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建设银行车贷网站,财政局网站建设方案,网站开发技术考试试卷,网页制作培训价格我们学完了系统文件IO#xff0c;但是没有对磁盘文件做一个了解#xff0c;于是这个系列将解答一下磁盘存储相关知识作为计算机系统里 “特殊” 的硬件 —— 机械磁盘是唯一带机械设备的外设#xff0c;它不像 CPU、内存那样靠纯电子元件工作#xff0c;却凭借 “大容量、低…我们学完了系统文件IO但是没有对磁盘文件做一个了解于是这个系列将解答一下磁盘存储相关知识作为计算机系统里 “特殊” 的硬件 —— 机械磁盘是唯一带机械设备的外设它不像 CPU、内存那样靠纯电子元件工作却凭借 “大容量、低成本” 的优势成为数据持久化存储的核心。今天我们就从硬件基础到地址寻址一步步揭开磁盘的底层秘密下面是磁盘的图片一、计算机里的 “大块头”磁盘的硬件定位在服务器、机柜乃至整个机房的硬件体系里磁盘始终扮演着 “数据仓库” 的角色。我们先明确几个基础认知磁盘的身份属于计算机外设不是核心运算部件这意味着它的数据传输需要经过 I/O 总线速度远慢于内存内存是纳秒级磁盘是毫秒级机械属性机械磁盘内部有高速旋转的盘片、可移动的磁头是计算机中唯一的机械设备 —— 这也是它 “慢” 的根源但同时让它能以极低的成本提供大容量存储比如 1TB 机械盘价格仅为同容量固态硬盘的 1/3题外话机房里的磁盘与 “磁铁”机房里的磁盘通常以 RAID 阵列形式存在确保数据可靠性而磁盘的核心原理是 “磁记录”—— 盘片表面的磁性材料通过不同的磁化方向存储 0 和 1拆开磁盘非专业勿试能看到里面的永磁体这就是 “磁铁” 的由来下面是服务器机柜机房的相关图片二、磁盘的物理结构三维空间里的 “数据格子”要理解磁盘怎么存数据得先拆穿它的 “物理真面目”。一块机械磁盘的核心部件包括盘片platter、磁头head、传动臂、主轴电机而数据存储的最小单元是扇区sector512 字节磁盘属于 “块设备”读写必须按扇区为单位我们可以把磁盘想象成多层的 “甜甜圈”每个 “甜甜圈” 的结构对应这些关键概念盘片就是 “甜甜圈” 本身一块磁盘通常有多个盘片每个盘片有上下两个面都能存数据磁头每个盘面对应一个磁头负责读写数据 —— 所有磁头固定在同一根传动臂上共进退这是关键细节后面寻址会用到磁道track盘面上一圈圈的同心圆从外圈到内圈编号0 磁道、1 磁道……靠近主轴的最内圈是磁头停靠区不存数据柱面cylinder所有盘面上相同编号的磁道合起来就是一个柱面比如所有盘面的 0 磁道构成 0 柱面柱面数量等于单个盘面的磁道数扇区每个磁道被切成若干扇形区域就是扇区 —— 每个磁道的扇区数量相同这是数据存储的最小单位磁盘容量怎么算记住这个公式磁盘容量 磁头数 × 柱面数磁道数 × 每磁道扇区数 × 每扇区字节数通常512比如一块磁盘有 2 个磁头、1024 个柱面、63 个每磁道扇区容量就是2×1024×63×512 6442450944 字节 ≈ 6.4GB三、从三维到一维CHS 寻址与 LBA 的诞生知道了物理结构接下来的问题是怎么找到某个具体的扇区这就引出了两种寻址方式。1. CHS 寻址早期的 “三维定位”CHS 是磁头Head、柱面Cylinder、扇区Sector的缩写是早期磁盘的寻址方式 —— 就像在图书馆找书先确定楼层磁头、再找书架柱面、最后定位某一层的书扇区比如要找某个扇区步骤是① 传动臂带动磁头移动到目标柱面② 磁头对准目标盘面③ 盘片旋转让目标扇区转到磁头下方但 CHS 有个致命缺点容量限制。早期系统用 8bit 存磁头数最多 256 个、10bit 存柱面数最多 1024 个、6bit 存扇区数最多 63 个算下来最大支持容量256×1024×63×512B 8064MB ≈ 8.4GB按 1MB1048576B 算—— 这显然满足不了现代大容量磁盘的需求2. LBA 寻址把磁盘 “掰直” 成一维数组既然 CHS 有局限工程师们想到了一个办法把磁盘的三维物理结构抽象成一维的线性地址 —— 这就是 LBALogical Block Address逻辑块地址为什么能 “掰直”我们可以做个类比把单个柱面展开每个柱面包含多个磁道对应磁头数每个磁道有多个扇区相当于一个二维数组把整个磁盘的所有柱面按顺序排列就变成了一个三维数组而计算机最擅长处理一维数组所以我们给每个扇区分配一个唯一的 “下标”从 0 开始这个下标就是 LBA 地址LBA 与 CHS 的转换磁盘自己搞定OS操作系统不需要关心复杂的 CHS只需要给磁盘传一个 LBA 地址磁盘的固件硬件电路 伺服系统会自动完成转换CHS 转 LBALBA 柱面号C × (磁头数×每磁道扇区数) 磁头号H × 每磁道扇区数 扇区号S - 1扇区号从 1 开始LBA 从 0 开始所以要减 1LBA 转 CHS柱面号C LBA // (磁头数×每磁道扇区数)磁头号H (LBA % (磁头数×每磁道扇区数)) // 每磁道扇区数扇区号S (LBA % 每磁道扇区数) 1举个例子磁头数 2每磁道扇区数 63LBA1000C 1000 // (2×63) 1000//126 7余数 1000 % 126 1000 - 7×126 1000-882118H 118 // 63 1S 118 % 63 1 55 156即 LBA1000 对应 CHSC7H1S56四、总结磁盘寻址的本质对我们以及 OS来说磁盘就是一个 “元素为扇区的一维数组”数组下标是 LBA 地址 —— 我们不用关心磁头怎么移动、盘片怎么旋转只需要告诉磁盘 “我要访问 LBAXXX 的扇区”剩下的底层转换全由磁盘固件完成理解这些底层逻辑不仅能搞懂 “磁盘为什么慢”磁头移动、盘片旋转需要时间也为后续学习文件系统比如 EXT4、NTFS 怎么管理扇区打下基础 —— 毕竟所有文件的内容和属性最终都是存在一个个扇区里的但是你想一下一个扇区只有512字节也就是0.5kb也太小了不适合管理在如今这种动不动就要几十上百kb的文件下显得力不从心所以下篇博客我们将讲解一下块分区组~~