操作系统生磁盘的使用---18

大忽悠爱学习

发布于 2022-08-23 10:50:29

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发布于 2022-08-23 10:50:29

文章被收录于专栏：c++与qt学习

操作系统生磁盘的使用---18

仍然从硬件开始…

仍然从硬件开始…

使用磁盘从认识磁盘开始

画一个示意图:

看看俯视图:

磁盘的访问单位是扇区
扇区大小：512字节
扇区的大小是传输时间和碎片浪费的折衷

磁盘的I/O过程

如果要读磁盘，那么基本步骤如下:

首先将磁头移动到指定磁道处
旋转磁道到指定扇区处，通过磁生电，读取一个字节的输出到内存缓冲区中

如果要写磁盘，步骤和上面类似:

首先将磁头移动到指定磁道处
旋转磁道到指定扇区处,通过电生磁，向扇区中某处位置写入一个字节数据

最直接的使用磁盘

看了上面的基本过程后，相信大家可以理解了，如果我们要操作磁盘读写的话，就是告诉磁盘控制器关于柱面、磁头、扇区、缓存位置，然后是读还是写，剩下的由磁盘控制器完成。

磁臂移动到对应的柱面位置
通过磁头，决定到底读取的是哪一个盘面上的磁道，这样磁盘控制器就可以给对应的磁头上电，就可以利用对应的磁头去读取对应盘面磁道上的数据了
读取当前磁道上的扇区，还需要知道需要连续读取几个扇区
通过告诉磁盘控制器内存缓存的位置，下面就可以利用总线调用技术DMA，将扇区上的数据读取到内存缓冲区上，或者将内存缓存中的数据写入到磁盘中

void do_hd_request(void){ 
...hd_out(dev,nsect,sec,head,cyl,WIN_WRITE,...);
port_write(HD_DATA,CURRENT->buffer,256);}

void hd_out(drive, nsect, sec, head, cyl, cmd...){
port = HD_DATA; //数据寄存器端口(0x1f0)
//需要连续读取几个扇区
outb_p(nsect,++port);
//哪个扇区
outb_p(sect,++port);
//哪个柱面
outb_p(cyl,++port); 
outb_port(cyl>>8,++port);
//哪个磁头
outb_p(0xA0|(drive<<4)|head, ++port);
outb_p(cmd, ++port); }

实际代码书写就是找到磁盘控制器对应的端口位置，然后将要操作的柱面，磁头，扇区位置，通过out指令发送到磁盘控制器的端口中，还有缓存的位置,剩下的事情就由磁盘控制器完成。

通过盘块号读写磁盘(一层抽象)

上面直接通过磁盘具体参数来操作磁盘过于繁琐，面向用户使用显然不合适，因此需要再来一层抽象。

为了简化操作，操作系统引入了block盘块号，磁盘驱动负责从block计算出cyl，head，sec(CHS)。

block盘块号的引入，相当于增加了一层一维编址到三维编址的转换过程。

问题：如何编址?为什么这样编址?

磁臂的移动速度，即寻道耗费的时间相对较长，因此要提高磁盘访问时间，就需要尽可能提高寻道时间，或者减少寻道次数，尽量让一次数据的读写，都在一个磁道上完成。

因此相邻的盘块号应该尽量处在一个磁道上，即block相邻的盘块可以快速读出。

当然，盘块号block最近要映射到扇区上去，因此这要求扇区尽量是在同一个扇区上连续排列的。

从CHS到扇区号，从扇区到盘块

可以看到下图，第一个柱面的某个磁道上，分步了0~6号扇区，当需要放置第7个扇区的时候，为了避免磁臂的移动，需要将第7个扇区放在同一个磁道，但是不同柱面上。

每次磁盘访问的主要时间都花费在了磁臂寻道和磁头旋转上，而数据传输的耗时，确可以忽略不计。

因此，我们是否可以在一次磁盘读取过程中，连续读取多个扇区的数据，而不是每次都只是一个扇区，这样就提供磁盘的读写速度，并且由于文件通常会采用连续存放，因此，对于大文件来说，这样做可以更加明显感觉到读写速度的提升。

因此，操作会将连续的几个扇区看做是一个盘块，上层应用发出一个盘块号后，操作系统经过计算就能知道需要连续读取多少个扇区了。

相当于操作系统读取磁盘的最小单位为一个盘块，而一个盘块可能由多个扇区组成，类比内存的分页机制，就可以知道，这样做会造成磁盘空间的浪费，

例如下面的test.c文件，分配存储到盘块1中，而一个盘块对应三个连续的扇区，但是test.c文件的大小只占据两个扇区，因此扇区三的空间实际是被浪费掉的。

因此，将一次性从磁盘读取的数据量需要卡在一个均衡值，利用磁盘空间的浪费来换取磁盘读取速度的提升。

再接着使用磁盘：程序输出block

上层应用发出读磁盘请求

static void make_request(){ 
struct requset *req;
req=request+NR_REQUEST;
//根据盘块号计算出扇区号---从b_blocknr<<1可以知道Linux 0.11中盘块号和扇区的映射关系
//0---->0
//1----->2
//2----->4
//可以看到在linux 0.11中一个盘块对应两个连续的扇区
req->sector=bh->b_blocknr<<1; 
//加入请求队列
add_request(major+blk_dev,req); }

void do_hd_request(void){ 
//拿到盘块号
unsigned int block=CURRENT->sector; 
//经过一系列除法和取余数计算，得到对应的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));
//通过out指令发送到磁盘对应的端口
hd_out(dev,nsect,sec,head,cyl,WIN_WRITE,...);
... }