机械硬盘

时间 2020-05-25

原文原文链接

1 机械硬盘

1.0 硬盘外部结构

<div align=center><img src="https://img2018.cnblogs.com/blog/1470483/201907/1470483-20190720155854672-455691115.jpg"></div> <center>图1.0 机械硬盘结构</center>html

1.2 磁盘结构

<div align=center><img src="https://img2018.cnblogs.com/blog/1470483/201907/1470483-20190720160335403-297059461.jpg"></div> <center>图1.2 磁盘结构</center>安全

磁盘有多个磁片,每一个磁片有两面,每一个每一个面有一个磁头,用于读取磁片信息,磁片被划分为多个扇形区域即扇区,同一磁片不一样半径的同心圆为磁道,不一样磁片相同半径构成的圆柱面称为柱面。服务器

名词	描述
柱面	各磁盘相同位置上磁道的集合
磁盘容量	磁头数×磁道(柱面)数×每道扇区数×每扇区字节数

1.3 磁片结构

<div align=center><img src="https://img2018.cnblogs.com/blog/1470483/201907/1470483-20190720160435119-885814320.png"></div> <center>图1.3 磁片结构</center> - 盘面上的同一个磁道构成一个圆柱(柱面),数据的读写按柱面由外向内进行,而不是按盘面进行,定位时,首先肯定柱面,再肯定盘面,而后肯定扇区,以后全部磁头一块儿定位到指定柱面,再旋转盘面使指定扇区位于磁头之下.写数据时,当前柱面的当前磁道写满后,开始在当前柱面的下一个磁道写入,只有当前柱面所有写满后,才将磁头移动到下一个柱面.在对硬盘分区时,各个分区是以柱面为单位划分的,即从柱面到柱面,不存在一个柱面同属于多个分区. - 现代硬盘技术,不用圆心发散的直线划分扇区,而是从外圈磁道开始取必定长度做为一个扇区,而后从外向里一个个编号,这个编号就是扇区的地址,咱们要肯定文件位置全靠这个地址,扇区都有固定的大小,通常为512字节,如今的支持先进格式化(NTFS)的硬盘都采用4096字节做为一个扇区. - 术语网络

序号	术语	描述
1	磁道(Track)	每一个盘面被划分为许多同心圆,这些同心圆轨迹称为磁道,磁道由外向内,从0开始编号
2	扇区(Sector)	将一个盘面划分为若干内角相同的扇形,这样盘面上的每个磁道就被划分为若干段圆弧,每段圆弧叫作一个扇区,每一个扇区中的数据做为一个单元同时读出或写入,硬盘的第一个扇区,叫作引导扇区.旧式硬盘,磁道周长不一样,每一个磁道上扇区数相同,越往圆心弧越短,存储密度越高,显然浪费空间;现代硬盘改成等密度结构,即外围磁道上扇区数量大于内圈磁道,寻址方式改成以扇区为单位的线性寻址,对扇区进行查询和管理,须要对扇区进行编号,扇区的编号从0磁道开始,起始扇区为1扇区,依次增长,0磁道的扇区编号结束后,1磁道的起始扇区累计编号
3	簇	DOS进行分配的最小单位,当建立一个很小的文件时,如一个字节,则在磁盘上并不仅占一个字节的空间,而是占有整个一个簇,簇的大小可在称为磁盘参数块(BPB)中获取,簇仅适用于数据区,磁盘驱动器在向磁盘读取和写入数据时,要以扇区为单位,在磁盘上,DOS操做系统是以"簇"为单位,为文件分配磁盘空间.硬盘的簇一般为多个扇区,与磁盘的种类,DOS版本和硬盘分区大大小有关,每一个簇智能由一个文件占用,及时这个文件只有几个字节,毫不容许两个以上文件共用一个簇,不然会形成数据混乱
4	扇面	一个磁片面上,同心圆由外到内的扇区组成的一个面,称为扇面,磁盘面由分红多个扇面,扇面分为多个扇区

1.4 数据读取

读取过程机械硬盘读取数据,先经过磁头找到对应的磁道和扇区(对于多碟的机械硬盘首先须要肯定柱面),这所有依靠磁头的驱动马达来驱动(磁头自己是依靠磁片旋转产生的气流来悬浮的).马达等机械装置的反应速度毕竟不快,因此机械硬盘会浪费大量时间在磁道寻址上(每次寻道大约10ms左右),尤为是对于零碎的小文件读取来讲,因为文件所在的扇区不连续,须要不断进行寻道,这样性能就大大下降.
读取性能平常进行文件读写绝大部分是随机文件读写,机械硬盘在这种状况下花费在寻道的时间不少,系统在机械硬盘上运行速度慢的结果.因此机械硬盘的随机读写能力较差(不超过0.1MB/s),可是持续读写性能较好(并且随着单碟容量的提高和磁片阵列的组建,持续读写速度可比固态硬盘更快).若是不使用机械硬盘做为系统盘,则性能和固态硬盘差异不大,如播放媒体文件.

