大话存储——磁盘原理与技术笔记（一）
1.硬盘的组成
硬盘的组成：盘片、读写头、马达、底座、电路板等。
1.1 盘片
- 要求无尘、表面光滑平整
- 逻辑上被划分为柱面、磁道和扇区
- 磁道是对盘面进行同心圆划分，最外圈为0道，每个盘片两面都可用，每面包括300-1023个磁道，外圈读写快
- 柱面是对多个盘的同位置同心圆的磁道构成的柱体，读写时按照柱面进行，首先读写0磁头面的磁道，满了后移动到同柱面的下一磁道中
- 扇区是对每个磁道进行等距离的划分得到的圆弧，寻址时通过<柱面，磁头，扇区>（CHS）方式。但目前主要使用的是LBA的编址方式，即将整个磁盘视为一条线性磁道，对应关系保存在磁盘控制电路的ROM芯片中
- 扇区编号最简单方法为直接顺序编号，但由于磁盘电路读取一个扇区数据进行处理的过程中，磁盘可能已经旋转进入了下一个扇区的头标，导致要读取就需要再等一圈，因此产生了带交叉因子的编号方式MFM。交叉因子为3：1的编号方式为1，x，x，2，...。磁头扭斜为了解决磁头换道可能延迟到达的问题，相当于是对每个磁道的交叉因子。
1.2 磁头
磁头用以改变磁盘表面的磁性粒子簇达到保存信息的目的，磁头不可接触盘面，需要低空飞行。
1.3 步进电机
可以使磁头进行微米级别的位移。
1.4 其他概念
硬盘控制电路：介于存储介质和主机的接口之间，用以读取和写入数据的电路
磁盘的IO单位：读写是以扇区为最小单位的，有512B和4KB的
2.硬盘相关高层技术
2.1 磁盘中的队列技术
由于不同的指令可能访问的区域涉及到不同的柱面磁道，为了减少磁头的寻道时间引入了排队技术，磁盘控制电路可能会无视顺序而优先访问相同区域的数据（个人理解这可能是和系统共同进行的指令重排优化？）。磁盘控制器（位于主板上）需要配合磁盘控制电路。
2.2 无序传输技术
假如磁头位于数据尾部，采取就近原则能读就读，读取的数据发给控制器，通过DMA放在内存，等旋转到头部再读出剩余部分。
2.3 几种可控磁头扫描方式
（1）FCFS 先来先服务：完全按照IO顺序进行寻道操作
（2）SSTF （Shortest Seek Time First）：优先到最近的磁道进行操作，因此特别远的可能会被饿死
（3）SCAN 回旋扫描模式：类似电梯模型，从一端到另一端，无需访问的磁道不停止，必然到达最内/外圈。
（4）C-SCAN 单向扫描模式：仅从内圈向外扫描，到达最外后迅速返回
（5）LOOK 智能监察扫描模式：和SCAN不同之处为无需到达最内外圈，完成两端的IO即可返回
（6）C-LOOK：单向的LOOK
负载不高时SSTF性能最佳，高负载条件SCAN，C-SCAN，C-LOOK
2.4 磁盘缓存
SCSI控制参数
- DPO（Disable Page Out）：禁止缓存中的数据页被换出，配置了的数据不会被覆盖
- FUA（Force Unit Access）：强制盘片访问，对于写操作，磁盘必须将数据写入盘片才返回成功信号；对于读操作，磁盘收到指令直接读取盘片而不搜索缓存
2.5 影响磁盘性能的因素
- 转速（影响连续IO的首要因素）
- 寻道速度（影响随机IO的首要因素）
- 单碟容量（容量越高，数据密度越大）
- 接口速度（不太重要）
3.硬盘接口技术
3.1 IDE硬盘接口
IDE（Integrated Drive Electronics，电子集成驱动器），本质上将控制电路、盘片和磁头放在了一个容器。价格低，兼容性强。IDE接口也称为PATA接口，Parallel ATA。
共有7个版本的ATA接口：
- IDE
- Fast ATA
- Fast ATA-2
- ATA-33
- ATA-66
- ATA-100
- ATA-133
IDE数据传输模式：
（1）PIO模式（Programming I/O）：一种通过CPU执行IO端口指令来进行数据读写的数据交换模式。传输大量数据是会导致CPU的大量占用问题。已淘汰。
（2）DMA模式（Direct Memory Access）：直接内存访问，不经过CPU直接从内存存取数据的数据交换模式。CPU向DMA控制器下达指令，让其来处理数据传送，DMA控制器直接将数据复制到内存对应地址，然后反馈信息给CPU。
（3）Ultra DMA：在DMA的基础上增加了CRC技术，保障数据传输安全。
3.2 SATA硬盘接口
SATA的优势：
- 传输速率高：1.0可以达到150MB/s
- 数据可靠性高：可同时对指令和数据进行CRC
- 节省空间：线缆瘦，有利于机箱内部的散热
SATA2.0的新特性：
- 3Gb/s传输速率：等同于300MB/s，但带来的好处不明显，因为硬盘内部的传输速率达不到该接口传输速度，内部更多的时间花在了寻道上，如果配较大容量的缓存可能好处会大一些
- 支持NCQ技术：Native Command Queue，即自身命令队列，一种排队技术
3.3 SCSI硬盘接口
// To Be Continued