1. 磁盘初始化#

一个新的磁盘只是一个涂有磁性材料的空白盘。在磁盘能够存储数据之前，必须将其划分为扇区，以便磁盘控制器进行读/写操作，这一过程称为低级格式化(也称物理格式化)。每个扇区通常由头部、数据区域和尾部组成。头部和尾部包含了一些磁盘控制器的使用信息，其中利用磁道号、磁头号和扇区号来标志一个扇区，利用CRC字段对扇区进行校验。

大多数磁盘在出厂时作为制造过程的一部分已完成低级格式化，这使制造商能够测试磁盘，并建立逻辑块地址到物理扇区的初始映射。对于许多磁盘，控制器在低级格式化时还可指定扇区中数据区域的大小，通常为256字节、512字节或4KB等。

2. 分区#

在使用磁盘存储文件之前，还需完成两个步骤。第一步是分区，将磁盘划分为若干逻辑区域(如常见的C盘、D盘)，每个分区的起始位置和大小记录在主引导记录(MBR)的分区表中。第二步是对分区进行逻辑格式化(也称高级格式化)，即在分区上建立文件系统，包括初始化根目录、创建用于管理空闲与已分配空间的数据结构，并将初始目录置为空。

由于扇区单位过小，为提高I/O效率，操作系统将多个连续扇区组合成一簇(在文件系统中也称块)。为简化管理，通常将一簇分配给单个文件，因此文件占用空间为簇的整数倍；即使文件大小小于一簇(甚至为0字节)，仍需占用一整簇空间。

3. 引导块#

计算机启动时需要运行一个初始化程序(称为自举程序)，用于初始化CPU、寄存器、设备控制器和内存等，随后加载并启动操作系统。为此，自举程序需定位磁盘上的操作系统内核，将其载入内存，并跳转至其入口地址，从而开始操作系统的执行。

自举程序通常存放于ROM中。为避免因修改自举代码而需更换ROM硬件的问题，一般仅在ROM中保留一个小型自举装入程序，而将功能完整的引导程序存放在磁盘的引导块中。该引导块位于磁盘的固定位置。含有引导块的磁盘称为启动磁盘或系统磁盘。

ROM中的代码指示磁盘控制器将引导块读入内存并执行，后者可从指定位置加载操作系统内核并启动之。下面以 Windows 为例说明引导过程：Windows允许将磁盘划分为多个分区，其中活动分区(引导分区)包含操作系统核心文件。系统将初始引导代码存储在磁盘第0号扇区，称为主引导记录(MBR)。启动时，ROM中的代码首先读取MBR；除引导代码外，MBR还包含分区表和一个标志位，用于指明应从哪个分区引导。随后，系统读取该分区的首扇区(称为引导扇区)，继续完成后续引导步骤，包括加载系统服务与驱动程序。

4. 坏块#

磁盘因含有机械部件且容错能力较弱，容易出现一个或多个扇区损坏，部分坏块甚至在出厂时就已存在。根据磁盘类型和控制器能力，坏块的处理方式有所不同。

对于简单磁盘，如采用IDE控制器的磁盘，坏块通常由操作系统在逻辑格式化时检测。例如MS-DOS的 Format命令会识别坏扇区，并在 FAT表中标记为不可用，从而避免程序使用。

对于现代的复杂磁盘，控制器内部维护一份坏块列表。该列表在出厂低级格式化时初始化，并在使用过程中动态更新。低级格式化会预留部分备用扇区，这些扇区对操作系统透明。当发现坏块时，控制器自动将其映射到备用扇区，实现逻辑替换，此机制称为扇区备用。

