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linux系統磁盤類型,磁盤的物理結構及磁盤IO過程詳解

時間:2019-09-29 12:15:06  來源:  作者:

磁盤分為機械硬盤和固態硬盤;塊設備:block ,存取單位“塊”,磁盤;字符設備:char ,存取單位“字符”,鍵盤

1、機械硬盤(HDD )

即是傳統普通硬盤,主要由:盤片,磁頭,盤片轉軸及控制電機,磁頭控制器,數據轉換器,接口,緩存等幾個部分組成。

機械硬盤中所有的盤片都裝在一個旋轉軸上,每張盤片之間是平行的,在每個盤片的存儲面上有一個磁頭,磁頭與盤片之間的距離比頭發絲的直徑還小,所有的磁頭聯在一個磁頭控制器上,由磁頭控制器負責各個磁頭的運動。

磁頭可沿盤片的半徑方向運動,加上盤片每分鐘幾千轉的高速旋轉,磁頭就可以定位在盤片的指定位置上進行數據的讀寫操作。數據通過磁頭由電磁流來改變極性方式被電磁流寫到磁盤上,也可以通過相反方式讀取。硬盤為精密設備,進入硬盤的空氣必須過濾。

2、固態硬盤(SSD )

用固態電子存儲芯片陣列而制成的硬盤,由控制單元和存儲單元(FLASH 芯片、DRAM 芯片)組成。固態硬盤在接口的規范和定義、功能及使用方法上與普通硬盤的完全相同,在產品外形和尺寸上也與普通硬盤一致。

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機械硬盤與固態硬盤的區別?

1、相較于HDD ,SSD 在防震抗摔、傳輸速率、功耗、重量、噪音上有明顯優勢

2、SSD 傳輸速率性能是HDD 的2倍

3、相較于SSD ,HDD 在價格、容量、使用壽命上占有絕對優勢硬盤有價,數據無價,目前SSD 不能完全取代HHD

linux中磁盤的物理結構

磁盤即是硬盤,由許多塊盤片(盤面)組成,每個盤片的上下兩面都涂有磁粉,磁化后可以存儲信息數據。每個盤片的上下兩面都安裝有磁頭,磁頭被安裝在梳狀的可以做直線運動的小車上以便尋道,每個盤面被格式化成有若干條磁道,這些磁道是同心圓。并規定最外面的磁道是0磁道,次外層是1磁道,每個磁道又被分成若干個扇區,并被排號,扇區是CPU對磁盤I/O操作時能夠讀取和寫入的最小單位,通常,一個扇區可以儲存512B的二進制信息位,每個盤面上的同號磁道組成一個柱面(磁柱)。也就是說每個盤面的0號磁道組成0號柱面,所有的1號磁道組成1號柱面,等等。

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在Linux操作系統中,內核采用的方法是把物理磁盤抽像為邏輯磁盤管理文件系統,所謂邏輯磁盤是把物理磁盤按照磁頭號,磁道號,扇區號,以及盤面號劃分成磁盤塊的線性數組,也叫線性序列,

如:把1號盤面的0號磁道的0號扇區定義為0號磁盤塊,一般扇區數是2的整次冪。顯然,當把實際的磁盤看成是磁盤塊的線性數組時,就把物理磁盤存儲數據的實際地址(即磁道號,扇區號以及盤面號)隱藏起來,因此呈現在系統高層面前的已經不是物理磁盤,而是一個經過加以后的邏輯磁盤。邏輯磁盤比物理硬盤的結構要簡單的多,當系統執行磁盤I/O操作時,系統給出試圖訪問的邏輯磁盤塊號,由設備驅動程序根據該塊號計算出物理磁盤的磁道號,磁頭號以及扇區號,然后啟動硬盤把磁頭向前或向后移動到相應的柱面,這便是所謂的尋道。尋道是磁盤I/O操作中最耗時的一個操作。一量磁頭找到磁道,并且相應的扇區轉到磁頭下面,數據傳輸就開始。

而文件是一個具有符號的一組相關聯元素的有序序列,文件可以包含范圍很廣的內容。系統和用戶都可以將具有一定獨立功能的程序模塊,一組數據或一組文字命名為一個文件。在計算機里看見的東西都叫文件,文件是以單個名稱在計算朵上存儲的信息集合,文件可以是文本文檔,圖片,程序等,文件通常有三個字母的擴展名,用于指示文件類型(windows下)。

文件系統指文件存在的物理空間。在linux系統中,每個分區是一個文件系統,都有自己的目錄層次。linux的最重要的特征之一就是支持多種文件系統,這樣它更加靈活,并可以和許多其他操作系統共存。由于系統已將linux文件系統的所有細節進行了轉換,所以linux核心的其它部分及系統中運行的程序將年到統一的文件系統。

