硬盘基础知识详解.ppt

硬盘的发展历史硬盘的分类硬盘主要技术参数拆块硬盘来看看硬盘分区硬盘格式 硬盘的发展历史硬盘的分类硬盘主要技术参数拆块硬盘来看看硬盘分区硬盘格式 硬盘容量发展表 硬盘容量发展表 硬盘的发展历史 1956 1966世界上的第一款硬盘是由IBM于1956年设计并制造的 这款名为IBM350RAMAC RandomAccessMethodofAccountingandControl 的硬盘产品体积十分庞大 但容量仅为5MB 总共使用了50张24英寸的碟片 只有一个磁头 存储密度 2000bit 平方英寸 数据处理能力为1 1KB s IBM350RAMAC 硬盘的发展历史 1967 19761968年 硬盘发展史中的第一个历史性突破由IBM公司完成 IBM研发成功了 温盘 技术 即Winchester技术 Winchester技术主要针对硬盘的物理结构提出了更多的改进 简单概括为 密封 固定并高速旋转的镀磁盘片 磁头沿盘片径向移动 磁头悬浮在高速转动的盘片上方 而不与盘片直接接触 十公斤重 容量是60M 存储密度 1 7MB 每平方英寸 现代硬盘之父 IBM3340硬盘 1973年 硬盘的发展历史 1977 1986首先是1979年 IBM发明了薄膜磁头 该技术为进一步减小硬盘体积 增大容量 提高读写速度提供了可能 几年后IBM公司发明了MR磁阻 这种磁头在读取数据时对信号变化相当敏感 使得盘片的存储密度能够比以往20MB 每英寸提高数十倍 1977 1986薄膜磁头硬盘 硬盘的发展历史 1987 1996首先是1987年 当时的一家硬盘设计生产商PrairieTek推出了第一款2 5英寸的硬盘产品 该产品的容量为10MB1991年 IBM推出了第一款容量为1GB的3 5英寸硬盘 这款编号为0663 E12的硬盘的出现 标志着硬盘存储进入GB时代 硬盘使用了MR磁头 使得普通电脑用户使用的硬盘容量首次达到了1GB 磁头技术进一步发展出现了GMR GaintMagnetoResistive 巨磁阻 磁头技术 使存储密度更上一层楼 1999年9月7日 Maxtor宣布了首块单碟容量高达10 2GB的ATA硬盘 从而把硬盘的容量引入了一个新里程碑 硬盘的发展历史 1997 2007IDE走了 SATA来了 硬盘的发展历史硬盘的分类硬盘主要技术参数拆块硬盘来看看硬盘分区硬盘格式 1 盘径 5 25in 3 5in 2 5in和1 8in 2 安装位置 内置式与外置式 3 接口类型 1 IDE硬盘采用UltraATA设计规范 如UltraATA 100 UltraATA 133 2 SATA硬盘优点 支持热插拔 传输速度快 执行效率高 布线简洁与更长的信号传输距离 1m 45cm 等 3 SCSI硬盘优点 应用面广 多任务 宽带宽以及少CPU占用率 4 其它接口盘 SAS 光纤盘 硬盘的分类 不同盘径硬盘 1 8英寸盘 2 5英寸盘 3 5英寸盘 IDE外部接口 不同的硬盘接口 IDE 不同的硬盘接口 SATA 硬盘的发展历史硬盘的分类硬盘主要技术参数拆块硬盘来看看硬盘分区硬盘格式 硬盘主要技术参数 单碟容量单碟容量 storageperdisk 是硬盘相当重要的参数之一 一定程度上决定着硬盘的档次高低提高硬盘工作的稳定性在相同转速的情况下 硬盘单碟容量越大其内部数据传输速率就越快 硬盘主要技术参数 硬盘的转速硬盘的主轴转速指的是硬盘的碟片每分钟的转数 用rpm来表示 RoundPerMinute 转 分钟 一般硬盘的主轴转速为3600rpm 7200rom 高级硬盘转速更高 高转速可缩短硬盘的平均寻道时间和实际读写时间 硬盘在相同的时间内可以读写更多的内容 从而提高硬盘的运行速度和性能 硬盘主要技术参数 硬盘的平均寻道时间平均寻道时间 AverageSeekTime 