🏷️ 知识点：磁盘概念

下列关于磁盘存储器的叙述中，错误的是()。

A. 磁盘的格式化容量比非格式化容量小 B. 扇区中包含数据、地址和校验等信息 C. 磁盘存储器的最小读写单位为一字节 D. 磁盘存储器由磁盘控制器、磁盘驱动器和盘片组成

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正确答案：C

磁盘存储器 的最小读写单位为一个扇区，即磁盘按块存取，选项 C 错误。磁盘存储数据之前需进行格式化，将磁盘分成扇区，并写入信息，因此磁盘的格式化容量比非格式化容量小，选项 A 正确。磁盘扇区中包含数据、地址和校验等信息，选项 B 正确。磁盘存储器由磁盘控制器、磁盘驱动器和盘片组成，选项 D 正确。

设有一个记录文件，采用隐式存储接分配方式，逻辑记录的固定长度为 100B，在磁盘上存储时采用连续成组分配格式。盘块长度为 512B。如果该文件的目录已经读入内存，要找到第 22 个逻辑记录共需启动磁盘（ ）次。

A. 3 B. 4 C. 5 D. 6

磁盘概念 文件概念

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正确答案：C

在隐式链接分配方式中，每个盘块包含指向下一个盘块的指针，文件通过链表形式存储。 盘块长度为 512B，逻辑记录固定长度为 100B，每个盘块可存储 5 个逻辑记录（因为 5×100=500B<512B，6×100=600B>512B，记录不跨块存储）。 第 22 个逻辑记录所在的盘块计算如下：记录 15 在块 1，610 在块 2，1115 在块 3，1620 在块 4，21~25 在块 5，因此第 22 个记录位于第 5 个盘块。 由于目录已读入内存，起始块地址已知，但要访问第 5 个盘块，需要从第 1 个盘块开始顺序读取，通过每个盘块中的指针依次获取后续盘块的地址。 具体需读取第 1、2、3、4 个盘块以得到第 5 个盘块的地址，最后读取第 5 个盘块获取第 22 个逻辑记录，共启动磁盘 5 次。

一个交叉存放信息的磁盘，信息存放方式如图所示，磁盘旋转方向为逆时针方向。每个磁道有 8 个扇区，每个扇区 512 字节，旋转速度为 3000 转/分。假定磁头已在读取信息的磁道上，0 扇区转到磁头下需要 1/2 转，且设备对应的控制器不能同时进行输入/输出，在数据从控制器传送至内存的这段时间内，从磁头下通过的扇区数为 2，问依次读取一个磁道上所有的扇区所需时间和该磁盘的数据传输速度依次是（ ）。

A. 0.07s，58.5KB/s B. 0.07s，57.1KB/s C. 0.08s，57.1KB/s D. 0.08s，58.5KB/s

磁盘概念 机械硬盘

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正确答案：A

本题考查磁盘读取的速度。

首先注意磁盘旋转方向为逆时针方向，对于磁头和磁盘的运动实际上是磁头不动，磁盘转的，而磁盘逆时针方向旋转按扇区来看即 0、3、6……这个顺序。 而每个号码连续的扇区正好相隔 2 个扇区，即是数据从控制器传送到内存的时间，所以相当于磁头连续工作。

由题中条件知，旋转速度为 3000 转/分 = 50 转/秒，即 20ms/转。 读一个扇区需要时间为 20/8 = 2.5ms。 读一个扇区并将扇区数据送入内存需要时间为 2.5 × 3 = 7.5ms。 读出一个磁道上的所有扇区需要时间为 20/2 + 8 × 7.5 = 70ms = 0.07s。 每磁道数据量为 8 × 512 = 4KB。 数据传输速度为 4 × 1024 / (1000 × 0.07 s) = 58.5KB/s。 故依次读出一个磁道上的所有扇区需要 0.07s，其数据传输速度为 58.5KB/s。

注意：硬盘传送速率中的 K 是按 1000 来计算的，并不是 1024。

信息在外存空间的排列也会影响存取等待时间。考虑几个逻辑记录 A、B、C、…、J，它们被存放在磁盘上，每个磁道存放 10 个记录，安排如表 1 所示。

A. 60ms B. 104ms C. 144ms D. 204ms

磁盘概念

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正确答案：C

题中磁盘旋转速度为 20 ms/r，每个磁道存放 10 个记录，因此读出一个记录的时间为

$20/10\text{ms}=2\text{ms}$ 。

1）对于第一种记录分布的情况，读出并处理记录 A 需要 6 ms，则此时读写磁头已转到记录 D 的开始处，因此为了读出记录 B，必须再转一圈少两个记录（从记录 D 到记录 B）。 后续 8 个记录的读取及处理与此相同，但最后一个记录的读取与处理只需 6 ms。 于是，处理 10 个记录的总时间为

