计算机组成原理：磁盘介绍

重点#

1. 磁盘的组成结构
2. 磁盘的术语
3. 磁盘的读写操作
4. 磁盘的数据存储格式
5. 磁盘的性能指标和计算
6. RAID 可靠性的提高

1. 组成结构#

磁盘存储器主要由盘片、磁盘驱动器、磁盘控制器三部分组成。

• 磁盘驱动器：驱动磁盘旋转并通过磁头在盘面上执行读/写操作
• 磁盘控制器：磁盘驱动器与主机之间的接口，负责接收并解析来自 CPU 的命令，向磁 盘驱动器发送控制信号，同时监控其运行状态。

如图 7.15 所示，磁盘驱动器主要由多张硬盘片、主轴、主轴电机、移动臂、磁头和控制电 路等部分组成，通过在接口插座上的电缆与磁盘控制器连接。

每个盘片的两个面上各有一个磁头，因此，磁头号就是盘面号。磁头和盘片相对运动形成的圆，构成一个磁道（track）。

磁头位于不同的半径上，则得到不同的磁道。多个盘面上的相同磁道形成一个柱面（cylinder），所以，磁道号就是柱面号。

信息存储在每个盘面的磁道上，每个磁道被分成若干扇区（sector），以扇区为单位进行磁盘读写。在写磁盘时，总是在一个柱面的所有磁道上写完后，再移到下一个柱面的各磁道上写信息。磁道从外向里编址，最外面的为磁道 0。

2. 术语#

磁盘由多个记录面（也称盘面）构成，每一个记录面包含多条磁道，每条磁道被划分成多个扇区，磁盘的读写以扇区作为最小单位。

• 记录面数：记录面数等于磁头数量，记录面也称盘面。

  数据的读写需要磁头参与，而一个磁盘有两个面（盘面），可以两面都记录独立的信息，因此一个磁盘可以在上下各自分配一个磁头进行数据的读写，这样一个磁盘就可以使用两个盘面记录数据。

• 柱面数：由”2.组成结构”知，磁头和盘片的相对运动画成的若干个圆把盘面划分成了多个磁道，每一个磁道就对应着一个柱面。因此，柱面数等于磁道数。

• 扇区数：每一个磁道被划分为多个扇区，因此扇区数指的是单条磁道上的扇区数量。扇区是单次读写的最小单位

3. 读写操作#

磁盘地址

磁盘读写是指根据磁盘寄存器里的盘地址，向目标磁道的正确扇区进行读写。

磁盘地址由三部分组成：柱面号、盘面号、扇区号

例如，磁盘有 16 个盘面，每个盘面有 256 个磁道，每个磁道划分为 16 个扇区，则每个扇区 的地址可用 16 位二进制代码表示：其中柱面号占 8 位，盘面号占 4 位，扇区号占 4 位。

考试会考地址计算

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磁盘进行读写时，一般有三个步骤：寻道、旋转等待、数据传输（读写）

3.1. 寻道#

磁盘控制器把磁盘地址送到磁盘驱动器的磁盘地址寄存器后，便产生寻道命令，以启动磁头定位伺服系统根据柱面号移动磁头到指定的柱面（磁道），并选择指定的磁头准备进行读写。此操作完成后，发出寻道结束信号给磁盘控制器，并转旋转等待操作。

总结：磁盘控制器依据磁盘地址寄存器里的磁盘地址，发出指令控制对应盘面号的磁头，将磁头移动到正确的磁道上，准备进行读写。（控制磁头移到目标磁道）

3.2. 旋转等待#

盘旋转开始时，首先将扇区计数器清零，以后每来一个扇区标志脉冲，扇区计数器加 1，把计数内容与磁盘地址寄存器中的扇区号进行比较，如果一致，则输出扇区符合信号，说明要读写的信息已经转到磁头下方。

总结：磁头开始沿磁道寻找目标扇区。

3.3. 读写#

扇区符合信号送给磁盘控制器后，磁盘控制器的读写控制电路开始动作。如果是写操作，就将数据送到写电路，写电路根据记录式成相应的写电流脉冲；如果是读操作，则由读出放大电路读出内容送磁盘控制器。

