機(jī)械硬盤(pán)（HDD） 最小組成單元是扇區(qū)

硬盤(pán)結(jié)構(gòu)

硬盤(pán)工作原理

起初，讀/寫(xiě)磁頭?？吭诒P(pán)片在主軸附件的一個(gè)特殊區(qū)域，啟停區(qū)。

主軸連接所有盤(pán)片，并連接到一個(gè)馬達(dá)上。主軸電機(jī)以恒定的速度旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)盤(pán)片旋轉(zhuǎn)。

主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，讀/寫(xiě)磁頭和盤(pán)片間有個(gè)很微小的空氣間隙，稱(chēng)磁頭飛行高度。

讀/寫(xiě)磁頭被安裝在磁頭臂頂端，磁頭臂帶動(dòng)磁頭移動(dòng)到需要被寫(xiě)入或取出數(shù)據(jù)的盤(pán)片位置上方。

磁頭在硬盤(pán)表面以二進(jìn)制的形式讀寫(xiě)數(shù)據(jù)，讀取的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在硬盤(pán)的flash芯片中，最后傳到程序中運(yùn)行。

注意

盤(pán)片進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，控制電路控制盤(pán)片高速旋轉(zhuǎn)，磁頭臂控制磁頭進(jìn)行讀/寫(xiě)（每個(gè)盤(pán)片有兩個(gè)讀寫(xiě)磁頭，分別位于兩個(gè)表面）

盤(pán)片轉(zhuǎn)速以RPM為單位，現(xiàn)在企業(yè)一般用的是10K~15K（此時(shí)硬盤(pán)一般是在真空中運(yùn)行的）

盤(pán)片上有盤(pán)面（兩面），盤(pán)面上有磁道，磁道上有扇區(qū)。

數(shù)據(jù)寫(xiě)入是按照柱面縱向?qū)懭氲模ㄏ鹊谝豢v，然后第二縱這樣）

為什么縱向讀寫(xiě)

讀寫(xiě)時(shí)需要確定在哪個(gè)磁道讀寫(xiě)數(shù)據(jù)（尋道時(shí)間）+ 確定磁道后確定哪個(gè)扇區(qū)（旋轉(zhuǎn)時(shí)延）+ 數(shù)據(jù)讀寫(xiě)傳輸?shù)臅r(shí)間

縱向讀寫(xiě)的話在物理上（尋道時(shí)間+旋轉(zhuǎn)時(shí)延）花費(fèi)的時(shí)間要少一點(diǎn)

硬盤(pán)上的數(shù)據(jù)組織

盤(pán)面：硬盤(pán)的每一個(gè)盤(pán)片都有兩個(gè)盤(pán)面，每個(gè)盤(pán)面都能存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，成為有效盤(pán)片。

每一個(gè)有效盤(pán)面都有一個(gè)盤(pán)面號(hào)，按從上到小的順序從0開(kāi)始依次編號(hào)。

在硬盤(pán)系統(tǒng)中，盤(pán)面號(hào)又叫磁頭號(hào)，因?yàn)槊恳粋€(gè)有效盤(pán)面都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的讀寫(xiě)磁頭。

磁道（Track）：磁道是在盤(pán)片上圍繞在主軸周?chē)耐沫h(huán)，數(shù)據(jù)被記錄在磁道上。

磁道從最外圈向內(nèi)圈從0開(kāi)始順序編號(hào)。

硬盤(pán)的每一個(gè)盤(pán)面有300~1024個(gè)磁道，新式大容量硬盤(pán)每面的磁道數(shù)更多，通常用盤(pán)片上每英寸的磁道數(shù)（TPI，也稱(chēng)磁道密度）來(lái)衡量盤(pán)片上磁道排列的緊密程度。

磁道是肉眼看不見(jiàn)的，只是盤(pán)面上以特殊形式磁化了的一些磁化區(qū)。

柱面（Cylinder）：在同一個(gè)硬盤(pán)中所有盤(pán)片（包含上下兩個(gè)盤(pán)面）具有相同編號(hào)的磁道形成一個(gè)圓柱，稱(chēng)之為硬盤(pán)的柱面。

