操作系统学习笔记11 | 生磁盘的使用与管理 - climerecho

这部分是设备驱动的最后一部分——磁盘管理，相较于上一篇的键盘和显示器要更复杂，但大致过程基本相同。磁盘管理共有4层抽象，我们将从此学习、掌握设备驱动的一般研究理念和设计方法。这部分先介绍前2层抽象。

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参考资料：

• 课程：哈工大操作系统（本部分对应 L28）

  因为太多了，所以磁盘管理4层抽象准备分成2~3篇来讲。

• 实验：操作系统原理与实践_Linux - 蓝桥云课 (lanqiao.cn)

• 课本：《操作系统原理、实现与实践》-李治军、刘宏伟

  2022-09-13，上了汇编与接口课，发现我校的外设驱动是在这个课上讲。

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1. 磁盘工作原理

我们先让磁盘使用起来，后面再引入 “管理” 来让磁盘更好的被使用。

生磁盘就是指直接被驱动的磁盘，与之相应的，熟磁盘就是引入了文件系统抽象的磁盘。

1.1 生磁盘驱动原理的主干理解

如下图所示，像上篇笔记所讲的外设一样，磁盘工作依然基于冯·诺依曼架构：

• CPU 通过 PCI 总线 发出 out 指令读写磁盘；
• 磁盘工作完后向 CPU 发出中断请求；
• 后续会将磁盘抽象为文件视图。

1.2 磁盘结构、容量和分类

使用磁盘，当然要先理解磁盘的结构，如下图所示：

• 磁盘是由一个柱子串起很多盘片而组成的立体结构，像一个糖葫芦串；每个盘面都由许多磁道组成，盘片上下两面都是可读写的；

  硬盘又划分为磁头（Heads）、柱面(Cylinder)、扇区(Sector)；

  • 磁盘的访问单位是扇区，即每次读写的最小磁盘单元；

  • 扇区大小是 512 字节；

  • 硬盘容量＝磁头数（同一柱面上的磁片数）×柱面数×扇区数×512 字节

  • 设计磁盘时，扇区大小是访问时间和碎片浪费的折衷考虑

    这个后续会提。

• 学到后面的补充：柱面是什么？

  • 所有盘面中相对位置相同的磁道组成柱面，即同一圈空心圆柱体。
  • 我们后面所说的寻道，与寻找柱面等价。

• 旋转时，利用电流的磁效应，对一些电信号进行磁化，保存在磁盘中，用来存储一些信息；同样的，将磁信号转化为电信号，就可以读出磁盘信息。

  磁盘的物理原理，详见：磁盘原理：从电磁感应说起

现行磁盘可以作如下分类：

• 固态硬盘盘

  • SSD，Solid State Disk 或 Solid State Drive；

  • SSD 不算是磁盘，实际上是一种闪存固态硬盘，其工作原理应当参见 Flash；固态硬盘能够实现随机存储，控制逻辑与机械磁盘完全不一样；

  • 下面讨论的磁盘工作原理也是机械硬盘的。

    参考资料：机械硬盘和ssd固态硬盘的原理对比分析，这篇笔记很详细。

• • 根据磁头是否可以移动
    • 固定头磁盘（每个磁道有一个磁头）
    • 移动头磁盘（每个盘面有一个磁头）
    • 这里我们介绍的是移动头磁盘；
  • 根据盘面是否可更换
    • 固定盘磁盘；
    • 可换盘磁盘；

1.3 磁盘的 I/O 过程

1.3.1 读写磁盘

读取磁盘信息时，比如读取磁盘中的一个字节：

• 首先是将磁头移动到指定的磁道上，此时磁头不通电（磁片一直有磁）；
• 磁道开始旋转，转到目标位置 / 目标扇区时，磁生电，磁信号变为电信号，就通过磁头导回内存缓冲区；
• =👆读，写👇===
• 读入内存后，我们就可以结合前面的内存管理，程序修改其中的值，比如修改此时读入的 1 字节数据；
• 修改后的数据再导回磁盘，仍然是转动，但此时是电生磁，就将电信号/数据写入磁盘。

