LeoHsiao's Notes

# 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。

# 磁盘

：Disk ，泛指基于磁记录技术存储数据的设备。

  • 按存储介质对磁盘分类：
    • 软磁盘（Soft Disk）：是计算机早期的磁盘介质，存储容量小，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）：简称为硬盘，比如机械硬盘。

# 机械硬盘

：HDD（Hard Disk Drive），简称为硬盘。结构如下：

  • 机械硬盘由多个磁碟组成，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 。
    • 磁碟的两面通常都可读写数据，每面各有一个磁头（Head）。
      • 磁头可以转动到磁碟某个位置，根据磁感应，获取此处磁性颗粒的磁极方向，或者改变其方向。
    • 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）。
      • 每个扇区存储 512Bytes 的数据。
      • 实际上外圈的磁区容量较大，浪费了一些空间。
    • 同一圈的扇区组成一条磁轨、磁道（Track）。
    • 如果有多个磁碟叠在一起，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 。

# 固态硬盘

：SSD（Solid State Disk），是基于 DRAM 或 NAND Flash 存储数据。

  • 不是采用磁性颗粒存储数据，严格来说不属于磁盘，只是通常当作磁盘使用。
  • SSD 相比 HDD 的优点：
    • SSD 的读写速度快多倍。
    • SSD 的硬件体积更小。
    • SSD 更能抵抗物理碰撞。
    • SSD 运行安静。而 HDD 的磁头机械运动，会产生一些噪音。
    • HDD 写入一个文件时，如果存储到多块地址不连续的空间，则称为几块文件碎片。有的软件提供了整理文件碎片的功能，可以将碎片化的文件重新写入磁盘，保存到一组地址连续的空间，从而能顺序读写，提高读写速度。
      • 而 SSD 写入一个文件时，可以存储到任意空闲的 block 空间，因此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存储空间。
        • 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存储空间。
        • 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，比顺序读写慢了两个数量级。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又称为主引导扇区，它不属于任何分区，不会被格式化分区的命令影响。

  • 主引导扇区的大小为 512 Bytes ，前 446 Bytes 存储一段代码，称为主引导记录；后面的 64 Bytes 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）。
    • 用于在开机时，从硬盘读取 Linux kernel 文件，运行它。

  • 硬盘分区表（Disk Partition Table ，DPT）

    • ：用于存储硬盘的物理分区信息。
    • 比如记录第四个分区是从第 301 号磁柱到第 400 号磁柱，挂载到目录 /dev/hda4 。
    • 将硬盘分区后，不同分区的内容互不影响，可以分别管理，而且磁头读取数据时的搜寻范围变小了。

# 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、引导操作系统。
  • 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，这是上世纪 80 年代微软 MS-DOS 的磁盘方案，现在逐渐被 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 。
      • 通常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，从而可以分出无数个逻辑分区（编号从 5 开始）。
      • 因此，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）

    • ：目前流行的 BIOS 启动模式，只支持 64 位的系统。
    • 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），将多个磁盘设备组合成一个磁盘阵列使用。

常见的 RAID 方案：

  • RAID 0
    • ：将数据拆成几份，分别写入 n 个磁盘设备。
    • 这样读写速度提升到 n 倍，但不能备份数据，只要有一个磁盘受损，数据就会无法恢复。
  • RAID 1
    • ：将数据拷贝几份，分别写入 n 个磁盘。
    • 这样能备份 n 份数据。但读写速度不变，增加了 CPU 写数据时的工作量，增加了磁盘成本。
  • RAID 5
    • ：将数据的奇偶校验信息保存到其它磁盘设备中。当当前磁盘受损时，可以尝试用奇偶校验信息来恢复数据。
  • RAID 10
    • ：按 RAID 0 技术部署一组磁盘，并给每个 RAID 0 磁盘部署一个 RAID 1 磁盘做备份。
    • 这样兼容了 RAID 0 和 RAID 1 的优点，能提升读写速度，备份 1 份数据，性价比较好。

# CD

：光盘（Compact Disc），一种用激光存储数据的设备。

  • 光盘技术的发展。
    • CD ：80 年代开始流行，取代了传统的黑胶唱片、软盘。
    • 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，容量更大，
    • BD（Blue-ray Disc）：蓝光光盘，一种用蓝色激光存储数据的大容量光盘。
  • 根据是否可擦写分类：
    • 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 。