$$9\times (2+4+16)\text{ms}+(2+4)\text{ms}=204\text{ms}.$$

2）对于第二种记录分布的情况，读出并处理记录 A 后，读写磁头刚好转到记录 B 的开始处，因此立即就可读出并处理，后续记录的读取与处理情况相同。

共选择 2.7 圈。 最后一个记录的读取与处理只需 6 ms。 于是处理 10 个记录的总时间为

$$20\times 2.7+6\text{ms}=60\text{ms}.$$

综上，信息分布优化后，处理的时间缩短了 $204\text{ms}-60\text{ms}=144\text{ms}$ 。

某文件系统采用多级索引结构，每个文件的索引节点（inode）中包含：

A. 1 次 B. 2 次 C. 3 次 D. 4 次

磁盘概念 文件系统

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正确答案：C

1. 直接索引可覆盖的逻辑块号为 0~11（共12块）。 >
2. 一级间接索引块可存储 256 个块地址，覆盖逻辑块号 12~267（共256块）。 >
3. 二级间接索引的第一层索引块可存储 256 个第二层索引块地址，每个第二层索引块又可存储 256 个数据块地址，因此二级间接索引覆盖的逻辑块号为 268~65803（共 256×256=65536 块）。 >
4. 逻辑块号500落在二级间接索引范围内（500 > 267）。 >
5. 二级间接索引访问数据需要三次磁盘访问：
   • 第一次：读取一级索引块（二级间接索引的第一层）； >
   • 第二次：根据第一层索引找到第二层索引块并读取； >
   • 第三次：根据第二层索引找到数据块并读取（题目问“获取该数据块的位置”指定位数据块所在的磁盘位置，但读取数据块本身也需要一次磁盘访问，因此总共需3次磁盘访问）。 >
6. 由于索引节点已在内存，不需要读inode本身。 >

因此，需要 **3 次磁盘访问**，选 C。 >

设某文件为链接文件，由 5 个逻辑记录组成，每个逻辑记录的大小与磁盘块的大小相等，均为 512 字节，并依次存放在 50、121、75、80、63 号磁盘块上。若要存取文件的第 1569 逻辑字节处的信息，则应访问（ ）号磁盘块。

A. 3 B. 80 C. 75 D. 63

磁盘概念 文件概念

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正确答案：B

首先，文件由 5 个逻辑记录组成，每个逻辑记录大小为 512 字节，相当于一个磁盘块。 逻辑记录依次存放在 50、121、75、80、63 号磁盘块上，即逻辑记录 1 对应块 50，逻辑记录 2 对应块 121，逻辑记录 3 对应块 75，逻辑记录 4 对应块 80，逻辑记录 5 对应块 63。

要存取第 1569 逻辑字节处的信息，需确定该字节属于哪个逻辑记录。 由于字节位置通常从 1 开始计数，计算逻辑记录编号：每个逻辑记录包含 512 字节，因此前三个逻辑记录共覆盖字节 1～1536（因为 512×3=1536）。 第 1569 字节大于 1536，属于第 4 个逻辑记录（字节 1537～2048）。

逻辑记录 4 对应的磁盘块号为 80，因此应访问 80 号磁盘块。 即使从 0 开始计数字节，第 1569 字节（索引 1568）仍落在第 4 个逻辑记录范围内，结论一致。

设一个磁道访问请求序列为 55,58,39,18,90,160,150,38,184，磁头的起始位置为 100。若采用 SSTF（最近寻道时间优先）算法，则磁头移动（ ）个磁道。

A. 55

B. 184

C. 200

D. 248

磁盘概念 机械硬盘

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正确答案：D

采用 SSTF 算法，磁头从起始位置 100 开始，每次选择距离当前磁头位置最近的请求进行服务。 具体过程如下： 初始位置 100，距离最近的请求是 90（距离 10），磁头移动到 90，移动 10 磁道。 位置 90，最近请求是 58（距离 32），移动到 58，累计移动 42 磁道。 位置 58，最近请求是 55（距离 3），移动到 55，累计 45 磁道。 位置 55，最近请求是 39（距离 16），移动到 39，累计 61 磁道。 位置 39，最近请求是 38（距离 1），移动到 38，累计 62 磁道。 位置 38，最近请求是 18（距离 20），移动到 18，累计 82 磁道。 位置 18，剩余请求中最近的是 150（距离 132），移动到 150，累计 214 磁道。 位置 150，最近请求是 160（距离 10），移动到 160，累计 224 磁道。 位置 160，最后请求 184（距离 24），移动到 184，累计 248 磁道。 因此，磁头总移动磁道数为 248，对应选项 D。