坏块处理的核心思想是：通过软件标记或硬件重映射，确保系统不会使用坏块。

1. 磁盘的存取时间#

一次磁盘读/写操作的时间由寻道时间、旋转延迟时间和数据传输时间三部分组成。

1. 寻道时间 $T_s$。活动头磁盘在读/写数据前，磁头移动到目标磁道所需的时间。该时间包括磁头臂的启动时间 $s$ 和跨越 $n$ 条磁道的移动时间，即

式中，$m$ 为跨越每条磁道所需的时间，约为0.2ms；磁头臂的启动时间约为2ms。

2. 旋转延迟时间 $T_r$。目标扇区旋转至磁头下方所需的平均等待时间(因位置随机，平均为半圈旋转时间)。设磁盘转速为 $r$，则

典型的磁盘转速为5400转/分，相当于旋转一圈需11.1ms，对应 $T_r \approx 5.56\text{ms}$。

3. 数据传输时间 $T_t$。读取或写入 $b$ 字节数据所需的时间。若每条磁道存储 $N$ 字节，则

式中，$r$ 为磁盘每秒转数。总平均存取时间 $T_a$ 可表示为

在磁盘存取时间中，寻道时间占主导地位，且直接受磁盘调度算法影响；而旋转延迟时间和数据传输时间均与磁盘转速成反比，因此转速是磁盘性能的一个非常重要的硬件参数，难以从操作系统层面进行优化。因此，磁盘调度的主要目标是减少磁盘的平均寻道时间。

2. 磁盘调度算法#

目前常用的磁盘调度算法有以下几种。

3. 减少延迟时间的方法#

除减少寻道时间外，减少旋转延迟时间也是提高磁盘I/O效率的重要途径。

磁盘是连续旋转设备。当磁头读取一个扇区后，系统需要一定时间处理数据，才能开始读取下一个扇区。若逻辑上相邻的块在物理上也相邻，则在处理当前扇区的过程中，下一个目标扇区可能已随盘面旋转而掠过磁头；待处理完成时，该扇区已不可访问，只能等待近一整圈才能再次到达，从而造成显著延迟。为此，可对单个盘面的扇区采用交替编号[假设盘面有8个扇区]，使逻辑相邻的块在物理布局上保持适当间隔，确保在处理完一个扇区后，下一个目标扇区能及时旋转至磁头下方，从而有效减少因错过扇区而导致的长延迟。

此外，由于磁盘的所有盘面同步旋转，同一柱面内的块通常按盘面顺序连续存放，即依次为：盘面0扇区0、盘面0扇区1……盘面0扇区7、盘面1扇区0……盘面1扇区7、盘面2扇区0……。若要读取不同盘面上的连续块，例如在读完盘面0扇区7后，系统仍需一段处理时间；而在此期间，盘面持续旋转，导致下一个目标块(如盘面1扇区0)可能已在磁头经过时被错过，无法立即读取，只能等待其下一次旋转至磁头下方。为此，可对不同盘面实施错位命名[假设有2个盘面，且已采用交替编号]，使得在处理完盘面0扇区7后，盘面1扇区0恰好或即将到达磁头位置，从而在首次经过时即可读取，显著减少旋转延迟。

在磁盘的存取时间中，寻道时间和旋转延迟时间属于“找”的时间，这类开销可通过合理的调度算法或布局优化来降低，而传输时间主要由磁盘本身的特性决定，难以通过软件手段减少。

4. 提高磁盘I/O速度的方法#

文件的访问速度是衡量文件系统性能最重要的因素，可从以下三个方面来优化：

1. 改进文件的目录结构和检索目录的方法，以减少对目录的查找时间；
2. 选取好的文件存储结构，以提高对文件的访问速度；
3. 提高磁盘I/O速度，以实现文件数据在磁盘与内存之间的快速传送。