• 移动磁头到磁道->旋转磁盘到扇区->电磁读写；
• 控制器、寻道、读写、数据传输；

1.3.2 物理过程

注意这里的讲的磁盘工作方式都是 机械磁盘，基本原理就是电磁感应，能用到这一点真的是很厉害的设计。

• 磁头：如下图所示，磁头是一个外面被线圈缠绕着的U型磁芯，可以看出当磁头通电时便会产生磁场，磁场的方向随电流方向的变化而变化。

  

• 磁盘：磁盘的表面涂有一层磁性物质，在未没有外部磁场影响的情况下，磁盘表面的磁性粒子的磁极方向是不会改变的。

  一般从未受到外部干扰的磁性粒子磁极方向是随机的，于是出现互相抵消的情况，这时磁盘的表现出无磁极显现。

• 数据在磁盘上就是一些磁极方向不同的微小局部区域；

• 读取：

  • 不通电的磁头在写入数据的位置上移动，数据在磁盘上就是一些磁极方向不同的微小局部区域；
  • 由于各个域的磁极方向不完全相同，所以磁头在通过这些不同方向的区域时会产生不同方向的感应电流；
  • 这些微弱正负脉冲电流，经过 驱动/控制器 的 去噪、扩大 成为内存中的二进制数据。

• 写入：

  • 写数据时磁头移到到磁盘要写入的位置，输入 电流 / 电信号 产生感应磁场，电生磁；
  • 受磁场的影响，磁头下磁性粒子的磁极方向变为与磁场同向。通过给磁头不同的电流方向，使得磁盘局部产生不同的磁极；而这种局部磁极的特性，就是磁盘存储数据的方式；
  • 产生的磁极在未受到外部磁场干扰下是不会改变的。通过这种方式就将 电信号 / 数据 持久化到磁盘上。

  当然也并不是一个磁极方向代表1另一个代表0

在硬盘读写时，读操作远快于写操作，并且磁盘的 读/写操作 具有完全不同的特性，所以目前的硬盘一般都设计 读和写 两个磁头，但是原理还是上面的原理。

1.3.3 简单总结

由上述相关内容可知，上层只需要向下传递几个参数即可控制整个过程：

1. 第几柱面；

   因为磁盘那么大，不一定只有一个糖葫芦串；

2. 第几磁头；

   决定是第几个盘面 / 糖葫芦串上的第几个糖葫芦；

3. 第几磁道；

   寻道，需要知道是盘面上的哪一个圆环；

4. 第几扇区；

   旋转寻找扇区，需要知道是圆环的哪一个弧形区域；

5. 读出 还是 写入；

   决定执行的操作

6. 读到哪个缓存位置 / 从哪个缓存位置写入；

   可以使用 DMA 总线盗用技术，完成磁盘和内存之间的数据交流。

根据这些参数（柱面号、盘面号、扇区号），磁盘控制器 就可以 自动驱动相关机构 去执行。生磁盘的驱动也不过就是将这些参数写到磁盘控制器上，也就是 OUT 指令。

2. 0层抽象：使用磁盘的直观方法

直观方法就是如上面1.3.3 的总结中所想的思路，拿到这些参数，就可以让磁盘控制器如我们预期的工作。

2.1 读写请求

代码图片在 1.3.3 中，首先是磁盘读写的请求函数 do_hd_request()，将参数传递给磁盘控制器。

void do_hd_request(void)
{
	..... 
	//得到dev,nsect,sec,head,cyl，WIN_WRITE,&write_intr 参数
    // dev 控制器，nsect 读写几个扇区，cyl 柱面，head 磁头，sec 扇区，WIN_WRITE 写，&write_intr 缓存位置
	//传递给磁盘控制器
	if (CURRENT->cmd == WRITE) {
		hd_out(dev,nsect,sec,head,cyl,WIN_WRITE,&write_intr);
		for(i=0 ; i<3000 && !(r=inb_p(HD_STATUS)&DRQ_STAT) ; i++)
			/* nothing */ ;
		if (!r) {
			bad_rw_intr();
			goto repeat;
		}
		port_write(HD_DATA,CURRENT->buffer,256);
	} else if (CURRENT->cmd == READ) {
		hd_out(dev,nsect,sec,head,cyl,WIN_READ,&read_intr);
	} else
		panic("unknown hd-command");
}

