计算机基础-磁盘

I/O操作、文件系统当然是计算机中非常重要的概念，想更深刻的理解这些概念，我认为很有必要了解支撑其实现的硬件，就来说一说磁盘。

磁盘现在已经是当前计算机组成不可或缺的一部分了，它在存储器层次结构中的底层（特点存储量大，价格便宜，访问速度慢），它承载着文件，比如操作系统这样的软件也是待在磁盘上的。

物理构造

早期我们用计算机的同学更多用台式机，机箱子里各种各样的设备我们大都拆开看过，硬盘也不会陌生，一个长方体扁形密封的硬铁皮块，通过SCSI或SATA接口连到I/O总线上。 看下内部构造：

磁盘是由一个或多个盘片组成，每个盘片有上下两个表面，表面上覆盖着磁性材料，来存储二进制信息。盘片中间有一个可以旋转的主轴，它让盘片以固定的速率旋转，磁盘的一个重要参数RPM（每分钟多少转），通常是5400~15000RPM。

一个盘片的构造如图：

这里涉及几个重要参数概念。如图，每个磁盘表面是由一组称作磁道(Track)的同心圆组成。每个磁道被划分为一组扇区(Sector)。每个扇区包含相等数量的数据（通常是512byte），这些数据被编码在扇区上的磁性材料中。扇区之间有一些间隙（Gaps）分隔开，间隙中没有磁性材料就没有数据存储。

多个盘片的示意图：

磁盘一般有一个或者多个盘片，有时我们把磁盘称作旋转磁盘，由中间的主轴旋转。这区别于SSD的固态硬盘，SSD是基于闪存的，没有移动部分，非机械装置。 还有一个概念是柱面(Cylinder)，柱面是所有盘片表面上到主轴中心距离相等的磁道的集合。如图，该磁盘有3个盘片，6个表面（每个盘两个面），那么柱面k，就是6个磁道k的集合。

磁盘容量

磁盘可以记录的最大位数就是它的容量。容量是由以下几个因素决定的：

  1. 记录密度：磁道单位长度能存多少位的数据。
  2. 磁道密度：这是指距离盘片中心，一个单位长度内，一个盘片有多少个磁道数。
  3. 面密度：由1、2这两个基本参数相乘。

困扰我好长时间的一个疑问

我们都知道同一个扇区存的数据量一样，比如512字节。但是盘片是圆形的，越靠外，扇区的面积应该越大，为什么数据量一样？我之前的理解是那只能让靠外的磁性材料的密度变低，这样逐层变低，工艺要求太高了吧。。

直到最近看了磁盘相关知识才明白。其实前边说的Gaps间隙的概念就能解释这个问题了，每个扇区之间有间隔，并非都是充满了磁性材料，所以能让每个扇区存储数据一样多。

容量计算

理解了磁盘的构造和几个概念，能得到一个磁盘的容量如何计算：

容量 = 每个扇区的字节数 * 每个磁道的扇区数 * 每个盘片表面的磁道数 * 每个盘片的表面数 * 盘片数

比如有一个磁盘，有5个盘片（2个面），每个扇区512字节，每个面20000个磁道，每条磁道平均300个扇区。

容量 = 512 * 300 * 20000 * 2 * 5 = 30720000000 byte = 30.72GB

磁盘厂商在计数上，1M=1000KB，1KB=1000Byte

磁盘操作

磁盘利用读写头来读写存储在磁盘表面的位，读写头连在一个传动臂的一端，读写头不是贴在盘面上，实际在盘面的上方大约0.1微米的高度位置飞奔。。通过移动这个传动臂，读写头可以定位在任何一个磁道上，通过磁盘的旋转，则可以定位在任何一个扇区上。

定位磁道的这种机械动作称为寻道(seek)。 有多个盘片的磁盘在每个盘面都有一个独立的读写头，读写头垂直排列，一致行动，因此任一时刻，所有的读写头都在一个柱面上。

切换磁道需要利用传动臂的机械装置，而切换磁头是利用电子信号，因此为了更快写数据，先写同一柱面，柱面满了切下一磁道。

如图：

磁盘以扇区大小的块来读写数据。对扇区的的访问时间有三个主要的部分组成： 寻道时间、旋转时间、传送时间。

  • 寻道时间：

    【切换磁道的时间】为了读取某个扇区的数据，磁盘先是要找到扇区所属的磁道。那么传动臂就要移动到磁道上，显然这个时间要依赖当前读写头在哪个磁道上，以及读写头移动的速度。通常厂商是对几千次的随机寻道的平均时间来衡量的，一般是3-9ms。最大可以高达20ms。

  • 旋转时间：

    【转半圈花的时间】定位了所属磁道以后，开始等待该扇区的第一个位到来。这个依赖于当前读写头切到磁道后距离目标扇区的位置，以及盘片的旋转速度。最差的性能(最大的时间)是，当切到目标磁道后，读写头刚好在目标扇区后，那就得再等一圈。平均旋转时间=最大时间/2。 T(max rotation) = 1/RPM * 60s/M

  • 传送时间：

    【转过目标扇区花的时间】定位到目标扇区的第一个位以后，开始读写数据。转过该目标扇区需要的时间，依赖于转动速度以及每个磁道有多少个扇区数。 T(trans) = T(max rotation) * 1/单个磁道的平均扇区数

举个栗子：

参数 值
旋转速率 7200 RPM
平均寻道时间 9ms
每个磁道平均扇区数 400

平均旋转延迟 T(avg)=T(max)/2 = 1/7200 * 60 * 1/2 * 1000 ms= 4ms

平均传送时间 T = 1/7200 * 60 * 1/400 * 1000ms = 0.02ms

平均访问时间 = 9ms + 4ms + 0.02ms = 13.02ms

可以看出几个问题：

  1. 传送延迟的时间某种程度可以忽略，主要是寻道时间+旋转延迟。
  2. 2倍的寻道时间可以简单当成访问时间的估计。
  3. 磁盘的访问速度和DRAM相差1000以上的数量级。

逻辑磁盘块

由于磁盘构造的复杂性，而为了屏蔽操作系统访问磁盘的复杂性，考虑要虚拟化磁盘资源。一个有N个扇区大小的逻辑块的序列，0、1、2、、、N-1。磁盘内部有一个关键的固件设备就是磁盘控制器，它维护着逻辑块号和真实磁盘扇区之间的映射。磁盘控制器就是充当磁盘对外访问控制的媒介。

磁盘读写原理

当操作系统要执行一个IO操作时，比如读一个扇区的数据给内存，操作系统会发送一个读命令给磁盘控制器，让它读某个逻辑块号。控制器上的固件执行一个快速表查找，将一个逻辑块号翻译成一个CHS三元组（Cylinder柱面，Header 磁头[盘片面]，Sector扇区），唯一标识对应的物理扇区位置。磁盘定位到目标位置读取，放到控制器上的一个小缓冲区中，然后把他们再复制到主存中。