每個(gè)柱面上的磁頭由上而下從0開(kāi)始編號(hào)，數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)按柱面進(jìn)行。

即磁頭讀寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)先在同一柱面內(nèi)從0磁頭開(kāi)始進(jìn)行操作，依次往下在同一柱面的不同盤(pán)面（即磁頭）上進(jìn)行操作。

只有同一柱面所有的磁頭全部讀寫(xiě)完成后磁頭才轉(zhuǎn)移到寫(xiě)一個(gè)柱面，因?yàn)檫x取磁頭只需通過(guò)電子切換即可，而選取柱面?zhèn)缺仨毻ㄟ^(guò)機(jī)械切換，即尋道。

通常硬盤(pán)中磁頭的位置由柱面號(hào)來(lái)說(shuō)明，而不是用磁道號(hào)來(lái)說(shuō)明。

扇區(qū)（Sector）：每個(gè)磁道被分為更小的單位，稱(chēng)為扇區(qū)，劃分扇區(qū)的目的是為了使數(shù)據(jù)存儲(chǔ)更加條理化。

扇區(qū)是硬盤(pán)中可以單獨(dú)尋址的最小存儲(chǔ)單元。不同硬盤(pán)磁道的扇區(qū)數(shù)可以不同。

通常情況下，一個(gè)扇區(qū)可以保存512字節(jié)的用戶(hù)數(shù)據(jù)，但也有一些硬盤(pán)可以被格式化為更大的扇區(qū)大小，如4KB扇區(qū)。

硬盤(pán)指標(biāo)

硬盤(pán)容量

硬盤(pán)容量=柱面數(shù)*磁頭數(shù)*扇區(qū)數(shù)*扇區(qū)大小，單位為MB或GB

影響硬盤(pán)容量的因素有單碟容量和碟片數(shù)量。

硬盤(pán)緩存

為解決硬盤(pán)在讀寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)CPU的等待問(wèn)題，在硬盤(pán)上設(shè)置適當(dāng)?shù)母咚倬彺?/p>

平均訪問(wèn)時(shí)間

平均尋道時(shí)間：指硬盤(pán)的磁頭從初始位置移動(dòng)到盤(pán)面指定磁道所需的時(shí)間（越小越好）

平均等待時(shí)間：指磁頭已處于要訪問(wèn)的磁道，等待所要訪問(wèn)的扇區(qū)旋轉(zhuǎn)至磁頭下方的時(shí)間（越小越好）

數(shù)據(jù)傳輸速率

內(nèi)部傳輸速率：指理情況下磁頭讀寫(xiě)硬盤(pán)時(shí)的最高速率

外部傳輸速率/接口傳輸速率：它指的是系統(tǒng)總線與硬盤(pán)緩沖區(qū)之間的數(shù)據(jù)傳輸率，與硬盤(pán)接口類(lèi)型和硬盤(pán)緩存的大小有關(guān)。

硬盤(pán)IOPS和傳輸帶寬

IOPS：每秒的輸入輸出量（讀寫(xiě)次數(shù)）；理論上可以計(jì)算出硬盤(pán)的最大IOPS，即IOPS=1000ms/（尋道時(shí)間+旋轉(zhuǎn)延遲）

傳輸帶寬（吞吐量）：?jiǎn)挝粫r(shí)間成功傳輸?shù)臄?shù)據(jù)數(shù)量

并行傳輸和串行傳輸

并行：傳輸效率高，但是傳輸距離不長(zhǎng)，傳輸頻率不高；（一般10多米左右）

串行：傳輸速率不高，但是可以通過(guò)傳輸頻率來(lái)提高整體傳輸速度（隨意一般串行比并行的傳輸速率要高）

影響性能的因素

固態(tài)硬盤(pán)（SSD） 最小存儲(chǔ)單元是Cell

SSD的特點(diǎn)

使用flash技術(shù)存儲(chǔ)信息，數(shù)據(jù)傳輸速度比HDD快

內(nèi)部沒(méi)有機(jī)械結(jié)構(gòu)因此耗電量更小、散熱小、噪音小

SSD盤(pán)使用壽命受擦寫(xiě)次數(shù)影響（硬盤(pán)最小組成單元Cell不斷擦寫(xiě)，當(dāng)擦寫(xiě)次數(shù)達(dá)到極限后，就不能繼續(xù)讀寫(xiě)數(shù)據(jù)了）

