考研笔记

磁盘

5.3 讲的是最重要的一类外存设备。它之所以要单独占一节，是因为磁盘有一个别的设备没有的特点：访问同一块数据的耗时，取决于上一次访问的是哪一块。

这个”有状态”的特性是后面磁盘调度算法存在的全部理由，也是本节访问时间公式要刻画的东西。

机制

磁盘的物理结构

磁盘由若干盘面组成，每个盘面上有一个磁头。每个盘面被划分成一圈圈的磁道，每条磁道又被划分为若干扇区——扇区是磁盘读写的最小单位。

所有盘面上处于同一半径位置的磁道，合起来称为一个柱面。 这个概念之所以重要，是因为所有磁头是固定在同一个磁臂上、一起移动的：磁臂移动到某个位置，所有盘面上的磁头就同时对准了同一个柱面。

磁盘地址为什么是”柱面号 | 盘面号 | 扇区号”

磁盘地址由三部分构成，且顺序是固定的：柱面号在最高位，然后是盘面号，最后是扇区号。

这个顺序不是随意的，它由三种动作的代价差异决定：

换柱面要移动磁臂——这是机械运动，最慢。换盘面只需切换到另一个磁头——这是电子切换，几乎不花时间。换扇区要等盘片转过来——介于两者之间。

把柱面号放在最高位，意味着地址连续的数据块会优先分布在同一柱面的不同盘面上，只有一个柱面用满了才换到下一个柱面。这样读一大片连续数据时，磁臂几乎不用动。

若把盘面号放在最高位，结果会完全相反：每读完一个盘面的一条磁道就要移动磁臂，寻道次数暴增。

磁盘的访问时间

一次磁盘访问的时间由三部分组成：① 寻道时间 ——启动磁臂并把磁头移动到指定磁道所花的时间。设启动磁臂的时间为 、跨越一条磁道的时间为 、共跨越 条磁道，则② 旋转延迟时间 ——磁头定位到目标磁道后，等待目标扇区转到磁头下方所需的时间。设磁盘转速为 （转/秒），平均需要转半圈：③ 传输时间 ——把数据从磁盘读出或写入的时间。设读写字节数为 、每条磁道容量为 字节：三者的量级差异是本节最该记住的事实：寻道时间是机械臂的移动，通常是毫秒量级，远大于另外两项——这直接决定了后面所有磁盘调度算法的优化目标。

本节与 5.3.3 的分工说明：教材把”磁盘地址结构的设计”与”减少延迟时间的方法（交替编号、错位命名）” 一并放在 5.3.3 中。本页只保留地址结构（下面那道连续存放的真题需要它）， 交替编号与错位命名请看 5.3.3。

边界

影响最大的是寻道时间

疑问点：磁盘读取时间中影响最大的部分

  1. 在磁盘中读取数据的下列时间中，影响最大的是（　）。 A. 处理时间　B. 延迟时间　C. 传送时间　D. 寻道时间

  2. 当设计针对传统机械式硬盘的磁盘调度算法时，主要考虑下列哪种因素对磁盘 I/O 的性能影响最为显著？（　） A. 移动磁头的延迟　B. 单个磁盘块的读/写时间　C. 磁盘平均旋转延迟　D. 磁盘最大旋转延迟

两题答案分别是 D 和 A，本质是同一件事：寻道（移动磁头）最慢。

原因是量级差：寻道是唯一涉及”磁臂机械移动”的动作，要克服惯性、要加速减速、要定位，通常是毫秒量级；旋转延迟只是等盘片转半圈；传输时间只是数据流过磁头，两者都小得多。

第二题问的是”设计调度算法时主要考虑什么”，答案自然也是寻道——这正是 所有磁盘调度算法都在优化磁头移动距离、而没有一个算法去优化旋转延迟的原因。

旋转延迟与什么有关、与什么无关

疑问点：关于旋转延迟的不正确叙述

  1. 在下列有关旋转延迟的叙述中，不正确的是（　）。 A. 旋转延迟的大小与磁盘调度算法无关 B. 旋转延迟的大小取决于磁盘空闲空间的分配程序 C. 旋转延迟的大小与文件的物理结构有关 D. 扇区数据的处理时间对旋转延迟的影响较大

