01-磁盘原理 心得记录
结构
硬盘有多个盘片； 每个盘片有两个盘面； 每个盘面都有单独的磁头，也就是说一个盘片有上下两个磁头，硬盘中的磁头整合在一起为磁头组；
磁盘经过格式化时候，划分为多个同心圆，这些同心圆就是磁道； 刺刀上每段圆弧就是 扇区； 所有盘面上的同一个磁道，在竖立方向构成的圆柱，就叫做柱面；
磁头，heads； 扇区，sectors，柱面，cylinders
怎么理解数据读写是按照柱面进行，而不是优先读写整个盘面再移动到下一个盘面？
磁头从开始移动到数据所在磁道所需要的时间寻道时间越短，I/O操作越快；
硬盘的磁头组中，磁头的切换只需要通过电子切换即可；而选取柱面则必须通过磁盘臂来操作磁头，进行机械切换；（选取不同磁道，也叫寻道）
电子切换是相当块的，比使用机械将磁头切换到邻近的磁道要快得多；所以数据的读写是按柱面进行，而不是按盘片进行；
也就是说，一个磁道写满数据后，就会切换到同一个柱面的下一个盘面来写； 等整个柱面的盘面都写满后，才会移动到下一个柱面； 通过这样的方式来减少寻道时间；
也可以看出，因为硬盘同一时间，只有一个磁头工作，所以同一时间只能对一个扇区，进行一种操作；也就是针对单块磁盘，同一时间只能进行一个IO；
磁盘是怎么精确定位到具体的扇区呢？
如果把硬盘比作仓库，为了便于管理，将仓库分为一个个房间； 每个房间就对应的硬盘的扇区；
硬盘的每次读写，都是以扇区为最小单位； 不能也不可能说从某扇区的前半部分开始写入数据；
早期硬盘小的时候，每个扇区是512B；
随着硬盘容量的增大，空间密度的提升，每个扇区已经有4KB了；
如果把磁盘比作一张白纸，如果不进行格子划分或分割线隔开，任何记录都直接写在白纸上，那么写满白纸后，如果某天想查找日志，只能通过一行行读取，搜索记录；这无疑会很凌乱，效率很低；
那么我们把白纸划分成一行行固定的格子；那么这些格子就是扇区；
磁盘可以对任意一个格子进行读写；
这就出现了一个疑问，磁盘是如何精确定位到具体格子的呢？ 或者说随机读取或随机写入是，如何精确定位扇区的呢？
这个问题困扰我很久，但其实很早就知道了答案，只是“身在山中而不自知”，自己迷糊了好一阵；这其实就是 硬盘的编址方式，来确定每个扇区的位置；
1、早期磁盘都是通过：盘片，磁道，扇区 来寻址；一个盘片对应一张白纸，磁道对应白纸的行，扇区对应行内第几个格子；
2、随着磁盘空间密度增加，CHS寻址方式太浪费，所以更新为 LBA寻址，只记录具体的扇区编号；硬盘的ROM中有对应 物理地址和LBA的映射关系表；查询表即可知道；
硬盘的LBA编址方式？
那么仓库的房间具体是如何划分，如何寻址呢？
早期的硬盘很小，就是通过柱面，磁头、扇区的方式，组成扇区的地址，就是CHS地址，这种方式也就是CHS编址；
但随着硬盘容量越来越大，空间密度越高，采用CHS的扇区的划分就会造成浪费太大，所以就有了LBA编址方式； LBA编址方式不再划分柱面和磁头号，对外提供的地址全部是线性的LBA地址；
线性地址，指的是把磁盘想象成只有一个磁道。这个磁道无限长的直线，扇区是这条直线上等长的线段；
只是为了兼容早期的BIOS、操作系统以及软件，会从LBA根据早期硬盘的CHS和LBA映射公式反算出来的CHS数据。一般来说是LBA=（柱面号*16+磁头号）*64+（扇区号-1）。而这个只是逻辑上的对应关系，物理上并没有这样的对应关系——硬盘内部早就不用CHS寻址方式来定位数据了；
定位到了扇区，那应用如何写入扇区呢？
定位到扇区的问题解决了，那么就需要考虑如何向硬盘发送需要写入的数据； 所以人们开发出了一套抽象的接口系统，专门用于计算机和它的外设交互数据，这就是SCSI接口协议，也叫小型计算机系统接口；
磁盘都有缓存，缓存如何使用？
磁盘上必须有缓存，用来接受指令和数据，还被用来进行预读； 缓存就是磁盘上面的一块RAM芯片；一般是2MB，8MB，16MB，32MB，64MB；
正是由于换道的时间比较慢，所以针对应用程序的IO，磁盘也可以优化队列技术； 如果有多个IO，磁盘控制器会将这些指令计算在缓存器中，再进行排序，尽量减少换道次数； 预先读出的数据，因为有先后之分，所以会先存放到磁盘驱动器的缓存中，等待 磁盘控制器主动来取，不至于因为顺序问题而错乱；
我们常说的，禁用磁盘缓存，指的就是 wirte through模式，透写； 也就是磁盘收到写入指定和数据后，必须先将其写入盘片，然后再向控制器返回成功信号，相当于没使用缓存。（但即使是透写，指令和数据也是首先到达的缓存）
单个磁盘的性能，如何提升，影响它有哪些因素？
每个盘片的两面都可以存放数据，而且盘片都有两个磁头，各读一面；
但是有一个点，特别要注意，磁盘每个时刻，只允许一个磁头来读写数据； 专业点说，就是同一个时刻，磁盘只能处理一个IO；
所以不管盘体内的盘片和磁头再多，也无法提供硬盘的吞吐量和IO性能，只能提高容量；
所以主要影响磁盘的性能的因素有:
1、转速
2、寻道速度，
