5.3 磁盘和固态硬盘

5.3.1 磁盘

磁盘的每一个盘片表面都覆盖着磁性物质，信息就记录在表面上。

现代的磁盘在外围的磁道有更多的扇区。

扇区是磁盘读写的最小单位，一般为 512B。

磁盘地址“柱面号·盘面号·扇区号”

写扇区回找到一个磁道写，然后写完一个柱面才移动磁头，因为移动磁头臂时间长。

磁盘从外侧计数，所以一般情况下 C 盘读写速度最快。

磁盘逻辑格式化程序所做的工作是：

一个新的磁盘是一个空白版，必须分成盘区以便磁盘控制器能读和写，这个过程称为低级格式化（或物理格式化）。低级格式化为磁盘的每个扇区采用特别的数据结构。包括校验码。

磁盘存储器的最小读写单位为一个扇区，即磁盘按块读取。磁盘存储数据之前需要进行格式化，将磁盘分成扇区，并写入信息，因此磁盘的格式化容量比非格式化容量小。

磁盘时可共享设备（分时共享），是指某段时间内可以有多个用户进行访问。但某一时刻只能有一个作业进行访问。

5.3.2 磁盘的管理

1.磁盘初始化

2.分区

将磁盘分为由一个或多个柱面组成的分区（C 盘、D 盘）

5.3.3 磁盘调度算法

磁盘调度是对访问磁道次序的调度，如果没有合适的磁盘调度，寻找时间会大大增加。

寻找时间$T_{s}$：磁盘在读写信息前，将磁头移动到指定磁道所需的时间。磁头沿着磁盘半径移动。

其中启动磁臂时间 s 约为 2ms，跨越 n 条磁道，跨越一条磁道约为 0.2ms。

$T_{s}=m\times n+s$

平均寻找时间约为 3～15ms。而 SSD 的寻找时间就快多了，平均寻找时间约为 0.08～0.16ms。

旋转延迟时间$T_{r}$：磁头定位到某一磁道的扇区所需时间。磁头沿着同心圆转圈。就是转半圈的时间。

假设旋转速度为 5400 转/分，也就是$T_{r}$=5.55ms。

$T_{r}=\frac{1}{2r}$

传输时间

$T_{t}=\frac{b}{rN}$

b/n 个磁道，每个磁道 1/r。

总时间=扇区时间（转半圈的时间）+ 寻道时间 + 读取时间 + 延迟时间。

（1）先来先服务（FCFS）算法

磁盘请求队列中的请求顺序分别为 55，58，39，18，90，160，150，38，184。

（2）最短寻找时间优先（SSTF）算法

（3）扫描（SCAN）算法

双向进行。

需要到达磁盘端点。

（4）循环扫描（C-SCAN）算法

单向进行。

需要到达磁盘端点。

（5）LOOK 调度

双向进行。

磁头只需要到达最远端的一个请求即可返回，不需要到达磁盘端点。

（6）C-LOOK 调度

磁头只需要到达最远端的一个请求即可返回，不需要到达磁盘端点。

单向进行。

5.3.4 固态硬盘

固态硬盘是如今最常见的存储设备。固态硬盘比磁盘快且小。

固态硬盘基于闪存技术，没有机械部件，随机读写不需要机械操作，因此速度明显高于磁盘。缺点是容易磨损。

一个闪存由 B 块组成，每块由 P 页组成，页的大小为 512B～4KB，每块由 32～128 页组成，块的大小为 16KB～512KB。数据以页为单位读写。只有某页所在块完全擦出才能写这页。

磨损均衡

闪存擦写寿命只有几百到几千次。所以读写操作尽量均匀分在每个块中。

（1）动态磨损均衡。写入数据时，自动写入较新的闪存块。

（2）静态磨损均衡。让老闪存块存储无需写的数据，读写操作都在新闪存块中进行。