硬盘基础

本文大部分知识来源于 清华大学出版社出版，马林编著的《数据重现-文件系统原理精解与数据恢复最佳实践》

目前存储方式基本分为磁存储、电存储和光存储。U盘及各种存储卡属于电存储；VCD，DVD盘等属于光存储方式；而硬盘属于磁存储。自1968年，IBM发明Winchester技术以后，硬盘的机械存储结构基本没变过，即密封、固定并高速旋转的镀磁盘片，磁头沿盘片径向移动，磁头悬浮在高速旋转的盘片上方而不与盘片接触。

硬盘的基本组成

• 磁道：磁盘上形成的同心圆叫做磁道。
• 扇区：磁盘上的每个磁道被等分为若干个弧段，这些弧段便是扇区。扇区是磁盘读写的单位。
• 柱面：硬盘通常由重叠的一组磁盘组成，在这些磁盘上由半径相同的所有磁道组成的圆柱，称为柱面。硬盘上数据的存取是沿柱面进行的，即在一个柱面内依次从低号盘片向高号盘片写入，写满一个柱面后再转到下一个柱面。
• 磁头：硬盘由很多盘片组成，每个盘片的上下两面都有一个磁头进行存取。

当读取/写入数据时，首先移动硬盘的磁头至某个磁道，即首先定位柱面；然后旋转盘片至相应的扇区；最后选择某个磁头进行操作。

硬盘的性能指标

• 转速(Revolutions Per Minute)：指硬盘主轴电机的转动速度，一般以每分钟多少转来表示(rpm)，目前的最高转速可达15000 rpm。硬盘的转速决定了移动磁头至扇区所需要的时间，一般以ms为单位，如7200RPM时约为4.167ms，5400RPM时约为5.556ms。。
• 平均寻道时间(Average Seek Time)：指移动磁头至指定磁道所需的平均时间，一般是ms。除了平均寻道时间外，还有道间寻道时间(Track to Track或Cylinder Switch Time)与全程寻道时间(Full Track或Full Stroke)，前者是指磁头从当前磁道上方移至相邻磁道上方所需的时间，后者是指磁头从最外(或最内)圈磁道上方移至最内(或最外)圈磁道上方所需的时间，基本上比平均寻道时间多一倍。
• 数据传输率(DTR, Data Transfer Rate)：DTR分为最大(Maximum)与持续(Sustained)两个指标，根据数据交接方的不同又分外部与内部数据传输率。内部DTR是指磁头与缓冲区之间的数据传输率，外部DTR是指缓冲区与主机(即内存)之间的数据传输率。外部DTR上限取决于硬盘的接口，目前流行的Ultra ATA-100接口即代表外部DTR最高理论值可达100MB/s，持续DTR则要看内部持续DTR的水平。内部DTR则是硬盘的真正数据传输能力，为充分发挥内部DTR，外部DTR理论值都会比内部DTR高，但内部DTR决定了外部DTR的实际表现。由于磁盘中最外圈的磁道最长，可以让磁头在单位时间内比内圈的磁道划过更多的扇区，所以磁头在最外圈时内部DTR最大，在最内圈时内部DTR最小。 DTR单位为MB/s。
• IOPS：IOPS是指单位时间内系统能处理的I/O请求数量，一般以每秒处理的I/O请求数量为单位，I/O请求通常为读或写数据操作请求。随机读写频繁的应用，IOPS是关键衡量指标。
  IOPS（每秒IO次数） = 1s/(寻道时间+旋转延迟+数据传输时间)

假设磁盘平均物理寻道时间为3ms, 磁盘转速为7200,10K,15Krpm，则磁盘IOPS理论最大值分别为:
IOPS = 1000 / (3 + 60000/7200/2)  = 140

IOPS = 1000 / (3 + 60000/10000/2) = 167

IOPS = 1000 / (3 + 60000/15000/2) = 200

• 数据吞吐量(Throughput)，指单位时间内可以成功传输的数据数量。对于大量顺序读写的应用，如VOD(Video On Demand)，则更关注吞吐量指标。

