硬盤的存儲原理和內(nèi)部架構(gòu)

1、硬盤的存儲原理和內(nèi)部架構(gòu) 2012-11-19 21:47:21分類： 服務(wù)器與存儲    本來想寫個文件系統(tǒng)的專題，結(jié)果發(fā)現(xiàn)對硬盤的內(nèi)部架構(gòu)和存儲原理還是比較模糊，因為不了解“一點”硬盤的存儲原理對文件系統(tǒng)的認識老是感覺鏡花水月，不踏實。經(jīng)過搜集整理資料就由了本文的問世。借用Bean_lee兄一句話：成果和榮耀歸于前輩。首先，讓我們看一下硬盤的發(fā)展史：· 1956年9月13日，IBM的IBM 350 RAMAC(Random Access Method of Accounting and Control)是現(xiàn)代硬盤的雛形，整個硬盤需要50個直

2、徑為24英寸表面涂有磁漿的盤片，它相當于兩個冰箱的體積，不過其存儲容量只有5MB。· 1971年，IBM開始采用一種名叫Merlin的技術(shù)生產(chǎn)硬盤，這種技術(shù)據(jù)稱能使硬盤頭更好地在盤片上索引。· 1973年，IBM 3340問世，主流采用采用紅色。這個大家伙每平方英寸存儲1.7MB的數(shù)據(jù)，在當時已經(jīng)創(chuàng)了一個紀錄。許多公司共享這些系統(tǒng)，需要時按照時間和存儲空間租用它。租賃價值為7.81美元每兆，這個價格比當時汽油的價格還貴38%。它擁有“溫徹斯特”這個綽號，也就是我們現(xiàn)在所熟知的“溫氏架構(gòu)”。來源于它兩個30MB的存儲單元，恰好是當時出名的“溫徹斯特來福槍”的口徑和填彈量。至此

3、，硬盤的基本架構(gòu)被確立。· 1979年，IBM發(fā)明了Thin Film磁頭，使硬盤的數(shù)據(jù)定位更加準確，因此使得硬盤的密度大幅提升。· 1980年，兩位前IBM員工創(chuàng)立的公司開發(fā)出5.25英寸規(guī)格的5MB硬盤，這是首款面向臺式機的產(chǎn)品，而該公司正是希捷公司（Seagate）公司。· 1982年，日立發(fā)布了全球首款容量超過1GB的硬盤。這就是容量為1.2GB的H-8598硬盤。這塊硬盤擁有10片14英寸盤片，兩個讀寫磁頭。· 1980年代末，IBM推出MR（Magneto Resistive磁阻）技術(shù)令磁頭靈敏度大大提升，使盤片的存儲密度較之前的20Mbps

4、i（bit/每平方英寸）提高了數(shù)十倍，該技術(shù)為硬盤容量的巨大提升奠定了基礎(chǔ)。1991年，IBM應(yīng)用該技術(shù)推出了首款3.5英寸的1GB硬盤。· 1970年到1991年，硬盤碟片的存儲密度以每年25%30%的速度增長；從1991年開始增長到60%80%；至今，速度提升到100%甚至是200%。從1997年開始的驚人速度提升得益于IBM的GMR（Giant Magneto Resistive，巨磁阻）技術(shù)，它使磁頭靈敏度進一步提升，進而提高了存儲密度。· 1993年，康諾（Conner Peripherals）推出了CP30344硬盤容量是340MB。· 1995年，為

5、了配合Intel的LX芯片組，昆騰與Intel攜手發(fā)布UDMA 33接口EIDE標準將原來接口數(shù)據(jù)傳輸率從16.6MB/s提升到了33MB/s。同年，希捷開發(fā)出液態(tài)軸承（FDB，F(xiàn)luid Dynamic Bearing）馬達。所謂的FDB就是指將陀螺儀上的技術(shù)引進到硬盤生產(chǎn)中，用厚度相當于頭發(fā)直徑十分之一的油膜取代金屬軸承，減輕了硬盤噪音與發(fā)熱量。· 1996年，希捷收購康諾（Conner Peripherals）· 1998年2月，UDMA 66規(guī)格面世。· 2000年10月，邁拓（Maxtor）收購昆騰。· 2003年1月，日立宣布完成20.5億美

