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[26384] 2021-03-05_D盘里的秘密

文档创建者：s7ckTeam
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最后更新：2025-01-19
2021-03-05_D盘里的秘密 D 盘 里 的 秘 密 L i n u x 学 习   2 0 2 1 - 0 3 - 0 5 以 下 文 章 来 源 于 y e s 的 练 级 攻 略   ， 作 者 是 Y e s 呀 来 自 公 众 号 ： 来 自 公 众 号 ： y e s 的 练 级 攻 略 的 练 级 攻 略 硬 盘 这 东 西 想 必 我 们 都 相 当 的 熟 悉 ， 它 存 放 了 我 们 很 多 学 习 资 料 学 习 资 料 ， 还 经 常 因 为 访 问 速 度 慢 而 被 诸 多 文 章 拿 出 来 “ 鞭 挞 ” 。 我 找 了 个 网 站 ， 这 个 网 站 展 示 了 从   1 9 9 0   开 始 到   2 0 2 0   不 同 介 质 数 据 访 问 的 延 迟 时 间 。 我 翻 了 一 遍 介 质 自 身 速 度 的 数 量 级 没 有 变 化 ， 内 存 访 问 延 迟 从   2 0 7 n s   到   1 0 0 n s ， 硬 盘 从   1 9 m s   到 了   2 m s ， 但 是 介 质 之 间 的 访 问 速 度 还 是 差 了 几 个 数 量 级 。 不 过 上 述 我 圈 出 来 的 是 随 机 访 问 ， 顺 序 访 问 的 话 不 会 差 这 么 多 ， 想 要 知 道 为 什 么 ， 那 就 需 要 了 解 下 硬 盘 的 构 造 。 当 然 ， 我 今 天 提 到 的 硬 盘 指 的 是 机 械 硬 盘 我 今 天 提 到 的 硬 盘 指 的 是 机 械 硬 盘 ， 固 态 硬 盘 本 文 暂 不 涉 及 。 之 所 以 写 这 篇 文 章 是 因 为 我 之 前 一 直 对 磁 道 、 柱 面 、 扇 区 等 一 些 东 西 存 在 疑 惑 ， 比 如 ： 为 什 么 会 搞 出 柱 面 这 么 个 概 念 ？ 磁 道 到 底 指 的 是 哪 里 ？ 扇 区 是 等 分 的 ？ . . . . . 等 等 所 以 今 儿 咱 们 来 理 一 理 ， 按 照 我 的 习 惯 我 们 还 是 先 简 单 的 看 下 历 史 。 硬 盘 简 史 硬 盘 简 史 1 9 5 6   年   9   月   1 4   号 ， 世 界 第 一 台 磁 盘 存 储 设 备   I B M   3 0 5   R A M A C   诞 生 ， 这 个 设 备 用 盘 片 来 存 储 数 据 ， 用 磁 头 来 读 写 数 据 ， 不 过 碍 于 当 时 的 技 术 ， 这 体 积 确 实 有 点 大 ， 大 约 有 两 个 冰 箱 那 么 大 ， 来 看 下 图 就 知 道 了 。 y e s 的 练 级 攻 略 的 练 级 攻 略   . 用 接 地 气 的 话 来 分 享 一 些 后 端 技 术 或 写 一 些 想 写 的 。
中 间 的 历 史 我 看 了 看 对 我 们 没 啥 用 ， 咱 们 就 快 进 到   1 9 7 3   年 ， 那 年   I B M   推 出 了 一 个 代 号 称 为   「 温 切 斯 特 」 的 硬 盘 。 这 种 硬 盘 的 特 点 就 是 磁 头 和 磁 片 装 在 一 个 密 闭 空 间 里 ， 当 磁 片 高 速 自 传 之 后 磁 头 会 因 为 空 气 动 力 而 悬 浮 起 来 磁 头 和 磁 片 装 在 一 个 密 闭 空 间 里 ， 当 磁 片 高 速 自 传 之 后 磁 头 会 因 为 空 气 动 力 而 悬 浮 起 来 ， 然 后 磁 头 臂 会 操 作 磁 头 沿 着 盘 片 划 圆 弧 状 移 动 。 