答案 D（选”不正确”的）。

A 对：磁盘调度算法优化的是磁头移动顺序，即寻道，它不改变盘片的转速，也不改变数据落在哪个扇区，因此与旋转延迟无关。

B 对：空闲空间分配程序决定了数据块被放在哪些扇区，而扇区的角位置直接决定了要等多久，因此有关。

C 对：文件的物理结构（连续、链接还是索引）决定了下一块数据在哪里，进而影响读完这一块后要等多久，因此有关。

D 错：扇区数据的处理时间属于 CPU 或控制器处理数据的时间，它不是”盘片转动等待”的组成部分。虽然处理慢了可能错过下一个扇区（这正是 5.3.3 中”交替编号”要解决的问题），但**“影响较大”的说法过强**，且它与旋转延迟不是同一个量。

连续存放时下一块放在哪

疑问点：连续存放的下一块的磁盘地址

  1. 假设磁盘有 256 个柱面，4 个磁头（盘面），每个磁道有 8 个扇区（编号均从 0 开始）。文件 A 在磁盘上连续存放。若文件 A 中的一个块存放在 5 号柱面、1 号磁头下的 7 号扇区，则文件 A 的下一块应存放在（　）。 A. 5 号柱面，2 号磁头下的 7 号扇区　B. 5 号柱面，2 号磁头下的 0 号扇区 C. 6 号柱面，1 号磁头下的 7 号扇区　D. 6 号柱面，1 号磁头下的 0 号扇区

答案 B。 这道题就是”柱面号在最高位”这条设计的直接应用。

扇区编号 0~7，当前在 7 号扇区，已经是本磁道的最后一个。 因此要进位。问题是往哪个方向进位。

按地址结构”柱面号 | 盘面号 | 扇区号”，扇区号进位应该进到盘面号上——即换到同一柱面的下一个磁头（1 → 2），扇区号归 0。得到 5 号柱面、2 号磁头、0 号扇区，即选项 B。

这样做的物理意义正是本节开头讲的那条：换磁头是电子切换，不用移动磁臂；只有当这个柱面上所有 4 个盘面都用完了，才需要移到 6 号柱面。

逐项排除：A 错在扇区号没归零——7 号已是最后一个，不可能还是 7。C 和 D 都错在过早换柱面——5 号柱面上还有 2、3 号磁头没用，没理由现在就去移动磁臂。

随机寻道下的平均访问时间

疑问点：随机寻道方式下读写 b 字节的平均访问时间

  1. 已知某磁盘的平均转速为 秒/转，平均寻道时间为 秒，每个磁道可以存储的字节数为 ，现向该磁盘读/写 字节的数据。采用随机寻道的方法，每道的所有扇区组成一个簇，其平均访问时间是（　）。 A. 　B. 　C. 　D.

答案 A。 这道题的关键是先想清楚”要访问几个磁道”和”访问一个磁道要多久”。

① 要访问几个磁道。 每条磁道存 字节，要读写 字节，因此需要访问个磁道② 访问一个磁道要多久。 题干说”采用随机寻道”，意味着每访问一个磁道都要付一次平均寻道时间 （不能像顺序访问那样连着读）。又说”每道的所有扇区组成一个簇”，意味着每次要把整条磁道读完，即转一整圈，耗时 （注意题干给的 是”秒/转”，本身就是一整圈的时间，不必再乘 ）。

因此访问一个磁道的时间是 。

③ 相乘。这道题最容易错的地方有两处：一是把 当成转速而去算 ——题干明确说是”秒/转”，且”整道组成一个簇”要求转满一圈；二是漏掉”随机寻道”这个条件，误以为寻道只需一次。

对照速查

磁盘结构含义
扇区读写的最小单位
磁道盘面上的一圈
柱面所有盘面上同一半径的磁道
磁头每个盘面一个，全部固定在同一磁臂上一起移动
磁盘地址顺序理由
柱面号（最高位）换柱面要移动磁臂，最慢放最高位使其最少变化
盘面号换盘面只是电子切换，最快优先在同一柱面内换
扇区号（最低位）换扇区要等盘片转—
访问时间公式量级
寻道时间 最大（毫秒级机械运动）
旋转延迟 （平均半圈）中
传输时间 小
旋转延迟有关 / 无关
磁盘调度算法无关（调度优化的是寻道）
空闲空间分配程序有关（决定数据落在哪个扇区）
文件的物理结构有关（决定下一块在哪）

考点

  • 柱面 = 所有盘面上同一半径的磁道；磁头一起移动
  • 磁盘地址是”柱面号 | 盘面号 | 扇区号”，因为换柱面最慢、换盘面最快
  • 连续存放时扇区号进位进到盘面号，不是柱面号（真题选项 B）
  • 访问时间三部分，寻道时间最大——这是磁盘调度算法的唯一优化目标
  • 旋转延迟与磁盘调度算法无关，与空闲空间分配和文件物理结构有关
  • 随机寻道题：磁道数 （寻道 + 转一圈）

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