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简简单单吃个磁盘（硬盘？）

2023-11-09

前言

Version S Description Date By
V1 C First Version 2020-10-24 AYZP

C―― Create，
A—— Add，
M—— Modify，
D—— Delete。

整理资料的时候，发现个磁盘的相关知识不知道，什么是扇区啊，什么是簇啊，什么也不知道，于是查资料整理一下。

一 机械硬盘

1.1 定义

机械硬盘是利用磁性来记录信息数据的，原理类似于小时候听歌用的磁带，如果我们需要找到某个数据，磁盘就会转动到记录这个信息的部位，然后由磁头感应磁性来读取数据。[1]
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1.2 发展史

有图有视频的机械硬盘发展史
https://www.sohu.com/a/212319162_239778
https://baike.baidu.com/item/磁盘/2842227?fr=aladdin

1.3 结构

https://blog.csdn.net/wunianjiumeng/article/details/80401257
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1.3 基本概念

来源于https://www.icourse163.org/learn/XJTU-1003409001?tid=1003634003#/learn/content?type=detail&id=1005409075&cid=1006920177

  • 盘面 platter
  • 磁道 track
  • 扇区 sector
    • 磁盘的最小物理存储单位
    • 操作系统读写磁盘的基本单位
  • 柱面 cylinder
  • 簇 clusters
    • 文件系统基本单位
  • 磁盘块
    • 文件系统读写数据的最小单位
  • 页
    • 内存的最小存储单位

关系：
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• 一个磁盘块由连续几个（2^n）扇区组成；
• 页的大小为磁盘块大小的2^n倍；

• 页大小查看： getconf PAGE_SIZE，常见为4K；
• 磁盘块大小查看：stat /boot/|grep “IO Block”，常见为4K；
• 扇区大小查看：fdisk -l，常见为512Byte；

https://blog.csdn.net/wunianjiumeng/article/details/80401257

1.3.1 磁道

每个盘片的每个盘面被划分成多个狭窄的同心圆环，数据就是存储在这样的同心圆环上，我们将这样的圆环称为磁道(Track)，每个盘面可以划分多个磁道
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1.3.2 扇区

根据硬盘规格的不同，磁道数可以从几百到成千上万不等。每个磁道上可以存储数KB的数据，但计算机并不需要一次读写这么多数据。在这一这基础上，又把每个磁道划分成若干弧段，每段称为一个扇区(Sector)。

扇区是硬盘上存储的物理单位，每个扇区可存储128×2N次方（N＝0,1,2,3）字节的数据。从DOS时代起，每扇区是128×22＝512字节，现在已经成了业界不成文的规定，也没有哪个硬盘厂商试图去改变这种约定。也就是说即使计算机只需要硬盘上存储的某个字节，也须一次把这个字节所在的扇区中的全部512字节读入内存，再选择所需的那个字节。扇区的编号是从1开始，而不是0，这一点需要注意。另外，硬盘在划分扇区时，和软盘是有一定区别的。软盘的一个磁道中，扇区号一般依次编排，如1号，2号，3号…以此类推。但在硬盘磁道中，扇区号是按照某个间隔跳跃着编排。比如，2号扇区并不是1号扇区后的按顺序的第一个而是第八个，3号扇区又是2号扇区后的按顺序的第八个，依此类推，这个“八”称为交叉因子。

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这个交叉因子的来历有必要详述一下，我们知道，数据读取经常需要按顺序读取一系列相邻的扇区(逻辑数据相邻)。如对磁道扇区按物理顺序进行编号，很有可能出现当磁头读取完第一个扇区后，由于盘片转速过快来不及读取下一个扇区，(要知道物理相邻扇区位置距离是极小的)，必须等待转完一圈，这极大浪费了时间。所以就用交叉来解决这个问题。增加了交叉因子后的扇区编号一般是下面这个样子：

1.3.3 柱面

柱面其实是我们抽象出来的一个逻辑概念，前面说过，离盘心最远的磁道为0磁道，依此往里为1磁道，2磁道，3磁道…，不同面上相同磁道编号则组成了一个圆柱面，即所称的柱面(Cylinder)。这里要注意，硬盘数据的读写是按柱面进行，即磁头读写数据时首先在同一柱面内从0磁头开始进行操作，依次向下在同一柱面的不同盘面(即磁头上)进行操作，只有在同一柱面所有的磁头全部读写完毕后磁头才转移到下一柱面，因为选取磁头只需通过电子切换即可，而选取柱面则必须通过机械切换。电子切换比从在机械上磁头向邻近磁道移动快得多。因此，数据的读写按柱面进行，而不按盘面进行。 读写数据都是按照这种方式进行，尽可能提高了硬盘读写效率。