咱 们 现 在 的 机 械 硬 盘 就 是 这 样 运 行 的 ， 这 么 多 年 过 去 了 ， 还 是 典 型 的 「 温 切 斯 特 」 结 构 ， 也 称 为 温 盘 。 至 于 为 什 么 取 这 个 代 号 ， 是 因 为 当 时 研 究 出 来 的 那 个 硬 盘 拥 有 两 个   3 0 M B   的 存 储 单 元 ， 而 「 温 切 斯 特 来 福 枪 」 的 口 径 和 装 药 也 刚 好 都 是   3 0   ， 所 以 代 号 就 为   「 温 切 斯 特 」 。 历 史 咱 们 就 了 解 到 这 一 步 差 不 多 了 ， 接 下 来 看 看 硬 盘 的 内 部 结 构 。 硬 盘 的 结 构 硬 盘 的 结 构 先 来 看 看 硬 盘 的 真 实 样 子 ， 我 就 标 注 了 一 些 重 点 部 位 。 我 先 简 述 一 下 硬 盘 是 怎 么 运 行 的 。
通 电 之 后 主 轴 带 动 盘 片 开 始 旋 转 ， 到 达 一 定 转 速 之 后 磁 头 就 会 悬 浮 在 盘 片 上 方 ， 然 后 磁 头 臂 就 可 以 控 制 磁 头 做 圆 弧 形 的 移 动 ， 通 过 盘 片 的 旋 转 和 磁 头 的 移 动 就 可 能 访 问 到 盘 片 上 任 意 地 方 的 数 据 。 这 里 可 能 有 人 就 会 有 疑 问 ， 为 什 么 要 让 磁 头 浮 起 来 ？ 首 先 磁 头 和 盘 片 触 碰 的 话 就 会 有 摩 擦 ， 摩 擦 久 了 之 后 肯 定 会 有 磨 损 ， 磨 损 了 之 后 数 据 不 就 没 了 ？ 其 次 有 摩 擦 力 之 后 转 速 肯 定 就 慢 了 ， 那 磁 盘 的 访 问 速 度 也 就 慢 了 。 所 以 悬 浮 很 关 键 ， 而 磁 头 悬 浮 的 高 度 比 头 发 丝 还 细 ， 约   0 . 1 微 米 ， 如 果 有 灰 尘 进 去 可 能 会 导 致 磁 头 和 盘 片 磨 损 ， 这 也 是 硬 盘 需 要 密 封 的 原 因 。 那 刚 启 动 的 时 候 磁 头 不 是 和 盘 片 接 触 的 吗 ？ 是 的 ， 你 说 的 没 错 ， 所 以 人 们 就 想 了 个 法 子 ， 也 就 是 磁 头 停 靠 点 ， 也 就 是 上 面 图 中 画 的 地 方 。 当 通 电 之 后 等 达 到 一 定 转 速 磁 头 才 会 移 动 到 盘 片 上 ， 等 断 电 之 后 靠 着 电 容 剩 余 的 电 量 会 把 磁 头 移 到 停 靠 处 ， 这 样 每 次 启 动 就 不 会 磨 损 啦 ！ 还 有 一 种 停 靠 方 式 是 在 盘 片 内 圈 搞 了 个 不 存 数 据 的 地 方 ， 材 质 都 不 一 样 ， 专 门 给 磁 头 停 靠 。 为 了 在 公 众 号 插 入 视 频 ， 我 还 在 腾 讯 视 频 上 传 了 个 视 频 ， 来 自 维 基 百 科 的 硬 盘 运 行 视 频 ， 这 个 视 频 硬 盘 的 停 靠 应 该 就 是 第 二 种 方 式 。 来 看 下 这 个 视 频
