[linux文件系統]磁盤硬件篇

前言

本系列磁盤管理，本週在學習磁盤管理的知識。本系列準備將磁盤以及文件系統都整理一遍。因爲本渣渣不是計算機專業畢業的，所以最近在學習基礎的計算機知識，如有不對的，望指正。

以下主要介紹機械式硬盤

硬盤分類

固態硬盤(SSD) 採用閃存顆粒來存儲
機械硬盤(HDD) 採用磁性碟片來存儲

機械式硬盤基礎概念

• 盤片和盤面 platter 硬盤中一般會有多個盤片組成，一個盤片有兩個盤面，每個盤面都有對應的一個讀/寫磁頭。，一般一個硬盤盤片在5片內，盤面編號自下向上從0開始，最大可以有255，表示總共256個盤面
• 磁頭 head 有幾個磁頭就有幾個盤面，所以磁頭數和盤面數一樣
• 磁道 track 盤面中一圈圈的同心圓爲一條條磁道
• 柱面 cylinder 每個盤面的相同磁道疊加起來，看起來像一個柱體。從0開始編號，最大1023，表示總共1024個磁道
• 扇區 sector 每個磁道可以劃分若干段，每一段稱爲一個扇區，扇區是磁盤最小存儲單位，一般每個扇區存儲512個字節數據，從1開始編號，最大63，表示63個扇區(ps：第0扇區是存放MBR的)
  
• 盤面中一圈圈灰色同心圓爲一條條磁道，圖中一個個灰色的同心圓部分
• 從同心圓向外畫直線，將磁道劃分爲若干個弧段，每個磁道上的一個弧段稱爲一個扇區，圖中綠色部分
  
• 每個盤面都被劃分爲數目相等的磁道，從外援的’0’開始編號，具有相同編號的磁道形成一個圓柱，稱爲磁盤的柱面
• 磁盤的柱面數與一個盤面的磁道數是相等的
• 由於每個盤面都有自己的磁頭，因此盤面數等於總的磁頭數

磁盤容量計算

扇區，磁道（或柱面）和磁頭數構成了硬盤結構的基本參數
存儲容量 = 每個扇區字節數×每個磁道的扇區數×磁道數×磁頭數
上圖 算每個扇區的字節數爲512字節，每個磁道劃分12個扇區，每個盤面上有7個磁道，三個盤面(6個磁頭數)
存儲容量 512×12×7×6 = 258048

每個磁道的扇區數一樣？

老的硬盤，外圈的密度小，內圈的密度大，每圈可存儲的數據量是一樣的，外圍的扇區明顯比內圈的扇區要寬，這就浪費了很多磁道長度

有了多多區記錄技術，外圍的磁道就可以劃分爲更多的扇區，新的磁盤數據的密度都一致，這樣磁道的周長越長，扇區就越多，存儲的數據量就越大

因此現在這裏說的每個磁道扇區數一樣是整個盤面平均算的

磁盤讀取響應時間

如果要讀取某個位置(盤面，磁道，扇區)的內容，首先，磁臂要移動磁頭到響應的磁道位置，以及對應的盤面，這就是尋道時間。
但是這時，你的數據不一定當好就在這時的扇區，所以你得等，等轉到所要讀取的扇區後在進行數據讀取，這要靠硬盤的轉速

• 尋道時間: 磁頭從開始移動到數據所在磁道所需要的時間，尋道時間越短，I/O操作越快，目前磁盤的平均尋道時間一般在3－15ms，一般都在10ms左右。
• 旋轉延遲: 盤片旋轉將請求數據所在扇區移至讀寫磁頭下方所需要的時間，旋轉延遲取決於磁盤轉速。
  筆記本的硬盤 5400轉/分
  臺式機的硬盤 7200轉/分
• 數據傳輸時間: 完成傳輸所請求的數據所需要的時間。