4. 数据存储格式#

还没有看见有考，可跳过

磁盘的数据存储格式有两种：定长记录格式和不定长记录格式

图为温切斯特磁盘的磁道格式示意图，它采用定长记录格式。最早的硬盘由 IBM 公司开发，称为温切斯特盘，简称温盘，它是所有现代硬盘产品的原型。

如图所示，每个磁道由若干扇区（也称扇段）组成，每个扇区记录一个数据块，每个扇区有头空（间隙 1）、ID 域、间隙 2、数据域和尾空（间隙 3）组成。头空占 17 字节，不记录数据，用全 1 表示，磁盘转过该区域的时间是留给磁盘控制器作准备用的；ID 域有同步字节、磁道号、磁头号、扇段号和相应的 CRC 码组成；数据域占 515 字节，有同步字节、数据和相应的 CRC 码组成，其中真正的数据区占 512 字节；尾空是在数据块的 CRC 码后的区域，占 20 字节，也用全 1 表示。

5. 性能指标#

此部分为重点内容，涉及较多计算

磁盘存储器的性能指标包括记录密度、存储容量、数据传输速率和平均存取时间等。

5.1. 记录密度#

记录密度即单位面积上可存储的二进制数据量，通常以道密度、位密度和面密度表示。

• 道密度：沿磁盘半径方向单位长度上的磁道数，也就是磁道的分布密度。

• 位密度：单条磁道单位长度上可记录的二进制位数。

• 面密度：位密度与道密度的乘积，反映单位面积的存储能力。

低密度存储与高密度存储：

低密度存储方式下，所有磁道上的扇区数相同，因此每个磁道上的位数相同，因而内道上的位密度比外道位密度高。

高密度存储方式下，每个磁道上的位密度相同，因此外道上的扇区数比内道上扇区数多，因而整个磁盘的容量比低密度盘高得多。

5.2. 磁盘容量#

存储容量指整个存储器所能存放的二进制信息量，它与磁表面大小和记录密度密切相关。

磁盘容量分为非格式化容量和格式化容量。

磁盘的未格式化容量是指按道密度和位密度计算出来的容量，它包括了可利用的所有磁化单元的总数，未格式化容量（或非格式化容量）比格式化后的实际容量要大。

非格式化的计算公式为：

$$\text{非格式化容量} = \text{记录面数} \times \text{柱面数} \times \text{每磁道磁化单元数}$$

其中每个磁道的磁化单元数就是没有进行格式化划分前，每一条磁道能够存储的所有比特位数。

但在实际使用时，我们需要按照扇区为单位进行读写，因此实际使用前需要进行格式化。

格式化容量的计算公式为：

$$\text{格式化容量} = \text{记录面数} \times \text{柱面数} \times \text{每道扇区数} \times \text{512 B}$$

看末尾，当进行格式化后，每一条磁道被划分为多个扇区，每一个扇区默认可存储 512 字节的数据，当然具体依照题目给的数据。

因此，非格式化容量 $>$ 格式化容量。

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非格式化容量是磁盘理论可承载数据的最大值，格式化容量是实际可用的容量。二者之间的差距在于：在划分扇区时，需要使用一些数据块作为格式字段（类似 HTTP 协议的首部行），作为对扇区进行编号（扇区号）和数据校验。而这些内存不存储用户的数据，但是占用了磁道的磁化单元（比特数）。而至于是哪些字段占用了内存，可查看”4. 数据存储格式”部分。

