(1) 磁盘设备的组成#

1. 磁盘存储器的组成。磁盘存储器由磁盘驱动器、磁盘控制器和盘片组成。

   • 磁盘驱动器。驱动磁盘旋转并通过磁头在盘面上执行读/写操作。
   • 磁盘控制器。磁盘驱动器与主机之间的接口，负责接收并解析来自CPU的命令，向磁盘驱动器发送控制信号，同时监控其运行状态。

2. 存储区域。磁盘由多个记录面组成，每面含若干同心磁道，每条磁道划分为若干扇区。

   • 记录面数：表示磁头数量，每个磁头负责一个记录面的数据读/写。
   • 柱面数：表示单个记录面上的磁道数量。所有记录面上相同编号的磁道构成一个柱面。
   • 扇区数：表示每条磁道所包含的扇区数量。扇区是磁盘读/写的最小单位。

   相邻的磁道和扇区之间通过间隙隔开，以防止读/写错误。扇区按固定圆心角度划分，导致从外到内的位密度逐渐增加，磁盘的存储能力受限于最内圈的最大记录密度。

3. 磁盘高速缓存(Disk Cache)。在内存中开辟一部分空间，用于暂存待写入磁盘的数据。优点：磁盘以“簇”（由若干连续扇区组成）为单位进行写操作，缓存可减少频繁的小块写入；同时，中间结果若在写回前被再次使用，可直接从缓存读取，提升效率。

(2) 磁记录原理#

原理：当磁头和磁性记录介质发生相对运动时，通过电磁转换实现数据的读/写操作。

编码方法：按照特定规则，将二进制数据序列转换为磁层中对应的磁化翻转状态序列，以便读/写控制电路能够高效、可靠地完成信号转换。

(3) 磁盘的性能指标#

1. 记录密度。指单位面积上可存储的二进制数据量，通常以道密度、位密度和面密度表示。道密度是沿磁盘半径方向单位长度上的磁道数；位密度是单条磁道单位长度上可记录的二进制位数；面密度是位密度与道密度的乘积，反映单位面积的存储能力。

2. 磁盘的容量。分为非格式化容量和格式化容量。非格式化容量是指磁记录表面可利用的磁化单元总数，非格式化容量=记录面数 $\times$ 柱面数 $\times$ 每磁道磁化单元数。格式化容量是指按特定格式组织后实际可用的存储容量，格式化容量=记录面数 $\times$ 柱面数 $\times$ 每道扇区数 $\times$ 每扇区字节数。非格式化容量 $>$ 格式化容量，因需预留扇区间隙、同步字段等格式开销。

3. 响应时间与存取时间。磁盘处理一次读/写请求的完整过程包括请求排队、控制器解析以及三个关键物理操作：寻道、旋转等待和数据传输。因此，总响应时间为

   $$\text{响应时间} = \text{排队延迟} + \text{控制器时间} + \text{寻道时间} + \text{旋转等待时间} + \text{数据传输时间}$$

   其中，“寻道时间+旋转等待时间+数据传输时间”也称存取时间，特指从磁头定位开始到数据传输完成所需的时间，是衡量磁盘性能的核心指标。

   • 寻道时间：磁头移动到目标磁道所需时间。平均寻道时间通常取最大寻道时间的一半(从最外道到最内道时间的1/2)。
   • 旋转等待时间：目标扇区旋转至磁头下方所需时间。平均旋转等待时间等于磁盘旋转半周的时间。
   • 数据传输时间：读取或写入一个扇区所需时间，取决于磁盘转速和数据密度。

4. 数据传输速率。指磁盘在单位时间内向主机传送的数据量（单位为B/s）。若磁盘转速为 $r$ 转/秒，单磁道容量为 $N$ 字节，则最大数据传输速率为

   $$D_r = rN$$

(4) 磁盘地址#

主机向磁盘控制器发送寻址信息，磁盘地址通常由三部分组成。

例如，磁盘有16个盘面，每个盘面有256个磁道，每个磁道划分为16个扇区，则每个扇区的地址可用16位二进制代码表示：其中柱面号占8位，盘面号占4位，扇区号占4位。

(5) 磁盘的工作过程#

磁盘的主要操作包括寻址、读盘和写盘。每种操作对应一个控制字。磁盘工作时，首先读取控制字，然后执行该控制字。由于磁盘是机械式部件，因此其读/写操作为串行执行。