磁盘结构与调度：从温彻斯特到电梯算法

"这篇讲义主要探讨了1981年至2000年间硬磁盘的价格变化，并深入讲解了操作系统中的大容量存储器结构，包括磁盘结构、磁盘调度算法等内容。" 在计算机科学领域，特别是操作系统设计中，大容量存储器如硬盘的管理和调度是至关重要的。1981年到2000年间，硬磁盘的价格呈现了显著的下降趋势，这反映了技术进步带来的成本降低和存储容量的大幅提升。 磁盘结构方面，现代磁盘被视作一维逻辑块的数组，其中逻辑块是数据传输的最小单位。这些逻辑块按照特定顺序映射到磁盘的物理扇区，起始于最外层柱面的第一个磁道的第一个扇区。由于磁盘可能存在缺陷扇区，实际的映射过程中会使用空闲扇区进行替换。此外，不同磁盘的磁道扇区数量可能不一致，导致地址转换的复杂性。磁盘类型如温彻斯特盘采用了常量线性速度和恒定圆角速度的设计，以保证数据读写的效率和质量。 磁盘调度是操作系统优化磁盘性能的关键手段。其目标是提高磁盘带宽，即单位时间内传输的数据量，以及减少访问时间，包括寻道时间和旋转延迟。寻道时间是指磁臂移动到目标柱面所需的时间，旋转延迟则是等待目标扇区转到磁头下方的时间。为了优化这些指标，操作系统采用不同的调度策略。 FCFS（先来先服务）是最简单的调度算法，但可能导致等待时间较长。SSTF（最短寻道时间优先）算法则考虑当前磁头位置，选择寻道距离最短的请求，然而这种策略可能会造成某些请求被长时间忽视，即“饥饿”现象。SCAN算法，又称为“电梯”算法，通过磁头沿磁盘单向移动处理所有请求，然后反向移动，确保所有请求得到服务。C-SCAN是SCAN的改进版，旨在提供更均衡的等待时间，磁头移动时不处理已完成的服务请求，从而避免了磁头反复穿越已服务区域。 这些调度算法的选择直接影响到系统的响应时间和总体性能。随着技术的发展，更高级的调度策略和RAID（冗余磁盘阵列）结构的出现，进一步提高了存储性能和数据安全性。同时，第三级存储结构，如缓存和虚拟内存，也在提升系统整体效率方面发挥了重要作用。理解这些概念和技术对于操作系统设计者和系统管理员来说至关重要，因为他们需要根据具体应用场景来优化存储资源的使用。