2.2 磁盘驱动

接着是 磁盘驱动的核心代码 hd_out()，将上述参数放到端口上，并将相关信息按照要求拼接起来，所以有一些移位，并且得到读写的内存缓冲区：

static void hd_out(unsigned int drive,unsigned int nsect,unsigned int sect,
		unsigned int head,unsigned int cyl,unsigned int cmd,
		void (*intr_addr)(void))
{
	register int port asm("dx");

	if (drive>1 || head>15)
		panic("Trying to write bad sector");
	if (!controller_ready())
		panic("HD controller not ready");
    // 计算缓存地址
	do_hd = intr_addr;
	outb_p(hd_info[drive].ctl,HD_CMD);
	port=HD_DATA; //数据寄存器端口(0x1f0)

	//outb_p 接口就是向外设传送数据的
	//这就是cpu中磁盘驱动的核心代码
	outb_p(hd_info[drive].wpcom>>2,++port);
	outb_p(nsect,++port);
	outb_p(sect,++port);
	outb_p(cyl,++port);
	outb_p(cyl>>8,++port);
	outb_p(0xA0|(drive<<4)|head,++port);
	outb(cmd,++port);
}

2.3 简单总结

这样使用很简单直接，但是需要传递的参数太多了，如果使用这种直接使用的方案，这些参数都是需要上层传递给磁盘控制器的，太麻烦了。如果我们只给出要访问的磁盘位置（一个数 / 也就是磁盘块），由操作系统自动解算柱面、磁头、磁道、扇区、扇区个数，这样就会方便很多。

既然 0 层抽象不便使用，这就引出了第 1 层抽象。

3. 第1层抽象：盘块号读写磁盘

用上文知，第 1 层抽象 将柱面、磁头、扇区包装成一个磁盘块，上层用户只需向下传递磁盘块，磁盘驱动从 磁盘块 / block 解算出 CHS。

这涉及一维地址编址三维空间，下面看看如何编址。

• CHS: cyl 柱面，head 磁头，sec 扇区。
• 注意：CHS可以定位一个柱体里的任意位置，这里就是大学物理、高数提到过的柱面坐标系；
• 这样封装，也是设计模式的 adapter 模式。可以让用户使用磁盘更加简单、高效。

3.1 盘块号编址三维空间

基于一个常见事实，即对于 磁盘块的访问/读写 通常是连续的，我们会希望一个 block块 的相邻盘块可以快速读出。

为了达到这一效果，我们首先需要分析一下0层抽象时的磁盘访问时间，看看哪部分浪费时间最多。如下图中间所示：

• 磁盘访问时间 = 写入控制器时间 + 寻道时间 + 旋转时间 + 传输时间；
• 可见，大多数时间被用来 寻道。也即磁头在半径方向上的移动很慢，而旋转和信号传递的过程更快。

所以，我们连续访问相邻的磁盘块，应当减少相邻的磁盘块访问的寻道时间，即，将相邻磁盘块放在同一磁道上。

• 磁盘块是一个操作系统层次的抽象概念，操作系统与磁盘之间交流的最小单位就是磁盘块，而磁盘上的物理最小单位是扇区。
• 操作系统可以设置磁盘块对应多少个扇区。
• 相邻磁盘块放在同一磁道上不准确，应当是相邻磁盘块应当尽量对应同一磁道上的扇区，如若不然，那也尽量方便访问。

