【存储学习笔记】1：机械硬盘（Hard Drive Disk）结构和寻址方式

HDD的结构

• 盘面（Platter）：单面或者双面覆盖着用于记录数据的磁性物质，一块HDD由同轴上下多块Platter组成。
• 轴（Spindle）：所有的Platter都绕着这个Spindle，被主轴电机驱动着进行匀速旋转。
• 主轴电机（Spindle Motor）：用于旋转Platter，通常HDD转速是每分钟5400或者7200转。
• 读写头（Read/Write Head）：每个面上都有一个读写投用来读取或者写入数据。
• 磁头臂（Arm）：读写头都固定在Arm的末端。
• 制动杆（Actuator）轴：所有的Arm都连接到Actuator上，由定位电机来驱动，以控制读写头沿着Platter的半径方向移动。所以，Platter的旋转，配合读写头在Arm上的移动，可以让读写头访问到Platter上的所有部分。
• 磁道（Track）：Platter表面划分了一堆同心圆，也就是一个个Track。
• 柱面（Cylinder）：到Spindle有相同的半径距离的Track的集合。因为读写头的移动影响它在Platter上半径的哪个位置上，所以当某个面的读写头在某个Track上时，其它面的读写头也会在对应的这个半径的Track上，所有这些不同面上相同半径的Track称为一个Cylinder。看起来就像一个镂空的圆柱面一样。
• 扇区（Sector）：Track被划分成的一个个扇形区域，它是磁盘驱动器进行读写访问的最小单位，经典的Sector Size能容纳512B的数据。Sector的头部包含扇区标识符和时钟同步信息，尾部包含错误校验码（ECC），ECC是根据Sector头部信息和存储的数据计算得到的。
• 簇（Cluster）：HDD本身的读写基本单位是Sector，但对文件系统（File System）来说，基本读写单位是Cluster，相邻的若干个Sector组成一个Cluster。Cluster一般有4K、8K、…、64K等。
• 等密度结构磁盘：一般，所有的Track上Sector数量一样，但这样外磁道的记录密度会远远低于内磁道，所以会造成空间浪费，就限制了HDD的容量。在等密度结构磁盘实现上，Sector只需要固定的面积大小就可以了，所以外层的Track放了更多的Sector。

HDD的寻址方式

CHS寻址（不适用于等密度结构磁盘）

CHS寻址是利用HDD的三维结构，给个三个方向的参数来进行寻址：
Heads：磁头编号，比如双面磁盘，磁盘正反面各有一个磁头，所以用磁头编号就能表示数据在哪个磁面上。
Cylinders：柱面编号，表示数据在哪个柱面上，利用H和C就能定位到唯一磁道Track。
Sectors：扇区编号，因为已经定位到了唯一Track，所以用Sectors就能找到唯一的扇区。

CHS寻址方式下，HDD的大小很有限，根据HDD的容量计算公式：

硬盘容量= 盘面(磁头)数 × 柱面数 × 扇区数 × 每扇区字节数

例如

磁头数最大为255 (用 8 个二进制位存储)。从0开始编号。
柱面数最大为1023(用 10 个二进制位存储)。从0开始编号。
扇区数最大数 63(用 6个二进制位存储)。从1始编号。
所以CHS寻址方式的最大寻址范围为：
255 * 1023 * 63 * 512 / 1048576 = 7.837 GB ( 1M =1048576 Bytes )

对于等密度结构磁盘，内外层的扇区不能组成一个扇形（外磁道的扇区更多），所以没法使用CHS寻址方式。

LBA寻址（目前普遍使用的线性寻址方式）

LBA（Logical Block Addressing）寻址方式是给每个数据块一个从0开始线性增长的编号，所以不需要考虑硬盘的物理结构。
传统的28位LBA，能表示的范围就是2^28，乘以数据块大小就是最大数据容量。现代硬盘和OS已经支持48位LBA。

HDD的寻址速度

• 寻道时间（Seeking Time）：为了访问数据块，磁盘控制器要移动控制读写头到正确的Cylinder上，这个过程称为Seeking。
• 旋转延迟（Rotational Latency）：找到正确的Cylinder之后，还要等待要访问的那个Sector旋转到读头下面，这个时间称为Rotational Latency。

例如，7200转/分钟的HDD，转换一周的时间是60(秒)×1000(转换毫秒)÷7200(转)=8.33毫秒，平均情况下认为每次寻址需要转换半圈，则平均旋转延迟时间为8.33÷2=4.17ms。再加上寻道时间就是寻址所需要的时间。