其中，1和2已在第4章中介绍，这里主要介绍如何提高磁盘I/O的速度。

1. 采用磁盘高速缓存。5.2.2节介绍了磁盘高速缓存的概念。
2. 调整磁盘请求顺序。即上文介绍的各种磁盘调度算法。
3. 提前读。在读取当前磁盘块的同时，将逻辑上紧随其后的下一个(或多个)磁盘块一并预读到内存缓冲区，以应对后续可能的连续访问。
4. 延迟写。当修改一个缓冲区中的数据时，并不立即写回磁盘，而仅设置延迟写标志；当该缓冲区被替换时，才真正将数据写入磁盘，从而合并多次写操作，减少I/O次数。
5. 优化物理块的分布。除上文介绍的扇区编号优化外，对于采用链接或索引方式组织的文件，应尽量将其所属的块安排在同一磁道或相邻磁道上，以减少寻道时间。此外，将若干连续扇区组成簇，以簇为单位对文件进行分配，也能有效降低磁头的平均移动距离。
6. 虚拟盘。指用内存空间仿真磁盘，也称RAM盘。由于内存访问速度远高于磁盘，因此常用于存放临时文件或对I/O延迟敏感的数据。虚拟盘与磁盘高速缓存的区别：虚拟盘的内容完全由用户程序控制，而磁盘高速缓存的内容则由操作系统透明管理。
7. 采用磁盘阵列RAID。某些RAID级别可支持交叉存取，能大幅提高磁盘I/O速度。

1. 固态硬盘的特性#

固态硬盘(SSD)是一种基于闪存技术的存储设备。其存储介质与U盘类似，但容量更大、存取性能更优。一个SSD由一个或多个闪存芯片以及闪存翻译层组成。其中，闪存芯片替代了传统磁盘中的机械驱动器；而闪存翻译层负责将CPU发出的逻辑块读/写请求转换为对底层物理闪存的读/写控制信号，因此，闪存翻译层相当于代替了磁盘控制器的角色。

一个闪存芯片由 $B$ 块组成，每块包含 $P$ 页。通常，页的大小为 $512\text{B} \sim 4\text{KB}$，每块包含 $32 \sim 128$ 页，块的大小为 $16\text{KB} \sim 512\text{KB}$。读/写操作以页为单位进行；擦除操作以块为单位进行，只有在整块被擦除后，才能向其中的页写入新数据。一旦某块被擦除，其所有页均可重新写入一次。每个块的擦写次数有限，经过若干次重复写入后，该块会因磨损而失效。

随机写入速度较慢，主要有两个原因：

1. 擦除操作耗时较长，通常比页访问慢一个数量级。
2. 若需修改一个已包含有效数据的页 $P_i$，必须先将该块中所有有效页复制到一个新的(已擦除的)块中，再执行对 $P_i$ 的写入。

相比传统机械磁盘，SSD具有显著优势：由半导体器件构成，无机械运动部件，因此随机访问延迟极低，且无噪声、无振动、功耗更低、抗震性强、安全性更高。

2. 磨损均衡(Wear Leveling)#

SSD的主要缺点在于闪存的擦写寿命有限，通常仅为几百至几千次。若直接用普通闪存构建SSD而不加管理，则实际的寿命表现可能令人失望——因为读/写操作往往会集中在少数物理块上，导致这些区域迅速磨损。一旦这部分闪存损坏，整块SSD即告失效。这种磨损不均衡的情况，可能导致一块256GB的SSD，仅因几兆字节的闪存损坏而报废。

为解决这一问题，SSD引入了磨损均衡技术，主要分为两类：

1. 动态磨损均衡。在写入数据时，优先选择擦写次数较少的空闲块，避免反复写入同一区域，从而将写入负载分散到更多物理块上。
2. 静态磨损均衡。这是一种更高级的策略。即使没有新数据写入，控制器也会定期扫描并自动进行数据迁移，将高磨损块中的有效数据迁移到低磨损块中。使高磨损块转为以读为主，低磨损块承担更多写入任务，进一步均衡整体寿命。

得益于磨损均衡算法，SSD的实际使用寿命显著提升。例如，一块256GB的SSD，若其闪存的擦写寿命为500次，则理论总写入量可达125TB。即使每天持续写入10GB数据，也需要三十多年才会达到寿命极限。而日常使用中，普通用户的日均写入量通常远低于此值。