盤

盤可以說是硬件里面比較簡單的構(gòu)造了，同時(shí)也是最重要的。下面我們從盤談起，聊聊它的物理構(gòu)造

盤硬件

盤會有很多種類型。其中最簡單的構(gòu)造就是磁盤(magnetic hard disks)， 也被稱為 hard disk,HDD等。磁盤通常與安裝在磁臂上的磁頭配對，磁頭可將數(shù)據(jù)讀取或者將數(shù)據(jù)寫入磁盤，因此磁盤的讀寫速度都同樣快。在磁盤中，數(shù)據(jù)是隨機(jī)訪問的，這也就說明可以通過任意的順序來存儲和檢索單個(gè)數(shù)據(jù)塊，所以你可以在任意位置放置磁盤來讓磁頭讀取，磁盤是一種非易失性的設(shè)備，即使斷電也能永久保留。

在計(jì)算機(jī)發(fā)展早期一般是用光盤來存儲數(shù)據(jù)的，然而隨著固態(tài)硬盤的流行，固態(tài)硬盤不包含運(yùn)動部件的特點(diǎn)，成為現(xiàn)在計(jì)算機(jī)的首選存儲方式。

磁盤

為了組織和檢索數(shù)據(jù)，會將磁盤組織成特定的結(jié)構(gòu)，這些特定的結(jié)構(gòu)就是磁道、扇區(qū)和柱面

 

每一個(gè)磁盤都是由無數(shù)個(gè)同心圓組成，這些同心圓就好像樹的年輪一樣

 

“部分樹的年輪照片都要付費(fèi)下載了，不敢直接白嫖，闊怕闊怕。

磁盤被組織成柱面形式，每個(gè)盤用軸相連，每一個(gè)柱面包含若干磁道，每個(gè)磁道由若干扇區(qū)組成。軟盤上大約每個(gè)磁道有 8 - 32 個(gè)扇區(qū)，硬盤上每條磁道上扇區(qū)的數(shù)量可達(dá)幾百個(gè)，磁頭大約是 1 - 16 個(gè)。

對于磁盤驅(qū)動程序來說，一個(gè)非常重要的特性就是控制器是否能夠同時(shí)控制兩個(gè)或者多個(gè)驅(qū)動器進(jìn)行磁道尋址，這就是重疊尋道(overlapped seek)。對于控制器來說，它能夠控制一個(gè)磁盤驅(qū)動程序完成尋道操作，同時(shí)讓其他驅(qū)動程序等待尋道結(jié)束?？刂破饕部梢栽谝粋€(gè)驅(qū)動程序上進(jìn)行讀寫操作，與此同時(shí)讓另外的驅(qū)動器進(jìn)行尋道操作，但是軟盤控制器不能在兩個(gè)驅(qū)動器上進(jìn)行讀寫操作。

RAID

RAID 稱為 磁盤冗余陣列，簡稱 磁盤陣列。利用虛擬化技術(shù)把多個(gè)硬盤結(jié)合在一起，成為一個(gè)或多個(gè)磁盤陣列組，目的是提升性能或數(shù)據(jù)冗余。

RAID 有不同的級別

• RAID 0 - 無容錯的條帶化磁盤陣列
• RAID 1 - 鏡像和雙工
• RAID 2 - 內(nèi)存式糾錯碼
• RAID 3 - 比特交錯奇偶校驗(yàn)
• RAID 4 - 塊交錯奇偶校驗(yàn)
• RAID 5 - 塊交錯分布式奇偶校驗(yàn)
• RAID 6 - P + Q冗余

磁盤格式化

磁盤由一堆鋁的、合金或玻璃的盤片組成，磁盤剛被創(chuàng)建出來后，沒有任何信息。磁盤在使用前必須經(jīng)過低級格式化(low-levvel format)，下面是一個(gè)扇區(qū)的格式

 