大 致 清 晰 硬 盘 是 如 何 运 行 之 后 ， 我 们 再 来 深 入 一 下 。 这 里 我 本 来 想 自 己 画 图 的 ， 但 是 个 人 画 画 水 平 有 限 ， 人 家 画 的 太 好 了 . . . 所 以 就 搬 来 了 ， 哈 哈 哈 。 先 来 看 下 盘 面 。 A   就 是 磁 道 ， 盘 面 就 是 由 磁 道 这 样 的 一 组 同 心 圆 构 成 ， 注 意 是 标 红 部 位 ， 是 个 环 ， 有 横 截 面 的 ， 有 些 参 考 书 标 记 到 线 上 去 了 . . . . B   是 扇 面 ， C   就 是 扇 区 ， 每 个 磁 道 都 会 被 划 分 成 一 组 扇 区 ， 每 个 扇 区 包 含 相 等 数 量 的 数 据 位 ， 一 般 为   5 1 2   字 节 ， 是 硬 盘 存 储 数 据 最 基 本 的 单 位 。 D   是 簇 ， 即 多 个 扇 区 组 成 的 ， 像   D O S   就 是 以 簇 为 单 位 为 文 件 分 配 磁 盘 空 间 的 。
从 图 中 看 ， 扇 区 好 像 是 连 续 着 的 ， 其 实 不 然 ， 扇 区 之 间 其 实 有 间 隙 ， 这 些 间 隙 是 用 来 标 识 扇 区 的 格 式 化 位 的 ， 不 会 存 储 数 据 。 不 知 看 到 这 大 家 是 否 有 点 疑 惑 ， 每 个 扇 区 包 含 相 等 的 数 据 位 ， 那 明 显 距 离 圆 心 更 近 的 同 心 圆 扇 区 看 起 来 能 存 的 数 明 显 距 离 圆 心 更 近 的 同 心 圆 扇 区 看 起 来 能 存 的 数 据 比 最 外 围 的 扇 区 小 很 多 据 比 最 外 围 的 扇 区 小 很 多 ， 那 岂 不 是 外 围 的 数 据 位 要 迁 就 最 内 部 的 ？ 是 的 。 为 了 让 每 个 磁 道 都 有 相 等 的 扇 区 数 ， 外 圈 磁 道 的 扇 区 之 间 间 隔 很 大 ， 不 过 以 前 硬 盘 的 数 据 存 储 密 度 很 低 ， 所 以 还 能 接 受 。 而 随 着 硬 盘 存 储 密 度 的 上 升 这 样 就 造 成 了 极 大 的 浪 费 ， 因 此 就 搞 了 个     技 术 ， 目 的 就 是 在 外 圈 磁 道 上 放 置 比 内 圈 磁 道 更 多 的 扇 区 ， 看 下 这 个 图 就 明 白 了 。 z o n e d - b i t   r e c o r d i n g
具 体 怎 么 实 现 我 就 不 展 开 了 ， 这 不 重 要 。 重 要 的 是 解 惑 ， 并 不 是 像 有 些 书 上 说 的 ， 死 板 的 按 照 最 内 圈 的 扇 区 数 来 确 定 所 有 磁 道 的 扇 区 数 并 不 是 像 有 些 书 上 说 的 ， 死 板 的 按 照 最 内 圈 的 扇 区 数 来 确 定 所 有 磁 道 的 扇 区 数 。 硬 盘 通 常 由 一 个 或 者 多 个 盘 片 组 成 。 例 如 下 图 就 有 三 个 盘 片 ， 每 个 盘 片 有 上 下 两 个 盘 面 ， 对 应 的 会 有 六 个 磁 头 。 磁 头 号 从 上 到 下 以   0   开 始 计 数 ， 由 磁 头 臂 带 领 着 磁 头 做 圆 弧 形 运 动 。 每 个 盘 面 的 磁 道 也 由   0   开 始 计 数 ， 相 同 编 号 的 磁 道 组 成 的 区 域 称 之 为 柱 面 ， 发 挥 下 想 象 力 应 该 可 以   g e t   到 ， 我 再 贴 个 图 助 力 一 下 。
为 什 么 要 有 柱 面 这 一 术 语 呢 ？ 因 为 几 个 磁 头 其 实 都 是 依 靠 同 一 个 磁 头 臂 运 动 的 ， 所 以 要 转 就 一 起 转 ， 并 且 都 是 一 个 角 度 。 因 此 想 要 数 据 读 取 的 快 ， 那 么 数 据 就 应 该 在 统 一 柱 面 上 顺 序 存 储 。 比 如 最 上 面 的 盘 面 的 第   1   个 磁 道 上 写 不 下 了 ， 那 继 续 写 到 背 部 的 第 二 个 盘 面 上 ， 这 样 磁 头 臂 只 要 寻 道 一 次 即 可 ， 读 数 据 的 时 候 也 只 要 寻 道 一 次 即 可 。 