软考知识点14：磁盘管理相关知识

## 简介

关于磁盘的考试题目并不常见，但是也有一定的概率出现。磁盘的考点主要有：
1. 磁盘的组成；
2. 磁盘读取时间计算（根据题意计算，很简单）；
3. 移臂调度算法；

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## 磁盘的组成

从表面来说，磁盘内部有以下几个组成部分需要牢记：

- 盘片（`Platter`）：盘片是磁盘存储数据的主要介质，通常是由铝或玻璃制成的圆形薄片，表面涂有磁性材料。数据通过磁化盘片表面的微小区域来进行存储。
- 盘面（`Surface`）：每个盘片有两个表面（上表面和下表面）。每个表面都可以用来存储数据。
- 磁头（`Read/Write Head`）：磁头位于磁盘的臂架（`Arm`）上，负责读写数据。通过在盘片表面上方移动，磁头可以在不同位置读取或写入数据。
- 主轴（`Spindle`）：主轴是一种旋转轴，所有的盘片都安装在主轴上。通过电动机驱动，使盘片高速旋转，通常达到每分钟数千转（`RPM`）。

除以上几个主要部分外，还有一些比较抽象的部分，了解即可：

- 轨道（`Track`）：轨道是盘片表面上的同心圆，每个轨道被分成若干扇区。轨道是数据存储的基本单位，磁头在轨道上移动读取或写入数据。
- 扇区（`Sector`）：扇区是轨道上的一个固定长度的存储单元，通常为`512字节`或`4KB`。扇区是数据存取的基本单位，操作系统按扇区来读写数据。
- 缓存（`Cache/Buffer`）：缓存是一种高速存储器，位于磁盘和主机之间。用于临时存储数据，提高读写速度和效率。
- 控制电路（`Controller Electronics`）：控制电路包括磁盘控制器和接口电路。负责磁盘的读写操作、数据传输和错误校验等。
- 接口（`Interface`）：接口是磁盘与计算机系统之间的数据传输通道。常见接口包括`SATA`、`SAS`、`NVMe`等，用于连接磁盘与主板或其他控制器。
- 保护外壳（`Enclosure`）：外壳是保护磁盘内部组件的外部结构。防止灰尘、湿气和物理损伤等环境因素对磁盘的影响。

这些部分共同协作，使得磁盘能够高效地存储和读取数据，广泛应用于各种计算机系统中。在软考中，了解这些基本结构和作用有助于理解磁盘工作原理和性能优化。

## 磁盘读取时间

一般认为，磁盘读取数据的时间包括以下几个主要组成部分：
1. 寻道时间：需按照数据存储轨道的时间。
2. 扇区读取时间：找到并读取扇区中数据的时间。
3. 数据传输时间：将读取到的数据传出到内存的时间。

**注意：以上几个时间是考试中常见的几个组成部分，当然实际上读取数据并不仅仅是由这些部分组成，所以还是要根据题意再去计算，一般就是小学难度的加减乘除，注意读题即可！**

## 移臂调度算法

移臂调度算法用于磁盘访问过程中优化磁头移动顺序，以减少寻道时间和提高磁盘效率。常见的移臂调度算法有以下几种：

- 先来先服务（FCFS，First-Come, First-Served）
- 最短寻道时间优先（SSTF，Shortest Seek Time First）
- 扫描算法（SCAN）
- 循环扫描（C-SCAN，Circular SCAN）
- 循环提升扫描（C-LOOK）

### 先来先服务

- 概念：按照请求到达的先后顺序进行磁头调度。
- 优点：简单易实现，不需要复杂的算法。
- 缺点：性能较差，可能会导致长时间的寻道延迟（即“队尾效应”）。
- 使用场景：适用于简单的磁盘调度场景，或者系统负载较轻的情况下。

### 最短寻道时间优先
- 概念：优先处理距离当前磁头位置最近的请求。
- 优点：相对减少了平均寻道时间，提高了效率。
- 缺点：容易导致“饥饿”现象，远离当前磁头位置的请求可能长期得不到服务。
- 使用场景：适用于系统负载较轻、请求比较均匀的情况下。

### 扫描算法
- 概念：磁头在磁盘上向一个方向移动，处理途中所有的请求，直到到达某个端点，然后反向移动，重复这一过程。
- 优点：相对于FCFS和SSTF，减少了磁头移动的范围，提高了效率。
- 缺点：端点处的请求可能会等待较长时间。
- 使用场景：适用于请求较多且比较分散的情况下，如传统硬盘的文件系统操作。

### 循环扫描
- 概念：磁头在一个方向上移动处理请求，到达端点后迅速返回起始端，再次向相同方向移动处理请求。
- 优点：平均响应时间更稳定，避免了端点处请求长时间等待的问题。
- 缺点：返回起始端的过程中会有额外的无用移动时间。
- 使用场景：适用于对响应时间一致性要求较高的系统。

### 循环提升扫描
- 概念：类似于C-SCAN，但磁头只移动到最后一个请求的位置，然后直接返回起始端，减少了无用的磁头移动。
- 优点：进一步减少了无用的磁头移动，提高了效率。
- 缺点：实现相对复杂。
- 使用场景：适用于高性能存储系统，如数据库管理系统。

### 常见使用场景

常见使用场景：
- 最短寻道时间优先(`SSTF`)：适用于磁盘请求较少或相对均匀的场景。
- 扫描算法(`SCAN`)：广泛应用于多用户操作系统的文件系统中。
- 循环提升扫描(`C-SCAN`)：适用于需要一致响应时间的高性能存储系统，如大型数据库服务器。

在实际应用中，选择合适的移臂调度算法可以显著提升磁盘的性能和响应速度。`SSTF`、`SCAN`和`C-SCAN`是最常用的算法，它们在不同的使用场景中各有优势。根据系统的具体需求和特点，选择适合的算法可以有效地优化磁盘访问效率。