硬盤(pán)存儲(chǔ)原理和內(nèi)部架構(gòu)

1、硬盤(pán)的存儲(chǔ)原理和內(nèi)部架構(gòu) 2012-11-19 21:47:21分類(lèi)： 服務(wù)器與存儲(chǔ)    本來(lái)想寫(xiě)個(gè)文件系統(tǒng)的專(zhuān)題，結(jié)果發(fā)現(xiàn)對(duì)硬盤(pán)的內(nèi)部架構(gòu)和存儲(chǔ)原理還是比較模糊，因?yàn)椴涣私狻耙稽c(diǎn)”硬盤(pán)的存儲(chǔ)原理對(duì)文件系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)老是感覺(jué)鏡花水月，不踏實(shí)。經(jīng)過(guò)搜集整理資料就由了本文的問(wèn)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(pán)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(pán)的雛形，整個(gè)硬盤(pán)需要50個(gè)直

2、徑為24英寸表面涂有磁漿的盤(pán)片，它相當(dāng)于兩個(gè)冰箱的體積，不過(guò)其存儲(chǔ)容量只有5MB。· 1971年，IBM開(kāi)始采用一種名叫Merlin的技術(shù)生產(chǎn)硬盤(pán)，這種技術(shù)據(jù)稱(chēng)能使硬盤(pán)頭更好地在盤(pán)片上索引。· 1973年，IBM 3340問(wèn)世，主流采用采用紅色。這個(gè)大家伙每平方英寸存儲(chǔ)1.7MB的數(shù)據(jù)，在當(dāng)時(shí)已經(jīng)創(chuàng)了一個(gè)紀(jì)錄。許多公司共享這些系統(tǒng)，需要時(shí)按照時(shí)間和存儲(chǔ)空間租用它。租賃價(jià)值為7.81美元每兆，這個(gè)價(jià)格比當(dāng)時(shí)汽油的價(jià)格還貴38%。它擁有“溫徹斯特”這個(gè)綽號(hào)，也就是我們現(xiàn)在所熟知的“溫氏架構(gòu)”。來(lái)源于它兩個(gè)30MB的存儲(chǔ)單元，恰好是當(dāng)時(shí)出名的“溫徹斯特來(lái)福槍”的口徑和填彈量。至此

3、，硬盤(pán)的基本架構(gòu)被確立。· 1979年，IBM發(fā)明了Thin Film磁頭，使硬盤(pán)的數(shù)據(jù)定位更加準(zhǔn)確，因此使得硬盤(pán)的密度大幅提升。· 1980年，兩位前IBM員工創(chuàng)立的公司開(kāi)發(fā)出5.25英寸規(guī)格的5MB硬盤(pán)，這是首款面向臺(tái)式機(jī)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(guò)1GB的硬盤(pán)。這就是容量為1.2GB的H-8598硬盤(pán)。這塊硬盤(pán)擁有10片14英寸盤(pán)片，兩個(gè)讀寫(xiě)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(pán)片的存儲(chǔ)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(pán)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(pán)。· 1970年到1991年，硬盤(pán)碟片的存儲(chǔ)密度以每年25%30%的速度增長(zhǎng)；從1991年開(kāi)始增長(zhǎng)到60%80%；至今，速度提升到100%甚至是200%。從1997年開(kāi)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(jìn)一步提升，進(jìn)而提高了存儲(chǔ)密度。· 1993年，康諾（Conner Peripherals）推出了CP30344硬盤(pán)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(biāo)準(zhǔn)將原來(lái)接口數(shù)據(jù)傳輸率從16.6MB/s提升到了33MB/s。同年，希捷開(kāi)發(fā)出液態(tài)軸承（FDB，F(xiàn)luid Dynamic Bearing）馬達(dá)。所謂的FDB就是指將陀螺儀上的技術(shù)引進(jìn)到硬盤(pán)生產(chǎn)中，用厚度相當(dāng)于頭發(fā)直徑十分之一的油膜取代金屬軸承，減輕了硬盤(pán)噪音與發(fā)熱量。· 1996年，希捷收購(gòu)康諾（Conner Peripherals）· 1998年2月，UDMA 66規(guī)格面世。· 2000年10月，邁拓（Maxtor）收購(gòu)昆騰。· 2003年1月，日立宣布完成20.5億美

