考研笔记

磁盘存储器

磁盘是本章唯一有机械运动的部件，它的一切特性都从这一条推出来：移动磁臂要毫秒，旋转盘片要毫秒，而电子切换磁头几乎不要时间。

这个”三个动作、三个数量级”的结构，决定了磁盘地址的字段顺序、决定了访问时间的三项构成、也决定了磁盘调度算法为什么只优化寻道。 把三个动作的开销排出序，这一节就通了大半。

机制

物理结构

一台磁盘存储器由磁盘驱动器、磁盘控制器、盘片三部分组成。

  • 磁道：盘面上的同心圆。最外圈是 0 号磁道。
  • 扇区（块）：磁道被分成的若干段，是磁盘读写的最小单位。
  • 柱面：各盘面上半径相同的磁道构成的集合。柱面号 = 磁道号。
  • 磁头：每个记录面一个，所有磁头装在同一根磁臂上，同进同退。

“所有磁头共用一根磁臂”这一条是柱面概念存在的全部理由：磁臂停在某个位置时，所有盘面上处在该半径的磁道都是可达的，切换到哪个盘面只需要电子选通。

传统磁盘各磁道的扇区数相同，因此内圈的位密度高于外圈；每个磁道的容量相同，这一条在容量计算里天天用。

磁盘地址：柱面号 → 盘面号 → 扇区号

柱面（磁道）号高位盘面（磁头）号中位扇区号低位

疑问点：这个字段顺序是人为规定，还是为了让访问更快

是为了让访问更快，而且是本章设计意图最明显的一处。

三个动作的开销相差数量级：

动作物理过程量级
换扇区等盘片转过来微秒~毫秒
换盘面（换磁头）电子切换，磁臂不动几乎为 0
换柱面（换磁道）移动磁臂，机械动作毫秒，最贵

地址递增时，低位字段变化最频繁，高位字段变化最少。把最贵的柱面号放在最高位，意味着只有把一整个柱面读完，才需要移动一次磁臂。

所以有一个常被追问的推论要纠正：换磁头比找磁道开销大——这是反的。 换磁头只是把读写电路接到另一个磁头上，磁臂完全不动；找磁道要驱动音圈电机把磁臂移到新的半径并稳定下来。前者几乎免费，后者是磁盘上最贵的动作。

沿着同一个思路还能看到另外两处”小巧思”： 一是 0 号磁道在最外圈——外圈周长大、线速度高，把常用的引导区放在这里读得最快。 二是扇区交错编号（interleaving）——早期控制器处理完一个扇区需要时间，若扇区物理相邻则下一个已转过去了，于是把逻辑相邻的扇区在物理上隔开几个位置，让处理时间与旋转时间重叠。 这两处与”柱面号在最高位”是同一种思路：把慢的动作藏到快的动作后面去。

容量：格式化与非格式化

非格式化容量位密度最内道周长总磁道数 格式化容量每扇区字节数每道扇区数每面磁道数记录面数 格式化容量非格式化容量

差额被扇区头、扇区间隙和校验码占去了——它们占物理空间但不存用户数据。

疑问点：扇区里为什么要存地址

一个扇区由三段构成：头（ID 域）· 数据区 · 尾（ECC 校验）。头里放的正是该扇区的柱面号、磁头号、扇区号，外加同步字段和一个 CRC。

磁头无法”知道”自己现在在哪。 磁臂寻道后停在某个半径上，盘片在高速旋转，控制器唯一的定位手段是把经过磁头的内容读出来，看 ID 域是不是要找的那个扇区——是就读数据区，不是就继续等下一个扇区转过来。扇区里的地址是磁盘的唯一定位依据。

这也解释了为什么格式化会让容量变小：格式化做的事就是把这些 ID 域、间隙和校验码写上去。

与这道题一起考的另一个选项是”磁盘存储器的最小读/写单位为 1 字节”，这是错的：最小读写单位是一个扇区（块）。原因同样在上面——定位靠 ID 域，一次定位的成本极高，按字节读写在物理上毫无意义。 这一条正是 OS 4.1.5 文件的物理结构中”块是文件系统分配的最小单位”的硬件来源。

存取时间

寻道时间 ：磁臂移动到目标柱面。机械动作，最大的一项，题目一般直接给平均值。

旋转延迟 ：等目标扇区转到磁头下。平均取半圈：秒为转分传输时间 ：读出 字节所需时间，设每道 字节、转速 转/秒：控制器延迟若题目给出则加上，不给就不加。

“平均取半圈”有前提：目标扇区的位置随机。若题目说明是连续读取同一磁道上相邻的扇区，后续扇区不再需要旋转延迟——这一条限定在 OS 5.3.3 磁盘调度里会被反复用到。

