磁盤管理
磁碟組織與管理
磁碟是現代電腦系統中常用的高速、大容量儲存設備。以下是磁碟組織與管理的關鍵點：
磁碟結構
- 磁碟由多個磁碟片組成，每個磁碟片有多個磁碟面，每個碟面上都有多個磁軌。磁軌進一步劃分為扇區。
- 磁碟空間的位址由三個參數決定：柱面號、磁頭號和磁區號，表示特定的實體位置。
- 計算公式：
- 區塊號 \( b = k + s \times (j + i \times t) \)
- 其中\( k \) 是磁區號，\( s \) 是每個磁軌的磁區數，\( j \) 是磁頭號，\( i \) 是柱面號，\( t \) 是每個柱面的磁軌數。
磁碟空間管理
- 空閒區塊表法：記錄所有空閒區塊的位址。
- 空閒區塊鏈法：使用鍊錶將所有空閒區塊連接。
- 位元示圖法：使用位圖表示磁碟的使用情況，位元值為0表示空閒，並為1表示已佔用。
- 成組連結法：以成組的方式連結空閒區塊，適用於大容量磁碟。
磁碟調度演算法
磁碟調度演算法用於最佳化磁碟存取時間，減少尋道時間。常見的調度演算法有：
先來先服務（FCFS）
- 依照請求到達的順序依序處理，演算法簡單且公平。
- 缺點：尋道時間可能較長，適合請求數目較少的場合。
最短尋道時間優先（SSTF）
- 優先選擇距離目前磁頭最近的請求。
- 優點：減少總尋道時間，提高效率。
- 缺點：可能導致距離遠的請求長時間無法處理，出現「飢餓」現象。
電梯調度演算法（SCAN）
- 類似電梯的運作模式，磁頭在兩個方向來回移動，處理沿途的請求。
- 優點：減少了磁頭來回移動的次數，避免了飢餓現象。
- 變種：
- 單向掃描（LOOK）：只在一個方向上掃描到最後一個請求，返回時不處理請求。
- 雙向掃描（C-SCAN）：在掃描結束時從另一端開始新一輪掃描，避免了某一方向的等待時間過長。
循環掃描（C-LOOK）
- 在單向掃描的基礎上最佳化，只掃描到最遠的請求，然後從起始位置重新開始，減少無效掃描。
虛擬設備的實現思想
虛擬設備技術透過軟體模擬多個實體設備，使共享型設備看起來像多個獨佔設備，以提高設備利用率和系統的平行處理能力。
虛擬設備的實現
- 實作方式：透過裝置管理程式（如裝置驅動程式）對裝置進行抽象，使其在作業系統中表現為獨立的邏輯裝置。
- 應用場景：印表機共用、磁碟分割、虛擬記憶體等。
假脫機技術（SPOOLing）
SPOOLing（Simultaneous Peripheral Operations On-Line，假脫機）系統是透過模擬獨佔型裝置為多個使用者服務的技術，它的核心是利用磁碟作為中介緩衝，解決獨佔型裝置在多使用者環境下的並發使用問題。 SPOOLing系統主要由以下三個部分組成：
預輸入程式（Input Spooler）
- 功能：
- 負責將輸入裝置的資料（如鍵盤、終端機等）從外部裝置讀取並儲存到磁碟的輸入緩衝區。
- 在多用戶系統中，每個用戶的輸入請求透過預先輸入程式重定向到磁碟的輸入區域，避免了直接存取實際輸入裝置的資源競爭問題。
- 工作流程：
- 接收到使用者輸入的資料請求後，預輸入程式將資料寫入磁碟的輸入緩衝區（稱為「井」）。
- 將輸入的資料進行排隊，等待後續的「井管理」程序處理。
井管理程序（Well Management Program）
- 功能：
- 作為SPOOLing系統的核心部分，負責管理儲存在磁碟緩衝區（井）中的資料。
- 處理輸入資料的組織、排序和調度，決定哪些資料應該傳遞給處理程序，以及何時執行。
- 工作流程：
- 根據優先順序或到達順序從井中提取輸入緩衝區的資料。
- 調度和分配資料處理任務，將使用者輸入的資料傳遞給對應的處理程序進行執行。
- 將處理完成的輸出資料交給「緩輸出」程序處理。
緩輸出程式（Output Spooler）
- 功能：
- 負責將處理程序產生的輸出資料暫時儲存在磁碟的輸出緩衝區中，並在裝置空閒時將這些資料傳輸到實際的輸出裝置（如印表機、顯示器等）。
- 緩輸出程序可以有效減少使用者等待時間，提高設備的使用率。
- 工作流程：
- 將使用者處理程序的輸出結果寫入磁碟的輸出緩衝區。
- 根據輸出設備的狀態（如空閒或忙碌）決定何時將資料從緩衝區傳送至實際設備。
- 依序將輸出資料傳送至設備，完成輸出作業。
SPOOLing系統的工作流程
- 預輸入階段：使用者輸入的請求透過「預先輸入」程序儲存到磁碟的輸入緩衝區。
- 井管理階段：系統根據調度策略，從輸入緩衝區中取出請求進行處理，完成後將結果放入輸出緩衝區。
- 緩輸出階段：當輸出裝置空閒時，「緩輸出」程式將緩衝區中的資料依序輸出到實際裝置。
SPOOLing系統的優勢
- 裝置共用：多個使用者可同時使用專屬裝置（如印表機），提高裝置使用率。
- 並行處理：利用磁碟作為中介，能夠並行處理輸入和輸出請求，減少裝置等待時間。
- 減少阻塞：使用者不必等待裝置完成目前任務即可繼續工作，提升系統回應速度。
應用場景
- 列印服務：在印表機共用的環境中，使用者的列印請求先存入磁碟緩衝區，然後由SPOOLing系統統一調度，逐一傳送給印表機輸出。
- 輸入/輸出設備管理：適用於需要緩解輸入/輸出設備與CPU速度不符的場景，提高系統的整體吞吐量。
總結
- 磁碟管理透過結構化的組織和高效的空間管理策略，實現磁碟的高效利用。
- 磁碟調度演算法透過不同的調度策略，減少磁碟的尋道時間，提升系統效能。
- 虛擬設備和SPOOLing技術使獨佔型設備能夠被多個進程並發使用，提高了系統的資源利用率和處理效率。