磁盘的工作原理解读

磁盘存储区域

一块磁盘划分为若干个记录面，每个记录面划分为若干条 磁道，而每条磁道又划分为若干个 扇区，扇区（也称块、扇段）是磁盘读写的最小单位，即磁盘按块存取。一个具有多盘片的磁盘组，可将其 n 个面上所有同一半径的磁道看成一个圆柱面，称为 柱面；在移动磁头的组合盘中，多个磁头一次定位的磁道集合就是一个柱面。

• 磁头数：表示磁盘总共有几个磁头，一般来说一个记录面对应一个磁头，所以等于记录面数。
• 柱面数：表示磁盘中柱面的个数，等于每个记录面上的磁道数。
• 扇区数：表示每条磁道上有几个扇区。

磁盘地址

一个磁盘存储器可以有多台驱动器，不同的驱动器可以用一个编号（驱动器号，或者台号）来区分。当驱动器号确定后，磁盘进行寻址定位时，首先需要整体移动磁头找到对应柱面（磁道）、再选定磁头，最后转动盘片找到扇区。所以寻址所需要的磁盘地址，一般由 驱动器号、柱面（磁道）号、盘面号、扇区号 组成。

磁盘的地址格式如下所示:

系统中有 4 个驱动器，每个驱动器带一个磁盘组，其中有 11 个盘片（最外层上下侧为保护面），每个盘面有 203 个磁道、划分为 16 个扇区。则可以算出，驱动器号需要 2 位；柱面号需要 8 位（ 27 < 203 < 28 ）；而 11 个盘片有 20 个盘面，所以盘面号需要 5 位；扇区号需要 4 位。最终每个磁盘地址要 19 位二进制代码。

磁盘的工作过程

磁盘的主要操作是寻址、读盘、写盘。磁盘属于机械式部件，其读/写操作是串行的，不可能在同一 时刻既读又写，也不可能在同一时刻读两组数据或写两组数据。

冗余磁盘阵列

通过在多个磁盘上并行存取来大幅提高吞吐量；通过镜像功能，提高了安全性、可靠性；通过数据校验，提供容错能力。

冗余磁盘阵列（Redundant Array of Independent Disks，RAID）是将多个独立的物理磁盘组成一个磁盘阵列，引入并行处理技术，让数据在多个物理盘上分割交叉存储、并行访问。

根据不同的目的，可以采用不同的 RAID 方案；在 RAID1 ~ RAID5 的几种方案中，无论何时有磁盘损坏，都可以随时拔出受损的磁盘再插入好的磁盘，而数据不会损坏。RAID 的分级如下所示：

• RAID 0：通过条带化（striping）技术将数据分布在多个磁盘上，从而提升性能，但没有冗余，因此一旦有任何磁盘损坏，所有数据都会丢失。它适用于对性能要求高且数据可以容忍丢失的场景。
• RAID 1：通过磁盘镜像（mirroring）提供数据冗余，所有数据同时写入两个或更多磁盘，因此如果一个磁盘损坏，另一个磁盘上仍有完整的数据副本。RAID 1提供了很高的数据安全性，但存储成本较高，因为实际可用存储空间只有总磁盘容量的一半。
• RAID 2、RAID 3、RAID 4：这些RAID级别在实际应用中使用较少。RAID 2使用海明码（Hamming code）进行错误检测和纠正，RAID 3和RAID 4分别使用位级和块级的奇偶校验提供冗余，但这些方案因为性能瓶颈和实际应用的局限性，通常不推荐使用。
• RAID 5：RAID 5是一种常见的设置，它结合了条带化和分布式奇偶校验。数据条带化分布在多个磁盘上，并且奇偶校验信息也分布在所有磁盘上，这样任何单个磁盘的故障都不会导致数据丢失。RAID 5在提供一定程度的性能提升的同时，也提供了较好的数据保护能力。

在设计和使用RAID时，需要根据数据的重要性和应用的需求来选择合适的RAID级别。同时，还需要注意，虽然RAID可以显著提升数据的可靠性和访问速度，但它不是数据备份的替代品。重要数据仍需要进行定期备份，以防所有磁盘同时遭受不可恢复的故障，如火灾、盗窃等。