前導(dǎo)碼相當(dāng)于是標(biāo)示扇區(qū)的開始位置，通常以位模式開始，前導(dǎo)碼還包括柱面號、扇區(qū)號等一些其他信息。緊隨前導(dǎo)碼后面的是數(shù)據(jù)區(qū)，數(shù)據(jù)部分的大小由低級格式化程序來確定。大部分磁盤使用 512 字節(jié)的扇區(qū)。數(shù)據(jù)區(qū)后面是 ECC，ECC 的全稱是 error correction code ，數(shù)據(jù)糾錯碼，它與普通的錯誤檢測不同，ECC 還可以用于恢復(fù)讀錯誤。ECC 階段的大小由不同的磁盤制造商實(shí)現(xiàn)。ECC 大小的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)取決于設(shè)計(jì)者愿意犧牲多少磁盤空間來提高可靠性，以及程序可以處理的 ECC 的復(fù)雜程度。通常情況下 ECC 是 16 位，除此之外，硬盤一般具有一定數(shù)量的備用扇區(qū)，用于替換制造缺陷的扇區(qū)。

低級格式化后的每個(gè) 0 扇區(qū)的位置都和前一個(gè)磁道存在偏移，如下圖所示

 

這種方式又被稱為 柱面斜進(jìn)(cylinder skew)，之所以采用這種方式是為了提高程序的運(yùn)行性能。可以這樣想，磁盤在轉(zhuǎn)動的過程中會經(jīng)由磁頭來讀取扇區(qū)信息，在讀取內(nèi)側(cè)一圈扇區(qū)數(shù)據(jù)后，磁頭會進(jìn)行向外側(cè)磁道的尋址操作，尋址操作的同時(shí)磁盤在繼續(xù)轉(zhuǎn)動，如果不采用這種方式，可能剛好磁頭尋址到外側(cè)，0 號扇區(qū)已經(jīng)轉(zhuǎn)過了磁頭，所以需要旋轉(zhuǎn)一圈才能等到它繼續(xù)讀取，通過柱面斜進(jìn)的方式可以消除這一問題。

柱面斜進(jìn)量取決于驅(qū)動器的幾何規(guī)格。柱面斜進(jìn)量就是兩個(gè)相鄰?fù)膱A 0 號扇區(qū)的差異量。如下圖所示

 

這里需要注意一點(diǎn)，不只有柱面存在斜進(jìn)，磁頭也會存在斜進(jìn)(head skew)，但是磁頭斜進(jìn)比較小。

磁盤格式化會減少磁盤容量，減少的磁盤容量都會由前導(dǎo)碼、扇區(qū)間間隙和 ECC 的大小以及保留的備用扇區(qū)數(shù)量。

在磁盤使用前，還需要經(jīng)過最后一道工序，那就是對每個(gè)分區(qū)分別執(zhí)行一次高級格式化(high-level format)，這一操作要設(shè)置一個(gè)引導(dǎo)塊、空閑存儲管理(采用位圖或者是空閑列表)、根目錄和空文件系統(tǒng)。這一步操作會把碼放在分區(qū)表項(xiàng)中，告訴分區(qū)使用的是哪種文件系統(tǒng)，因?yàn)樵S多操作系統(tǒng)支持多個(gè)兼容的文件系統(tǒng)。在這一步之后，系統(tǒng)就可以進(jìn)行引導(dǎo)過程。

當(dāng)電源通電后，BIOS 首先運(yùn)行，它會讀取主引導(dǎo)記錄并跳轉(zhuǎn)到主引導(dǎo)記錄中。然后引導(dǎo)程序會檢查以了解哪個(gè)分區(qū)是處于活動的。然后，它從該分區(qū)讀取啟動扇區(qū)(boot sector)并運(yùn)行它。啟動扇區(qū)包含一個(gè)小程序來加載一個(gè)更大一點(diǎn)的引導(dǎo)器來搜索文件系統(tǒng)以找到系統(tǒng)內(nèi)核(system kernel)，然后程序被轉(zhuǎn)載進(jìn)入內(nèi)存并執(zhí)行。

“這里說下什么是引導(dǎo)扇區(qū)：引導(dǎo)扇區(qū)是磁盤或者存儲設(shè)備的保留扇區(qū)，其中包含用于完成計(jì)算機(jī)或磁盤引導(dǎo)過程所必要的數(shù)據(jù)或者代碼。引導(dǎo)扇區(qū)存儲引導(dǎo)記錄數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)用于在計(jì)算機(jī)啟動時(shí)提供指令。有兩種不同類型的引導(dǎo)扇區(qū)

Master boot record 稱為主引導(dǎo)扇區(qū)