硬盘接口

• IDE接口分为UDMA/33, UDMA/66, UDMA/100, UDMA/133, Ultra DMA采用总线控制方式，在硬盘上有直接内存通道控制器，可大大降低硬盘在读写时对CPU的占用率。受限于IDE接口的局限，IDE硬盘速度的提高已趋于极限。
• SATA接口是一种串行总线，相比IDE的并行总线，由于减少了线路间的信号干扰，使速度大为提高。SATA 1.0达到150 MB/s, 2.0/3.0更可提升至300 MB/s和600 MB/s.
• SCSI接口有三种：分别是50针、68针和80针，硬盘上分别标有N, W和SCA。SCSI硬盘的最高转速已达15000转/分，平均寻道时间大幅缩短，数据传输率有了很大的提高。尤为关键的是SCSI盘的CPU占用率进学低，在5%左右。
• SAS接口是SCSI接口之后开发出的全新接口，提供与SATA硬盘的兼容性，即兼容物理层和协议层协议。从接口标准上而言，SATA是SAS的一个子标准，因此SAS控制器可以直接操控SATA硬盘。SAS 1.0传输速率达3 Gbps, 2.0/3.0达到6 Gbps和12 Gbps.
• IEEE 1394并不是硬盘专用接口，可以连接包括硬盘在内的63个不同设备，并支持即插即用和热插拔。可以提供100 MB/s, 400 MB/s, 1.2 GB/s.

硬盘分区

要想使用硬盘，首先要对其进行分区，划分成一定的逻辑区域，然后通过对分区进行格式化建立相应的文件系统。系统通过记录在分区表中的分区信息对各个分区进行识别与管理，此外，因使用环境不同，分区的管理方式也会有不同，如DOS分区体系、Apple分区体系、BSD分区体系。

(1). DOS分区体系，DOS分区是我们最常见的分区类型，也称为MBR分区，同时也是Intel IA32硬件平台的分区体系。

• 磁盘的第一个扇区记录系统的主引导记录(MBR)，其中保存着64 B的主分区表和446 B的引导代码。
• 主分区表最多记录4个分区信息，这些分区可以是主分区，也可以是扩展分区。主分区中不能建立其它逻辑磁盘，而扩展分区中可以包含其它的分区表，其中的分区称为逻辑分区。所以扩展分区的主要作用就是突破MBR中最多只能支持4个分区的限制。

(2). GPT (GUID Partition Table)分区，是Windows Server 2003中引入的一种新型磁盘架构，是一种基于Itanium计算机中的可扩展固件接口(EFI)使用的磁盘分区架构。

• 允许每个磁盘有多达128个分区( MBR磁盘最多只能有4个主分区，或3个主分区加一个扩展分区和无限制的逻辑驱动器 )。
• 支持高达18EB的卷大小 (MBR磁盘支持的最大卷为2TB)。
• 支持唯一的磁盘和分区ID.

在“磁盘管理”中的磁盘属性对话框中的“卷”选项卡上，使用GPT分区的磁盘显示为GUID分区表磁盘，而使用MBR分区的磁盘则显示为主启动记录磁盘。

MBR和2TB限制

在Windows下建立基本磁盘时，是以分区(Partition)为存储于管理单位的，但受到寻址能力的问题，MBR的上限为2TB，若实际物理磁盘容量大于2TB,必须分割为多个分区，这对目前只有1个硬盘的用户没啥影响，但阵列用户就会遇到问题了。

之后，微软在WIN2000下首次加入了动态磁盘（Dynamic disks）的概念，提供了基本磁盘没有的功能。动态磁盘是以磁盘区(Volume)为管理单位，通过系统磁盘管理器，我们可以建立跨越多个物理硬盘的磁盘区，还能建立容错能力的磁盘分区，如RAID 1和RAID 5。动态磁盘虽然能解决2TB容量限制问题，但必须透过Volume来管理，当中经过系统磁盘管理和文件系统2层处理，在易用性和性能上不是很理想。

最后，微软在Windows Server 2003系统下首次支持了GPT，GPT也是以分区(Partition)为存储于管理单位的，但寻址能力大幅提高，可以支持到18EB容量。在实际运用中，操作系统支持GPT而突破2TB限制只是其中一个必要条件，还需要看主板或者阵列卡控制器的寻址能力和支持大于64LBA的驱动程序。

以下任何一个都是影响到存储容量：

• 不同操作系统支持的分区体系造成分区容量限制不同：MBR为2TB，GPT为18EB.
• 不同文件系统支持的分区容量限制不同，FAT16为2GB，FAT32为2TB，NTFS为18EB.
• 存储设备的驱动程序上，最早的IDE只支持CHS，所以上限为512M，后来支持LBA28位，所以支持到137GB，现在新的SATA、SCSI和SAS支持为LBA48位，也就是到137TB。

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