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

7、5MB硬盤(pán)空間。· 2011年3月，西部數(shù)據(jù)以43億美元的價(jià)格，收購(gòu)日立環(huán)球存儲(chǔ)科技。· 2011年4月，希捷宣布與三星強(qiáng)化策略伙伴關(guān)系。    從硬盤(pán)問(wèn)世至今已經(jīng)過(guò)了56個(gè)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(jìn)，但一直都保持了“溫氏”的架構(gòu)(固態(tài)硬盤(pán)除外，它不是我們今天的主角)。經(jīng)過(guò)封裝后的硬盤(pán)，對(duì)我們一般呈現(xiàn)出如下的樣子：    背面：    打開(kāi)后蓋：    硬盤(pán)主要由盤(pán)體、控制電路板和接口部件組成。盤(pán)體就是一個(gè)密封，封裝了多個(gè)盤(pán)片的腔體；控制電路包含硬盤(pán)BIOS，主

8、控芯片和硬盤(pán)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(pán)的盤(pán)片一般采用合金材料，多數(shù)為鋁合金(IBM曾經(jīng)開(kāi)發(fā)過(guò)玻璃材質(zhì)的盤(pán)片，好像現(xiàn)在有些廠家也生產(chǎn)玻璃材質(zhì)的盤(pán)片，但不多見(jiàn))，盤(pán)面上涂著磁性材料，厚度一般在0.5mm左右。有些硬盤(pán)只裝一張盤(pán)片，有些則有多張。硬盤(pán)盤(pán)片安裝在主軸電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上，在主軸電機(jī)的帶動(dòng)下作高速旋轉(zhuǎn)。每張盤(pán)片的容量稱(chēng)為單碟容量，而一塊硬盤(pán)的總?cè)萘烤褪撬斜P(pán)片容量的總和。早期硬盤(pán)由于單碟容量低，所以盤(pán)片較多。現(xiàn)代的硬盤(pán)盤(pán)片一般只有少數(shù)幾片。 盤(pán)片上的記錄密度很大，而且盤(pán)片工作時(shí)會(huì)高速旋轉(zhuǎn)，為保證其工作的穩(wěn)定，數(shù)據(jù)保存的長(zhǎng)久，所以硬片都是密封

9、在硬盤(pán)內(nèi)部。不可自行拆卸硬盤(pán)，在普通環(huán)境下空氣中的灰塵、指紋、頭發(fā)絲等細(xì)小雜質(zhì)都會(huì)對(duì)硬盤(pán)造成永久損害。一個(gè)被大卸八塊的硬盤(pán)如下：    接下來(lái)我們了解一下硬盤(pán)的盤(pán)面，柱面，磁道和扇區(qū)的概念。     盤(pán)面    硬盤(pán)一般會(huì)有一個(gè)或多個(gè)盤(pán)片，每個(gè)盤(pán)片可以有兩個(gè)面(Side)，即第1個(gè)盤(pán)片的正面稱(chēng)為0面，反面稱(chēng)為1面；第2個(gè)盤(pán)片的正面稱(chēng)為2面，反面稱(chēng)為3面.依次類(lèi)推。每個(gè)盤(pán)面對(duì)應(yīng)一個(gè)磁頭(head)用于讀寫(xiě)數(shù)據(jù)。第一個(gè)盤(pán)面的正面的磁頭稱(chēng)為0磁頭，背面稱(chēng)為1磁頭；第二個(gè)盤(pán)片正面的磁頭稱(chēng)為2磁頭，背面稱(chēng)為3磁頭，以此類(lèi)推。