Volume boot record 卷啟動記錄

對于分區(qū)磁盤，引導(dǎo)扇區(qū)由主引導(dǎo)記錄組成;非分區(qū)磁盤由卷啟動記錄組成。

磁盤臂調(diào)度算法

下面我們來探討一下關(guān)于影響磁盤讀寫的算法，一般情況下，影響磁盤快讀寫的時(shí)間由下面幾個(gè)因素決定

• 尋道時(shí)間 - 尋道時(shí)間指的就是將磁盤臂移動到需要讀取磁盤塊上的時(shí)間
• 旋轉(zhuǎn)延遲 - 等待合適的扇區(qū)旋轉(zhuǎn)到磁頭下所需的時(shí)間
• 實(shí)際數(shù)據(jù)的讀取或者寫入時(shí)間

這三種時(shí)間參數(shù)也是磁盤尋道的過程。一般情況下，尋道時(shí)間對總時(shí)間的影響最大，所以，有效的降低尋道時(shí)間能夠提高磁盤的讀取速度。

如果磁盤驅(qū)動程序每次接收一個(gè)請求并按照接收順序完成請求，這種處理方式也就是 先來先服務(wù)(First-Come, First-served, FCFS) ，這種方式很難優(yōu)化尋道時(shí)間。因?yàn)槊看味紩凑枕樞蛱幚?，不管順序如何，有可能這次讀完后需要等待一個(gè)磁盤旋轉(zhuǎn)一周才能繼續(xù)讀取，而其他柱面能夠馬上進(jìn)行讀取，這種情況下每次請求也會排隊(duì)。

通常情況下，磁盤在進(jìn)行尋道時(shí)，其他進(jìn)程會產(chǎn)生其他的磁盤請求。磁盤驅(qū)動程序會維護(hù)一張表，表中會記錄著柱面號當(dāng)作索引，每個(gè)柱面未完成的請求會形成鏈表，鏈表頭存放在表的相應(yīng)表項(xiàng)中。

一種對先來先服務(wù)的算法改良的方案是使用 最短路徑優(yōu)先(SSF) 算法，下面描述了這個(gè)算法。

假如我們在對磁道 6 號進(jìn)行尋址時(shí)，同時(shí)發(fā)生了對 11 , 2 , 4, 14, 8, 15, 3 的請求，如果采用先來先服務(wù)的原則，如下圖所示

 

我們可以計(jì)算一下磁盤臂所跨越的磁盤數(shù)量為 5 + 9 + 2 + 10 + 6 + 7 + 12 = 51，相當(dāng)于是跨越了 51 次盤面，如果使用最短路徑優(yōu)先，我們來計(jì)算一下跨越的盤面

 

跨越的磁盤數(shù)量為 4 + 1 + 1 + 4 + 3 + 3 + 1 = 17 ，相比 51 足足省了兩倍的時(shí)間。

但是，最短路徑優(yōu)先的算法也不是完美無缺的，這種算法照樣存在問題，那就是優(yōu)先級 問題，

這里有一個(gè)原型可以參考就是我們?nèi)粘Ｉ钪械碾娞?，電梯使用一種電梯算法(elevator algorithm) 來進(jìn)行調(diào)度，從而滿足協(xié)調(diào)效率和公平性這兩個(gè)相互沖突的目標(biāo)。電梯一般會保持向一個(gè)方向移動，直到在那個(gè)方向上沒有請求為止，然后改變方向。

電梯算法需要維護(hù)一個(gè)二進(jìn)制位，也就是當(dāng)前的方向位：UP(向上)或者是 DOWN(向下)。當(dāng)一個(gè)請求處理完成后，磁盤或電梯的驅(qū)動程序會檢查該位，如果此位是 UP 位，磁盤臂或者電梯倉移到下一個(gè)更高級未完成的請求。如果高位沒有未完成的請求，則取相反方向。當(dāng)方向位是 DOWN時(shí)，同時(shí)存在一個(gè)低位的請求，磁盤臂會轉(zhuǎn)向該點(diǎn)。如果不存在的話，那么它只是停止并等待。

我們舉個(gè)例子來描述一下電梯算法，比如各個(gè)柱面得到服務(wù)的順序是 4，7，10，14，9，6，3，1 ，那么它的流程圖如下

 

