IO + 磁盘

磁盘中的OS启动的过程
磁盘中文件系统的启动过程
IO
DMA 等方式的详细过程

4. IO

4.1 IO方式

IO的方式包括

轮询 polling 通过不断查询设备对应的 IO controller 中的寄存器状态查看是否能够读写
中断通过在 interrupt-request line 上发出信号来通知CPU响应设备的IO事件

但是对于需要大量传输的设备，上面两种操作都是会过多地占用CPU资源，因此又有了

DMA Direct Memory Access 有一个专门的DMA controller，让DMA直接读写memory
DVMA DMA读写的是虚拟地址

5. 磁盘

5.1 硬盘

基础概念

hard disk 是常见的二级存储，其结构从小到大分别是

扇区 sector
磁道 track
柱面 cylinder

一个完整的盘面被称为 platter

侧面的 disk arm 会以整体移动上面所有的读写磁头（r/w heads）

从磁盘上读写内容的过程

将磁头移动到指定柱面
将磁头移动到指定磁道
磁盘旋转扇区到磁头下方
读写扇区内容

其读写的时间构成有以下内容你那个

定位时间 positioning time / random access time
seek time 将磁头移动到柱面
rotational latency 目标扇区旋转到磁头下方，磁盘转速一般为 round per minute 为单位，rotational latency = \(\frac{1}{2}*\frac{1}{rpm}*60\ s\)
传输时间 transfer time
数据在 disk 和 memory 之间传输的时间

调度

对于调度而言，我们需要提高 disk bandwidth = 传输数据量 / 请求开始到传输完成的时间间隔

就是说降低寻址之类的时间，提高实际传输的比例

当IO请求较为稀疏的时候，其实就不需要调度，来一个处理一个
当IO请求较为密集的时候，我们需要用一个queue来维护等待中的请求，并且用disk scheduling 来调整这些请求被处理的顺序

如今的 disk driver 给OS暴露的不是 tracks 和 sectors 之类的，而是提供与物理地址相关的 logical block address (LBA)，其中 logical block 是数据传输的最小单位

FCFS

就是先进先出queue的处理，其实没有优化，就是规定了一个顺序

SSTF

shortest seek time first ，总是选择距离当前磁头最近的那个请求去处理

好处

低平均响应时间
高吞吐量

坏处

响应时间方差较大
有饥饿问题
计算 seek time 有额外开销

SCAN & LOOK

该算法要求磁头在碰到 LBA 边界之前只会单向移动，碰到之后反向移动，而在移动的过程中处理能够处理的请求

好处

高吞吐量
响应时间方差低
低平均响应时间

坏处

由于是单向移动，如果请求在磁头刚刚经过的地方，那么会等待较长时间

如果是走到靠近边界的请求对应的LBA就提前掉头，那么就是LOOK算法，SCAN要走到边界，可以减少一些不必要的SCAN

C-SCAN & C-LOOK

C-SCAN 就是碰到边界之后直接返回到起点，没有反向移动处理请求的过程，永远是单向

比起 SCAN 有更均匀的等待时间

调度算法的选择

一般来说，SSTF是比较常见的默认选择，在IO频繁的时候，使用LOOK和C-LOOK

SSD 会使用先来先服务

5.2 非易失性内存

这里只讨论 NVM

NVM本身读写效率较高，吞吐率会收到标准总线接口（standard bus interface）的传输速率上，所以NVM往往会直接连到系统总线 system bus 上

支持以 page 的粒度进行读写，但是不支持数据覆盖，需要先擦除数据再写入数据，有一些多的开销
NVM有多个die组成，可以并行读写提高吞吐量
NAND semiconductor 在进行一定量擦除操作之后就不再能存储数据，因此存在使用寿命

5.3 存储介质管理 *

新的存储设备在被使用之前需要经过低级格式化（low-level formatting or physical formatting) ，这个过程

将其分为控制器可以读写的扇区
创建逻辑块的映射
创建闪存转换层 flash translation layer (FTL)

并且会为 sectors 或 pages 维护一些数据结构信息，将数据包装为 header + data + tail 的形式，并且在header 和 tailer 里存储一些元数据，例如编号，和校验码，纠错码等等

在完成了低级的格式化之后，为了能让OS使用，还会在设备上记录一些OS所需的数据结构，这个过程大致分为三步

Partition：将设备的存储空间做一个划分，每一个都被视为一个单独的存储空间（logical disk）。分区信息以固定格式写入存储设备的固定位置
volume creating & management：卷是包含一个文件系统的存储空间，这一步是划定文件系统所覆盖的范围
logical formatting：在卷上创建和初始化文件系统

5.4 RAID *

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