<div align=center><img src="https://img2018.cnblogs.com/blog/1470483/201907/1470483-20190720160518866-1481608968.png"></div> <center>图1.4 磁盘读取速度</center>ide

2 磁盘阵列

磁盘输入输出系统要求性能

提升存取速度;
容错,即安全性;
有效利用磁盘空间;
平衡CPU,内存及磁盘性能差别,提升计算机总体工做性能;

<div align=center><img src="https://img2018.cnblogs.com/blog/1470483/201907/1470483-20190720160927995-1045751735.png"></div> <center>图2.1 磁盘阵列</center>spa

2.1 阵列介绍

磁盘阵列控制器链接四个磁盘,这四个磁盘构成一个阵列,二磁盘阵列的控制器(RAID Controller)将四个磁盘视为单一的磁盘,如DOS环境下的C盘,磁盘扩展将小容量的磁盘扩充为大容量的单一磁盘,用没必要规划数据在各个磁盘的分布,并且提升了磁盘空间的使用率,DFTRaid的SISC磁盘阵列可链接几十个磁盘,而各个磁片一块儿存取的动做比单一磁盘快,磁盘阵列将同一阵列的磁盘视为单一的虚拟磁盘(Virtual Disk)因此器数据是以分段方式顺序存放在磁盘阵列中,如上图所示.操作系统

2.2 数据存储

数据按需分段,从第一个磁盘开始存放,放到最后一个磁盘在回到第一个磁盘,直到数据分配完毕.分段大小视系统而定,有的系统以1kb或4kb甚至4mb或8mb存取,但除非数据小于一个扇区(512bytes),不然分段应是512bytes的倍数.机械硬盘的数据读写以扇区为单位,若数据小于512bytes,系统读取该扇区后,还要作组合或分组的动做,耗费时间.从上图可知,数据分段于不一样的磁盘,整个阵列的各个磁盘同时读写,故数据分段使存取有更好的性能.设计

level	场景
0/1	PC及PC相关的系统,如小型网络服务器及须要高磁盘容量与快速磁盘存取的工做站,性价比较高
2/3	大型电脑及影像,CAD/CAM等处理
5	多用于OLTP,由于有金融机构及大型数据处理中心的迫切须要,使用较多且名气较高

2.3 机械硬盘RAID系列

2.3.1 RAID0

RAID0使磁盘的输入输出有最高的效率,而磁盘阵列有更高效率的缘由除了数据分段外,还能够同时执行多个输入输出要求,由于阵列中的每一个磁盘都能独立动做,分段放在不一样的磁盘,不一样的磁盘可同时读写,并且能在快取内存及磁盘做并行存取的动做,但只有硬件的磁盘阵列才有此性能表现.code

2.3.2 RAID1

RAID1使用磁盘镜像(Disk Mirroring)技术,工做方式为在工做磁盘以外,增长备份磁片,两个磁盘所存储的数据彻底一致,数据写入工做磁盘时,同时将数据写入备份磁盘.RAID1彻底作到了容错包括不停机,当某一磁盘发生故障,可将此磁盘拆下来而不影响其余磁盘的操做,待新的磁盘换上去,系统即时作镜像,将数据从新复制.

2.3.3 RAID2

RAID2将数据分散为位元(bit)或块(block),加入海明码(Hamming code),在磁盘阵列中做间隔写入到每一个磁盘中,并且地址都同样,即在各个磁盘中,数据都在相同的磁道及扇区中,RAID2设计是使用共轴同步(spindle sychronize)的技术,存取数据时,整个磁盘阵列一块儿动做,在各做磁盘的相同位置做平行存取,因此有最好的存取时间(access time),其总线(bus)是特别的设计,以大宽带(band wide)并行传输所存取的数据,因此有最好的传输时间(transfer time),在大型档案的存取应用,RAID2有最好的性能,若是档案过小,性能会降低,由于磁盘的存取以扇区为单位,而RAID2的存取是全部磁盘平行动做,并且是左单位元的存取,故小于扇区的数量会使其性能大打折扣,RAID2是设计给须要连续大量数据的电脑使用,如大型电脑,做影像处理或CAM/CAD的工做站等,并不适用于通常的多用户环境,网络服务器,小型机或PC.RAID2的安全采用内存阵列技术,使用多个额外的磁盘做单位错误校订(single-bit correction)及双位错误检测(double-bit detction).

