系列教程--Linux基础--14--磁盘结构和原理详解

灰太狼 2022-12-27 06:25 100阅读 0赞

**本节概要**

磁盘分类

磁盘物理结构

磁盘逻辑结构

磁盘引导原理

**环境准备**

操作系统：Centos6.5、Centos7.2。

### **一、磁盘分类** ###

磁盘大致可以分为IDE硬盘、SCSI硬盘、SATA硬盘、移动硬盘和固态硬盘。

常见硬盘按照结构可以分为机械硬盘和固态硬盘。常见的机械硬盘有IDE硬盘、SCSI硬盘和SATA硬盘。

**1. IDE****硬盘**

![20201208122507540.png][]

IDE硬盘即使用IDE接口的硬盘，IDE是所有并行ATA接口规格的统称。

优点：

IDE硬盘价格相对较低，兼容性强，稳定，存储容量大，噪音低。

缺点：

IDE硬盘采用的是并行传输的方式，随着传输速度的增大信号干扰会逐渐增大，重传增加，影响数据的传输。

**2. SCSI****硬盘**

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMTA0NzI0OTk_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

SCSI硬盘即采用SCSI接口的硬盘。

SCSI硬盘和一般IDE盘相比优点如下：

接口速度快，主要用于服务器，转速相对较快，硬盘的缓存容量较大，占用cpu相对较低，扩展性高于IDE盘，支持热插拔。

SCSI目前已经相对较老，毕竟现在很多笔记本都已经是全SSD盘了。

**3. SATA** **硬盘**

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMTA0NzI0OTk_size_16_color_FFFFFF_t_70 1][]

SATA硬盘是指采用SATA接口的硬盘。

SATA接口采用串行数据传输，理论上传输速度要高于IDE接口，解决了IDE盘数据传输中信号干扰导致传输速率下降的问题。

SATA接口的硬盘支持热插拔，传输速率较高。

**4. SSD****硬盘**

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMTA0NzI0OTk_size_16_color_FFFFFF_t_70 2][]

SSD盘即固态盘，非机械盘。

SSD盘是用固态电子存储芯片制成的硬盘，固态盘主要由控制单元和存储单元组成。

在接口规范、定义、功能和使用方法上固态盘和普通机械盘完全相同，在外形和尺寸上也与普通的机械盘基本一致，因此对于应用来说不需要做额外的适配。

固态盘的存储介质分为两种，一种是采用闪存作为存储介质，一种是采用DRAM作为存储介质。

固态盘存储速度快，但是价格相对较高，目前主流的云厂商都已经大范围支持SSD存储。

### **二、传统磁盘物理结构** ###

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMTA0NzI0OTk_size_16_color_FFFFFF_t_70 3][]

磁盘存储容量计算：

存储容量=磁头数x磁道数x每道扇区数x每扇区字节数。

**1. 磁道**

磁盘旋转时每个刺头在盘面上画出的原型的轨迹即磁道，磁道是一组同心圆，磁盘表面上涂有磁性材料层，磁盘在工作时磁头会在磁层上进行读写操作，数据被记录在磁层上。

信息沿着轨道存放，相邻的磁道之间不是紧挨着的，防止磁化单元相隔太近时磁性会相互影响，为磁头的读写造成不便。盘片一般是双面的，一般一面有成千上万的磁道。

**2. 扇区**

扇区即磁道上的一个个圆弧。每个盘片会划分为很多的同心圆的磁道，扇区会被进一步划分为多个相等的圆弧，即扇区。

划分扇区原因：

读取和写入数据的时候磁盘以扇区为单位进行读取和数据的写入，即使只需要很少的数据量，如几个字节，计算机也会将整个扇区的全部的512字节的数据全部读入内存，然后在筛选具体需要的数据，简单说划分扇区的目的就是为了提高数据的处理速度，毕竟在磁盘的扇区中进行数据的筛选速度要慢很多。

