Lecture 18: 磁盘（Magnetic Disks）

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Lecture 18: 磁盘（Magnetic Disks）

概述

文件系统建立在磁盘之上，而磁盘是”高延迟、顺序访问快”的设备。本讲介绍硬盘（HDD）的物理结构、一次读写的时间构成（寻道 + 旋转延迟 + 传输），以及操作系统与 I/O 设备的交互方式：内存映射 I/O、设备寄存器、轮询 vs 中断、PIO vs DMA，最后是现代的高效设备接口（命令队列/响应队列 + 门铃）。

核心概念与系统机制图解

磁盘物理结构

           ┌──────────────────────────┐
           │      盘片(Platters) 1-10   │   以 5000–15000 RPM 旋转
           │  ╭─── 磁道(Track) ───╮   │
           │  │  ╭──────────────╮ │   │   磁道 = 磁头固定位置扫过的圆环
           │  │  │ 扇区(Sector)  │ │   │   扇区 = 磁道上的弧段(4096字节)
           │  │  ╰──────────────╯ │   │   典型容量 500GB – 30TB+
           │  ╰───────────────────╯   │
           └──────────────────────────┘
   磁头(Head)悬在盘面上方 3–10nm 处"飞行"(空气轴承), 由磁臂(Actuator Arm)移动

一次磁盘读写的时间构成

1. 寻道(Seek): 磁臂移动到目标磁道        典型 3–10 ms
2. 选择磁头
3. 旋转延迟(Rotational Latency): 等目标扇区转到磁头下  平均半圈 ≈ 4ms @7500RPM
4. 传输(Transfer): 扇区在磁头下掠过时读写            150–280 MB/s
────────────────────────────────────────────────────────
   延迟(Latency) = 寻道 + 旋转延迟 ≈ 5–15 ms

• 磁盘被抽象为线性块数组：read(startSector, count, addr) / write(...)；磁道/扇区几何结构被设备隐藏（坏扇区自动重映射）。

与设备通信：内存映射 I/O（MMIO）

• CPU 把 I/O 设备的设备寄存器映射到物理地址空间：对特定地址做 load/store 就是读写设备寄存器（无缓存 load/store）。
• 设备寄存器位有三类用途：
  • 参数（CPU 写）：如起始扇区号；
  • 状态（CPU 读）：如”操作完成”“出错”；
  • 控制（CPU 写）：如”开始磁盘读”。
• 注意：设备寄存器不像普通内存——”开始”位可能永远读为 0，状态位可能被设备自行改变。

设备完成信号：轮询 vs 中断

轮询(Polling):           中断(Interrupt):
OS 自旋读 ready 位        设备完成时强制 CPU 陷入(trap) OS
浪费 CPU 时间              CPU 在设备工作时可做别的

• 中断处理流程：设备发中断 → CPU 跳到中断向量（与系统调用、缺页共用）→ OS 识别设备、服务（确认中断、启动新操作）→ 返回陷阱，恢复执行。
• 中断让 OS 高效：可同时让多个设备忙碌并运行用户代码；多核机器分散中断负载。

数据传输：PIO vs DMA

| 方式 | 机制 | 评价 | | :— | :— | :— | | PIO（Programmed I/O） | CPU 亲自 load/store 搬运数据 | 简单但浪费 CPU | | DMA（Direct Memory Access） | 设备直接把数据搬到物理内存 | 现代主流：CPU 只写”缓冲地址”到设备寄存器 |

现代设备接口（DMA + 门铃）

OS                                   设备
┌──────────────────┐    DMA 读命令    ┌──────────────────┐
│ 命令队列 Command  │ ◄─────────────── │                  │
│    [读扇区32→地址X]│                  │  执行: DMA 写数据  │
│ 响应队列 Response │ ───────────────► │  到地址X          │
└──────────────────┘   中断通知        └──────────────────┘
    OS 写"门铃(doorbell)"地址(uncached store) 通知设备有新命令
    设备 DMA 读命令 → DMA 传数据 → DMA 写完成响应 → 发中断

代码示例与系统调用解说

示例：一次磁盘读取的系统调用视角（read）

#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <cstdio>

int main() {
    int fd = open("/dev/sda", O_RDONLY);       // 打开块设备
    if (fd < 0) { perror("open"); return 1; }

    char buf[4096];                            // 一页/一个扇区组
    ssize_t n = pread(fd, buf, sizeof(buf),     // 从扇区偏移处读
                      0x100000);               // 字节偏移 = 扇区号 × 512
    if (n < 0) perror("pread");
    close(fd);
    return 0;
}

【代码做了什么？】 直接以字节偏移读取块设备，由内核把”偏移 → 扇区号”并驱动磁盘完成传输。

【系统机制透视】

• 应用发出 pread 系统调用 → 陷入内核 → 文件系统/块层把字节偏移换算成扇区号 → 内核构建设备命令（写入命令队列 + 门铃）→ 设备 DMA 把数据搬到内核缓冲 → DMA 完成 → 设备中断 → 内核把数据拷贝到用户缓冲 → 系统调用返回。
• 这一路上：PIO 只用于极小的控制交互（门铃），数据搬运全靠 DMA；中断把”等待 I/O”的进程置为 BLOCKED，让 CPU 去跑别的线程——这与 Lecture 2–3 的线程状态机完美衔接。

关键要点

1. 磁盘延迟 = 寻道（3–10ms）+ 旋转延迟（~4ms）+ 传输（150–280MB/s）；顺序访问远比随机访问快。
2. 磁盘向软件暴露线性块数组；几何细节（内外磁道扇区数、坏块重映射）被设备隐藏。
3. 设备通过内存映射寄存器交互：参数/状态/控制三类位。
4. 轮询浪费 CPU，中断让 OS 高效并发处理多个设备；DMA 让设备直接搬数据，CPU 只发命令。
5. 现代接口 = 命令/响应队列 + 门铃 + DMA + 中断。

常见陷阱与注意事项

• 把磁盘访问想成”即时”：一次随机读 5–15ms ≈ 数百万个 CPU 周期。
• 轮询密集设备：大量设备都轮询会让 CPU 空转。
• 忘记设备寄存器与普通内存的区别：读”开始位”永远 0、状态位会自发改变。
• PIO 搬大块数据：浪费 CPU；大传输必须 DMA。
• 忽视寻道代价：随机小块 I/O 是磁盘性能杀手（调度算法见 Lecture 20）。

思考题

1. 问题：为什么现代磁盘把”线性块数组”暴露给软件而不是磁道/扇区结构？
   • 答案：隐藏物理几何（内外磁道扇区数不同、坏块重映射、预留空间）使软件接口简单稳定；设备内部自行管理几何细节，可随技术演进而不改变接口。
2. 问题：DMA 相比 PIO 节省了什么？
   • 答案：PIO 中 CPU 要逐字搬运数据（占用 CPU 时间）；DMA 中设备直接访问内存，CPU 只需设置缓冲地址与发起命令，可以转而执行其它线程——吞吐量与 CPU 利用率都大幅提升。
3. 问题：为什么”等待 I/O 完成”时进程进入阻塞而非忙等？
   • 答案：磁盘延迟毫秒级，忙等会让 CPU 空转数毫秒；阻塞后调度器把 CPU 交给其它就绪线程，I/O 完成时中断唤醒该进程——资源利用率与响应时间都更优。