大話存儲——磁盤原理與技術筆記（一）

1.硬盤的組成

硬盤的組成：盤片、讀寫頭、馬達、底座、電路板等。

1.1 盤片

• 要求無塵、表面光滑平整
• 邏輯上被划分為柱面、磁道和扇區
  • 磁道是對盤面進行同心圓划分，最外圈為0道，每個盤片兩面都可用，每面包括300-1023個磁道，外圈讀寫快
  • 柱面是對多個盤的同位置同心圓的磁道構成的柱體，讀寫時按照柱面進行，首先讀寫0磁頭面的磁道，滿了后移動到同柱面的下一磁道中
  • 扇區是對每個磁道進行等距離的划分得到的圓弧，尋址時通過<柱面，磁頭，扇區>（CHS）方式。但目前主要使用的是LBA的編址方式，即將整個磁盤視為一條線性磁道，對應關系保存在磁盤控制電路的ROM芯片中
  • 扇區編號最簡單方法為直接順序編號，但由於磁盤電路讀取一個扇區數據進行處理的過程中，磁盤可能已經旋轉進入了下一個扇區的頭標，導致要讀取就需要再等一圈，因此產生了帶交叉因子的編號方式MFM。交叉因子為3：1的編號方式為1，x，x，2，...。磁頭扭斜為了解決磁頭換道可能延遲到達的問題，相當於是對每個磁道的交叉因子。

1.2 磁頭

磁頭用以改變磁盤表面的磁性粒子簇達到保存信息的目的，磁頭不可接觸盤面，需要低空飛行。

1.3 步進電機

可以使磁頭進行微米級別的位移。

1.4 其他概念

硬盤控制電路：介於存儲介質和主機的接口之間，用以讀取和寫入數據的電路

磁盤的IO單位：讀寫是以扇區為最小單位的，有512B和4KB的

2.硬盤相關高層技術

2.1 磁盤中的隊列技術

由於不同的指令可能訪問的區域涉及到不同的柱面磁道，為了減少磁頭的尋道時間引入了排隊技術，磁盤控制電路可能會無視順序而優先訪問相同區域的數據（個人理解這可能是和系統共同進行的指令重排優化？）。磁盤控制器（位於主板上）需要配合磁盤控制電路。

2.2 無序傳輸技術

假如磁頭位於數據尾部，采取就近原則能讀就讀，讀取的數據發給控制器，通過DMA放在內存，等旋轉到頭部再讀出剩余部分。

2.3 幾種可控磁頭掃描方式

（1）FCFS 先來先服務：完全按照IO順序進行尋道操作

（2）SSTF （Shortest Seek Time First）：優先到最近的磁道進行操作，因此特別遠的可能會被餓死

（3）SCAN 回旋掃描模式：類似電梯模型，從一端到另一端，無需訪問的磁道不停止，必然到達最內/外圈。

（4）C-SCAN 單向掃描模式：僅從內圈向外掃描，到達最外后迅速返回

（5）LOOK 智能監察掃描模式：和SCAN不同之處為無需到達最內外圈，完成兩端的IO即可返回

（6）C-LOOK：單向的LOOK

負載不高時SSTF性能最佳，高負載條件SCAN，C-SCAN，C-LOOK

2.4 磁盤緩存

SCSI控制參數

• DPO（Disable Page Out）：禁止緩存中的數據頁被換出，配置了的數據不會被覆蓋
• FUA（Force Unit Access）：強制盤片訪問，對於寫操作，磁盤必須將數據寫入盤片才返回成功信號；對於讀操作，磁盤收到指令直接讀取盤片而不搜索緩存

2.5 影響磁盤性能的因素

• 轉速（影響連續IO的首要因素）
• 尋道速度（影響隨機IO的首要因素）
• 單碟容量（容量越高，數據密度越大）
• 接口速度（不太重要）

3.硬盤接口技術

3.1 IDE硬盤接口

IDE（Integrated Drive Electronics，電子集成驅動器），本質上將控制電路、盤片和磁頭放在了一個容器。價格低，兼容性強。IDE接口也稱為PATA接口，Parallel ATA。

共有7個版本的ATA接口：

• IDE
• Fast ATA
• Fast ATA-2
• ATA-33
• ATA-66
• ATA-100
• ATA-133

IDE數據傳輸模式：

（1）PIO模式（Programming I/O）：一種通過CPU執行IO端口指令來進行數據讀寫的數據交換模式。傳輸大量數據是會導致CPU的大量占用問題。已淘汰。

（2）DMA模式（Direct Memory Access）：直接內存訪問，不經過CPU直接從內存存取數據的數據交換模式。CPU向DMA控制器下達指令，讓其來處理數據傳送，DMA控制器直接將數據復制到內存對應地址，然后反饋信息給CPU。

（3）Ultra DMA：在DMA的基礎上增加了CRC技術，保障數據傳輸安全。

3.2 SATA硬盤接口

SATA的優勢：

• 傳輸速率高：1.0可以達到150MB/s
• 數據可靠性高：可同時對指令和數據進行CRC
• 節省空間：線纜瘦，有利於機箱內部的散熱

SATA2.0的新特性：

• 3Gb/s傳輸速率：等同於300MB/s，但帶來的好處不明顯，因為硬盤內部的傳輸速率達不到該接口傳輸速度，內部更多的時間花在了尋道上，如果配較大容量的緩存可能好處會大一些
• 支持NCQ技術：Native Command Queue，即自身命令隊列，一種排隊技術

3.3 SCSI硬盤接口

// To Be Continued