通過fdisk命令查看當前系統使用的磁盤的這些物理息。

[[email protected] ~]# fdisk -l
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硬盤結構

對于管理磁盤,分磁盤面、磁頭、磁道、柱面和扇區

磁盤面:磁盤是由一疊磁盤面組成,見下左圖。

磁頭(Heads):每個磁頭對應一個磁盤面,負責該磁盤面上的數據的讀寫。

磁道(Track):每個盤面會圍繞圓心劃分出多個同心圓圈,每個圓圈叫做一個磁道。

柱面(Cylinders):所有盤片上的同一位置的磁道組成的立體叫做一個柱面。

扇區(Sector):以磁道為單位管理磁盤仍然太大,所以計算機前輩們又把每個磁道劃分出了多個扇區,見下圖

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linux系統磁盤類型,磁盤的物理結構及磁盤IO過程詳解

硬盤結構

硬盤的內部是金屬盤片,將圓形的盤片劃分成若干個扇形區域,這就是扇區。若干個扇區就組成整個盤片。為什么要分扇區?是邏輯化數據的需要,能更好的管理硬盤空間。 以盤片中心為圓心,把盤片分成若干個同心圓,那每一個劃分圓的“線條”,就稱為磁道。

硬盤內的盤片有兩個面,都可以儲存數據,而硬盤內的盤片往往不止一張,常見的有兩張,那么,兩張盤片中相同位置的磁道,就組成一個“柱面”,盤片中有多少個磁道,就有多少個柱面。盤片兩面都能存數據,要讀取它,必須有磁頭,所以,每一個面,都有一個磁頭,一張盤片就有兩個磁頭。

硬盤的存儲容量=磁頭數×磁道(柱面)數×每道扇區數×每道扇區字節數。

磁道從外向內自0開始順序進行編號,各個磁道上的扇區數是在硬盤格式化時確定的。

文件儲存在硬盤上,硬盤的最小存儲單位叫做"扇區"(Sector)。每個扇區儲存512字節(相當于0.5KB)。

比較古老的CHS (Cylinder/Head/Sector :磁頭(Heads)、柱面(Cylinder)、扇區(Sector))結構體系. 因為很久以前,在硬盤的容量還非常小的時候,人們采用與軟盤類似的結構生產硬盤。也就是硬盤盤片的每一條磁道都具有相同的扇區數,由此產生了所謂的3D參數,即是磁頭數(Heads)、柱面數(Cylinders)、扇區數(Sectors)以及相應的3D尋址方式。

linux系統磁盤類型,磁盤的物理結構及磁盤IO過程詳解

 

以前老式的磁盤,每個磁道的扇區都一樣,這樣外磁道整個弧長要大于內部的扇區弧長,因而其磁記錄密度就要比內部磁道的密度要小。最終,導致了外部磁道的空間浪費。

解決CHS磁盤浪費空間的方案有兩種:

1、盡量減少單個扇區的寬度,從而讓每個扇區面積盡量一樣

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2、改變磁道中的扇區數量

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目前硬盤都采用這種技術:ZBR(Zoned Bit Recording)區位記(Zoned zōnd )

Zoned-bit recording(ZBR 區位記錄)是一種物理優化硬盤存儲空間的方法,此方法通過將更多的扇區放到磁盤的外部磁道而獲取更多存儲空間。

linux系統磁盤類型,磁盤的物理結構及磁盤IO過程詳解

ZBR磁盤扇區結構示意圖

使用ZBR 區位記錄法磁盤的特點:

讀外圈的數據快,讀內圈的數據慢,所以測試硬盤經常看到讀取速度越來越慢的曲線圖就很正常了。

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磁盤IO時的過程。

第一步,首先是磁頭徑向移動來尋找數據所在的磁道。這部分時間叫尋道時間。

第二步,找到目標磁道后通過盤面旋轉,將目標扇區移動到磁頭的正下方。

第三步,向目標扇區讀取或者寫入數據。到此為止,一次磁盤IO完成。

故:單次磁盤IO時間 = 尋道時間 + 旋轉延遲 + 存取時間。

對于旋轉延時,現在主流服務器上經常使用的是1W轉/分鐘的磁盤,每旋轉一周所需的時間為60*1000/10000=6ms,故其旋轉延遲為(0-6ms)。對于存取時間,一般耗時較短,為零點幾ms。對于尋道時間,現代磁盤大概在3-15ms,其中尋道時間大小主要受磁頭當前所在位置和目標磁道所在位置相對距離的影響。

操作系統通過按磁道對應的柱面劃分分區,來降低磁盤IO所花費的的尋道時間 ,進而提高磁盤的讀寫性能。



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2019-09-29   linux 磁盤類型  點擊:(16)  評論:(0)  加入收藏
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