小結一下：從上面的指標來看、其實最重要的、或者說、我們最關心的應該只有兩個：尋道時間；旋轉延遲。

cpu讀寫過程

cpu要從磁盤讀入一份數據的過程

1. cpu發送一條指令，讀取數據
   這條指令通過系統總線，橋間總線，PCI總線傳遞到磁盤控制器。控制器收到指令後明白這次是一次讀請求，且讀完了是否要中斷的信息。做好準備工作，等待讀取數據

2. cpu 再發送一條指令，讀入內存地址
   這條指令還是通過一系列總線發給磁盤控制器之後，磁盤控制器就開始忙活，找到邏輯塊對應的物理塊地址，查找，尋道等工作，就開始讀取數據

3. cpu再發送一條指令說讀取內存的地址
   當收到這條指令後，cpu就不管了，他告訴一個叫DMA的總線，說接下來就靠你了。DMA設備會接管總線，負責將磁盤數據通過PCI總線，橋間總線，內存總線同步到內存指定位置

注:對於磁盤控制器式如何管理各個磁盤的，在之後篇幅進行描述

讀寫過程

cpu要從磁盤讀入一份數據的過程

1. cpu發送一條指令，讀取數據
   這條指令通過系統總線，橋間總線，PCI總線傳遞到磁盤控制器。控制器收到指令後明白這次是一次讀請求，且讀完了是否要中斷的信息。做好準備工作，等待讀取數據
2. cpu 再發送一條指令，讀入內存地址
   這條指令還是通過一系列總線發給磁盤控制器之後，磁盤控制器就開始忙活，找到邏輯塊對應的物理塊地址，查找，尋道等工作，就開始讀取數據
3. cpu再發送一條指令說讀取內存的地址
   當收到這條指令後，cpu就不管了，他告訴一個叫DMA的總線，說接下來就靠你了。DMA設備會接管總線，負責將磁盤數據通過PCI總線，橋間總線，內存總線同步到內存指定位置

注:對於磁盤控制器式如何管理各個磁盤的，在之後篇幅進行描述

數據的讀寫過程

讀寫過程分兩頭，一頭將數據從各個盤面中讀取出來，一頭將數據送給計算機

1.從盤面中讀取數據
在磁盤中，順序讀取會比隨機讀取快很多。如果我們按順序遍歷磁盤的數據，那麼讀取順序是這樣的：
1.讀取0盤面的0磁道(最下面的盤面的最外磁道)，等盤面旋轉完一圈後，這個磁道被讀取完畢
2.切換到第二個盤面，讀第二塊盤面的最外面一個磁道，以此類推。
3.磁臂在向內移動一個磁道，重複剛剛過程，直到讀到最裏面的磁道

注：由於磁臂的移動要比盤面的切換要慢的多(一個是機械切換，一個是電子切換)，所以爲了減少磁臂的移動。如上的順序讀取是，先讀取一個柱面，再讀取下一個磁道

磁臂移動速度慢，剛剛是按順序讀取的時候，但往往在真實情況下，會有大量的隨機訪問的情況下，就需要考慮磁臂調度算法。例如RSS，FIFO，PRI，SSTF，SCAN/LOOK等

2.將數據送給計算機
從磁盤中讀取到數據，接下來我們磁盤通過什麼樣的接口跟計算機做交互？這個接口也叫磁盤管理協議

磁盤管理協議的定義又分成兩部分：軟件和硬件。其中軟件是指指令級，目前指令級就兩個：ATA和SCSI；硬件代表數據傳輸方式，一般都是主板上的導線傳輸原理，但並不限制，數據甚至可以通過TCP/IP傳輸。定義一個協議需要同時定義了指令級以及硬件傳輸方式

總結

1. 扇區，磁道（或柱面）和磁頭數構成了硬盤結構的基本參數
2. 讀寫一次磁盤信息所需的時間可分解爲：尋道時間、延遲時間、傳輸時間。爲提高磁盤傳輸效率，軟件應着重考慮減少尋道時間和延遲時間。
3. 比如講常用的數據存放在0磁道(最外面的磁道)，因爲這個扇區在最外層，角速度一樣，每秒走過的周長就越長，讀的數據就多。

以上介紹的是磁盤的物理存儲方式，接下來會有邏輯層面的數據管理。