6、元的收購IBM硬盤事業(yè)部計劃，并成立日立環(huán)球存儲科技公司（Hitachi Global StorageTechnologies, Hitachi GST）。· 2005年日立環(huán)儲和希捷都宣布了將開始大量采用磁盤垂直寫入技術(shù)（perpendicular recording），該原理是將平行于盤片的磁場方向改變?yōu)榇怪保?0度），更充分地利用的存儲空間。· 2005年12月21日，希捷宣布收購邁拓（Maxtor）。· 2007年1月，日立環(huán)球存儲科技宣布將會發(fā)售全球首只1Terabyte的硬盤，比原先的預(yù)定時間遲了一年多。硬盤的售價為399美元，平均每美分可以購得27.

7、5MB硬盤空間。· 2011年3月，西部數(shù)據(jù)以43億美元的價格，收購日立環(huán)球存儲科技。· 2011年4月，希捷宣布與三星強化策略伙伴關(guān)系。    從硬盤問世至今已經(jīng)過了56個年頭，不管是容量、體積還是生產(chǎn)工藝都較之前有了重大革新和改進，但一直都保持了“溫氏”的架構(gòu)(固態(tài)硬盤除外，它不是我們今天的主角)。經(jīng)過封裝后的硬盤，對我們一般呈現(xiàn)出如下的樣子：    背面：    打開后蓋：    硬盤主要由盤體、控制電路板和接口部件組成。盤體就是一個密封，封裝了多個盤片的腔體；控制電路包含硬盤BIOS，主

8、控芯片和硬盤緩存等單元；接口部件包含電源、數(shù)據(jù)接口主從跳線等。    硬盤的盤片一般采用合金材料，多數(shù)為鋁合金(IBM曾經(jīng)開發(fā)過玻璃材質(zhì)的盤片，好像現(xiàn)在有些廠家也生產(chǎn)玻璃材質(zhì)的盤片，但不多見)，盤面上涂著磁性材料，厚度一般在0.5mm左右。有些硬盤只裝一張盤片，有些則有多張。硬盤盤片安裝在主軸電機的轉(zhuǎn)軸上，在主軸電機的帶動下作高速旋轉(zhuǎn)。每張盤片的容量稱為單碟容量，而一塊硬盤的總?cè)萘烤褪撬斜P片容量的總和。早期硬盤由于單碟容量低，所以盤片較多。現(xiàn)代的硬盤盤片一般只有少數(shù)幾片。 盤片上的記錄密度很大，而且盤片工作時會高速旋轉(zhuǎn)，為保證其工作的穩(wěn)定，數(shù)據(jù)保存的長久，所以硬片都是密封

9、在硬盤內(nèi)部。不可自行拆卸硬盤，在普通環(huán)境下空氣中的灰塵、指紋、頭發(fā)絲等細小雜質(zhì)都會對硬盤造成永久損害。一個被大卸八塊的硬盤如下：    接下來我們了解一下硬盤的盤面，柱面，磁道和扇區(qū)的概念。     盤面    硬盤一般會有一個或多個盤片，每個盤片可以有兩個面(Side)，即第1個盤片的正面稱為0面，反面稱為1面；第2個盤片的正面稱為2面，反面稱為3面.依次類推。每個盤面對應(yīng)一個磁頭(head)用于讀寫數(shù)據(jù)。第一個盤面的正面的磁頭稱為0磁頭，背面稱為1磁頭；第二個盤片正面的磁頭稱為2磁頭，背面稱為3磁頭，以此類推。

10、盤面數(shù)和磁頭數(shù)是相等的。    一張單面的盤片需要一個磁頭，雙面的盤片則需要兩個磁頭。硬盤采用高精度、輕型磁頭驅(qū)動和定位系統(tǒng)。這種系統(tǒng)能使磁頭在盤面上快速移動，讀寫硬盤時，磁頭依靠磁盤的高速旋轉(zhuǎn)引起的空氣動力效應(yīng)懸浮在盤面上，與盤面的距離不到1微米(約為頭發(fā)直徑的百分之一)，可以在極短的時間內(nèi)精確定位到計算機指令指定的磁道上。    早期由于定位系統(tǒng)限制，磁頭傳動臂只能在盤片的內(nèi)外磁道之間移動。因此，不管開機還是關(guān)機，磁頭總在盤片上。所不同的是，關(guān)機時磁頭停留在盤片啟停區(qū)，開機時磁頭“飛行”在磁盤片上方。     

