存储技术之磁盘工作原理

原文：存储技术之磁盘工作原理

存储技术如今已经越来越重要，而且在云计算时代，涌现出了很多专注于云存储的厂商。存储技术本身也十分复杂，从硬件到协议到软件到接口几乎覆盖计算机科学的方方面面。笔者借助《大话存储II》这本书，开始了这块知识空白的补充。本文的图片均来源于网络。

盘片的机械原理

磁盘由众多盘片构成，将磁粉溅镀到基板上就形成了盘片，基板要求极高，不可有任何瑕疵。磁粉通过N\S磁极来表示0和1，这个数据需要磁头来读取和写入。磁头在读取数据时不与盘片接触，但是又要越近越好，因为太远无法感应到磁粉的极性，这个距离现在已经可以做到人类头发丝的千分之一了，真是足够精密了！盘片有电机带动做高速旋转，通常听见的7200转/分，就是指盘片每分钟转过的圈数，这样磁头就相对盘片做圆周运动，也就能够按磁道来读取数据。除此之外，磁头的机械臂还由步进电机控制，沿盘片半径做直线运动，以读取不同磁道的数据。一块磁盘拥有多个盘片，每个盘片的上下面都可以读写数据，而且每个盘面都有对应的磁头读写。例如，如果一块磁盘有4个盘面，那么磁头就有8个，分别编号0-7。虽然有多个磁头在工作，但是同一时刻只能有一个磁头在读写数据。 在整个数据的读取过程中，机械臂的移动称为寻道，寻道的时间和盘片旋转的时间远大于半导体电路的数据传输时间，是阻碍磁盘读写性能的最大因素。

盘片的逻辑结构

• 磁道：上面提到了磁道的概念，磁道就是盘面上的一个个同心圆，一个盘面可以有成百上千个磁道。磁道从最外圈向内圈从0开始编号。每个磁道的宽度取决于磁头的大小，磁头如果能够做到原子级别的话，那么磁道的数量将可以大大增加，存储容量将几何倍数提升。
• 扇区：磁道又被划分为一段段的圆弧，称为扇区，每个扇区中的数据总是同时读取或写入，是磁盘的最小读写单位。由于外圈的扇区拥有更高的线速度，所以外圈的数据读写要比内圈快一些。
• 低级格式化：在盘片上划分磁道和扇区称为低级格式化
• 高级格式化：对磁盘上的数据进行文件系统标记称为高级格式化
• 柱面：所有盘面上的同一磁道，构成柱面。由于寻道的开销极大，所以，索性在写入数据的时候，是按照柱面进行的，只有一个柱面上的若干个磁头都将各自的磁道写满后才换柱面写。

扇区与寻址

扇区是最小读写单位，所以每个扇区都有自己的编址方式，这个编制被记录在每个扇区的头标中。编制方式分为两种：

• CHS：早期使用的编址方式，读写时提供的CHS即是：柱面号(Cylinder)8bit、磁头号(Header)10bit、扇区(Sector)6bit的组合。而如果每个扇区是512B，则这种编制方式最多存储255×1023×63×512/1048576=8G数据
• LBA：使用线性编址，对外提供扇区号从1开始编号，而编号与CHS的对应关系有磁盘自身维护

扇区的头标还记录了扇区中的数据是否可靠，头标以CRC值结束。

在LBA编制方法中，如果扇区号按照1、2、3、4、5顺序绕着磁道编号的话，可能会在电路处理一个扇区的数据期间，下一个扇区由于磁盘运转速度太快而跳过了，这样就需要再转一圈才能读回来。解决这个问题的方法是交叉因子(Interleave)，即编号不是连续的，而是1和2中间可能隔开几个扇区，用来分隔的扇区本身可能是编号靠后的扇区。例如按照2:1的交叉因子编号就是1、10、2、11、3、12、4、13、5、14...，而3:1的交叉因子编号就是1、7、13、2、8、14、3、9、15、4、10、16、5、11、17、6、12。本质上，设置交叉因子，是由于硬盘控制器速度无法跟上转速，而由于盘片的外圈和内圈线速度不同，还出现了在不同的磁道上采用不同的交叉因子的做法。

目前扇区的大小已经调整为4KB，这是因为上层操作系统定义的文件系统一般是以4KB作为一块，这两者的匹配可以避免每次都要读取多个扇区，大大提高了效率。

磁盘内部的队列和缓存

由于寻道开销极大，对于磁盘来讲如果先后的两次IO分别是最内圈和最外圈扇区数据，那么机械臂需要大范围移动。所以磁盘内部通过队列来合理的安排这些IO，以最大限度减少寻到开销，相应的算法有FCFS、SSTF、SCAN、C-SCAN、LOOK、C-LOOK等。

磁盘需要缓存来保存指令和进行预读，磁盘的数据缓存默认是打开的，即如果写数据指令到来时，磁盘可能会在真正写入盘片前就返回成功。但是如果这时掉电的话，将会造成数据不一致。有些应用会通过操作系统“禁用”写缓存，比如数据库应用，因为数据库应用一般自己实现了写缓存和预读功能。

硬盘接口技术

硬盘的物理接口包括如下几种：

• ATA指令系统的IDE接口
• ATA指令系统的SATA接口
• SCSI指令系统的并行SCSI接口
• SCSI指令系统的串行SCSI接口(SAS)
• SCSI指令系统的IBM专用串行SCSI接口(SSA)
• SCSI指令系统的承载于FC协议的串行FC接口(FCP)

一般个人电脑都采用ATA指令，只是如今IDE已经淘汰，基本上都是串行接口(即SATA)了。而服务器一般集成有SCSI控制器芯片，所有可以采用更高效的SCSI协议来操作硬盘。无论是哪种指令，基本上都包括几个要素：

1. 需要对硬盘做什么操作
2. 提供硬盘上的扇区编址
3. 待写入的数据在内存中的地址，或者读出来的数据将要放在内存中的地址

早期PIO(Programming Input/Output Model)模式下，CPU需要参与将内存中的数据传给磁盘控制器，或者参与将磁盘控制器从磁盘上读取的数据写入内存，大大增加了CPU的负担。而DMA(Direct Memory Access)模式下，CPU只要将这个工作交给DMA控制器即可。

传统的SCSI协议，每个通道最多可以连接16个基于SCSI的设备，采用总线寻址方式，包含仲裁阶段。独立的SCSI卡可以有多个通道。物理上，16个设备是一个限制，但是SCSI指令中有一条叫做Report LUN的指令，即让某个SCSI设备报告自身的LUN(逻辑单元)信息。如果这个SCSI设备本身具有划分逻辑设备的能力的话，就可以报告多个LUN，每个LUN有LUN ID。这样每个SCSI通道能够接入的逻辑设备就大大增加了。