1.3.4 簇

将物理相邻的若干个扇区称为了一个簇。操作系统读写磁盘的基本单位是扇区，而文件系统的基本单位是簇(Cluster)。

在Windows下，随便找个几字节的文件，在其上面点击鼠标右键选择属性，看看实际大小与占用空间两项内容，如大小：15 字节 (15 字节)， 占用空间：4.00 KB (4，096 字节)。这里的占用空间就是你机器分区的簇大小，因为再小的文件都会占用空间，逻辑基本单位是4K，所以都会占用4K。 簇一般有这几类大小 4K，8K，16K，32K，64K等。簇越大存储性能越好，但空间浪费严重。簇越小性能相对越低，但空间利用率高。NTFS格式的文件系统簇的大小为4K。

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二 固态硬盘

SSD（固态硬盘）的时代HDD（机械硬盘）几乎是停滞的;

https://www.cnblogs.com/whl320124/p/10063608.html

2.1 定义

固态硬盘是用固态电子存储芯片阵列制成的硬盘。（右边）
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固态硬盘(Solid State Drive)，简称SSD（固盘），是用固态电子存储芯片阵列而制成的硬盘，由控制单元和存储单元(FLASH芯片、DRAM芯片)以及缓存单元组成。区别于机械硬盘由磁盘、磁头等机械部件构成，整个固态硬盘结构无机械装置，全部是由电子芯片及电路板组成。

固态硬盘的存储介质分为两种，一种是采用闪存（FLASH芯片）作为存储介质，另外一种是采用DRAM作为存储介质。最新还有英特尔的XPoint颗粒技术。

2.2 发展史

SSD的30年发展史
http://www.360doc.com/content/16/0105/13/27971012_525633535.shtml

1956年，IBM公司发明了世界上第一块硬盘。
1968年，IBM重新提出“温彻斯特”（Winchester）技术的可行性，奠定了硬盘发展方向。
1970年，StorageTek公司(Sun StorageTek)开发了第一个固态硬盘驱动器。
1984年，东芝发明闪存。
1989年，世界上第一款固态硬盘出现。
2006年3月，三星率先发布一款32GB容量的固态硬盘笔记本电脑，
2007年1月，SanDisk公司发布了1.8寸32GB固态硬盘产品，3月又发布了2.5寸32GB型号。
2007年6月，东芝推出了其第一款120GB固态硬盘笔记本电脑。
2008年9月，忆正MemoRight SSD的正式发布，标志着中国企业加速进军固态硬盘行业。
2009年，SSD井喷式发展，各大厂商蜂拥而来，存储虚拟化正式走入新阶段。
2010年2月，镁光发布了全球首款SATA 6Gbps接口固态硬盘，突破了SATAII接口300MB/s的读写速度。
2010年底，瑞耐斯Renice推出全球第一款高性能mSATA固态硬盘并获取专利权。 [1]
2013年，三星推出VNand 3D闪存。

2.3 组成

这篇文章很详细
https://www.cnblogs.com/whl320124/p/10063608.html

三 概念

来源于https://www.icourse163.org/learn/XJTU-1003409001?tid=1003634003#/learn/content?type=detail&id=1005409075&cid=1006920177

  • 盘面 platter
  • 磁道 track
  • 扇区 sector
    • 磁盘的最小物理存储单位
    • 操作系统读写磁盘的基本单位
  • 柱面 cylinder
  • 簇 clusters
    • 文件系统基本单位
    • 将物理相邻的若干个扇区称为了一个簇
  • 磁盘块
    • 文件系统读写数据的最小单位
  • 页
    • 内存的最小存储单位

关系：
在这里插入图片描述

• 一个磁盘块由连续几个（2^n）扇区组成；
• 页的大小为磁盘块大小的2^n倍；

• 页大小查看： getconf PAGE_SIZE，常见为4K；
• 磁盘块大小查看：stat /boot/|grep “IO Block”，常见为4K；
• 扇区大小查看：fdisk -l，常见为512Byte；

参考文献

[1] 海之心1213. SSD古田硬盘内部结构详解. 博客园. 2018.12.
https://www.cnblogs.com/whl320124/p/10063608.html

[2] 勿念旧梦. 硬盘的存储原理和内部架构. CSDN博客. 2020.
https://blog.csdn.net/wunianjiumeng/article/details/80401257

[3] 残晓风. SSD固态硬盘的结构和基本工作原理概述. CSDN博客. 2018.01.
https://blog.csdn.net/lyon_yong/article/details/79178794

[4] 百度百科.
https://baike.baidu.com/item/固态硬盘/453510#2

[5] 操作系统原理. 中国大学MOOC

https://www.icourse163.org/learn/XJTU-1003409001?tid=1003634003#/learn/content?type=detail&id=1005409075&cid=1006920177

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