10.1 硬盤(pán)結(jié)構(gòu)（機(jī)械硬盤(pán)和固態(tài)硬盤(pán)）詳解

在 Linux 系統(tǒng)中，文件系統(tǒng)是創(chuàng)建在硬盤(pán)上的，因此，要想徹底搞清楚文件系統(tǒng)的管理機(jī)制，就要從了解硬盤(pán)開(kāi)始。

硬盤(pán)是計(jì)算機(jī)的主要外部存儲(chǔ)設(shè)備。計(jì)算機(jī)中的存儲(chǔ)設(shè)備種類(lèi)非常多，常見(jiàn)的主要有光盤(pán)、硬盤(pán)、U 盤(pán)等，甚至還有網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)設(shè)備 SAN、NAS 等，不過(guò)使用最多的還是硬盤(pán)。

如果從存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的介質(zhì)上來(lái)區(qū)分，硬盤(pán)可分為機(jī)械硬盤(pán)（Hard Disk Drive, HDD）和固態(tài)硬盤(pán)（Solid State Disk, SSD），機(jī)械硬盤(pán)采用磁性碟片來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，而固態(tài)硬盤(pán)通過(guò)閃存顆粒來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

機(jī)械硬盤(pán)(HDD)

我們先來(lái)看看最常見(jiàn)的機(jī)械硬盤(pán)。機(jī)械硬盤(pán)的外觀大家可能都見(jiàn)過(guò)，那么機(jī)械硬盤(pán)拆開(kāi)后是什么樣子的呢？如圖 1 所示。

圖 1 機(jī)械硬盤(pán)結(jié)構(gòu)

機(jī)械硬盤(pán)主要由磁盤(pán)盤(pán)片、磁頭、主軸與傳動(dòng)軸等組成，數(shù)據(jù)就存放在磁盤(pán)盤(pán)片中。大家見(jiàn)過(guò)老式的留聲機(jī)嗎？留聲機(jī)上使用的唱片和我們的磁盤(pán)盤(pán)片非常相似，只不過(guò)留聲機(jī)只有一個(gè)磁頭，而硬盤(pán)是上下雙磁頭，盤(pán)片在兩個(gè)磁頭中間高速旋轉(zhuǎn)，類(lèi)似圖 2。

圖 2 磁盤(pán)盤(pán)片

也就是說(shuō)，機(jī)械硬盤(pán)是上下盤(pán)面同時(shí)進(jìn)數(shù)據(jù)讀取的。而且機(jī)械硬盤(pán)的旋轉(zhuǎn)速度要遠(yuǎn)高于唱片（目前機(jī)械硬盤(pán)的常見(jiàn)轉(zhuǎn)速是 7200 r/min），所以機(jī)械硬盤(pán)在讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)時(shí)，非常害怕晃動(dòng)和磕碰。另外，因?yàn)闄C(jī)械硬盤(pán)的超高轉(zhuǎn)速，如果內(nèi)部有灰塵，則會(huì)造成磁頭或盤(pán)片的損壞，所以機(jī)械硬盤(pán)內(nèi)部是封閉的，如果不是在無(wú)塵環(huán)境下，則禁止拆開(kāi)機(jī)械硬盤(pán)。

我們已經(jīng)知道數(shù)據(jù)是寫(xiě)入磁盤(pán)盤(pán)片的，那么數(shù)據(jù)是按照什么結(jié)構(gòu)寫(xiě)入的呢？機(jī)械硬盤(pán)的邏輯結(jié)構(gòu)主要分為磁道、扇區(qū)和拄面。我們來(lái)看看圖 3。

圖 3 磁道和扇區(qū)

什么是磁道呢？每個(gè)盤(pán)片都在邏輯上有很多的同心圓，最外面的同心圓就是 0 磁道。我們將每個(gè)同心圓稱作磁道（注意，磁道只是邏輯結(jié)構(gòu)，在盤(pán)面上并沒(méi)有真正的同心圓）。硬盤(pán)的磁道密度非常高，通常一面上就有上千個(gè)磁道。但是相鄰的磁道之間并不是緊挨著的，這是因?yàn)榇呕瘑卧喔籼鼤?huì)相互產(chǎn)生影響。

那扇區(qū)又是十么呢？扇區(qū)其實(shí)是很形象的，大家都見(jiàn)過(guò)折疊的紙扇吧，紙扇打開(kāi)后是半圓形或扇形的，不過(guò)這個(gè)扇形是由每個(gè)扇骨組合形成的。在磁盤(pán)上每個(gè)同心圓是磁道，從圓心向外呈放射狀地產(chǎn)生分割線（扇骨），將每個(gè)磁道等分為若干弧段，每個(gè)弧段就是一個(gè)扇區(qū)。每個(gè)扇區(qū)的大小是固定的，為 512Byte。扇區(qū)也是磁盤(pán)的最小存儲(chǔ)單位。

