大話儲存——磁碟原理與技術筆記（一）

Junzz發表於2021-07-16
筆記

大話儲存——磁碟原理與技術筆記（一）

1.硬碟的組成

硬碟的組成：碟片、讀寫頭、馬達、底座、電路板等。

1.1 碟片

  • 要求無塵、表面光滑平整
  • 邏輯上被劃分為柱面、磁軌和扇區
    • 磁軌是對盤面進行同心圓劃分，最外圈為0道，每個碟片兩面都可用，每面包括300-1023個磁軌，外圈讀寫快
    • 柱面是對多個盤的同位置同心圓的磁軌構成的柱體，讀寫時按照柱面進行，首先讀寫0磁頭面的磁軌，滿了後移動到同柱面的下一磁軌中
    • 扇區是對每個磁軌進行等距離的劃分得到的圓弧，定址時通過<柱面，磁頭，扇區>（CHS）方式。但目前主要使用的是LBA的編址方式，即將整個磁碟視為一條線性磁軌，對應關係儲存在磁碟控制電路的ROM晶片中
    • 扇區編號最簡單方法為直接順序編號，但由於磁碟電路讀取一個扇區資料進行處理的過程中，磁碟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，相當於是對每個磁軌的交叉因子。

1.2 磁頭

磁頭用以改變磁碟表面的磁性粒子簇達到儲存資訊的目的，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

硬碟控制電路：介於儲存介質和主機的介面之間，用以讀取和寫入資料的電路

磁碟的IO單位：讀寫是以扇區為最小單位的，有512B和4KB的

2.硬碟相關高層技術

2.1 磁碟中的佇列技術

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

2.2 無序傳輸技術

假如磁頭位於資料尾部，採取就近原則能讀就讀，讀取的資料發給控制器，通過DMA放在記憶體，等旋轉到頭部再讀出剩餘部分。

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）：優先到最近的磁軌進行操作，因此特別遠的可能會被餓死

（3）SCAN 迴旋掃描模式：類似電梯模型，從一端到另一端，無需訪問的磁軌不停止，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，到達最外後迅速返回

（5）LOOK 智慧監察掃描模式：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效能最佳，高負載條件SCAN，C-SCAN，C-LOOK

2.4 磁碟快取

SCSI控制引數

  • DPO（Disable Page Out）：禁止快取中的資料頁被換出，配置了的資料不會被覆蓋
  • FUA（Force Unit Access）：強制碟片訪問，對於寫操作，磁碟必須將資料寫入碟片才返回成功訊號；對於讀操作，磁碟收到指令直接讀取碟片而不搜尋快取

2.5 影響磁碟效能的因素

  • 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，資料密度越大）
  • 介面速度（不太重要）

3.硬碟介面技術

3.1 IDE硬碟介面

IDE（Integrated Drive Electronics，電子整合驅動器），本質上將控制電路、碟片和磁頭放在了一個容器。價格低，相容性強。IDE介面也稱為PATA介面，Parallel ATA。

共有7個版本的ATA介面：

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

IDE資料傳輸模式：

（1）PIO模式（Programming I/O）：一種通過CPU執行IO埠指令來進行資料讀寫的資料交換模式。傳輸大量資料是會導致CPU的大量佔用問題。已淘汰。

（2）DMA模式（Direct Memory Access）：直接記憶體訪問，不經過CPU直接從記憶體存取資料的資料交換模式。CPU向DMA控制器下達指令，讓其來處理資料傳送，DMA控制器直接將資料複製到記憶體對應地址，然後反饋資訊給CPU。

（3）Ultra DMA：在DMA的基礎上增加了CRC技術，保障資料傳輸安全。

3.2 SATA硬碟介面

SA他的優勢：

  • 傳輸速率高：1.0可以達到150MB/s
  • 資料可靠性高：可同時對指令和資料進行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，因為硬碟內部的傳輸速率達不到該介面傳輸速度，內部更多的時間花在了尋道上，如果配較大容量的快取可能好處會大一些
  • 支援NCQ技術：Native Command Queue，即自身命令佇列，一種排隊技術

3.3 SCSI硬碟介面

// To Be Continued

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