每个扇区的开始和结束位置都会有一些特定的数据，这些数据用来构成扇区之间的界限标志，磁盘通过这些界限的标志来识别扇区。

**3. 柱面**

磁盘中具有相同磁道编号的磁道构成柱面。

硬盘一般由多个盘片组成，盘片的每个面都被划分成数目相等的磁道，并从外沿开始对磁道进行编号，最边缘的为0号磁道，往里依次进行累加，相同编号的磁道组成一个柱面，这样的话磁盘的柱面的个数和磁道的个数是相等的。

每个盘面都对应一个磁头，磁头数目和盘面个数相等。

### **三、传统磁盘逻辑结构** ###

磁盘在使用之前需要进行格式化，格式化好的磁盘按照记录的数据作用可以分为如下几个部分：

主引导记录，MBR

操作系统引导记录，OBR

文件分配表， FAT

根目录， DIR

数据区，DATA

上面5个重要的信息存储在磁盘的外磁道上，因为外磁道周长较大，且数据密度较低，这样可靠性较高。

个人电脑一般采用MBR方式进行分区，服务器一般采用DPT方式分区。

**1. 引导扇区**

引导扇区即磁盘的一个扇区，用于加载并转让处理器的控制权给操作系统。

引导扇区包括主引导扇区和操作系统引导扇区。

**2. 主引导扇区**

主引导扇区为设备的第一个扇区，即磁盘的0柱面、0磁头、1号扇区(clinder 0、side 0、sector 1)。

主引导扇区包括主引导记录和分区表DPT。

主引导扇区大小：512字节，即一个扇区的字节。主引导扇区构成：

<table style="margin-left:63.55pt;"> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td style="vertical-align:top;width:108.5pt;"> <p style="margin-left:0cm;">主引导记录MBR</p> </td> 
   <td style="vertical-align:top;width:122.1pt;"> <p style="margin-left:0cm;">分区表DPT</p> </td> 
   <td style="vertical-align:top;width:74.15pt;"> <p style="margin-left:0cm;">结束标志</p> </td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="vertical-align:top;width:108.5pt;"> <p style="margin-left:0cm;">446字节</p> </td> 
   <td style="vertical-align:top;width:122.1pt;"> <p style="margin-left:0cm;">64字节</p> </td> 
   <td style="vertical-align:top;width:74.15pt;"> <p style="margin-left:0cm;">2字节</p> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

分区表DPT中记录磁盘的分区数量以及每个分区的大小。

主引导记录MBR作用：检查分区表是否正确，确定哪个分区为主引导分区，将分区的启动程序调入内存执行。

硬盘分区表DPT：共占64字节，其中每个分区占16字节，可以表示4个分区，这个即是一个磁盘主分区和扩展分区之和最多为4的原因。

一个磁盘主分区和扩展分区之和最大为4，扩展分区最多一个，可以没有扩展分区。

### **四、传统磁盘引导原理** ###

计算机启动后先执行bios中的程序，进行一系列的检测和配置后开始按照bios中设定的系统引导顺序引导系统，引导设置如：光驱、磁盘、USB等。

假设为磁盘引导，bios执行完自己的程序后会跳转到MBR中第一条指令，将系统的控制权交由MBR。

MBR引导程序检查分区表是否正确，在系统完成自检后MBR将引导具有激活标志的分区上的操作系统，并将控制权交给启动程序。

后面即进入grup引导，记载内核，启动系统的主进程，读取一系列配置文件完成开机和启动开机后需要启动的服务器。

[20201208122507540.png]: /images/20221120/12e5d64b519c4867bb9fdd3686d8ff08.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMTA0NzI0OTk_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20221120/9dc98d205fdd4a5596ae3282ce2b44c9.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMTA0NzI0OTk_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]: /images/20221120/4a177ac3ed4d4f97a015a0733f706721.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMTA0NzI0OTk_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]: /images/20221120/48efd3bf1cfd4907bd4e0a0ff4cd3e55.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMTA0NzI0OTk_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]: /images/20221120/3b98b236ff5d48db9baa80dd8a051c53.png