存储系列之 介质（软盘、硬盘、固态）和磁盘寻址

前言：本人从事存储研发多年，最近整理存储系列相关文档，敬请期待。

 

大规模存储系统中目前主要以SATA硬盘为主，SSD盘为辅。所以本文主要介绍存储介质和磁盘寻址方式及原理。

 

一、存储系统常见的介质

1.磁带

记录的是模拟信号，流式记录，无扇区概念。

2.软盘

也称作，软磁盘。

记录的是数字信号，0和1，N极1，S极0。被设计成块式，而不是流式。所以需要进行扇区划分等操作。

3.硬盘

也称作，硬磁盘。

一个硬盘通常由2-14片不等的盘片组成的一个盘组。本文主要介绍的对象。

 4.固态硬盘

即SSD，由控制单元和存储单元（FLSH芯片、DRAM芯片）组成。固态硬盘在接口的规范和定义、功能及使用方法上与普通硬盘的完全相同，在产品外形和尺寸上也完全与普通硬盘一致。

固态硬盘具有传统机械硬盘不具备的快速读写、质量轻、能耗低以及体积小等特点，同时其劣势也较为明显。其价格仍较为昂贵，容量较低，一旦硬件损坏，数据较难恢复等；并且亦有人认为固态硬盘的耐用性（寿命）相对较短。

 

二、硬盘的逻辑组织

 

 (图片来自https://www.cnblogs.com/sparkdev/p/11200395.html)

再对硬盘从逻辑上进行介绍：

 1.磁头，Header

每个盘片都有上下两个面，即上、下盘面。每个盘面都有一个读写磁头（又叫磁头臂），每个盘面都有一个盘面号，所以又叫磁头号。

磁头号由上而下从0开始编号，也就是说，n个盘片就有2*n的磁头数。硬盘的盘片组在2-14片不等，通常2-3个盘片，即4-6个磁头数。

2.磁道，Track

每个盘面都是由同心圆组成，这些同心圆轨迹就叫磁道。

磁头起初都停在盘片的最内圈，这是一个特殊的区域，不存放任何数据，称为启停区或者着陆区（Landing Zone）。

启停区外就是数据区。

在最外圈，即离主轴最远的地方是0磁道。有一个0磁道检测器，来完成硬盘的初始定位。系统启动时，总是默认从0磁盘读取BIOS程序来运行。

每个盘面一般有30-1024个磁道，新式大容量硬盘磁道数更多。

这些同心圆的角速度一样，所以线速度不同，所以外圈数据的读写速度比内圈快。

3.柱面，Cylinder

所有盘面上的同一磁道，在垂直方向上形成一个圆柱。每个圆柱上的磁头由上而下从0开始编号（上面已提及）。而有多少个磁道即有多少个柱面。

4.扇区，Sector

 将每个环形磁道等距离切割，形成等长度的弧形。每段圆弧叫做一个扇区。扇区从1开始编号，最大分成63段。

每个扇区的数据作为一个单元同时读出或写入，是读写的最小单元。所以一个扇区内的数据是连续流式记录的。

 

5.格式化与寻道机制

低级格式化：划分磁道和扇区的过程叫做低级格式化，通道在硬盘出厂的时候就已经格式化完毕了。这是物理的。

高级格式化：对磁盘上所存储的数据进行文件系统的标记，而不是对扇区和磁道进行磁盘标记。这是逻辑的，即平时我们所进行的格式化操作。

数据读写过程和寻道：数据的读写按柱面进行，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，当读写完该磁道数据后，再依次向下在同一柱面的不同盘面（磁头）上进行操作。只有同一柱面所有的磁头全部读写完成后磁头才转到下一个柱面。因为选取磁头只需经过电子切换即可，而选取柱面则必须通过机械切换，即寻道。

 

 三、磁盘寻址

CHS编址：早期，扇区的地址，由Cylinder柱面、Header磁头、Sector扇区三者组成，简称CHS编址。由CHS可以计算到扇区的位置。

LBA编址： Logic Block Address，逻辑区块地址，也叫扇区编号。线性的地址，从1开始无限增加。不再划分柱面和磁头号，这些数据由硬盘自身保留。目前普遍采用这种抽象简单的编制方式，便于编程。

ZBR 区位记录：Zoned-bit recording，根据等密度记录方式，将同心圆磁道分区，分成几个环形；内环磁道的扇区数目较少，外环磁道的扇区数目较多。从概念上看，属于物理优化，逻辑编址依然可以采用LBA方式。

 

参考资料：《大话存储II》和百度百科。