11、磁道    每個盤片的每個盤面被劃分成多個狹窄的同心圓環(huán)，數(shù)據(jù)就是存儲在這樣的同心圓環(huán)上，我們將這樣的圓環(huán)稱為磁道(Track)，每個盤面可以劃分多個磁道。關(guān)機時磁頭停留在硬盤的著陸區(qū)(Landing Zone)，這個著陸區(qū)以前是位于離盤心最近的區(qū)域，不存放任何數(shù)據(jù)。在后期的硬盤工藝中有些硬盤生產(chǎn)廠商將這個區(qū)域被移動到了盤片的外面，如下所示：    在每個盤面的最外圈，離盤心最遠的地方是“0”磁道，向盤心方向依次增長為1磁道，2磁道，等等。硬盤數(shù)據(jù)的存放就是從最外圈開始。     扇區(qū)    根

12、據(jù)硬盤規(guī)格的不同，磁道數(shù)可以從幾百到成千上萬不等。每個磁道上可以存儲數(shù)KB的數(shù)據(jù)，但計算機并不需要一次讀寫這么多數(shù)據(jù)。在這一這基礎(chǔ)上，又把每個磁道劃分成若干弧段，每段稱為一個扇區(qū)(Sector)。扇區(qū)是硬盤上存儲的物理單位，每個扇區(qū)可存儲128×2N次方（N0,1,2,3）字節(jié)的數(shù)據(jù)。從DOS時代起，每扇區(qū)是128×22512字節(jié)，現(xiàn)在已經(jīng)成了業(yè)界不成文的規(guī)定，也沒有哪個硬盤廠商試圖去改變這種約定。也就是說即使計算機只需要硬盤上存儲的某個字節(jié)，也須一次把這個字節(jié)所在的扇區(qū)中的全部512字節(jié)讀入內(nèi)存，再選擇所需的那個字節(jié)。扇區(qū)的編號是從1開始，而不是0，這一點需要注意。另外，

13、硬盤在劃分扇區(qū)時，和軟盤是有一定區(qū)別的。軟盤的一個磁道中，扇區(qū)號一般依次編排，如1號，2號，3號.以此類推。但在硬盤磁道中，扇區(qū)號是按照某個間隔跳躍著編排。比如，2號扇區(qū)并不是1號扇區(qū)后的按順序的第一個而是第八個，3號扇區(qū)又是2號扇區(qū)后的按順序的第八個，依此類推，這個“八”稱為交叉因子。    這個交叉因子的來歷有必要詳述一下，我們知道，數(shù)據(jù)讀取經(jīng)常需要按順序讀取一系列相鄰的扇區(qū)(邏輯數(shù)據(jù)相鄰)。如對磁道扇區(qū)按物理順序進行編號，很有可能出現(xiàn)當磁頭讀取完第一個扇區(qū)后，由于盤片轉(zhuǎn)速過快來不及讀取下一個扇區(qū)，(要知道物理相鄰扇區(qū)位置距離是極小的)，必須等待轉(zhuǎn)完一圈，這極大浪費了時

14、間。所以就用交叉來解決這個問題。增加了交叉因子后的扇區(qū)編號一般是下面這個樣子：    柱面    柱面其實是我們抽象出來的一個邏輯概念，前面說過，離盤心最遠的磁道為0磁道，依此往里為1磁道，2磁道，3磁道.，不同面上相同磁道編號則組成了一個圓柱面，即所稱的柱面(Cylinder)。這里要注意，硬盤數(shù)據(jù)的讀寫是按柱面進行，即磁頭讀寫數(shù)據(jù)時首先在同一柱面內(nèi)從0磁頭開始進行操作，依次向下在同一柱面的不同盤面(即磁頭上)進行操作，只有在同一柱面所有的磁頭全部讀寫完畢后磁頭才轉(zhuǎn)移到下一柱面，因為選取磁頭只需通過電子切換即可，而選取柱面則必須通過