柱面又是什么呢？如果硬盤(pán)是由多個(gè)盤(pán)片組成的，每個(gè)盤(pán)面都被劃分為數(shù)目相等的磁道，那么所有盤(pán)片都會(huì)從外向內(nèi)進(jìn)行磁道編號(hào)，最外側(cè)的就是 0 磁道。具有相同編號(hào)的磁道會(huì)形成一個(gè)圓柱，這個(gè)圓柱就被稱作磁盤(pán)的柱面，如圖 4 所示。

圖 4 柱面

硬盤(pán)的大小是使用"磁頭數(shù) x 柱面數(shù) x 扇區(qū)數(shù) x 每個(gè)扇區(qū)的大小"這樣的公式來(lái)計(jì)算的。其中，磁頭數(shù)（Heads）表示硬盤(pán)共有幾個(gè)磁頭，也可以理解為硬盤(pán)有幾個(gè)盤(pán)面，然后乘以 2；柱面數(shù)（Cylinders）表示硬盤(pán)每面盤(pán)片有幾條磁道；扇區(qū)數(shù)（Sectors）表示每條磁道上有幾個(gè)扇區(qū)；每個(gè)扇區(qū)的大小一般是 512Byte。

機(jī)械硬盤(pán)通過(guò)接口與計(jì)算機(jī)主板進(jìn)行連接。硬盤(pán)的讀取和寫(xiě)入速度與接口有很大關(guān)系。大家都見(jiàn)過(guò)大禮堂吧，大禮堂中可以容納很多人，但是如果只有一扇很小的門(mén)，那么人是很難進(jìn)入或出來(lái)的，這樣會(huì)造成擁堵，甚至?xí)霈F(xiàn)事故。機(jī)械硬盤(pán)的讀取和寫(xiě)入也是一樣的，如果接口的性能很差，則同樣會(huì)影響機(jī)械硬盤(pán)的性能。

目前，常見(jiàn)的機(jī)械硬盤(pán)接口有以下幾種：

IDE 硬盤(pán)接口（Integrated Drive Eectronics，并口，即電子集成驅(qū)動(dòng)器）也稱作 “ATA硬盤(pán)” 或 “PATA硬盤(pán)”，是早期機(jī)械硬盤(pán)的主要接口，ATA133 硬盤(pán)的理論速度可以達(dá)到 133MB/s（此速度為理論平均值），IDE 硬盤(pán)接口如圖 5 所示。

圖 5 IDE硬盤(pán)接口

SATA 接口（Serial ATA，串口），是速度更高的硬盤(pán)標(biāo)準(zhǔn)，具備了更高的傳輸速度，并具備了更強(qiáng)的糾錯(cuò)能力。目前已經(jīng)是 SATA 三代，理論傳輸速度達(dá)到 600MB/s（此速度為理論平均值），如圖 6 所示。

圖 6 SATA硬盤(pán)接口

SCSI 接口（Small Computer System Interface，小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口），廣泛應(yīng)用在服務(wù)器上，具有應(yīng)用范圍廣、多任務(wù)、帶寬大、CPU 占用率低及熱插拔等優(yōu)點(diǎn)，理論傳輸速度達(dá)到 320MB/s，如圖 7 所示。

圖 7 SCSI硬盤(pán)接口

固態(tài)硬盤(pán)（SSD）

固態(tài)硬盤(pán)和傳統(tǒng)的機(jī)械硬盤(pán)最大的區(qū)別就是不再采用盤(pán)片進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，而采用存儲(chǔ)芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。固態(tài)硬盤(pán)的存儲(chǔ)芯片主要分為兩種：一種是采用閃存作為存儲(chǔ)介質(zhì)的；另一種是采用DRAM作為存儲(chǔ)介質(zhì)的。目前使用較多的主要是采用閃存作為存儲(chǔ)介質(zhì)的固態(tài)硬盤(pán)，如圖 8 所示。

圖 8 固態(tài)硬盤(pán)

固態(tài)硬盤(pán)和機(jī)械硬盤(pán)對(duì)比主要有以下一些特點(diǎn)，如表 1 所示。

大家可以發(fā)現(xiàn)，固態(tài)硬盤(pán)因?yàn)閬G棄了機(jī)械硬盤(pán)的物理結(jié)構(gòu)，所以相比機(jī)械硬盤(pán)具有了低能耗、無(wú)噪聲、抗震動(dòng)、低散熱、體積小和速度快的優(yōu)勢(shì)；不過(guò)價(jià)格相比機(jī)械硬盤(pán)更高，而且使用壽命有限。

數(shù)據(jù)庫(kù)

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