下列选项中，不能改善磁盘设备 I/O 性能的是（ ）。

磁盘概念

A. 重排 I/O 请求次序

B. 在一个磁盘上设置多个分区

C. 预读和滞后写

D. 优化文件物理块的分布

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正确答案：B

对于 A，重排 I/O 请求次序也就是进行 I/O 调度 ，从而使进程之间公平地共享磁盘访问，减少 I/O 完成所需要的平均等待时间。对于 C，缓冲区结合预读和滞后写技术对于具有重复性及阵发性的 I/O 进程改善磁盘 I/O 性能很有帮助。对于 D，优化文件物理块的分布可以减少寻找时间与延迟时间，从而提高磁盘性能。在一个磁盘上设置多个分区与改善设备/O 性能并无多大联系，相反还会带来处理的复杂和降低利用率。

下列选项中，文件系统能为温彻斯特硬盘和固态硬盘提供的功能是（ ）。

磁盘概念

A. 划分扇区 B. 确定盘块大小 C. 降低寻道时间 D. 实现均衡磨损

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正确答案：B

关于文件系统能为温彻斯特硬盘（HDD）和固态硬盘（SSD）提供的功能，分析如下： A. 划分扇区‌扇区是磁盘物理结构的固有属性，由硬盘制造商在出厂时划分，文件系统不参与扇区的物理划分。 B. 确定盘块大小‌文件系统通过逻辑格式化设定文件存储的基本单位（如 4KB 的块大小），这是文件系统对物理存储的逻辑抽象，适用于 HDD 和 SSD。 C. 降低寻道时间‌寻道时间是 HDD 特有的机械性能指标，文件系统无法直接优化；而 SSD 无机械部件，不存在寻道时间问题。 D. 实现均衡磨损‌这是 SSD 特有的功能，由 SSD 控制器通过磨损均衡算法实现，文件系统仅能通过 Trim 指令辅助，并非直接控制。 [tag_link]

正确答案：B（确定盘块大小）‌文件系统通过逻辑格式化统一管理存储空间，为 HDD 和 SSD 定义逻辑块大小，这是两者共有的功能。

（7 分）一个磁盘机有 19,456 个柱面，16 个读写磁头，并且每个磁道有 63 个扇区。磁盘以 5400rpm 的速度旋转。试问：

（1）如果磁盘的平均寻道时间是 10ms，那么读一个扇区的平均时间是多少？

（2）在一个请求分页系统中，若将该磁盘用作交换设备，而且页面大小和扇区的大小相同。读入一个换出页的平均时间和上面计算的相同。假设如果一个页必须被换出，则寻找换入页的平均寻道时间将只有 1ms，那么传输这两个页的平均时间是多少？

（3）如果在该系统中打开的文件数目远远多于驱动器的数目时，对磁盘机有什么影响？

磁盘概念 磁盘性能指标

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**【答案】** (1) 读一个扇区的平均时间约为15.73 ms。 (2) 传输两个页（换入页和换出页）的平均时间约为22.46 ms。 (3) 可能导致饥饿或者抖动。

**【解析】** （1）读取一个扇区的平均时间由三部分组成：平均寻道时间、平均旋转延迟和数据传输时间。平均寻道时间给定为 $10\text{ms}$ 。磁盘转速为 $5400\text{rpm}$ ，旋转一圈的时间为

$$\frac{60}{5400}=\frac{1}{90}\text{s}\approx 11.111\text{ms},$$

平均旋转延迟为半圈时间，即 $5.556\text{ms}$ 。每个磁道有 $63$ 个扇区，一个扇区的数据传输时间为

$$\frac{11.111}{63}\approx 0.176\text{ms}.$$

因此，总平均时间为

$$10\text{ms}+5.556\text{ms}+0.176\text{ms}\approx 15.73\text{ms}.$$

（2）在请求分页系统中，页面大小与扇区相同。读入一个换出页的平均时间与（1）相同，为 $15.73\text{ms}$ 。但当必须换出页时，寻找换入页的平均寻道时间减少为 $1\text{ms}$ ，因此换入页的传输时间变为

$$1\text{ms}+5.556\text{ms}+0.176\text{ms}\approx 6.73\text{ms}.$$

对于换出页，其传输时间仍假设为正常写操作时间，即平均寻道时间 $10\text{ms}$ 、旋转延迟 $5.556\text{ms}$ 和数据传输 $0.176\text{ms}$ ，合计约 $15.73\text{ms}$ 。传输两个页（换入和换出）的总平均时间为

$$6.73\text{ms}+15.73\text{ms}\approx 22.46\text{ms}.$$

（3）可能会产生两个后果： 第一个后果是饥饿，这是由于请求磁盘 I/O 操作的应用程序得不到满足而长时间在阻塞队列等待，从而导致饥饿； 第二个后果是抖动，由于每次磁盘 I/O 操作完成后都要进行磁盘的换入换出，从而导致抖动。