所以電梯算法需要跨越的盤面數(shù)量是 3 + 3 + 4 + 5 + 3 + 3 + 1 = 22

電梯算法通常情況下不如 SSF 算法。

一些磁盤控制器為軟件提供了一種檢查磁頭下方當(dāng)前扇區(qū)號的方法，使用這樣的控制器，能夠進(jìn)行另一種優(yōu)化。如果對一個(gè)相同的柱面有兩個(gè)或者多個(gè)請求正等待處理，驅(qū)動程序可以發(fā)出請求讀寫下一次要通過磁頭的扇區(qū)。

“這里需要注意一點(diǎn)，當(dāng)一個(gè)柱面有多條磁道時(shí)，相繼的請求可能針對不同的磁道，這種選擇沒有代價(jià)，因?yàn)檫x擇磁頭不需要移動磁盤臂也沒有旋轉(zhuǎn)延遲。

對于磁盤來說，最影響性能的就是尋道時(shí)間和旋轉(zhuǎn)延遲，所以一次只讀取一個(gè)或兩個(gè)扇區(qū)的效率是非常低的。出于這個(gè)原因，許多磁盤控制器總是讀出多個(gè)扇區(qū)并進(jìn)行高速緩存，即使只請求一個(gè)扇區(qū)時(shí)也是這樣。一般情況下讀取一個(gè)扇區(qū)的同時(shí)會讀取該扇區(qū)所在的磁道或者是所有剩余的扇區(qū)被讀出，讀出扇區(qū)的數(shù)量取決于控制器的高速緩存中有多少可用的空間。

磁盤控制器的高速緩存和操作系統(tǒng)的高速緩存有一些不同，磁盤控制器的高速緩存用于緩存沒有實(shí)際被請求的塊，而操作系統(tǒng)維護(hù)的高速緩存由顯示地讀出的塊組成，并且操作系統(tǒng)會認(rèn)為這些塊在近期仍然會頻繁使用。

當(dāng)同一個(gè)控制器上有多個(gè)驅(qū)動器時(shí)，操作系統(tǒng)應(yīng)該為每個(gè)驅(qū)動器都單獨(dú)的維護(hù)一個(gè)未完成的請求表。一旦有某個(gè)驅(qū)動器閑置時(shí)，就應(yīng)該發(fā)出一個(gè)尋道請求來將磁盤臂移到下一個(gè)被請求的柱面。如果下一個(gè)尋道請求到來時(shí)恰好沒有磁盤臂處于正確的位置，那么驅(qū)動程序會在剛剛完成傳輸?shù)尿?qū)動器上發(fā)出一個(gè)新的尋道命令并等待，等待下一次中斷到來時(shí)檢查哪個(gè)驅(qū)動器處于閑置狀態(tài)。

錯誤處理

磁盤在制造的過程中可能會有瑕疵，如果瑕疵比較小，比如只有幾位，那么使用壞扇區(qū)并且每次只是讓 ECC 糾正錯誤是可行的，如果瑕疵較大，那么錯誤就不可能被掩蓋。

一般壞塊有兩種處理辦法，一種是在控制器中進(jìn)行處理;一種是在操作系統(tǒng)層面進(jìn)行處理。

這兩種方法經(jīng)常替換使用，比如一個(gè)具有 30 個(gè)數(shù)據(jù)扇區(qū)和兩個(gè)備用扇區(qū)的磁盤，其中扇區(qū) 4 是有瑕疵的。

 

控制器能做的事情就是將備用扇區(qū)之一重新映射。

 

還有一種處理方式是將所有的扇區(qū)都向上移動一個(gè)扇區(qū)

 

上面這這兩種情況下控制器都必須知道哪個(gè)扇區(qū)，可以通過內(nèi)部的表來跟蹤這一信息，或者通過重寫前導(dǎo)碼來給出重新映射的扇區(qū)號。如果是重寫前導(dǎo)碼，那么涉及移動的方式必須重寫后面所有的前導(dǎo)碼，但是最終會提供良好的性能。

穩(wěn)定存儲器

磁盤經(jīng)常會出現(xiàn)錯誤，導(dǎo)致好的扇區(qū)會變成壞扇區(qū)，驅(qū)動程序也有可能掛掉。RAID 可以對扇區(qū)出錯或者是驅(qū)動器崩潰提出保護(hù)，然而 RAID 卻不能對壞數(shù)據(jù)中的寫錯誤提供保護(hù)，也不能對寫操作期間的崩潰提供保護(hù)，這樣就會破壞原始數(shù)據(jù)。