15、機械切換。電子切換比從在機械上磁頭向鄰近磁道移動快得多。因此，數(shù)據(jù)的讀寫按柱面進行，而不按盤面進行。 讀寫數(shù)據(jù)都是按照這種方式進行，盡可能提高了硬盤讀寫效率。     簇    將物理相鄰的若干個扇區(qū)稱為了一個簇。操作系統(tǒng)讀寫磁盤的基本單位是扇區(qū)，而文件系統(tǒng)的基本單位是簇(Cluster)。在Windows下，隨便找個幾字節(jié)的文件，在其上面點擊鼠標右鍵選擇屬性，看看實際大小與占用空間兩項內(nèi)容，如大?。?5 字節(jié) (15 字節(jié))， 占用空間：4.00 KB (4，096 字節(jié))。這里的占用空間就是

16、你機器分區(qū)的簇大小，因為再小的文件都會占用空間，邏輯基本單位是4K，所以都會占用4K。 簇一般有這幾類大小4K，8K，16K，32K，64K等。簇越大存儲性能越好，但空間浪費嚴重。簇越小性能相對越低，但空間利用率高。NTFS格式的文件系統(tǒng)簇的大小為4K。    硬盤讀寫數(shù)據(jù)的過程    現(xiàn)代硬盤尋道都是采用CHS(Cylinder Head Sector)的方式，硬盤讀取數(shù)據(jù)時，讀寫磁頭沿徑向移動，移到要讀取的扇區(qū)所在磁道的上方，這段時間稱為尋道時間(seek time)。因讀寫磁頭的起始位置與目標位置之間的距離不同，尋道時間也不同。目前硬盤一

17、般為2到30毫秒，平均約為9毫秒。磁頭到達指定磁道后，然后通過盤片的旋轉(zhuǎn)，使得要讀取的扇區(qū)轉(zhuǎn)到讀寫磁頭的下方，這段時間稱為旋轉(zhuǎn)延遲時間(rotational latencytime)。     一個7200（轉(zhuǎn)/每分鐘）的硬盤，每旋轉(zhuǎn)一周所需時間為60×1000÷7200=8.33毫秒，則平均旋轉(zhuǎn)延遲時間為8.33÷2=4.17毫秒（平均情況下，需要旋轉(zhuǎn)半圈）。平均尋道時間和平均選裝延遲稱為平均存取時間。     所以，最后看一下硬盤的容量計算公式：    硬盤容量=盤面數(shù)×

18、柱面數(shù)×扇區(qū)數(shù)×512字節(jié)      在博文“Linux啟動過程分析”中我們提到過MBR，它是存在于硬盤的0柱面，0磁頭，1扇區(qū)里，占512字節(jié)的空間。這512字節(jié)里包含了主引導(dǎo)程序Bootloader和磁盤分區(qū)表DPT。其中Bootloader占446字節(jié)，分區(qū)表占64字節(jié)，一個分區(qū)要占用16字節(jié)，64字節(jié)的分區(qū)表只能被劃分4個分區(qū)，這也就是目前我們的硬盤最多只能支持4個分區(qū)記錄的原因。    即，如果你將硬盤分成4個主分區(qū)的話，必須確保所有的磁盤空間都被使用了(這不是廢話么)，一般情況下我們都是劃分一個主分區(qū)加

19、一個擴展分區(qū)，然后在擴展分區(qū)里再繼續(xù)劃分邏輯分區(qū)。當然，邏輯分區(qū)表也需要分區(qū)表，它是存在于擴展分區(qū)的第一個扇區(qū)里，所以邏輯分區(qū)的個數(shù)最多也只能有512/16=32個，并不是想分多少個邏輯分區(qū)都可以。    注意，我們所說的擴展分區(qū)也是要占用分區(qū)表項的。例如，如果我們的硬盤只劃分一個主分區(qū)和一個邏輯分區(qū)，此時的分區(qū)表的排列如下：   Device Boot      Start         End      Blocks   Id  System/dev/sda1   *