外存

：外部存储器。

• 与内存相比，通常外存的读写速度更慢，但可以在计算机断电后继续保存数据。

Disk

：磁盘，泛指基于磁记录技术存储数据的设备。

• 按存储介质的不同，对磁盘分类：
  • 软磁盘（Soft Disk）
    • ：又称为软盘，是 20 世纪常见的一种磁盘。
    • 形状像光盘，但存储容量只有 1MB 左右。
    • 目前已淘汰，不再使用。因此目前说到磁盘时，一般是指硬盘。
  • 硬磁盘（Hard Disk）
    • ：又称为硬盘、机械硬盘。

HDD

：机械硬盘驱动器（Hard Disk Drive），一种基于磁性颗粒存储数据的设备。

• 一个机械硬盘由多个磁碟组成，每个磁碟的结构如下图：

  

  • 磁碟的表面涂有磁性颗粒，通过磁极的方向表示二进制的 0、1 。
  • 磁碟的两面都可读写数据，每面各有一个磁头（Head）。
  • 磁头有两项职责：
    • 寻址：磁头可以转动到磁碟的特定位置。
    • 读写：磁头可以根据磁感应，感知磁碟当前位置的磁性颗粒，获取其磁极方向，或者改变其磁极方向。
  • 每个磁碟上有多个同心圆，根据半径线分成多个弧道，称为磁区、扇区（Sector）。
    • 每个扇区通常存储 512 Bytes 的数据。
    • 现代磁盘的容量越来越大，导致扇区增多，增加了管理开销。为了减少扇区数量，通常将每个扇区体积设置为 4 KB 。
  • 同一圈的扇区组成一条磁轨、磁道（Track）。
  • 如果将多个磁碟上下叠在一起，则所有碟上的相同位置的磁轨组成一个磁柱、扇面（Cylinder）。
  • BIOS 会自动检测硬盘，计算出 总容量 = Head 数 × Cylinder 数 × Sector 数 × 512 Bytes 。
    • BIOS 采用十进制计算容量，因此它的 1KB = 1000B 。

SSD

：固态硬盘（Solid State Disk），一种基于 DRAM 或 NAND Flash 存储数据的设备。

• SSD 不是基于磁性颗粒存储数据，严格来说不属于磁盘，只是通常当作磁盘使用。

• 与 HDD 相比，SSD 的价格大概贵了一倍，但具有多个优点：

  • HDD 需要磁头移动寻址，因此读写速度比 SSD 慢多倍。
  • HDD 包含一些机械元件，因此设备尺寸通常比光盘大。而 SSD 可以小至几厘米。
  • 发生物理碰撞时（比如摔到地上），HDD 容易损坏，比如磁碟被磁头刮伤。而 SSD 不包含机械元件，结构稳定。
  • HDD 的磁头机械运动，会产生一些噪音。而 SSD 运行安静。

• HDD 存储一个文件时，可能存储到一些地址不连续的 block 空间，称为文件碎片。

  • 磁头每访问一个碎片，就需要寻址一次，属于随机寻址。碎片越多，文件的读写速度越慢。
  • 有的软件提供了碎片整理的功能：将碎片化的文件重新写入磁盘，保存到一组地址连续的 block 空间，从而能顺序读写，提高读写速度。
  • 而 SSD 存储一个文件时，可以存储到任意空闲的 block 空间，不存在文件碎片的问题。

磁盘速度

• 磁盘的读写速度，主要受以下因素影响：

  • 存储介质
    • 比如固态硬盘比机械硬盘快，内存比固态硬盘快。
  • 寻址方式
    • 顺序寻址：指访问一组地址连续的 block 空间。
      • 主要的性能指标是 MBPS ：读写一个几 GB 的大文件时，每秒读写的字节量。
    • 随机寻址：指访问一组地址不连续的 block 空间。
      • 主要的性能指标是 IOPS ：读写大量 4KB 的小文件时，每秒读写的文件数量。

• 磁盘的读写速度大概为以下数量级：

  -	HDD	SSD
  顺序读写	100 MB/s	300 MB/s
  随机读写	0.5 MB/s	30 MB/s

  • 在顺序读写时，HDD 比 SSD 慢几倍。在随机读写时，HDD 比 SSD 慢两个数量级。
  • HDD 的随机读写很慢，比顺序读写慢两个数量级。因为每处理一个文件，都需要磁头移动寻址。
  • SSD 不需要磁头移动寻址，而是对 NAND 芯片直接寻址。不过随机读写依然比顺序读写慢一个数量级，因为每处理一个文件，都需要调用磁盘接口、寻址。