实际上，非格式化容量的计算方式有两种，主要区别是磁盘是低密度存储还是高密度存储方式。

低密度存储下，每条磁道的容量相等，所以同一个记录面下，不管是最内侧的磁道，还是最外侧的磁道，所拥有磁化单元是相等的（即使最外侧磁道更长）：

$$磁盘总容量=记录面数×理论柱面数×内圆周长×最内道位密度$$

相比之下，高密度存储（如现代硬盘的 ZBR 区位记录）会让外圈磁道存更多扇区，每条磁道容量不等，计算时需要分区域求和。（不会考这么细）

5.3. 平均存取时间#

磁盘响应读写请求的过程如下：首先将读写请求在队列中排队，出队列后由磁盘控制器解析请求命令，然后进行寻道、旋转等待和读写数据3个过程。

因此，总响应时间的计算公式为

$$\text{响应时间}=排队延迟 + 控制器时间+寻道时间+旋转等待时间 + 数据传输时间$$

磁盘上的信息以扇区为单位进读写，上式中后面3个时间之和称为存取时间 $T$ 。即：

$$存取时间\ T=寻道时间+旋转等待时间+数据传输时间$$

• 寻道时间：磁头移动到指定磁道所需时间；
• 旋转等待时间（旋转延迟）：目标扇区旋转到磁头下方所需要的时间；
• 数据传输时间：传输一个扇区的时间。

不过相比于寻道时间和旋转等待时间，数据传输时间非常小，可以忽略不计。因此磁盘的平均存取时间近似于平均寻道时间加上平均等待时间。

寻道时间：由于磁头原来位置与目标磁道的距离远近不一，因此取平均寻道时间为最大寻道时间的一半，即磁头从最外道移到最内道的时间的一半。

旋转等待时间（旋转延迟）：取平均等待时间为磁盘旋转半周的时间。

例如：磁盘转速为 $6000$ 转/分，则平均旋转等待时间

$$T_{wait} = \frac{1}{2} \times \frac{1}{6000/60} sec = 5\ ms$$

5.4. 数据传输速率#

磁盘在单位时间内向主机传送的数据量，单位 $B/s$ 。设磁盘转速为 $r$ 转/秒，单条磁道的容量为 $N$ 字节，则 最大传输速率为：

$$D_r = rN (Byte/s)$$

5.5. 例题#

例题一#

平均存取时间 $T$ = 平均寻道时间 + 控制器延时 + 平均旋转等待时间 + 数据传输时间

由题，平均寻道时间和控制器延时已给出。平均旋转等待时间为磁盘转动一周时间的一半，因此平均等待时间为

$$\frac{1}{2} \times \frac{1}{\frac{10000}{60}\times 10^3} = 3\ ms$$

即 $3 \ ms$ ，而数据传输时间为：

$$\frac{4 \times 1000 B}{20 \times 10^6 B/s} \times 10^3 = 0.2\ ms$$

所以结果为：$6 + 0.2 + 3 + 0.2 = 9.4 \ ms$

例题二#

平均存取时间 $T$ = 平均寻道时间 + 控制器延时 + 平均旋转等待时间 + 数据传输时间

由于本题没有给每个扇区具体的数据字节数，因此可知该题是使用平均寻道时间 + 平均旋转延迟来近似平均存取时间。求出平均旋转等待时间即可。

$$T_\text{旋} = \frac{1}{2} \times \frac{1}{7200/60} \times 10^3 \approx 4.16 \ ms$$

所以平均存取时间为 $8 + 4.16 \approx 12.2 \ ms$

6. RAID#

RAID 即冗余磁盘阵列，目的是为了改善磁盘的存储性能。

RAID技术的基本思想是，将多个独立的物理磁盘驱动器按某种方式组织成磁盘阵列，以增加容量，在操作系统下这些物理磁盘驱动器被视为单个逻辑驱动器；采用类似于主存中的多模块交叉技术，使数据按小条带或大数据块交叉分布存储在多个盘体上，通过让磁盘并行工作来提高数据传输速度；并用冗余磁盘技术来进行错误恢复以提高系统可靠性。

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只考提高 RIAD 可靠性的措施

当前 RIAD 方案分为 8 个等级，了解其中几个即可。

RAID 的分级如下所示。在RAID1～RAID5 等方案中，当任意磁盘发生故障时，可随时拔出损坏的磁盘并插入新盘，系统仍能恢复或维持数据完整性，显著提升了可靠性。

• RAID0：无冗余、无校验的磁盘阵列。
• RAID1：镜像磁盘阵列。
• RAID2：采用海明码进行纠错的磁盘阵列。
• RAID3：位交叉奇偶校验的磁盘阵列。
• RAID4：块交叉奇偶校验的磁盘阵列。
• RAID5：无独立校验盘的分布式奇偶校验磁盘阵列。

RIAD 0 没有冗余磁盘，没有任何校验信息，通过把连续的多个数据块放在不同的物理磁盘的扇区里，利用多个磁盘交叉并行读取（条带化技术），扩展了存储容量、提高了读写速度，但是只适合容量和速度要求非常高的、非关键数据的场景。

图中是一个磁盘，红框部分称为磁盘的一个盘片，盘片有两个记录面（盘面）

RIAD 1 使用镜像方式实现一对一冗余。发送读请求时，由定位时间最少的磁盘返回数据；进行写入时，两个磁盘并行写入数据，因此写的性能由两次写操作中写入最慢的磁盘决定。代价是：由于两个磁盘存储的是同一份数据，因此容量减半。不过提高了可靠性，因为是镜像方式进行了数据的备份和冗余。

核心考点：

总结：观察 RIAD X 的做法，可以发现 RIAD 阵列有以下特点：

1. 通过多个磁盘的并行工作提高数据传输速率
2. 通过并行存取提高系统的吞吐量（类似主存的低位交叉编址）
3. 通过镜像备份实现高可用性
4. 通过数据校验机制提高容错能力

第三点和第四点是提高可靠性的关键