磁盘阵列 RAID

RAID 用多个物理磁盘构成一个逻辑磁盘，同时追求两个目标：用条带化提高并行度（速度），用冗余提高可靠性。

级别组织冗余方式有效容量（ 盘）特点
RAID 0条带化无速度最快，可靠性最差
RAID 1镜像完全复制可靠性最高，最浪费
RAID 2位交叉海明码—已淘汰
RAID 3位交叉奇偶校验，专用校验盘校验盘是瓶颈
RAID 4块交叉奇偶校验，专用校验盘校验盘是瓶颈
RAID 5块交叉奇偶校验，校验块分散到各盘无瓶颈，最常用

补充：位交叉与块交叉——按多大单位轮流分到各盘？

“交叉”就是把连续数据按一定单位，轮流分散到多块磁盘上。 以 3 块数据盘为例（暂不画校验）：

  • 位交叉：按 **bit（位）**拆分，第 1、2、3 位依次放到盘 1、2、3，第 4 位再放回盘 1。同一份数据的各个位分布在多盘上，读取时通常要多盘一起工作。
  • 块交叉：按一整块数据拆分，第 1、2、3 块依次放到盘 1、2、3，第 4 块再放回盘 1。每块内部的数据留在同一盘上，不同盘可以并行处理各自的读请求；这里的块可包含多个扇区。

记忆：位交叉是“拆成位再分盘”；块交叉是“整块轮流放各盘”。区别在条带化的粒度。

RAID 0 没有任何冗余，它的可靠性比单盘还差（任一盘坏则全部数据丢失）——“RAID 都能提高可靠性”是错的，0 级是纯粹的性能手段。

疑问点：RAID 需要专门的一套设备来控制吗，是否还需要操作系统配合

两种实现都存在，区别恰好在”要不要操作系统配合”上：

硬件 RAID：由**独立的 RAID 控制器（RAID 卡）**完成条带划分、校验计算和重建。对操作系统完全透明——OS 只看到一块逻辑磁盘，不需要任何额外驱动逻辑，只要有该控制器的驱动程序即可。热插拔与自动重建也由控制器独立完成。

软件 RAID：由操作系统的存储子系统实现（如 Linux 的 md/LVM、Windows 的存储空间）。这时确实需要操作系统配合，条带和校验的计算占用主机 CPU。

“哪块盘坏了拔掉重新插一块就自动同步”描述的是硬件 RAID 的热插拔 + 自动重建。 重建期间阵列处于降级模式：数据仍可访问（靠校验实时算出丢失的部分），但性能下降，且此时再坏一块盘就真的丢数据了——这正是 RAID 6（双校验）存在的理由。

408 的边界：只考 RAID 0~5 的组织方式、有效容量和可靠性对比。硬件/软件实现之分、重建过程、RAID 6 都属于工程背景，可以用来理解，不作为答题依据。

RAID 不是备份。 它防的是磁盘硬件故障，不防误删除、不防文件损坏、不防勒索软件——这些故障会被镜像和校验忠实地同步到每一块盘上。

边界

“扇区”和”块”在磁盘语境下同义。 在文件系统语境下”块”可能是若干扇区的组合，见 OS 4.3.1。

磁盘是直接存取存储器（DAM），不是随机存取。 因为存取时间与当前磁头位置有关，见 3.1.1。

“每个磁道的扇区数相同”是教材模型。 现代磁盘用分区记录（外圈磁道扇区更多）以提高容量利用率，但 408 的计算题一律按扇区数相同处理，除非题目明说。

旋转延迟取半圈的前提是位置随机。 连续读同一磁道上的相邻扇区时，只在第一个扇区付一次旋转延迟。

磁盘的调度算法（FCFS / SSTF / SCAN / C-SCAN）在操作系统里考，见 OS 5.3.3。计组这一节只负责结构、地址和时间计算。

对照速查

动作开销对应地址字段
换扇区小（等旋转）扇区号（低位）
换盘面/磁头几乎为 0（电子切换）盘面号（中位）
换柱面最大（磁臂机械移动）柱面号（高位）
项公式
格式化容量扇区字节 × 每道扇区 × 每面磁道 × 记录面数
平均旋转延迟（ 转/分）
传输时间
存取时间
判断对错
格式化容量 < 非格式化容量✅
扇区中包含数据、地址和校验✅
磁盘最小读写单位是 1 字节❌（一个扇区）
换磁头比换磁道开销大❌（反了）
RAID 都能提高可靠性❌（RAID 0 不能）
RAID 可以代替备份❌

考点

  • 地址顺序 柱面号 | 盘面号 | 扇区号，为的是让最贵的寻道最不频繁
  • 换磁头几乎免费，寻道最贵
  • 最小读写单位是扇区，扇区含 ID 域（地址）+ 数据 + ECC
  • 格式化容量 < 非格式化容量
  • ；平均旋转延迟取半圈，前提是位置随机
  • 磁盘属于直接存取存储器
  • RAID 0 无冗余可靠性最差；RAID 5 校验分散无瓶颈
  • RAID 不是备份

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