磁盘接口

• IDE（Integrated Device Electronics ，集成设备电路）
  • IO 速度可达 100 MB/s 。
  • 采用并口排线，容易受干扰，不支持热插拔。
• SATA（Serial ATA）
  • 采用串口排线，抗干扰，支持热插拔。
  • IDE 是并口 ATA ，而 SATA 是串口 ATA 。
  • SATA 3.0 标准的 IO 速度可达 600 MB/s 。
  • SATA 接口可以接收多个读写磁盘的任务，放在队列中排队处理。
    • HHD 的每面磁碟只有一个磁头，因此处理多个文件时只能串行读写。
    • SSD 支持同时访问多个 NAND 芯片，因此可以从 SATA 接口获取多个任务，并行读写。
• SCSI（Small Computer System Interface ，小型计算机系统接口）
  • 性能较好，价格较贵。
• SAS（Serial Attached SCSI）
  • 新一代的 SCSI 技术，向下兼容 SATA 接口，但反之不兼容。
  • IO 速度可达 6 GB/s 。

主引导扇区

• 每块硬盘的第一个扇区称为主引导扇区，它不属于任何分区，不会被格式化分区的命令影响。

• 主引导扇区的体积为 512 Bytes 。

  • 前 446 Bytes 用于存储主引导记录。
  • 后 64 Bytes 用于存储硬盘分区表。

• 主引导记录（Master Boot Record ，MBR）

  • ：又称为启动引导程序（Bootloader），是一段机器代码。
  • 计算机开机时，BIOS 会让 CPU 执行 Bootloader 。而 Bootloader 会让 CPU 从硬盘读取操作系统的内核文件（比如 Linux kernel ），然后运行内核。

• 硬盘分区表（Disk Partition Table ，DPT）

  • ：用于记录硬盘的分区信息。
  • 例如记录第四个分区是从第 301 号磁柱到第 400 号磁柱。

BIOS

：基本输入输出系统（Basic Input Output System）

• 负责在计算机开机时，初始化硬件设备，然后引导操作系统启动。
• 是一组固化在 ROM 中的程序，包括基本输入输出程序、开机后自检程序、系统自启动程序等。

BIOS 常见的启动模式：

• Legacy

  • ：传统的 BIOS 启动模式。
  • 使用 MBR 扇区存储 Bootloader 。
  • 采用 DPT 分区表。
    • DPT 是 1980 年代微软 MS-DOS 操作系统采用的分区表，后来逐渐被 GPT 取代。
    • 最多只能存储 4 个分区的信息，每个分区的最大容量为 2TB 。
    • 可以将前三个分区用作主分区，将第 4 个分区 /dev/hda4 用作扩展分区，存储额外的分区信息，从而可以划分无数个逻辑分区（编号从 5 开始）。
      • 磁盘总容量 = 主分区容量 + 扩展分区容量
      • 扩展分区容量 = 所有逻辑分区容量之和

• UEFI（Unified Extensible Firmware Interface）

  • ：现代流行的 BIOS 启动模式，只支持 64 位的操作系统。
  • 使用 ESP 扇区（EFI system partition）存储 Bootloader 。
  • 采用 GPT 分区表（Globally Unique Identifier Partition Table）。
    • 分区信息存储为 efi 文件。
    • 支持划分无数个分区，每个分区的最大容量为 18EB 。
  • 计算机开机时不需要进行自检，而是直接读取 Bootloader ，因此开机速度更快。

RAID

：独立冗余磁盘阵列技术（Redundant Array of Independent Disks），一种磁盘备份技术，将多个磁盘组合成一个磁盘阵列使用。

常见的 RAID 方案：

• RAID 0
  • ：将数据拆成 n 部分，分别写入 n 个磁盘。
  • 优点：并行读写 n 个磁盘，总体读写速度提升到 n 倍。
  • 缺点：不能备份数据，只要有一个磁盘受损，就会丢失一部分数据。
• RAID 1
  • ：将数据拷贝 n 份，分别写入 n 个磁盘。
  • 优点：能备份 n 份数据。
  • 缺点：需要购买 n 个磁盘，成本高。
• RAID 5
  • ：将数据写入一个磁盘，然后将奇偶校验信息写入其它磁盘。
• RAID 10
  • ：按 RAID 0 技术部署多个磁盘，并给每个 RAID 0 磁盘部署一个 RAID 1 磁盘做备份。
  • 优点：兼容了 RAID 0 和 RAID 1 的优点，能提升读写速度，备份 1 份数据，性价比好。

CD

：光盘（Compact Disc），一种基于激光存储数据的设备。

• 光盘技术经过了多年发展，存储容量越来越大：
  • CD ：1980 年代开始流行，取代了传统的黑胶唱片、软盘。容量为几百 MB 。
  • VCD（Video Compact Disc）：一种存储视频信息的光盘。
  • DVD（Digital Video Disc）：一种存储数字视频的光盘，容量为几 GB 。
  • BD（Blue-ray Disc）：蓝光光盘，一种基于蓝色激光存储数据的光盘，容量为几十 GB 。
• 根据是否可擦写，对 CD 分类：
  • 不可擦写光盘：只能写入一次数据，写入后只能读取，比如 CD-ROM、DVD-ROM 。
  • 可擦写光盘：比如 CD-RW、DVD-RAM 。