10、盤(pán)面數(shù)和磁頭數(shù)是相等的。    一張單面的盤(pán)片需要一個(gè)磁頭，雙面的盤(pán)片則需要兩個(gè)磁頭。硬盤(pán)采用高精度、輕型磁頭驅(qū)動(dòng)和定位系統(tǒng)。這種系統(tǒng)能使磁頭在盤(pán)面上快速移動(dòng)，讀寫(xiě)硬盤(pán)時(shí)，磁頭依靠磁盤(pán)的高速旋轉(zhuǎn)引起的空氣動(dòng)力效應(yīng)懸浮在盤(pán)面上，與盤(pán)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(shí)間內(nèi)精確定位到計(jì)算機(jī)指令指定的磁道上。    早期由于定位系統(tǒng)限制，磁頭傳動(dòng)臂只能在盤(pán)片的內(nèi)外磁道之間移動(dòng)。因此，不管開(kāi)機(jī)還是關(guān)機(jī)，磁頭總在盤(pán)片上。所不同的是，關(guān)機(jī)時(shí)磁頭停留在盤(pán)片啟停區(qū)，開(kāi)機(jī)時(shí)磁頭“飛行”在磁盤(pán)片上方。     

11、磁道    每個(gè)盤(pán)片的每個(gè)盤(pán)面被劃分成多個(gè)狹窄的同心圓環(huán)，數(shù)據(jù)就是存儲(chǔ)在這樣的同心圓環(huán)上，我們將這樣的圓環(huán)稱(chēng)為磁道(Track)，每個(gè)盤(pán)面可以劃分多個(gè)磁道。關(guān)機(jī)時(shí)磁頭停留在硬盤(pán)的著陸區(qū)(Landing Zone)，這個(gè)著陸區(qū)以前是位于離盤(pán)心最近的區(qū)域，不存放任何數(shù)據(jù)。在后期的硬盤(pán)工藝中有些硬盤(pán)生產(chǎn)廠商將這個(gè)區(qū)域被移動(dòng)到了盤(pán)片的外面，如下所示：    在每個(gè)盤(pán)面的最外圈，離盤(pán)心最遠(yuǎn)的地方是“0”磁道，向盤(pán)心方向依次增長(zhǎng)為1磁道，2磁道，等等。硬盤(pán)數(shù)據(jù)的存放就是從最外圈開(kāi)始。     扇區(qū)    根

12、據(jù)硬盤(pán)規(guī)格的不同，磁道數(shù)可以從幾百到成千上萬(wàn)不等。每個(gè)磁道上可以存儲(chǔ)數(shù)KB的數(shù)據(jù)，但計(jì)算機(jī)并不需要一次讀寫(xiě)這么多數(shù)據(jù)。在這一這基礎(chǔ)上，又把每個(gè)磁道劃分成若干弧段，每段稱(chēng)為一個(gè)扇區(qū)(Sector)。扇區(qū)是硬盤(pán)上存儲(chǔ)的物理單位，每個(gè)扇區(qū)可存儲(chǔ)128×2N次方（N0,1,2,3）字節(jié)的數(shù)據(jù)。從DOS時(shí)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(méi)有哪個(gè)硬盤(pán)廠商試圖去改變這種約定。也就是說(shuō)即使計(jì)算機(jī)只需要硬盤(pán)上存儲(chǔ)的某個(gè)字節(jié)，也須一次把這個(gè)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(gè)字節(jié)。扇區(qū)的編號(hào)是從1開(kāi)始，而不是0，這一點(diǎn)需要注意。另外，

13、硬盤(pán)在劃分扇區(qū)時(shí)，和軟盤(pán)是有一定區(qū)別的。軟盤(pán)的一個(gè)磁道中，扇區(qū)號(hào)一般依次編排，如1號(hào)，2號(hào)，3號(hào).以此類(lèi)推。但在硬盤(pán)磁道中，扇區(qū)號(hào)是按照某個(gè)間隔跳躍著編排。比如，2號(hào)扇區(qū)并不是1號(hào)扇區(qū)后的按順序的第一個(gè)而是第八個(gè)，3號(hào)扇區(qū)又是2號(hào)扇區(qū)后的按順序的第八個(gè)，依此類(lèi)推，這個(gè)“八”稱(chēng)為交叉因子。    這個(gè)交叉因子的來(lái)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(duì)磁道扇區(qū)按物理順序進(jìn)行編號(hào)，很有可能出現(xiàn)當(dāng)磁頭讀取完第一個(gè)扇區(qū)后，由于盤(pán)片轉(zhuǎn)速過(guò)快來(lái)不及讀取下一個(gè)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(fèi)了時(shí)