磁盘层面 具体扇区放置方式 如下图的下半部分所示：

• 1号扇区 在 0号扇区 旋转方向的下一扇区；

• 假设一个盘面有 7 个扇区，则 0-6 扇区在第一个盘面，7 号扇区就在 0 号扇区 **竖直方向的下个盘面/第2个盘面 **的对应扇区；

  也即 0号扇区的正下方，这是因为不同盘面的磁头是一同旋转的（同一磁臂），第一个盘面的磁头旋转到6号扇区的末尾时，第二个盘面的磁头也正好到达7号扇区。

按照上面的扇区安排顺序（也就是编址方式），扇区号 LBA 用公式表示为：

• LBA=C×(Heads×Sectors)+H×Sectors+SLBA=C×(Heads×Sectors)+H×Sectors+S

  LBA 是扇区的编号， 按照柱面、磁头和磁道从小到大的顺序对扇区编号。这里理解每个磁道上的扇区数量是一样的（实际上会有所差别）。

• C 是 柱面， H 是盘面，S是扇区；

• 意思就是已经走过了多少柱面个扇区，多少磁面个扇区，以及同一磁面上已经过的多少扇区。

• 可见磁盘寻址是基于扇区的。上式得到的就是从0柱面开始编址的扇区号，也就得到了 LBA。

而反过来由 扇区号LBA 反推 CHS，也很好做：

• S = LBA % Sectors；（取余）
• H = (LBA / Sectors) % Heads；
• C = LBA / Sectors / Heads；

到这里，通过编址建立了从 CHS 扇区地址到扇区号的一个映射，也建立了从 扇区号LBA 到 CHS 的反向计算方法；这就是第1层抽象的核心任务。

而我们反复提到过，扇区号连续的多个扇区就是一个磁盘块。到了这一步，操作系统就能通过用户请求的磁盘块来自动解算访问磁盘对应扇区。

下面分析一下 第1层抽象 对于磁盘访问时间上的节省情况，如上图下半部分所示：

• 磁盘的访问时间 = 写入控制器时间 + 寻道时间 + 旋转时间 + 传输时间；
• 操作系统可以每次读写一个盘块：
  • 每次读写1 K： 碎片0.5K；读写速度100K/秒；
  • 每次读写1 M：碎片0.5M；读写速度约40M/秒

这里的数字意义不大，只是理解：

• 如果盘块/扇区的大小变大，读写速度变大

  因为节省了寻道时间。

• 但是大小变大不是没有上限的，读写的单位空间越大，浪费空间也越大（碎片），空间利用率低；

  因为可能所需要的只有0.5M，但是读取单位是1M，读进来 1M 就会有 0.5M 浪费。

• 这里体现了 空间和时间 的折衷。

但是现代存储技术不断发展，大磁盘已经广泛应用，但是磁盘的寻道、旋转时间方面没有很大的提升。因此浪费的空间可以稍微多一些，以此减少寻道时间 来换取 更快的磁盘读写速度。

3.2 代码实现

简单总结一下上述的第1层抽象：

• 上层用户在程序中请求磁盘块；
• 操作系统根据自身设置（一个磁盘块对应多少扇区），换算为需要读取的连续扇区；根据LBA和CHS的换算，解算出磁盘中扇区地址；
• 操作系统将发送给磁盘控制器，访问/读写 对应扇区；

可见抽象在于，通过操作系统将磁盘扇区地址封装为磁盘块，用户只需要通过请求盘块号 blocknr 即可访问磁盘。这层抽象做到了既简单又高效。

下面就可以通过磁盘号读写磁盘：

static void make_request()
{ 
	struct requset *req;
	req=request+NR_REQUEST;
    //用 盘块号block 计算 扇区号sector
	req->sector=bh->b_blocknr<<1;
    //根据 扇区号sector 计算扇区地址
	add_request(major+blk_dev,req); 
}

void do_hd_request(void)
{ 
	unsigned int block=CURRENT->sector;
    //下面就是除法跟取余，计算 chs
	__asm__(“divl %4”:”=a”(block),”=d”(sec):”0”(block),
	“1”(0),”r”(hd_info[dev].sect));
	__asm__(“divl %4”:”=a”(cyl),”=d”(head):”0”(block),
	“1”(0),”r”(hd_info[dev].head));
    //输出对应位置的扇区，这是第0层抽象的内容
	hd_out(dev,nsect,sec,head,cyl,WIN_WRITE,...);
	... 
}