是指硬盘的磁头移到盘面指定磁道所需的时间 平均寻道时间越小 硬盘的运行速度也就越快 硬盘主要技术参数 硬盘的平均等待平均等待时间 AverageLatencyTime 是指磁头已处于要访问的磁道 等待所要访问的扇区旋转至磁头下方的时间平均等待时间通常为盘片旋转一周所需的时间的一半 硬盘主要技术参数 硬盘的平均访问时间平均访问时间 平均寻道时间 平均等待时间 硬盘主要技术参数 硬盘的外部数据传输率外部传输率 ExternalTransferRate 也称为突发数据传输率 BurstDataTransferRate 或接口传输率它指的是系统总线与硬盘缓冲区之间的数据传输率 外部数据传输率与硬盘接口类型和硬盘缓存的大小有关 硬盘主要技术参数 硬盘的内部数据传输率内部传输率 InternalTransferRate 也称为持续传输率 它硬盘磁头从缓存中读写数据的速度它反映了硬盘缓冲区未使用时的性能 内部传输率主要依赖于硬盘的旋转速度 硬盘主要技术参数 硬盘的缓存由于硬盘磁头和盘片之间的读写是机械动作 速度相对较慢 因此硬盘通过将数据暂存在一个比磁盘速度快得多的缓冲区 即硬盘上的缓存直接从缓存中读取数据比从磁盘中直接读取要快得多 所以缓存对大幅度提高硬盘的速度有着重要的意义 理论上 缓存的容量越大越好 硬盘的发展历史硬盘的分类硬盘主要技术参数拆块硬盘来看看硬盘分区硬盘格式 硬盘正面的9个安装螺丝拆卸下来 外围的7个螺丝标签下面隐藏有2个螺丝 成功拆开硬盘 将电路板分离出来电路板和硬盘体之间还有一层软垫 以减免两者间发生短路的几率 此图可以看到 硬盘的主控芯片型号 缓存和电机控制芯片 硬盘内部结构由固定面板 控制电路板 磁头 盘片 主轴 电机 接口及其它附件组成 其中磁头盘片组件是构成硬盘的核心 它封装在硬盘的净化腔体内 包括有浮动磁头组件 磁头驱动机构 盘片 主轴驱动装置及前置读写控制电路这几个部份 磁盘片是数据的载体 盘片大多采用铝金属薄膜材料 有更高的存储密度 高剩磁及高矫顽力等优点 硬盘盘片是完全平整的 简直可以当镜子使用 一般硬盘的盘片是由多个重叠在一起并由垫圈隔开的盘片组成 也就是我们常说的该硬盘是几碟装 硬盘的主轴组件包括主轴部件如轴承和驱动电机等 随着硬盘容量的扩大和速度的提高 主轴电机马达的速度也在不断提升 轴承也从滚珠轴承进化到油浸轴承再到液态轴承 处于不断的改良当中 目前液态轴承已经成为绝对的主流市场 电磁线圈电机包永久磁铁 是磁头驱动的关键 当硬盘受动强裂震动时 对磁头及盘片起保护使用 以避免磁头将盘片刮伤 硬盘的发展历史硬盘的分类硬盘主要技术参数拆块硬盘来看看硬盘分区硬盘格式 什么是分区 计算机中存放信息的主要的存储设备就是硬盘 但是硬盘不能直接使用 必须对硬盘进行分割 分割成的一块一块的硬盘区域就是磁盘分区 打个比方 给定一个全空的仓库区 库管员需要进行功能划区再使用 卸货区 记录区 消防区 叉车停放区 A类货架区 B类货架区 为什么要对磁盘进行分区 工厂生产的硬盘必须经过低级格式化 分区和高级格式化 简称为格式化 三个处理步骤后 电脑才能利用它们存储数据 其中磁盘的低级格式化通常由生产厂家完成 目的是划定磁盘可供使用的扇区和磁道并标记有问题的扇区 磁盘分区的类型 在传统的磁盘管理中 将一个硬盘分为两大类分区 主分区和扩展分区主分区是能够安装操作系统 能够进行计算机启动的分区 可以直接格式化 然后安装系统 存放文件 一个硬盘中最多只能存在4个主分区 一个硬盘上如果超过4个以上的磁盘分区的话 那么就需要使用扩展分区了 如果使用扩展分区 那么一个物理硬盘上最多只能分3个主分区和1个扩展分区 扩展分区不能直接使用 它必须经过第二次分割成为一个一个的逻辑分区 然后才可以使用 一个扩展分区中的逻辑分区可以分多个 注 扩展分区理论上还可以再分下一级扩展分区 磁盘分区的格式 常见硬盘的格式有 FAT FAT16 