14、間。所以就用交叉來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。增加了交叉因子后的扇區(qū)編號(hào)一般是下面這個(gè)樣子：    柱面    柱面其實(shí)是我們抽象出來(lái)的一個(gè)邏輯概念，前面說(shuō)過(guò)，離盤(pán)心最遠(yuǎn)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(hào)則組成了一個(gè)圓柱面，即所稱(chēng)的柱面(Cylinder)。這里要注意，硬盤(pán)數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)是按柱面進(jìn)行，即磁頭讀寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)首先在同一柱面內(nèi)從0磁頭開(kāi)始進(jìn)行操作，依次向下在同一柱面的不同盤(pán)面(即磁頭上)進(jìn)行操作，只有在同一柱面所有的磁頭全部讀寫(xiě)完畢后磁頭才轉(zhuǎn)移到下一柱面，因?yàn)檫x取磁頭只需通過(guò)電子切換即可，而選取柱面則必須通過(guò)

15、機(jī)械切換。電子切換比從在機(jī)械上磁頭向鄰近磁道移動(dòng)快得多。因此，數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)按柱面進(jìn)行，而不按盤(pán)面進(jìn)行。 讀寫(xiě)數(shù)據(jù)都是按照這種方式進(jìn)行，盡可能提高了硬盤(pán)讀寫(xiě)效率。     簇    將物理相鄰的若干個(gè)扇區(qū)稱(chēng)為了一個(gè)簇。操作系統(tǒng)讀寫(xiě)磁盤(pán)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(gè)幾字節(jié)的文件，在其上面點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵選擇屬性，看看實(shí)際大小與占用空間兩項(xiàng)內(nèi)容，如大小：15 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(jī)器分區(qū)的簇大小，因?yàn)樵傩〉奈募紩?huì)占用空間，邏輯基本單位是4K，所以都會(huì)占用4K。 簇一般有這幾類(lèi)大小4K，8K，16K，32K，64K等。簇越大存儲(chǔ)性能越好，但空間浪費(fèi)嚴(yán)重。簇越小性能相對(duì)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(pán)讀寫(xiě)數(shù)據(jù)的過(guò)程    現(xiàn)代硬盤(pán)尋道都是采用CHS(Cylinder Head Sector)的方式，硬盤(pán)讀取數(shù)據(jù)時(shí)，讀寫(xiě)磁頭沿徑向移動(dòng)，移到要讀取的扇區(qū)所在磁道的上方，這段時(shí)間稱(chēng)為尋道時(shí)間(seek time)。因讀寫(xiě)磁頭的起始位置與目標(biāo)位置之間的距離不同，尋道時(shí)間也不同。目前硬盤(pán)一

17、般為2到30毫秒，平均約為9毫秒。磁頭到達(dá)指定磁道后，然后通過(guò)盤(pán)片的旋轉(zhuǎn)，使得要讀取的扇區(qū)轉(zhuǎn)到讀寫(xiě)磁頭的下方，這段時(shí)間稱(chēng)為旋轉(zhuǎn)延遲時(shí)間(rotational latencytime)。     一個(gè)7200（轉(zhuǎn)/每分鐘）的硬盤(pán)，每旋轉(zhuǎn)一周所需時(shí)間為60×1000÷7200=8.33毫秒，則平均旋轉(zhuǎn)延遲時(shí)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(shí)間和平均選裝延遲稱(chēng)為平均存取時(shí)間。     所以，最后看一下硬盤(pán)的容量計(jì)算公式：    硬盤(pán)容量=盤(pán)面數(shù)×

18、柱面數(shù)×扇區(qū)數(shù)×512字節(jié)      在博文“Linux啟動(dòng)過(guò)程分析”中我們提到過(guò)MBR，它是存在于硬盤(pán)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(pán)分區(qū)表DPT。其中Bootloader占446字節(jié)，分區(qū)表占64字節(jié)，一個(gè)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(gè)分區(qū)，這也就是目前我們的硬盤(pán)最多只能支持4個(gè)分區(qū)記錄的原因。    即，如果你將硬盤(pán)分成4個(gè)主分區(qū)的話，必須確保所有的磁盤(pán)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(gè)主分區(qū)加

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