01.设备管理

0、概述

• 设备管理是操作系统中管理外部设备（如磁盘、显示器、打印机等）的一部分
• 其目的是有效地调度和控制这些设备的操作
• 设备管理主要包括磁盘管理、输入/输出设备管理等
• 设备管理的核心目标是优化设备的使用效率，保证设备请求的公平性，提升系统性能

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1、磁盘结构

• 磁盘是最常见的存储设备之一，它由多个盘面、磁道、扇区和磁头等部件构成

• 磁盘的物理结构复杂，因此读写操作涉及多个步骤

• ① 盘面 (Platter)：每个磁盘包含多个盘面，盘面是数据存储的物理区域。

• ② 磁道 (Track)：每个盘面被分成多个同心圆形的磁道，磁道是盘面上存储数据的轨道。

• ③ 扇区 (Sector)：

  • 磁道被进一步划分为多个扇区，扇区是磁盘存储的最小单位
  • 目前常见的扇区大小为512 bytes和4 KB

• ④ 磁头 (Head)

  • 磁头位于盘面上方，用于读写数据
  • 它通过磁感应读取盘面的数据或写入新数据

• ⑤ 制动手臂 (Actuator Arm)

  • 制动手臂控制磁头在磁道之间的移动，是影响寻道时间的主要组件

• ⑥ 主轴 (Spindle)

  • 主轴驱动盘面的旋转，从而将不同扇区移动到磁头下进行读写操作

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2、磁盘读写操作的影响因素

• 在磁盘读写操作中，影响效率的三个关键因素是

• 由于寻道时间占据了读写操作的大部分时间，因此磁盘调度算法的设计主要集中于如何优化寻道时间

• ① 旋转延迟：主轴旋转盘面，使磁头移动到合适的扇区位置的时间。

• ② 寻道时间：制动手臂移动磁头到正确磁道的时间，这通常是时间开销最大的部分。

• ③ 数据传输时间：磁头读取或写入数据的时间。

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3、磁盘调度算法

• 磁盘调度算法用于决定磁头服务各个磁盘请求的顺序，目标是减少寻道时间，提升系统效率

1）先来先服务

• FCFS 是最简单的磁盘调度算法，按照请求到达的顺序进行处理。

• 优点：简单和公平：所有请求按顺序处理。

• 缺点：

  • 寻道时间不优化，可能导致磁头在盘面上大幅移动，造成较长的寻道时间

2）最短寻道时间优先

• SSTF 优先处理与当前磁头所在位置距离最近的磁道请求，从而最小化寻道时间。

• 优点：相比 FCFS，平均寻道时间更短，磁头移动更高效。

• 缺点：可能导致饥饿现象

  • 如果新的请求总是比等待中的请求更接近磁头位置
  • 等待较远的请求可能长时间得不到服务，特别是磁道两端的请求

3）电梯算法 (SCAN)

• 电梯算法的工作方式类似于电梯的运行
• 磁头会沿一个方向移动，直到该方向上没有新的请求，再反向移动

• 优点：

  • 避免了 SSTF 的饥饿问题，确保所有请求都会被处理。

  • 在大多数情况下，平均寻道时间较短且移动方向更加连贯。

• 变种算法：C-SCAN（循环扫描）：

  • 与 SCAN 类似，但在一个方向上处理完所有请求后，磁头会立即回到起点位置再处理反方向的请求
  • 这种算法进一步平衡了不同位置请求的等待时间