，传动臂在步进电 机的控制下，可在整个盘面上从外向内，或从内向外移动， 这称为寻道。活动头磁盘只能进行串行读/写，导致I/O速度 较馒，但是由于结构简单，仍广泛用于中、小型磁盘设备中。 微机上配置的温盘和软盘，都采用活动磁头结构
磁盘性能概述4 固定头磁盘 固定头磁盘在每条磁道上都有一个读/写磁头,所有 的磁头都被装在一刚性磁臂中,通过这些磁头可访问所 有的磁道,可以进行并行读/写操作,有效地提高了磁 盘的I/0速度。这种结构的磁盘主要用于大容量磁盘上 3。磁盘的访问时间 由于磁盘上的一个扇区要用三个参数(柱面号、磁头 号和扇区号)来定位,所以对磁盘的访问时间,包括以 下三部分的时间 寻道时间( Seek time)Ts 这是把磁头从当前位置移动到指定磁道上所经历的时间 该时间是启动磁盘的时间s与磁头移动n条磁道所花费的 时间之和
磁盘性能概述-4 固定头磁盘 固定头磁盘在每条磁道上都有一个读/写磁头，所有 的磁头都被装在一刚性磁臂中，通过这些磁头可访问所 有的磁道，可以进行并行读/写操作，有效地提高了磁 盘的I/O速度。这种结构的磁盘主要用于大容量磁盘上。 3。磁盘的访问时间 由于磁盘上的一个扇区要用三个参数（柱面号、磁头 号和扇区号）来定位，所以对磁盘的访问时间，包括以 下三部分的时间： 寻道时间（ Seek time ）TS 这是把磁头从当前位置移动到指定磁道上所经历的时间。 该时间是启动磁盘的时间s与磁头移动n条磁道所花费的 时间之和
磁盘性能概述-5 mxn十S 式中,m是一个常数,它与磁盘驱动器的速度有关。 对一般磁盘而言,m=0.3;对高速磁盘而言,m≤0.1, 磁盘启动时间约为3ms。这样,对一般的硬盘,其寻 道时间将随寻道距离的增大而增大,大约为10 40ms(目前硬盘的平均寻道时间达9.5ms)。 旋转延迟时间( Rotational delay or rotational latency Tr Tr是指定扇区移动到磁头下所经历的时间。对于硬 盘来说,典型的转速为3600RPM(目前硬盘的转速为 5400RPM,甚至达到7200RPM),每转需时16.7ms, 平均旋转延迟时间为8.3ms。对于软盘,其旋转速度 为300或60ORPM,平均T为50~100ms
磁盘性能概述-5 即 TS ＝ m×n十s 式中，m是一个常数，它与磁盘驱动器的速度有关。 对一般磁盘而言，m=0.3；对高速磁盘而言，m≤0.1， 磁盘启动时间约为3ms。这样，对一般的硬盘，其寻 道时间将随寻道距离的增大而增大，大约为10～ 40ms（目前硬盘的平均寻道时间达9.5ms）。 旋转延迟时间（ Rotational delay or rotational latency ）Tr Tr 是指定扇区移动到磁头下所经历的时间。对于硬 盘来说，典型的转速为3600RPM（目前硬盘的转速为 5400RPM，甚至达到7200RPM），每转需时16.7ms， 平均旋转延迟时间为8.3ms。对于软盘，其旋转速度 为300或600RPM，平均Tr为50～100ms