2.3.4 RAID3

RAID3的数据存储技术及存取方式和RAID2同样,共轴同步,可是在安全方面以奇偶校验(parity check)取代海明码左错误校订及检测,全部只要一个额外的校验磁盘(parity disk),奇偶校验值的计算是以各个磁盘的对应位做XOR的逻辑运算,而后将结果写入奇偶校验磁盘,任何数据的修改都要作奇偶校验计算,若是某一磁盘故障,换上新的磁盘,整个磁盘阵列(包括奇偶校验磁盘)须要从新计算一次,将故障磁盘的数据回复并写入新磁盘中,如奇偶校验磁盘故障,则从新计算奇偶校验值,以达容错要求.

RAID3磁盘利用空间比RAID1和RAID2磁盘利用率达85%,性能比RAID2稍差,由于要作奇偶校验计算,共轴同步的平行存取在读档案是有很好的性能,可是在写入时较慢,须要从新计算及修改奇偶校验磁盘内容.RAID3和RAID2有一样的应用方式,适用大档案及大量数据输入输出的应用,不适用于PC及网络服务器.

2.3.5 RAID4

RAID4以扇区做为数据分段,各磁盘形同位置分段造成一个校验磁片分段(parity block),放在校验磁盘,这种方式可在不一样的磁片平行执行不一样的读取命令,大幅提升磁片阵列的读取性能,但写入数据时,因受限与校验磁盘,同一时间只能做一次,启动全部磁盘读取数据造成同一校验分段的全部数据分段,与要写入的数据作好校验计算再写入,及时如此,小型档案的写入仍然比RAID3快,由于校验计算简单而非做位(bit level)计算,(RAID3为bit级操做),但校验磁盘造成RAID4的瓶颈,下降了性能,有RAID5,因此RAID4不多使用.

<div align=center><img src="https://img2018.cnblogs.com/blog/1470483/201907/1470483-20190720161111650-1088707909.png"></div> <center>图2.4 RAID4结构</center> ### 2.3.6 RAID5 RAID5避免了RAID4的瓶颈,即不采用校验磁盘,而将校验数据以循环的方式放在每个磁盘中,如图所示,此片阵列的第一个磁盘分段为校验值,第二个磁片至后一个磁盘再折回第一个磁盘的分段是数据,而后第二个磁片的分段是校验值,从第三个再折回第二个磁盘的分段是数据,一次类推,直到数据放完为止,图中的第一个校验值由A0--A4, B0--B4计算,第二个校验值由B3,B4, ..., C4,D0计算出来,即校验值由各磁盘的同一位置的分段数据计算出来,这种方式大幅增长了小档案的存储性能,不但可同时读取,甚至可同时执行多个写入的动做. <div align=center><img src="https://img2018.cnblogs.com/blog/1470483/201907/1470483-20190720161138390-325164532.png"></div> <center>图2.5 RAID5结构</center>

RAID5的控制比较复杂,尤为是利用硬件对磁片阵列的控制,这种方式的应用比其余RAID level要掌握更多的事情,有更多的输入输出要求,既要速度快,又要处理数据,计算校验值,作错误校订,因此价格较高,应用最好是OLTP,至于PC不见得有最佳的性能.

3 小结

机械硬盘中，电路板上的主控芯片负责与芯片组之间的通讯并控制硬盘内部的运转,盘片使用磁性材料作成的,固定在硬盘中部的马达上旋转,磁头沿着磁片的径向移动,剃头读写数据时会在磁片上方移动,移动过程也称硬盘寻道过程. 磁盘阵列:提升HDD性能的方法之一是组建磁盘阵列,磁盘阵列有多种类型,其中有些是为保证数据安全的,做为自动备份而组建的,一般用于提升性能的磁盘阵列为RAID0,使用4块硬盘组件RAID0以后,当数据从芯片组传输给硬盘,这个数据会被自动划分为4个部分,每一个硬盘个存储一部分,理想状态下,RAID0的写入速度翻倍;读取数据,从各个硬盘各自拿出对应存储的数据,理想状态下读取速度也会翻倍.可是,RAID0对于机械硬盘随机读写并无明显做用,然而,RAID0原理会在SSD中大放异彩. 廉价磁盘冗余阵列(Redundant Array of Inexpensive Disks, RAID),RAID level使用不一样的场景.

【参考文献】 1 https://wenku.baidu.com/view/26a311ccfc0a79563c1ec5da50e2524de518d089 2 https://wenku.baidu.com/view/6635c6f387c24028905fc37c

原文出处：https://www.cnblogs.com/xdq101/p/11218137.html