软盘使用 目前已被淘汰FAT32NTFS具有磁盘配额 设置权限等功能ext2ext3注 磁盘分区之后 必须经过格式化才能够正式使用 是Linux系统中标准的文件系统 硬盘的内部结构 抽象 盘面磁道扇区柱面 磁盘寻址相关概念 1 盘面 盘片的上下两个面 又名磁头号 按上到下的顺序从0依次编号 盘片在2 14不等 通常只有2 3个盘片 2 磁道 磁盘在低级格式化的时候被划分成的同心圆轨迹 按外到里的顺序从0依次编号 3 扇区 每段圆弧为一个扇区 从1开始编号 每个扇区中的数据作为一个单元同时读出或写入 最小的读写单位扇区内部的数据时连续流式记录的 柱面 同一磁道 竖直方向构成的圆柱面 从0开始编号 数据读写是按照柱面进行 即磁头读写数据时首先在同一柱面内从0磁道开始操作 依次向下在同一柱面的不同盘面进行操作 磁盘寻址相关概念 每个扇区可以存放512个字节和一些其他信息 即数据存储的数据段和数据存储地点的标示符eg扇区头标 标示柱面 磁头 扇区号以及是否为坏区 校验码等伺服信息 硬盘的寻址模式 硬盘最主要的功能就是存取数据 这些数据都是按一定的规则存储在盘片上的 当需要存储或读取某些数据时 就要知道其所在的具体位置 而寻址具有这个作用 它实际上就是磁头在盘片上定位数据的一个过程 进行数据恢复时寻址尤为重要 是因为数据丢失后 在 我的电脑 等位置中将无法找到文件 甚至无法找到文件夹或分区 若要恢复这些丢失的数据 就需要使用底层的寻址技术来查找 从而将其恢复 C H S寻址 柱面 Cylinder 磁头 Header 和扇区 Sector 即C H S地址磁头读取扇区头标中的CHS可获得当前位置 磁头最多255 8位二进制 柱面最多1023 10个二进制位 扇区最多63 6个二进制 LBA寻址 LBA编址方式 直线性 扇区为等长 0编号实际磁头 磁道 扇区信息都保存在硬盘控制电路的ROM芯片中 有更多的磁道 扇区 在访问磁盘的时候硬盘控制器将这种逻辑地址转化为物理地址 1 C H S寻址模式 C H S Cylinder Head Sector 寻址模式也称为三维地址模式 是硬盘最早采用的寻址模式 它是在硬盘容量较小的前提下产生的 硬盘的C H S3D参数既可以计算出硬盘的容量 也可以确定数据所在的具体位置 这是因为扇区的三维物理地址与硬盘上的物理扇区一一对应 即三维物理地址可完全确定硬盘上的物理扇区 三维物理地址通常以C H S的次序来书写 如C H S为0 1 1 则第一个数字0指0柱面 第二个数字1指1磁头 盘面 第三个数字1指1扇区 表示该数据位于硬盘1盘面上的0磁道1扇区 现在定位已完成 硬盘内部的参数和主板BIOS之间进行协议 正确发出寻址信号 从而正确定位数据位置 早期硬盘柱面的最大数为1024 磁头的最大数为16 扇区的最大数为63 因此 能寻址的扇区数是1032192 1024 16 63 而一个扇区规定为512B 这也就是说 如果以C H S寻址模式寻址 则IDE硬盘的最大容量只能为小于或等于528 4MB 2 LBA寻址模式 早期硬盘设计上的不合理使得盘片没有得到很好的利用 为了解决这一问题以进一步提高硬盘容量 生产厂商以等密度结构生产硬盘 从而使盘片上外圈磁道的扇区比内圈磁道多 采用这种结构后 硬盘不再具有实际的3D参数 因此也不能直接使用C H S寻址方式 此时就要用到线性寻址方式即LBA寻址 LBA寻址模式以扇区为单位进行寻址 在该模式中 盘片上的所有物理扇区都是一个连续的 线性编号的存储空间 即由0开始一直排列到某个最大值 并且连成一条线 这样只用一个序数就确定了一个唯一的物理扇区 此时 要定位到硬盘上的某个位置 只需要给出其LBA数即可 这种寻址模式所表示的数据位置已不是它在盘片上的物理地址 而是逻辑地址 C H S与LBA的转换关系 LBA C CS PH PS H HS PS