操作系统原理第11章 I-O设备管理

11.1.1 磁 盘
• 现代磁盘被划分成环带，外层的环带比内层的环带拥有更 多的扇区。如图11-2 a）所示，一个微小的磁盘具有两个 环带，外层的环带每磁道有32个扇区，内层的环带每磁道 有16个扇区。
31 0
15 0
24 0
a）具有两个环带的磁盘物理几何规格
b）该磁盘的一种可能的虚拟几何规格
图11-2 磁盘的几何规格
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• 对于PC机而言，上述三个参数的最大值常常是（65 535, 16, 63），这是因为需要与最初IBM PC的限制向后兼容。 在IBM PC机器上使用16位、4位和6位的字段来设定这些 参数，其中柱面和扇区从1开始编号，磁头从0开始编号。 根据这些参数以及每个扇区512字节可知，磁盘最大可能 的容量是31.5GB。为突破这一限制，所有现代磁盘现在 都支持一种称为逻辑块寻址的系统，磁盘扇区从0开始连 续编号，而不管磁盘的几何规格如何。
• 磁盘被组织成柱面，每一个柱面包含若干磁道，磁道数与 垂直堆叠的磁头个数相同。磁道又被分成若干扇区，软盘 上大约每条磁道有8~32个扇区，硬盘上每条磁道上扇区的 数目可以多达几百个。磁头数大约是1~16个。
图11-1 硬盘的物理结构
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• 在现在的IDE（Integrated Drive Electronics，集成驱动电 子设备）和SATA（Serial ATA，串行ATA）磁盘上，磁 盘驱动器本身包含一个微控制器，由微控制器承担了大量 的工作和发出一组高级命令。控制器经常做磁道高速缓存 、坏块重映射以及更多的工作。
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• 低级格式化完成后要对磁盘进行分区。在逻辑上，每个分 区就像是一个独立的磁盘。在Pentiun和大多数其他计算 机上，0扇区包含主引导记录，它包含某些引导代码和末 尾的分区表。分区表给出了每个分区的起始扇区和大小。 在Pentium上，分区表具有四个分区的空间。如果这四个 分区都用于Windows，那么它们将被称为C:、D:、E:和F: ，并且作为单独的驱动器对待。如果它们中有三个用于 Windows，一个用于UNIX，那么Windows会将它的分区 称为C:、D:和E:，然后第一个CD-ROM是F:。为了能够 从硬盘引导，在分区表中必须有一个分区被标记为活动的 。
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• 最后一步是对每一个分区分别执行一次高级格式化。这一 操作要设置一个引导块、空闲存储管理（空闲列表或位图 ）、根目录和一个空文件系统。这一操作还要将一个代码 设置在分区表项中，以表明在分区中使用的是哪个文件系 统，因为许多操作系统支持多个兼容的文件系统（由于历 史原因）。这时，系统就可以引导了。
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• 为了隐藏每个磁道有多少扇区的细节，大多数现代磁盘都 有一个虚拟几何规格呈现给操作系统。软件在工作时仿佛 存在着x个柱面、y个磁头、每磁道z个扇区，而控制器将 对 (x, y, z) 的请求重映射到实际的柱面、磁头和扇区上。 对于11-2 a）中的物理磁盘，一种可能的虚拟几何规格如 图11-2 b）所示。在两种情形中磁盘拥有的扇区数都是192 ，只不过公布的排列与实际的排列是不同的。
11.1 盘
• 盘有很多类型。最常用的是磁盘（硬盘和软盘），它们具 有读和写的速度快的特点，是理想的辅助存储器（用于分 页、文件系统等）。这些盘的阵列有时用来提供高可靠性 的存储器。对于程序、数据和电影的发行而言，各种光盘 （CD-ROM、可刻录CD以及DVD）也非常重要。
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• 硬盘由一叠铝的、合金的或玻璃的盘片组成（见图11-1） ，直径为5.25英寸或3.5英寸（在笔记本电脑上甚至更小） 。在每个盘片上镀着一层薄薄的可磁化的金属氧化物，制 造出来的磁盘上不存在任何信息。
内容（篇）
1
背景知识
2
进程与线程
3
存储管理与调度
4
输入/输出与文件管理
5
操作系统进阶
来自百度文库
第4篇 输入/输出与文件管理
4
第11章 I/O设备管理
11
第11章 I/O设备管理
• 除了提供像进程（和线程）、地址空间和文件这样的抽象 之外，操作系统还要控制计算机的所有I/O（输入/输出） 设备。操作系统向设备发送命令、捕捉中断，并处理设备 的各种错误，它还应该在设备和系统的其他部分之间提供 简单且易于使用的接口。如果可能，这个接口对于所有设 备都应该是相同的，这就是所谓的设备无关性。I/O部分 的代码是整个操作系统的重要组成部分。
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• 磁盘在使用之前必须由软件完成低级格式化。该格式包含 一系列同心的磁道，每个磁道包含若干数目的扇区，扇区 间存在短的间隙。一个扇区的格式中包括前导码、数据位 和ECC域。
• 前导码以一定的位模式引导，使硬件可以识别扇区的开始 。前导码还包含柱面与扇区号以及某些其他信息。数据部 分的大小是由低级格式化程序决定的，大多数磁盘使用 512字节的扇区。ECC域包含冗余信息，可以用来恢复读 错误。该域的大小和内容随生产商的不同而不同。此外， 所有硬盘都分配有一定数目的备用扇区，用来取代具有制 造瑕疵的扇区。
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• 对磁盘驱动程序有重要意义的一个设备特性是控制器是否 可以同时控制两个或多个驱动器进行寻道，即重叠寻道。 当等待一个驱动器完成寻道时，控制器可以同时启动另一 个驱动器进行寻道。许多控制器也可以在一个驱动器上进 行读写操作，与此同时再对另一个或多个其他驱动器进行 寻道。在具有一个以上这种硬盘驱动器的系统上，它们能 够同时操作，至少在磁盘与控制器的缓冲存储器之间进行 数据传输的限度之内是这样。同时执行两个或多个操作的 能力极大地降低了平均存取时间。
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• 磁盘制造商通过不断加大线性位密度而持续地推进技术的 发展，但是，记录密度的极其精细使得制造过程难免没有 瑕疵，而制造时的瑕疵就会引入坏的扇区。对于坏块，一 般的处理方法有两种：在控制器中或者在操作系统中对它 们进行处理。在前一种方法中，磁盘在出厂之前要进行测 试，并且将一个坏扇区列表写在磁盘上。对于每一个坏扇 区，用一个备用扇区替换它。