1.磁盘初始化

一个新的磁盘只是一个含有磁性记录材料的空白盘。在磁盘能存储数据之前，它必须分成扇区以便磁盘控制器能进行读和写操作，这个过程称为低级格式化（物理分区）。低级格式化为磁盘的每个扇区采用特别的数据结构。每个扇区的数据结构通常由头、数据区域（通常为512B大小）和尾部组成。头部和尾部包含了一些磁盘控制器所使用的信息。

为了使用磁盘存储文件，操作系统还需要将自己的数据结构记录在磁盘上：

①将磁盘分为由一个或多个柱面组成的分区（即我们熟悉的C盘、D 盘等形式的分区）。

②对物理分区进行逻辑格式化（创建文件系统），操作系统将初始的文件系统数据结构存储到磁盘上，这些数据结构包括空闲和已分配的空间及一个初始为空的目录。

 

2.引导块

计算机启动时需要运行一个初始化程序（自举程序），它初始化CPU、寄存器、设备控制器和内存等，接着启动操作系统。为此，该自举程序应找到磁盘上的操作系统内核，装入内存，并转到起始地址，从而开始操作系统的运行。

自举程序通常保存在ROM中，为了避免改变自举代码而需要改变ROM硬件的问题，因此只在ROM中保留很小的自举装入程序，将完整功能的自举程序保存在磁盘的启动块上，启动块位于磁盘的固定位。拥有启动分区的磁盘称为启动磁盘或系统磁盘。

 

3.坏扇区

由于磁盘有移动部件且容错能力差，因此容易导致一个或多个扇区损坏。部分磁盘甚至从出厂时就有坏扇区。根据所使用的磁盘和控制器，对这些块有多种处理方式。

对于简单磁盘，如电子集成驱动器（IDE） , 坏扇区可手工处理，如 MS-DOS的 Format 命令执行逻辑格式化时便会扫描磁盘以检查坏扇区。坏扇区在FAT表上会标明，因此程序不会使用。

课后习题

 

1. 一个磁盘的转速为7200转/分，每个磁道有160个扇区，每扇区有512B,那么理想情况

下，其数据传输率为（ ）。

A. 7200×l60KB/s           B. 7200KB/s            C. 9600KB/s           D. 19200KB/s

【答案】C

【解析】磁盘的转速为7200转 /分 =120转/秒，转一圈经过160个扇区，每个扇区为512B，所以数据传输率= 120×160×512/1024KB/S = 9600KB/S。

 

2. 【2009统考真题】假设磁头当前位于第105道,正在向磁道序号增加的方向移动。现有一个磁道访问请求序列为35,45,12,68,110, 180, 170,195,采用SCAN调度（电梯调度）算法得到的磁道访问序列是（ ）。

A. 110, 170, 180, 195, 68, 45, 35, 12

B. 110, 68, 45, 35, 12, 170, 180, 195

C. 110, 170, 180, 195, 12, 35, 45, 68

D. 12, 35, 45, 68, 110, 170, 180, 195

【答案】A

【解析】SCAN算法的原理类似于电梯。首先，当磁头从105道向序号增加的方向移动时，便会按照从小到大的顺序服务所有大于105的磁道号(110, 170, 180, 195)；往回移动时又会按照从大到小的顺序进行服务(68,45,35,12)，结果如下图所示。

 

3. 【2015统考真题】某硬盘有200个磁道（最外侧磁道号为0），磁道访问请求序列为130, 42, 180, 15, 199，当前磁头位于第58号磁道并从外侧向内侧移动。按照SCAN调度方法处理完上述请求后，磁头移过的磁道数是（ ）。

A. 208                               B. 287

C. 325                               D. 382

【答案】C

【解析】SCAN算法就是电梯调度算法。顾名思义，若开始时磁头向外移动，就一直要到最外侧，然后返回向内侧移动，就像电梯若往下则一直要下到底层才会再上升一样。当前磁头位于58号并从外侧向内侧移动，先依次访问130和199，然后返回向外侧移动，依次访问42和15，因此磁头移过的磁道数是(199 -58) + (199 - 15) = 325。

 

4. 【2017统考真题】下列选项中，磁盘逻辑格式化程序所做的工作是（ ）。

Ⅰ.对磁盘进行分区

Ⅱ.建立文件系统的根目录

Ⅲ.确定磁盘扇区校验码所占位数

Ⅳ.对保存空闲磁盘块信息的数据结构进行初始化

A . 仅Ⅱ            B . 仅Ⅱ、Ⅳ            C . 仅Ⅲ、Ⅳ          D . 仅Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ

【答案】B

【解析】新磁盘是空白的，必须分成各个扇区以便磁盘控制器能读和写，这个过程称为低级格式化(或物理格式化)。低级格式化为磁盘的每个扇区采用特别的数据结构，包括校验码，Ⅲ错误。为了使用磁盘存储文件，操作系统还需要将自己的数据结构记录在磁盘上。这分为两步。第一步是将磁盘分为由一个或多个柱面组成的分区，每个分区可以作为一个独立的磁盘，I 错误。在分区之后，第二步是逻辑格式化(创建文件系统)。在这一步，操作系统将初始的文件系统数据结构存储到磁盘上。这些数据结构包括空闲和已分配的空间及一个初始为空的目录，Ⅱ、Ⅳ正确。所以选B。