S SS CS 柱面号C初始柱面号HS 磁头号H初始磁头号SS 扇区号S初始扇区号PS表示每磁道扇区数 PH表示每柱面总的磁道数 硬盘的内部结构 抽象 盘面磁道扇区柱面 Masterbootrecord MBR定义 全称为MasterBootRecord 即硬盘的主引导记录MBR位置 硬盘0磁头0柱面1扇区 共512BIT 主引导程序占446Bytes DPT占64Bytes 硬盘有效标志占2BytesMBR包含内容 主引导程序 硬盘分区表DPT DISKPartitiontable 硬盘有效标志 55AA 作用 主引导程序 在操作系统安装时写入 是一段引导程序 用于引导操作系统硬盘分区表 确定磁盘的分区硬盘有效标志 一个标志位 用于检查MBR有的效性 Masterbootrecord Masterbootrecord 硬盘分区表结构 硬盘分区表结构 在MBR分区表中最多4个主分区或者3个主分区 1个扩展分区 也就是说扩展分区只能有一个 然后可以再细分为多个逻辑分区扩展引导记录EBR和MBR结构相同 记录相应的逻辑分区在MBR分区表中 一个分区最大的容量为2T 且每个分区的起始柱面必须在这个disk的前2T内 相关推论 第一个扇区中的只预留了4个分区表项 我们的要想使用更多的分区 需要借助扩展分区 扩展分区不能直接使用 需要继续划分逻辑分区 逻辑分区数量不限 数量受制于操作系统的设计 相关推论 00FEFFFF0FFEFFFF0088A9030008B7170F系统标志代表扩展分区 由此可见逻辑分区链表是单向的 一旦断开 系统后面的分区就会丢失 当然实际上数据还在 硬盘首扇区信息 MBR分区的缺陷 尽管目前MBR分区类型占了绝大多数 但是他有很多缺陷 MBR磁盘只支持4个分区表项 每个分区长度至少占用一个柱面 最大支持2TB硬盘 GUID分区表格式 GloballyUniqueIdentifierPartitionTableFormat GUID分区表 简称GPT 使用GUID分区表的磁盘称为GPT磁盘 是源自EFI标准的一种较新的磁盘分区表结构的标准 与目前普遍使用的主引导记录 MBR 分区方案相比 GPT提供了更加灵活的磁盘分区机制 它具有如下优点 1 支持2TB以上的大硬盘 2 每个磁盘的分区个数几乎没有限制 为什么说 几乎 呢 是因为Windows系统最多只允许划分128个分区 不过也完全够用了 3 分区大小几乎没有限制 又是一个 几乎 因为它用64位的整数表示扇区号 夸张一点说 一个64位整数能代表的分区大小已经是个 天文数字 了 若干年内你都无法见到这样大小的硬盘 更不用说分区了 4 分区表自带备份 在磁盘的首尾部分分别保存了一份相同的分区表 其中一份被破坏后 可以通过另一份恢复 5 每个分区可以有一个名称 不同于卷标 操作系统对GUID分区表支持 既然GUID分区方案具有如此多的优点 在分区时是不是可以全部采用这种方案呢 不是的 并不是所有的Windows系统都支持这种分区方案 请看下表 MBR引导全过程 硬盘的发展历史硬盘的分类硬盘主要技术参数拆块硬盘来看看硬盘分区硬盘格式 常用的分区格式 FAT16FAT32NTFSext2ext3XFS 不同的分区格式有不同的特点 各有优点 技术侧重也不一样 我们将以最简单的FAT32的模型来做为讲解 分区格式要实现那些功能 实现文件目录管理存放文件读取文件删除文件存储区域回收和优化文件日志文件统计信息 一个个扇区如何使用呢 我怎么来存储我的文件 先分个区吧 分出个不同功能区来 怎么来管理一个分区 怎么存放目录 怎么存放文件 怎么删除文件 给所有分区建立一个状态表如何 一个状态表项来记录一个簇 多个连续的扇区 的状态取个名吧 FAT表 FileAllocationTable 文件配置表 一个状态表项记录一个簇 什么不记录一个扇区呢 有了FAT表