据上面代码也可以推知：Linux 0.11设置的盘块的大小是1K（左移了一位，代表盘块和扇区换算单位是2），也就是两个扇区。

3.3 参考资料

• 如果不理解磁盘块和扇区，参考资料：

• 如果不了解 编址方式，参考资料：

  • 机械硬盘LBA和CHS，课程没有讲，1层抽象就是 LBA（ LBA就是扇区的编号，物理扇区号）。

    课程中讲解LBA与CHS的解算时（3.1部分），用的直接是block/盘块，我觉得不合适，应当是LBA扇区号，然后扇区号和磁盘块有对应关系。

4. 第2层抽象：多进程通过队列使用磁盘

第 1 层抽象中，我们屏蔽了底层磁盘的参数，上层用户程序只需要发出盘块号给操作系统处理就可以了。

但是实际操作系统中，一般有多个进程，每个进程都会提出磁盘块访问请求，这时需要用队列来管理多进程的磁盘访问请求，这就是操作系统对磁盘管理的第2层抽象。

4.1 第2抽象层描述

第2层抽象的核心是：当多个磁盘访问请求出现在请求队列，需要对磁盘进行适当的调度。

当磁盘中断时，再从请求队列中调度下一个磁盘访问请求。如下图所示。此时仍使用盘块号，还是生磁盘，还没有引入文件的抽象。

在这层抽象中，由于涉及选择、调度的问题，所以又需要相关调度算法的支撑。调度算法目标：平均延迟小。由于调度主要考虑时间，所以寻道时间还是主要优化的方面。

4.2 调度算法1：FCFS

还是从最简单的 算法/想法 开始，First Come First Serve。这也最公平、最直观。

• 如下图例子：磁头的起始位置为 53，而请求队列的磁盘请求起始位置也如下图所示；
• 可以料想磁头长途奔袭，而磁头移动恰恰就是寻道时间，移动的多了时间就变长了。此算法磁头移动了640个磁道。

4.3 调度算法2：SSTF

短寻道优先 Shortest-seek-time First。基于上面的一种强烈感受：再遇到65请求时，直接顺便把67请求也给执行了，这样就不必来回跑了。

可见经过这样的优化，磁头移动236个磁道，较于调度算法1FCFS要好很多。

但是这种算法也有问题：

• 磁盘请求总是不断地到来，由于这种算法的局部性，存在插队可能性；
• 位置偏远的磁盘请求可能早都到达了，但是一直没有响应；
• 这就造成了 饥饿问题。

4.4 调度算法3：SCAN磁盘调度

SCAN磁盘调度 = SSTF+中途不回折，也叫电梯算法。既然SSTF存在局部震荡性，那么约束其先沿一个方向访问完所有的磁盘请求再掉头，就不会漏下一些偏远的磁盘请求。（这也很像一个电梯。）

可见磁头移动 236 次，与 SSTF 齐平；既保证了公平，也保证了效率。

但是还是有一点点问题：由于折返跑的形式，中间的磁盘请求还是比较沾光。所以考虑磁头到头之后直接复位再滑动，见下一种调度算法：

4.5 调度算法4：C-SCAN磁盘调度

这是操作系统中真实使用的算法，也是电梯算法（可戏称为跳楼机）。

其思路就是只单向寻道，到头后直接复位再次沿同方向寻道，这样对于所有磁盘位置的请求都是公平的。

4.6 C-SCAN 代码实现

首先是 make_request 多进程产生磁盘访问请求：

static void make_request(){
    ...
    //根据用户发来的盘块号换算为扇区号
    req->sector = bh -> b_blocknr << 1;
    //将请求放入请求队列
    add_request(major+blk_dev,req);
}

