磁盘存储工作原理

磁盘构造

磁盘由多个同心圆磁道(track)组成，每个磁道被划分成多个扇区(sector)。磁头在磁盘上移动，读写数据。数据按扇区存储，通过逻辑地址(LBA)寻址。

磁盘的通俗演义

想象一张很大很大的白纸，你要在上面写日记。当你写满这张白纸之后，如果某天想查看某条日记，无疑将是个噩梦，因为白纸上没有任何格子或行分割线等，你只能通过一行一行地读取日记，搜索你要查看的那条记录。如果给白纸打上格子或行分割线，那么不但书写起来不会凌乱，而且还工整。

那么对于一张上面布满磁性介质的盘片来说，想要在它上面记录数据，如果不给它打格子划线的话，无疑就无法达到块级的记录。所以在使用之前，需要将其低级格式化，也就是划分扇区(格子)。 我们见过稿纸，上面的格子是方形阵列排布的，原因很简单，因为稿纸是方形的。那么对于圆形来说，格子应该怎么排布呢？答案是同心圆排布，一个同心圆(磁道)，就类似于稿纸上的一行，而这一行之内又可以排列上很多格子(扇区)。 每个盘片上的行密度、每行中的格子(扇区)密度都有标准来规定，就像稿纸一样。

我们把稿纸放入打印机。打印机的打印头按照格子的距离精确地做着位移，并不停地喷出墨水，将字体打入纸张上的格子里。一旦一行打满，走纸轮精确地将稿纸位移到下一行，打印头在这一行上水平位移打满格子。走纸轮竖直方向位移，打印头水平方向位移、形成了方形扫描阵列能够定位到整张纸上的每个格子。

同样，把圆形盘片安装到一个电机(走纸轮)上，然后在盘片上方加一个磁头(打印喷头)。但是和打印机不同的是，做换行这个动作不是由走纸轮来完成，而是由磁头来完成，称做径(半径)向扫描，也就是在不同同心圆上作切换(换行)。同样作行内扫描这个动作是由电机(走纸轮)而不是磁头(打印头)来完成，称做线扫描(沿着同心圆的圆周进行扫描)。

形成这种角色倒置的原因，很显然是由圆形的特殊性决定的。作圆周运动毕竟比作水平竖直运动要复杂，如果让磁头沿着同心圆作线扫描，则需要将磁头放在一个可以旋转的部件上，此时磁头动而盘片不动，可以达到相同的目的，但是技术难度就复杂多了。因为磁头上有电路连接着磁头和芯片。如果让磁头高速旋转，磁头动而芯片不动，电路的连通性怎么保证？不如让盘片转动来得干脆利索。

和打印机一样，定位到某个特定的格子之后，磁头开始用磁性来对这个格子中的每个磁粒子区做磁化操作，每个磁极表示一个0或者1状态。每个格子规定可以存放 4096位这种状态，也就是 512B(很多供大型机使用的磁盘阵列上的磁盘是用520B 为一个扇区)。这就像打印机在一个格子再次细分，形成24x24 点阵，每个坐标上的一个点都对应一种色彩。只不过对于磁盘来说只有0或者1，而对于打印机来说，可以是各种色彩中的一种(黑白打印机也只有黑或者白两种状态)。

磁盘的扇区中没有点阵，一个扇区可以看作是线性的。 它没有宽，只有长，记录是顺序的不能像打印机那样可以定位到扇区中的某个点。然而，磁盘比打印机有先天的优势。打印机只能从头到尾打印，而且打印之后不能更改。磁盘却可以对任意的格子进行写入、读取和更改等操作。打印机的走纸轮和打印喷头移动起来很慢，而且嘎嘎作响，听了都费劲。而磁盘的转速则快很多目前可以达到每分钟15000转。磁头的位移动作也非常快，它使用步进电机来精确地换行(换磁道)。但是相对于盘片的转动而言，步进的速度就慢多了，所以制约磁盘性能的主要因素就是这个步进速度(换行或者换道速度)，也就是寻道速度。

如果从最内同心圆换到最外同心圆，耗费的时间无疑是最长的。目前磁盘的平均寻道速度最高可以达到5ms多，不同磁盘的寻道速度不同，普通IDE磁盘可能会超过10ms。有了这个磁盘记录模型，我们就该研究怎么将这个模型抽象虚拟化出来，让向磁盘写数据的人感觉使用起来非常方便。就像打印机一样，点一下打印，一会纸就蹭蹭地往外冒。下面还是要一层一层地来做,不能直接就抽象到这么高的层次。

首先，要精确寻址每个格子就一定需要给每个格子一个地址。早期的磁盘都是用“盘片，磁道，扇区”来寻址的，一个磁盘盒子中可能不止一片盘片，就像一沓稿纸中有好几张纸一样。个盘片上的某一“行”也就是某个磁道，应该可以再区分。一个磁道上的某个扇区也可以区分。到这，就是最终可寻址的最小单位了，而不能再精确定位到一个扇区中的某个点了。磁头只能顺序地写入或者读取出这些点，而不能只更新或者读取其中某个点。也就是说磁头只能一次成批写入或者读取出一个扇区的内容，而不能读写半个或者四分之一个扇区的内容。

后来的扇区寻址体系变了，因为后来的磁盘中每个磁道的扇区数目不同了，外圈由于周长比较长，所以容纳的扇区可以很多，干脆采用了逻辑地址来对每个扇区编址，将具体的盘片、磁道和扇区，抽象成LBA(Logical Block Address，顺序编址) 。LBA1表示0号盘片0号磁道的0号扇区，依此类推，LBA 地址到实际的盘片、磁道和扇区地址的映射工作由磁盘内部的逻辑电路来查询ROM 中的对应表而得到，这样就完成了物理地址到逻辑地址的抽象、虚拟和映射。寻址问题解决之后，就应该考虑怎么向磁盘发送需要写入的数据了。针对这个问题，人们抽象出一套接口系统，专门用于计算机和其外设交互数据，称为 SCSI 接口协议，即小型计算机系统接口。 下面举个例子来说明，比如某时刻要向磁盘写入512B 的数据，磁盘控制器先向磁盘发一个命令，表明要准备做IO 操作了，而且说明了附带参数(是否启用磁盘缓存、完成后是否中断通知CPU等)，磁盘应答说可以进行，控制器立即将所要IO 的类型(读/写)和扇区的起始地址以及随后扇区的数量(长度)发送给磁盘，如果是写 IO，则随后还要将需要写入的数据发送给磁盘，磁盘将这块数据顺序写入先前通告的扇区中。