作業系統學習筆記11 | 生磁碟的使用與管理

這部分是裝置驅動的最後一部分——磁碟管理，相較於上一篇的鍵盤和顯示器要更復雜，但大致過程基本相同。磁碟管理共有4層抽象，我們將從此學習、掌握裝置驅動的一般研究理念和設計方法。這部分先介紹前2層抽象。

參考資料：

• 課程：哈工大作業系統（本部分對應 L28）

  因為太多了，所以磁碟管理4層抽象準備分成2~3篇來講。

• 實驗：作業系統原理與實踐_Linux - 藍橋雲課 (lanqiao.cn)

• 課本：《作業系統原理、實現與實踐》-李治軍、劉宏偉

  2022-09-13，上了組合與介面課，發現我校的外設驅動是在這個課上講。

1. 磁碟工作原理

我們先讓磁碟使用起來，後面再引入 「管理」 來讓磁碟更好的被使用。

生磁碟就是指直接被驅動的磁碟，與之相應的，熟磁碟就是引入了檔案系統抽象的磁碟。

1.1 生磁碟驅動原理的主幹理解

如下圖所示，像上篇筆記所講的外設一樣，磁碟工作依然基於馮·諾依曼架構：

• CPU 通過 PCI 匯流排 發出 out 指令讀寫磁碟；
• 磁碟工作完後向 CPU 發出中斷請求；
• 後續會將磁碟抽象為檔案檢視。

1.2 磁碟結構、容量和分類

使用磁碟，當然要先理解磁碟的結構，如下圖所示：

• 磁碟是由一個柱子串起很多碟片而組成的立體結構，像一個糖葫蘆串；每個盤面都由許多磁軌組成，碟片上下兩面都是可讀寫的；

  硬碟又劃分為磁頭（Heads）、柱面(Cylinder)、磁區(Sector)；

  • 磁碟的存取單位是磁區，即每次讀寫的最小磁碟單元；

  • 磁區大小是 512 位元組；

  • 硬碟容量＝磁頭數（同一柱面上的磁片數）×柱面數×磁區數×512 位元組

  • 設計磁碟時，磁區大小是存取時間和碎片浪費的折衷考慮

    這個後續會提。

• 學到後面的補充：柱面是什麼？

  • 所有盤面中相對位置相同的磁軌組成柱面，即同一圈空心圓柱體。
  • 我們後面所說的尋道，與尋找柱面等價。

• 旋轉時，利用電流的磁效應，對一些電訊號進行磁化，儲存在磁碟中，用來儲存一些資訊；同樣的，將磁訊號轉化為電訊號，就可以讀出磁碟資訊。

  磁碟的物理原理，詳見：磁碟原理：從電磁感應說起

現行磁碟可以作如下分類：

• 固態硬碟盤

  • SSD，Solid State Disk 或 Solid State Drive；

  • SSD 不算是磁碟，實際上是一種快閃記憶體固態硬碟，其工作原理應當參見 Flash；固態硬碟能夠實現隨機儲存，控制邏輯與機械磁碟完全不一樣；

  • 下面討論的磁碟工作原理也是機械硬碟的。

    參考資料：機械硬碟和ssd固態硬碟的原理對比分析，這篇筆記很詳細。

• 機械磁碟

  • 根據磁頭是否可以移動
    • 固定頭磁碟（每個磁軌有一個磁頭）
    • 移動頭磁碟（每個盤面有一個磁頭）
    • 這裡我們介紹的是移動頭磁碟；
  • 根據盤面是否可更換
    • 固定盤磁碟；
    • 可換盤磁碟；

1.3 磁碟的 I/O 過程

1.3.1 讀寫磁碟

讀取磁碟資訊時，比如讀取磁碟中的一個位元組：

• 首先是將磁頭移動到指定的磁軌上，此時磁頭不通電（磁片一直有磁）；
• 磁軌開始旋轉，轉到目標位置 / 目標磁區時，磁生電，磁訊號變為電訊號，就通過磁頭導回記憶體緩衝區；
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