从 这 里 我 们 也 可 以 知 道 如 果 一 个 硬 盘 的 盘 片 越 多 ， 速 度 就 越 快 一 个 硬 盘 的 盘 片 越 多 ， 速 度 就 越 快 。 硬 盘 访 问 的 时 间 硬 盘 访 问 的 时 间 从 上 文 我 们 已 经 知 道 硬 盘 是 以 扇 区 为 基 本 单 位 的 ， 所 以 硬 盘 的 访 问 就 是 要 找 到 对 应 的 扇 区 。 盘 片 的 表 面 是 磁 性 的 ， 盘 片 随 着 主 轴 旋 转 而 转 动 ， 当 要 访 问 某 个 扇 区 的 时 候 首 先 要 转 动 磁 头 臂 找 到 对 应 的 磁 道 ， 这 叫 寻 道 时 间 寻 道 时 间 。 这 时 盘 片 还 是 在 旋 转 中 的 ， 磁 头 可 以 感 知 到 下 方 数 据 位 上 的 值 ， 等 旋 转 到 目 标 扇 区 的 时 候 就 晓 得 该 读 / 写 数 据 了 ， 这 个 时 间 称 为 旋 转 时 间 旋 转 时 间 。 所 以 我 们 买 硬 盘 的 时 候 会 看 到     7 2 0 0 R P M 、 1 5 0 0 0 R P M   啥 的 ， 转 的 越 快 磁 盘 找 到 扇 区 的 时 间 就 越 短 。 最 后 就 是 读 取 数 据 的 传 送 时 间 了 传 送 时 间 了 。 所 以 硬 盘 数 据 访 问 延 迟 就 是 这 三 个 时 间 相 加 ， 而 最 慢 的 就 是 寻 道 时 间 ， 我 给 下   C S A P P   提 供 的 数 据 ： 总 延 时 = 寻 道 时 间 + 旋 转 时 间 + 传 送 时 间 = 9 m s + 4 m s + 0 . 0 2 m s = 1 3 . 0 2 m s 当 然 不 同 的 硬 盘 总 延 时 肯 定 不 一 样 ， 反 正 知 道 寻 道 时 间 最 慢 就 行 了 。 逻 辑 磁 盘 块 逻 辑 磁 盘 块 从 上 述 的 物 理 结 构 我 们 已 经 知 道 需 要 找 到 盘 面 ， 再 找 到 磁 道 ， 最 后 找 到 扇 区 才 能 读 取 数 据 ， 有 点 复 杂 。 没 必 要 把 这 么 不 友 好 的 访 问 姿 势 暴 露 给 操 作 系 统 ， 所 以 就 搞 了 个 逻 辑 磁 盘 块 ， 屏 蔽 了 底 层 访 问 的 细 节 ， 提 供 编 号   0 、 1 、 2 . . . . . n   这 样 的 逻 辑 块 序 列 来 对 应 具 体 的 物 理 块 。 这 样 操 作 系 统 要 访 问 磁 盘 就 很 舒 服 了 ， 不 过 最 终 还 是 要 找 到 对 应 的 扇 区 的 ， 而 磁 盘 控 制 器 磁 盘 控 制 器 就 维 护 了 逻 辑 块 和 实 际 物 理 扇 区 的 映 射 关 系 。
磁 盘 控 制 器 属 于 硬 盘 里 面 的 一 个 硬 件 ， 它 会 将 逻 辑 块 翻 译 成 ： 盘 面 、 磁 道 、 扇 区 这 么 一 个 三 元 组 磁 盘 控 制 器 属 于 硬 盘 里 面 的 一 个 硬 件 ， 它 会 将 逻 辑 块 翻 译 成 ： 盘 面 、 磁 道 、 扇 区 这 么 一 个 三 元 组 。 至 此 平 时 我 们 说 的 逻 辑 块 与 硬 盘 的 物 理 访 问 也 对 应 上 了 。 最 后 最 后 身 为 普 通 程 序 员 我 觉 得 对 硬 盘 的 了 解 到 这 个 地 步 就 差 不 多 了 ， 该 知 道 的 都 知 道 了 。 如 果 有 什 么 纰 漏 指 出 欢 迎 指 正 ！ 推 荐 推 荐 ↓ ↓ ↓ 运 维 运 维
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