存储篇(1)

计算机体系

大学学过微机原理，里面介绍一个计算机最小组成单元-cpu，内存，磁盘。相应的这三者也构成所谓的图灵机，即有限状态机。 在主机主板中还包含了南北桥芯片，前者的设计意图是接入低速的io设备，后者是创建cpu和内存南桥的通道。

cpu和北桥链接是总线为系统总线，总线频率为cpu从外部存取数据的数据传输速率，cpu自身的震荡频率为cpu计算的频率。 内存和北桥链接的总线为内存总线。北桥的速率高于外设的传输速率，因此在io总线链接北桥中引入南桥，其集成了不少外设的控制器，好比磁盘控制器，usb控制器等。

io总线

对于io总线，其并不是只有一条总线，而是分为地址总线，控制总线，数据总线。

cpu与硬盘设备的交互

1. 每一个io设备在启动后会在内存中映射一个或者多个地址，这个地址8位长，称为io端口。针对这个地址的数据，通通会被北桥芯片重定向到总线实际设备上。
2. 首先cpu会把io地址放到系统总线上，北桥收到以后，会等待cpu发送第一个针对外设的指令。而后cpu发送以下三条指令 1） 指令包含当前指令是读或者写，并且包含其余一些选项，如是否中断或者开启磁盘缓存 2） 发送须要读取的硬盘逻辑块号 3） 给出读取出来的内存应该存放到内存的哪一个地址上。
3. 这三条指令会依次发送给io总线上的磁盘控制器来执行。好比第二条指令，磁盘控制器收到后会进行磁盘实际扇区和逻辑块号的查找，而后寻址，读取，第三条指令cpu给出数据应该放在内存的地址，磁盘控制器读取出数据而后经过DMA技术直接在内存进行寻址并执行写入。

注：cpu发送的指令是到南桥芯片上集成的控制器，控制器对磁盘发出一系列指令分为两个体系，一个是ATA指令集，一种是SCSI指令集，scsi指令集比ata指令集高效。

存储分类

通常咱们录音带这中存储介质是没办法随机定位的，这种存储称为流式存储，对于硬盘这种分扇区，能够定位到扇区位置的存储方式称为块式存储。所以磁带这种存储方式只能用于数据容灾备份。

普通磁盘的构成

普通磁盘的数据组织通常由多个双边盘面，每一个盘面有多条磁盘，每一个同心同磁道不是连续记录数据，而是划分为一段段的圆弧，根据角速度一致，外圈的数据读取速度比内圈的快。每段圆弧称为一个扇区，这个是io读写的最小单位。 同一个磁道下全部盘面构成一个柱面，磁头读写首先从同一个柱面内从0磁头开始进行操做，依次向下在不一样盘面进行操做，写完后再转移到下一个柱面。(减小寻轨，电信号切换远快于机械切换)

扇区：每一个扇区能够存放512b数据和一些其余信息，扇区通常有两个主要部分，一个是存储数据地址的标识符，另外一个是存储数据的数据段。前期扇区的头标包括组成扇区三级地址的三个数字(扇区所在的磁道，扇区所在的柱面，扇区所在位置。称为CHS地址)，后面换成LBA编址方式，lba编址再也不区分柱面磁道这些概念，而是提供一个线性的地址，而后这些物理信息由磁盘自己保存。这个关系保存在磁盘控制器电路的ROM芯片中，磁盘初始化时载入缓存中以便查询。扇区头标中包含一个字段代表扇区是否能可靠存储数据，而且扇区头标以循环冗余crc值做为结束。

扇区编号和交叉因子

最简单的扇区编号方式是采用线性顺序编号，但这个方法存在一个问题，但扇区在处理一个扇区数据期间，可能因为磁头转得太快，直接就进入下一个扇区头标部分，这个时候磁盘就须要空转一周才能从新写入。针对这个状况，ibm一位工程师就采起一个交叉因子的方式进行编号，好比3:1表明磁盘第一个扇区为1号，跳过两个扇区到第四个扇区为2号。

磁盘io单位

对于磁盘而言，最小写入单位是一个扇区，对于操做系统的page，文件系统的block通常是4KB大小,io对于越上层而已越清晰简洁，而越底层io越复杂。好比文件系统的io比卷管理程序的io简单，卷管理程序对应到磁盘控制器更简单。

磁盘的简单描述

对于一个小白而已，磁盘能够当作一张空白的纸，咱们经过位置信息能够找到咱们须要的写入或者读取的位置，而对于这个寻址即相似上面LBA寻址方式。当寻找到对应位置后，咱们须要向磁盘发送须要写入的数据，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。

磁盘队列技术

想象一个场景，当多个io下发到磁盘中，a须要读取中间的数据，b要读取最左边的数据，c要读取最右边的数据。假设咱们按照先进先服务的原则，这个时候显然效率并非最好的，因此这个就涉及一个优化问题，如何使得磁盘的执行序列最优。固然这个问题并不能只在磁盘驱动器上考虑，还必须在磁盘控制器上考虑，由于磁盘控制器默认行为是读取驱动器上的缓存，若是数据乱序后就会引起不少问题。(磁盘控制器和磁盘驱动器的步伐不是一致，驱动器只能预先读取数据存在其缓存中，等待控制器去主动读取)

1. FCFS（first come first server）
2. sstf（shortest seek time first）会形成饿死问题，读取与磁盘最短距离的请求数据。
3. scan（回旋扫描模式）电梯模型，单边扫描后再折返
4. c-scan（单边扫描）
5. look（智能监察扫描模式）这个方式和单边的区别在于不须要扫描到终点，而是完成最两端io即折返