3、单蝶的容量； 这个其实就是提高盘片的空间密度，每个磁道存放更多数据，尽量减少换道次数；
4、接口速度； 这其实不算一个因素，因为目前的接口速度已经磁盘的最大带宽了； 而且在随机IO的情况下，主要瓶颈还是在寻道速度上，接口速度提升其实并不明显，只是高端硬盘还是会使用高速接口的；
ATA和SCSI指令系统，有什么不一样，为什么有两套呢？
这个问题，其实我也没太整明白；
从网上查找，有一些说法：
ATA成本低廉，功能也弱于SCSI，所以后来ATA以家用为主，SCSI以服务器/工作站应用为主。
而且早期的ATA的协议定义是针对硬盘设备的，并未考虑其他设备，例如光驱。因为ATA协议仅仅针对硬盘设备制定，而此时市场上的CD-ROM/磁带机/可移动存储等设备都需要使用其他专用接口或者昂贵的SCSI接口；
SCSI同时制定了一系列的通用接口命令，用于和不同类型的设备进行交互。大体上可以分为检测/控制类，数据写入类，数据读取类，以及双向数据传输（同时读和写）类。为了实现这些命令和SCSI设备交互，通常需要单独的SCSI控制器或者主板集成SCSI控制芯片。
目前硬盘提供的物理接口，包括如下几种：
1、用于ATA指令系统的IDE接口； （IDE接口，也叫PATA接口，并行传输ATA），装笔记本硬盘的硬盘盒子，里面就是IDE；
2、用于ATA指令系统的SATA接口；（Serial ATA，串行传输ATA） 老式移动硬盘那个连接线，很大很宽的那个接头；就是USB转SATA；
3、用于SCSI指令系统的并行SCSI接口； （SCSI有控制中心，有专门的SCSI控制器，总线上一般是可以接入8或16个SCSI设备）
4、用于SCSI指令系统的串行SCSI（SAS）接口；
5、用于SCSI指令系统的IBM专用串行SCSI接口（SSA）；
6、用于SCSI指令系统的，并且承载与Fabre Channel协议的串行FC接口（FCP）；
同一个总线上的SCSI设备交互，需要经过SCSI控制器吗？
SCSI总线的寻址方式，是按照： 控制器--通道--SCSI ID -- LUN ID 来寻址，精确找到设备；
SCSI控制器也是总线上的节点，优先级最高，固定是7；
除控制器之外，总线上其他节点之间无法交互数据； 比如从总线的一块硬盘 复制数据到 总线上的另一块硬盘， 数据无法直接再硬盘之间拷贝，因为硬盘只能理解SCSI语言，无法感知文件的概念；
而SCSI语言是处理具体的LBA块，是需要明确告诉硬盘 读或写 具体的LBA地址上的扇区，而不是直接告诉硬盘读写某个文件； 文件的层次是文件系统来翻译的，有文件对应到具体的LBA，需要借由文件系统处理；
所以从总线的一块硬盘 复制数据到 总线上的另一块硬盘，要拷贝的数据，需要先发给控制器，控制器复制到内存，经过主机文件系统和CPU处理后，再发给控制器，然后控制器发给另一块硬盘；
外部传输速率
并行传输，数据传输如何分割为多份，如何接受又如何整合？
并行传输，概念看起来是很强，但是我一个文件，如何均匀的分割成多份同时传输呢？ 传输到目的地，他们如何整合到一起呢?
并行一般时采用8单位二进制码构成了一个字符进行并行传输，系统采用8个信道并行传输，一次传送一个字符，因此收、发双方不存在字符同步的问题，不需要额外的措施来实现收发双方的字符同步，这是并行传输的主要优点。
所以，个人理解，从这个角度说，并行针对的时多个IO同时发送，并不是要把传输的一个IO拆分成多份； 同时接受方，因为是按byte来接受，所以其实不存在转换，只需要每次等待一个byte接受完成，在缓存区整合后，再进行下一次传输； 这就又涉及到时钟频率；
并行通讯中，数据信号中无法携带时钟信息，为了保证各对信号线上的信号时序一致，并行设备需要严格同步时钟信号，或者采用额外的时钟信号线。在相同的信号频率下，串行传输比并行传输要慢。 在并行传输中，您可以每个周期传输一个字(例如1字节= 8位)，而在串行传输中，仅传输其一小部分(例如1位)。并行传输时频率越高，差异越小。否则接收器需要等待所有信号接受到后，才开始继续下一次接受；这也会影响效率；
关于串行和并行传输的选取？
1、并行信号线的需要考虑串扰。 频率越高，串扰越明显，随之而来的单词损坏和重传的可能性也越高。
2、而且长距离传输，在室外，对线缆有要求，线缆也很粗，并行意味着更多的线，而且避免串扰还需增加屏蔽（屏蔽效果其实不算很好），还要控制时钟，总的成本其实远大于串行；
3、另外，随着技术发展，现在串行传输效率也很高，速度并不低；即使使用串行传输每个周期传输较少的数据，但可以使用更高的频率，从而导致更高的净传输速率。
短距离传输，如主板和部件之间，可以承受高速的并行；长距离上，还是使用的串行；
串行传输
串行通信的两种基本形式：同步和异步通信；
所以要注意，同步和异步通信，针对的是串行传输； 并不指并行传输；
并行传输以字节为单位，本身就相对复杂，会依据时钟来同步信息，保证一次传输的多个bit 统一，基本就是同步通信；