SSD架構(gòu)

SSD主要是由存儲(chǔ)單元（主要是閃存顆粒）和控制單元組成

控制單元：SSD控制器、主機(jī)接口、DRAM等

SSD控制器：負(fù)責(zé)主機(jī)到后端介質(zhì)的讀寫(xiě)訪問(wèn)和協(xié)議轉(zhuǎn)換，表項(xiàng)管理、數(shù)據(jù)緩存及校驗(yàn)等，是SSD的核心部件。

主機(jī)接口：主機(jī)訪問(wèn)SSD的協(xié)議和物理接口，如SATA、SAS和PCIe。

DRAM：FTL（Flash translation layer，閃存轉(zhuǎn)換層）表項(xiàng)和數(shù)據(jù)的緩存，以提供數(shù)據(jù)訪問(wèn)性能。

存儲(chǔ)單元：NAND FLASH 顆粒

NAND FLASH：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的物理器件，是一種非易失性隨機(jī)訪問(wèn)存儲(chǔ)介質(zhì)。

多通道并發(fā)，通道內(nèi)Flash顆粒復(fù)用時(shí)序。支持TCQ/NCQ，一次響應(yīng)多個(gè)IO請(qǐng)求。

NAND Flash

NAND 閃存顆粒采用浮柵晶體管存儲(chǔ)數(shù)據(jù)

內(nèi)部存儲(chǔ)單元組成包括：LUN、Plane、Block、Page、Cell

LUN：能夠獨(dú)立封裝的最小物理單元，通常包含多個(gè)plane

Plane：擁有獨(dú)立的Page寄存器，通常包含1K或2K奇數(shù)Block或偶數(shù)Block

Block：能夠執(zhí)行擦除操作的最小單元，通常由多個(gè)Page組成

Page：能夠執(zhí)行編程和讀操作的最小單元，通常大小為16KB

Cell：Page中的最小操作擦寫(xiě)讀單元，對(duì)應(yīng)一個(gè)浮柵晶體管，可以存儲(chǔ)1bit或多bit

對(duì)NAND Flash的讀寫(xiě)數(shù)據(jù)的操作主要涉及擦除（Erase）、編程（Program）和讀（Read）

Nand flsh為非易失性介質(zhì)，在寫(xiě)入新數(shù)據(jù)之前必須保證Block被擦除過(guò)，對(duì)Block擦除一次后再寫(xiě)入一次稱(chēng)為一次P/E Cycle

閃存介質(zhì)

NAND Flash顆粒根據(jù)Cell存儲(chǔ)不同的bit數(shù)據(jù)位分為不同的閃存介質(zhì)（主要有四種）

地址映射管理

主機(jī)通過(guò)LBA訪問(wèn)SSD，SSD主控通過(guò)FTL閃存轉(zhuǎn)換將其轉(zhuǎn)換為PBA進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取

LBA：Logical Block Address，邏輯區(qū)塊地址

可以指某個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)塊的地址或者某個(gè)地址上所指向的數(shù)據(jù)區(qū)塊。

PBA：Physics Block Address，物理區(qū)塊地址

FTL閃存轉(zhuǎn)換層

基本概念

FTL起著翻譯官的作用，它將Host(電腦、手機(jī)等)發(fā)送至Device(eMMC、SSD)的邏輯地址轉(zhuǎn)換為寫(xiě)入Flash的物理地址(地址映射管理)。

工作原理

Host給定一個(gè)邏輯地址，F(xiàn)TL根據(jù)這個(gè)邏輯地址在邏輯映射表上建立映射關(guān)系，連接到Flash上的物理地址。

一般來(lái)說(shuō)，F(xiàn)TL將邏輯地址處理后，建立的映射關(guān)系包含了Flash的Block編號(hào)、Page編號(hào)等，數(shù)據(jù)讀取時(shí)便根據(jù)這些信息在Flash對(duì)應(yīng)的位置上找到數(shù)據(jù)，傳輸至Host。

審核編輯：湯梓紅