磁盘概述：操作系统原理中磁盘的组织和性能简要介绍

磁盘设备是一种相当复杂的机电设备，有专门的课程对它进行详细讲述。在此，仅对磁盘的某些性能，如数据的组织、磁盘的类型和访问时间等方面做扼要的介绍。

1.数据的组织和格式

磁盘设备可包括一个或多个物理盘片，每个磁盘片分一个或两个存储面（surface）[见图9-7（a）]，每个磁盘面被组织成若干个同心环，这种环称为磁道（track），各磁道之间留有必要的间隙。为使处理简单起见，在每条磁道上可存储相同数目的二进制位。这样，磁盘密度即每英寸中所存储的位数，显然是内层磁道的密度较外层磁道的密度高。每条磁道又被逻辑上划分成若干个扇区（sectors），软盘为8～32个扇区，硬盘则可多达数百个，图9-7（b）显示了一个磁道分成8个扇区。一个扇区称为一个盘块（或数据块），常常叫作磁盘扇区。各个扇区之间保留一定的间隙。

图9-7　磁盘的结构和布局

一个物理记录存储在一个扇区上，磁盘上存储的物理记录块数目是由扇区数、磁道数以及磁盘面数所决定的。例如，一个10GB容量的磁盘，有8个双面可存储盘片，共16个存储面（盘面），每面有16 383个磁道（也称柱面），63个扇区。

为了提高磁盘的存储容量，充分利用磁盘外面磁道的存储能力，现代磁盘不再把内外磁道划分为相同数目的扇区，而是利用外层磁道容量较内层磁道大的特点，将盘面划分成若干条环带，使得同一环带内的所有磁道具有相同的扇区数。显然，外层环带的磁道拥有较内层环带的磁道更多的扇区。为了减少这种磁道和扇区在盘面分布的几何形式变化对驱动程序的影响，大多数现代磁盘都隐藏了这些细节，向操作系统提供虚拟几何的磁盘规格，而不是实际的物理几何规格。

为了在磁盘上存储数据，必须先将磁盘低级格式化。图9-8表示出了一种温盘（温切斯特盘）中一条磁道格式化的情况。其中每条磁道含有30个固定大小的扇区，每个扇区容量为600字节，其中512个字节存放数据，其余的用于存放控制信息。每个扇区包括两个字段。

图9-8　磁盘的格式化

（1）标识符字段，其中一个字节的SYNCH具有特定的位图像，作为该字段的定界符，利用磁道号、磁头号及扇区号三者来标识一个扇区；CRC字段用于段校验。

（2）数据字段，其中可存放512字节的数据。

磁盘格式化完成后，一般要对磁盘分区。在逻辑上，每个分区就是一个独立的逻辑磁盘。每个分区的起始扇区和大小都记录在磁盘0扇区的主引导记录分区表所包含的分区表中。在这个分区表中必须有一个分区被标记成活动的，以保证能够从硬盘引导系统。

但是，在真正可以使用磁盘前，还需要对磁盘进行一次高级格式化，即设置一个引导块、空闲存储管理、根目录和一个空文件系统，同时在分区表中标记该分区所使用的文件系统。

2.磁盘的类型

对磁盘，可以从不同的角度进行分类。最常见的有：将磁盘分成硬盘和软盘、单片盘和多片盘、固定头磁盘和活动头（移动头）磁盘等。下面仅对固定头磁盘和移动头磁盘做介绍。

（1）固定头磁盘

这种磁盘在每条磁道上都有一读/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磁道，进行并行读/写，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。(www.xing528.com)

（2）移动头磁盘

每一个盘面仅配有一个磁头，也被装入磁臂中。为能访问该盘面上的所有磁道，该磁头必须能移动以进行寻道。可见，移动磁头仅能以串行方式读/写，致使其I/O速度较慢；但由于其结构简单，故仍广泛应用于中小型磁盘设备中。在微型机上配置的温盘和软盘都采用移动磁头结构，故本节主要针对这类磁盘的I/O进行讨论。

3.磁盘访问时间

磁盘设备在工作时以恒定速率旋转。为了读或写，磁头必须能移动到所要求的磁道上，并等待所要求的扇区的开始位置旋转到磁头下，然后再开始读或写数据。故可把对磁盘的访问时间分成以下三部分。

（1）寻道时间T s

这是指把磁臂（磁头）移动到指定磁道上所经历的时间。该时间是启动磁臂的时间s与磁头移动n条磁道所花费的时间之和，即

其中，m是一常数，与磁盘驱动器的速度有关。对于一般磁盘，m=0.2；对于高速磁盘，m≤0.1，磁臂的启动时间约为2ms。这样，对于一般的温盘其寻道时间将随寻道距离的增加而增大，一般是5～30ms。

（2）旋转延迟时间T r

这是指定扇区移动到磁头下面所经历的时间。不同的磁盘类型中，旋转速度至少相差一个数量级，如软盘为300r/min，硬盘一般为7 200～15 000r/min，甚至更高。对于磁盘旋转延迟时间而言，如硬盘，旋转速度为15 000r/min，每转需时4ms，平均旋转延迟时间T r为2ms；而软盘，其旋转速度为300r/min或600r/min，这样，平均T r为50～100ms。

（3）传输时间T t

这是指把数据从磁盘读出或向磁盘写入数据所经历的时间。T t的大小与每次所读/写的字节数b和旋转速度有关

其中，r为磁盘每秒钟的转数；N为一条磁道上的字节数，当一次读/写的字节数相当于半条磁道上的字节数时，T t与T r相同。因此，可将访问时间T a表示为

由上式可以看出，在访问时间中，寻道时间和旋转延迟时间基本上都与所读/写数据的多少无关，而且它通常占据了访问时间中的大头。例如，我们假定寻道时间和旋转延迟时间平均为20ms，而磁盘的传输速率为10MB/s，如果要传输10KB的数据，此时总的访问时间为21ms，可见传输时间所占比例是非常小的。当传输100KB数据时，其访问时间也只是30ms，即当传输的数据量增大10倍时，访问时间只增加约50%。目前，磁盘的传输速率已为80MB/s以上，数据传输时间所占的比例更低。可见，适当地集中数据（不要太零散）传输，将有利于提高传输效率。