磁盘基础结构（理论）

参考URL：

http://my.ece.msstate.edu/faculty/reese/EE3724/lectures/fixdisk/
http://superuser.com/questions/974581/chs-to-lba-mapping-disk-storage
http://lnx.cx/docs/vdg/output/Virtual-Disk-Operations.html
http://www.c-jump.com/CIS24/Slides/DiskDrives/DiskDrives.html 重点参考

磁盘基本单位

整体概念

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• Disc：每个硬盘一般会包含多个磁片Disc，每个Disc可以是单面读写数据、也可以是多面读写数据。
• Head：读写磁盘的磁头，整个硬盘的所有磁头位置是固定在一起的，移动的动作是基于所有磁头的。针对双面Disc，会有正反两个磁头对应。
• Track：每个磁盘上的多个同心圆。
• Cylinder：多个磁盘上（正反两面）相同同心圆组成的柱状，用于描述多个磁盘上相同Track位置的数据集。
• Sector：每个Track可以进一步划分为多个小的区域，定义磁头一次读写的数据量，一般为512 byte或4K byte。
  • 针对不同年代的硬盘，Sector的划分方式不同。
  • 旧时的小容量硬盘每个Disc上每个Track都划分为等量的Sector，便于数据读取。

  • 每个Track等量的Sector分配对位于Disc外部的Track非常浪费，所以近代大容量磁盘采用了一种新的划分Sector的方法，即ZBR。ZBR将磁盘不同的Track划分为多个Zone，同一Zone的Track具有等量的Sector。位于Disc外侧Zone的Track划分的Sector数量要比内侧的Zone的Track多。

    
    
    

    Variable Sectors per Track

CYLINDER – HEAD – SECTOR (CHS)

CHS用于表述存放到物理磁盘上数据的位置。
磁盘可以被通过low level formatted为不同的容量（不同的存储方式）。

磁盘Controller通过用户提供的CHS数据，计算数据在磁盘上的物理位置，并将数据返回。

Number of cylinders (tracks), heads (sides), and sectors (aka CHS) uniquely identify thephysical geometry of the storage units on a disk

CHS also yields disk capacity:
Capacity = Cylinders × Heads × Sectors × sector_size

Designed for early IDE/ATA HDDs

C <= 1,024

H <= 16

S <= 63

This mode works for drives up to 504 MB in capacity

ECHS

CHS方式最多能描述504M的磁盘大小，所以ECHS（Extended CHS）方式出现了。

ECHS is used for drives between 504 MB and 8 GB
CHS addressing is limited to
10 bits for cylinder (<=1024)
8 bits for head (<=256), and
6 bits for sector (<=63 since first sector is 1.)

In ECHS, the actual C value is divided by 2 and the H value multiplied by 2 until:
C < 1024 or H >= 255
Reported CHS geometry = 18,383/16/63
Capacity = 9,487,392,768 B (9 GB)

In fact, this drive might very well have two platters (i.e., 4 heads)
True geometry is CHS = 73,532/4/63

The translation is handled by the disk drive controller

Zone Bit Recording

一个小容量的磁盘（<=8GB），每个track包含的Sector数量是相同的，位于磁盘外部的Track bits密度低，内部的Track bits密度高。

两个Sector

每个Track分配相同数量的Sector，对磁盘容量是一个较大的浪费，外部Track本应该容纳更多的数据。ZBR提供了一种可变的Sector/Track对应关系，使内、外Track承载不同数量的Sector，更有效的提升了磁盘容量，使更大容量的磁盘成为可能。

ZBR环境下，Cylinder、Header、Sector的位置发生了巨大的变化（见下图），所以传统的CHS寻址方式已经不能满足要求，需要寻求一种新的寻址模式。

Variable Sectors per Track

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Logical Block Addressing

ZBR环境下不能使用CHS方式寻址数据了，所以引入了一种新的寻址模式，也就是LBA，LBA是基于CHS寻址方式转换而来的（Translation Method）。
其使用linear sheme表述地址，使用Sector作为基本单位（其概念中第一个Sector是Sector 0）。
LBA作为一种新的寻址方式，并不被广大操作系统和BIOS所熟知，他们依旧使用传统的CHS寻址方式，磁盘Controller会负责将LBA (physical geometry) 翻译为 CHS addressing (logical geometry) 供操作系统和BIOS使用。

CHS vs. LBA

Sectors and Clusters

Sector是磁盘上最小的I/O单元。
通常一个数据文件至少要占用连续的几个Sector，如果每次读写操作都需要定位到最小的Sector单位，那速度将会非常慢。所以就引入了Cluster的概念，Cluster是操作系统用于优化I/O读写速度创建的，它是逻辑上的一组Sector，每个Cluster一般会覆盖4-64个Sector（2-32KB）。