将磁盘访问请求按照电梯算法放入请求队列，使用的是 add_request 函数，由于是多进程都在访问这个请求队列，所以需要加上锁 / 临界区进行保护：

锁和临界区的概念参见：操作系统学习笔记7 | 进程同步与合作 - climerecho - 博客园 (cnblogs.com)

// linux-0.11/kernel/blk_drv/ll_rw_blk.c
static void add_request(struct blk_dev_struct * dev, struct request * req){
	struct request * tmp = dev->current_request;
    //请求队列
	req->next = NULL;
    // 开启临界区保护
	cli();   
	if (req->bh)
		req->bh->b_dirt = 0;
	if (!(tmp = dev->current_request)) {
		dev->current_request = req;
		sti();
		(dev->request_fn)();
		return;
	}
	/*
	当符合以下两种情况时就跳出循环，并将req 插入tmp和next之间
	(1)当tmp的扇区号小于req的扇区号，且req小于next的扇区号
	这种是正常定向扫描
	(2)当tmp的扇区号小于next的扇区号，且req小于next的扇区号
	这种是折回从头处理
	符合上述条件其一，下一步磁盘读写（目前在tmp上）都会进入req这个对象上；
    否则就按照原有的,队列进行磁盘读写，这样就实现了电梯队列
    */
	for ( ; tmp->next ; tmp=tmp->next)
        //这几句是核心代码：磁盘请求按跳楼机算法放入队列
		if ((IN_ORDER(tmp,req) || 
		    !IN_ORDER(tmp,tmp->next)) &&
		    IN_ORDER(req,tmp->next))
			break;
	req->next=tmp->next;
	tmp->next=req;
	sti();
}

接着是按照跳楼机算法 C-SCAN 将磁盘请求放入请求队列，这里需要先比较两个磁盘请求的柱面号大小（换算后）：

/*
核心思想是比较s1与s2中的sector扇区号大小，也就是比较s1与s2中的柱面号的大小
因为柱面的寻找是耗时最长的，所以要保证
寻找柱面也即寻道的时间不能太长，就要在
寻道上面做优化处理
*/
#define IN_ORDER(s1,s2) \
((s1)->cmd<(s2)->cmd || ((s1)->cmd==(s2)->cmd && \
((s1)->dev < (s2)->dev || ((s1)->dev == (s2)->dev && \
(s1)->sector < (s2)->sector))))

5. 生磁盘层次抽象管理的梳理

至此，生磁盘层面的两层抽象就讲完了，连起来就是：

• 多进程“得到盘块号”，计算出扇区号。

  • 至于这里的盘块号怎么得到，就是下面 文件系统的工作！
  • 生磁盘假定盘块号已知 / 由用户给出。

• 得到起始扇区号，访问磁盘产生请求（make_request），将其按照电梯算法放到请求队列中（add_request）；

  注意，此处 make_request 也涉及了内存缓冲区的申请，此处代码使用了很多优化技巧，但此处不细讲这段代码了。

• 放入请求队列后，请求访问磁盘的进程睡眠 / 切到睡眠队列，因为接下来也是外设的工作了。这也是多进程同步合作的一个例子。

• 磁盘中断，处理磁盘请求，调用 do_hd_request；

  具体代码见2.1.

• do_hd_request 将 磁盘请求 / 扇区号 换算为CHS；

• 用 hd_out 将CHS发给相应的磁盘控制器，启用总线进行磁盘读写。

• 完成读写工作后，进行中断处理，结束请求，唤醒相应进程，此时内存中就有该进程需要的数据了，进程继续工作。

  接上后面的文件系统、目录，使用磁盘的完整图像就完成了。