我們期望磁盤能夠準(zhǔn)確無誤的工作，但是事實(shí)情況是不可能的，但是我們能夠知道的是，一個(gè)磁盤子系統(tǒng)具有如下特性：當(dāng)一個(gè)寫命令發(fā)給它時(shí)，磁盤要么正確地寫數(shù)據(jù)，要么什么也不做，讓現(xiàn)有的數(shù)據(jù)完整無誤的保留。這樣的系統(tǒng)稱為 穩(wěn)定存儲器(stable storage)。穩(wěn)定存儲器的目標(biāo)就是不惜一切代價(jià)保證磁盤的一致性。

穩(wěn)定存儲器使用兩個(gè)一對相同的磁盤，對應(yīng)的塊一同工作形成一個(gè)無差別的塊。穩(wěn)定存儲器為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，定義了下面三種操作：

• 穩(wěn)定寫(stable write)
• 穩(wěn)定讀(stable read)
• 崩潰恢復(fù)(crash recovery)

穩(wěn)定寫指的就是首先將塊寫到比如驅(qū)動器 1 上，然后將其讀回來驗(yàn)證寫入的是否正確，如果不正確，那么就會再次嘗試寫入和讀取，一直到能夠驗(yàn)證寫入正確為止。如果塊都寫完了也沒有驗(yàn)證正確，就會換塊繼續(xù)寫入和讀取，直到正確為止。無論嘗試使用多少個(gè)備用塊，都是在對你驅(qū)動器 1 寫入成功之后，才會對驅(qū)動器 2 進(jìn)行寫入和讀取。這樣我們相當(dāng)于是對兩個(gè)驅(qū)動器進(jìn)行寫入。

穩(wěn)定讀指的就是首先從驅(qū)動器 1 上進(jìn)行讀取，如果讀取操作會產(chǎn)生錯誤的 ECC，則再次嘗試讀取，如果所有的讀取操作都會給出錯誤的 ECC，那么會從驅(qū)動器 2 上進(jìn)行讀取。這樣我們相當(dāng)于是對兩個(gè)驅(qū)動器進(jìn)行讀取。

崩潰恢復(fù)指的是崩潰之后，恢復(fù)程序掃描兩個(gè)磁盤，比較對應(yīng)的塊。如果一對塊都是好的并且是相同的，就不會觸發(fā)任何機(jī)制;如果其中一個(gè)塊觸發(fā)了 ECC 錯誤，這時(shí)候就需要使用好塊來覆蓋壞塊。

如果 CPU 沒有崩潰的話，那么這種方式是可行的。如果在穩(wěn)定寫期間出現(xiàn) CPU 崩潰會怎么樣?這就取決于崩潰發(fā)生的精確時(shí)間，有五種情況，下面來說一下

• 第一種情況是崩潰發(fā)生在寫入之前，在恢復(fù)的時(shí)候就什么都不需要修改，舊的值也會繼續(xù)存在。

 

• 第二種情況是 CPU 崩潰發(fā)生在寫入驅(qū)動器 1 的時(shí)候，崩潰導(dǎo)致塊內(nèi)容被破壞，然而恢復(fù)程序能夠檢測出這一種錯誤，并且從驅(qū)動器 2 恢復(fù)驅(qū)動器 1 上的塊。

 

• 第三種情況是崩潰發(fā)生在磁盤驅(qū)動器 1 之后但是還沒有寫驅(qū)動器 2 之前，這種情況下由于磁盤 1 已經(jīng)寫入成功

 

• 第四種情況是崩潰發(fā)生在磁盤驅(qū)動 1 寫入后在磁盤驅(qū)動 2 寫入時(shí)，恢復(fù)期間會用好的塊替換壞的塊，兩個(gè)塊的最終值都是最新的

 

• 最后一種情況就是崩潰發(fā)生在兩個(gè)磁盤驅(qū)動寫入后，這種情況下不會發(fā)生任何問題

 

這種模式下進(jìn)行任何優(yōu)化和改進(jìn)都是可行的，但是代價(jià)高昂，一種改進(jìn)是在穩(wěn)定寫期間監(jiān)控被寫入的塊，這樣在崩潰后進(jìn)行檢驗(yàn)的塊只有一個(gè)。

有一種 非易失性 RAM 能夠在崩潰之后保留數(shù)據(jù)，但是這種方式并不推薦使用。