 

5. 【2018统考真题】系统总是访问磁盘的某个磁道而不响应对其他磁道的访问请求，这种现象称为磁臂黏着。下列磁盘调度算法中，不会导致磁臂黏着的是（ ）。

A .先来先服务（FCFS）                               B .最短寻道时间优先（SSTF ）

C .扫描算法（SCAN）                                 D .循环扫描算法（CSCAN）

【答案】A

【解析】当系统总是持续出现某个磁道的访问请求时，均持续满足最短寻道时间优先、扫描算法和循环扫描算法的访问条件，会一直服务该访问请求。而先来先服务按照请求次序进行调度，比较公平，因此选A。

 

6. 【2017统考真题】某文件系统的簇和磁盘扇区大小分别为1KB和 512B。若一个文件的大小为1026B，则系统分配给该文件的磁盘空间大小是（ ）。

A. 1026B             B. 1536B              C. 1538B            D. 2048B

【答案】D

【解析】绝大多数操作系统为改善磁盘访问时间，以簇为单位进行空间分配，因此答案选D。

 

7. 【2010统考真题】如下图所示，假设计算机系统采用C-SCAN （循环扫描）磁盘调度策略，使用2KB的内存空间记录16384个磁盘块的空闲状态。

1） 请说明在上述条件下如何进行磁盘块空闲状态的管理。

2） 设某单面磁盘旋转速度为6000转/分，每个磁道有100个扇区，相邻磁道间的平均移动时间为1ms。若在某时刻，磁头位于100号磁道处，并沿着磁道号增大的方向移动 （见上图），磁道号请求队列为50, 90, 30,120,对请求队列中的每个磁道需读取1个随机分布的扇区'则读完这4个扇区点共需要多少时间？要求给出计算过程。

3） 若将磁盘替换为随机访问的Flash半导体存储器（如 U盘、固态硬盘等），是否有比 GSCAN更高效的磁盘调度策略？若有，给出磁盘调度策略的名称并说明理由；若无，说明理由。

【解析】

1) 用位图表示磁盘的空闲状态。每位表示一个磁盘块的空闲状态，共需16384/32 = 512个字 =512×4B = 2K B ,正好可放在系统提供的内存中。

2) 采用C-SCAN调度算法，访问磁道的顺序和移动的磁道数如下表所示：

移动的磁道数为20 + 90 + 20 + 40= 170，因此总的移动磁道时间为170ms。

由于转速为6000转/分，因此平均旋转延迟为5ms，总的旋转延迟时间=20ms。

由于转速为6000转/分，因此读取一个磁道上的一个扇区的平均读取时间为0.1ms,扇区的平均读取时间为0.1ms,总的读取扇区的时间为04ms。

综上，读取上述磁道上所有扇区所花的总时间为190.4ms。

3 ) 采用先来先服务(FCFS)调度策略更高效。因为Flash半导体存储器的物理结构不需要考虑寻道时间和旋转延迟，可直接按I/O请求的先后顺序服务。

 

8. 【2019统考真题】某计算机系统中的磁盘有300个柱面，每个柱面有10个磁道，每个磁道有200个扇区，扇区大小为512B。文件系统的每个簇包含2个扇区。请回答下列问题：

1） 磁盘的容量是多少？

2） 假设磁头在85号柱面上，此时有4 个磁盘访问请求，簇号分别为100260, 60005,101660和 110560。采用最短寻道时间优先（SSTF） 调度算法，系统访问簇的先后次序是什么？

3） 第 100530簇在磁盘上的物理地址是什么？将簇号转换成磁盘物理地址的过程是由I/O系统的什么程序完成的？

【解析】

1) 磁盘容量= 磁盘的柱面数×每个柱面的磁道数×每个磁道的扇区数×每个扇区的大小=(300×10×200×512/1024) KB = 3×KB。

2) 磁头在85号柱面上，对 SSTF算法而言，总是访问当前柱面距离最近的地址。注意每个簇包含2个扇区，通过计算得到，85号柱面对应的簇号为85000〜 85999。通过比较得出，系统最先访问离85000〜 85999最近的100260，随后访问离100260最近的101660，然后访问 110560，最后访问 60005。顺序为 100260, 101660, 110560, 60005。

3) 第100530簇在磁盘上的物理地址由其所在的柱面号、磁头号、扇区号构成。

柱面号 = ⌊簇号/每个柱面的簇数⌋= ⌊100530/(10×200/2)⌋ = 100。

磁头号 =  ⌊(簇号％每个柱面的簇数)/每个磁道的簇数⌋= ⌊530/(200/2)⌋ = 5。

扇区号 = 扇区地址％每个磁道的扇区数= (530×2)%200 = 60。将簇号转换成磁盘物理地址的过程由磁盘驱动程序完成。