6.1.2 磁盘存储
6.1.2 磁盘存储
磁盘是广为应用的保存大量数据的存储设备，存储数据的数量级可以达到几百到几千千兆字节，而基于 RAM 的存储器只能有几百或几千兆字节。不过，从磁盘上读信息的时间为毫秒级，比从 DRAM 读慢了 10 万倍，比从 SRAM 读慢了 100 万倍。
1. 磁盘构造
磁盘是由盘片（platter）构成的。每个盘片有两面或者称为表面（surface），表面覆盖着磁性记录材料。盘片中央有一个可以旋转的主轴（spindle），它使得盘片以固定的旋转速率（rotational rate）旋转，通常是 5400～15 000 转每分钟（Revolution Per Minute，RPM）。磁盘通常包含一个或多个这样的盘片，并封装在一个密封的容器内。
图 6-9a 展示了一个典型的磁盘表面的结构。每个表面是由一组称为磁道（track）的同心圆组成的。每个磁道被划分为一组扇区（sector）。每个扇区包含相等数量的数据位（通常是 512 字节），这些数据编码在扇区上的磁性材料中。扇区之间由一些间隙（gap）分隔开，这些间隙中不存储数据位。间隙存储用来标识扇区的格式化位。
磁盘是由一个或多个叠放在一起的盘片组成的，它们被封装在一个密封的包装里，如图 6-9b 所示。整个装置通常被称为磁盘驱动器（disk drive），我们通常简称为磁盘（disk）。有时，我们会称磁盘为旋转磁盘（rotating disk），以使之区别于基于闪存的固态硬盘（SSD），SSD 是没有移动部分的。
磁盘制造商通常用术语柱面（cylinder）来描述多个盘片驱动器的构造，这里，柱面是所有盘片表面上到主轴中心的距离相等的磁道的集合。例如，如果一个驱动器有三个盘片和六个面，每个表面上的磁道的编号都是一致的，那么柱面 k 就是 6 个磁道 k 的集合。
图 6-9 磁盘构造
2. 磁盘容量
一个磁盘上可以记录的最大位数称为它的最大容量，或者简称为容量。磁盘容量是由以下技术因素决定的：
- 记录密度（recording density）（位/英寸）： 磁道一英寸的段中可以放入的位数。
- 磁道密度（track density）（道/英寸）： 从盘片中心出发半径上一英寸的段内可以有的磁道数。
- 面密度（areal density）（位/平方英寸）： 记录密度与磁道密度的乘积。
磁盘制造商不懈地努力以提高面密度（从而增加容量），而面密度每隔几年就会翻倍。最初的磁盘，是在面密度很低的时代设计的，将每个磁道分为数目相同的扇区，扇区的数目是由最靠内的磁道能记录的扇区数决定的。为了保持每个磁道有固定的扇区数，越往外的磁道扇区隔得越开。在面密度相对比较低的时候，这种方法还算合理。不过，随着面密度的提高，扇区之间的间隙（那里没有存储数据位）变得不可接受地大。因此，现代大容量磁盘使用一种称为多区记录（multiple zone recording）的技术，在这种技术中，柱面的集合被分割成不相交的子集合，称为记录区（recording zone）。每个区包含一组连续的柱面。一个区中的每个柱面中的每条磁道都有相同数量的扇区，这个扇区的数量是由该区中最里面的磁道所能包含的扇区数确定的。
下面的公式给出了一个磁盘的容量：
字节数 平均扇区数 磁道数 表面数 盘片数
磁盘容量 = ────── × ──────── × ───── × ───── × ─────
扇区 磁道 表面 盘片 磁盘例如，假设我们有一个磁盘，有 5 个盘片，每个扇区 512 个字节，每个面 20 000 条磁道，每条磁道平均 300 个扇区。那么这个磁盘的容量是：
512 字节 300 扇区 20 000 磁道 2 表面 5 盘片
磁盘容量 = ──────── × ──────── × ────────── × ───── × ─────
扇区 磁道 表面 盘片 磁盘
= 30 720 000 000 字节
= 30.72 GB注意，制造商是以千兆字节（GB）或兆兆字节（TB）为单位来表达磁盘容量的，这里 1GB＝109 字节，1TB＝1012 字节。
旁注 一千兆字节有多大
不幸地，像 K（kilo）、M（mega）、G（giga）和 T（tera）这样的前缀的含义依赖于上下文。对于与 DRAM 和 SRAM 容量相关的计量单位，通常 K＝210，M＝220，G＝230，而 T＝240。对于与像磁盘和网络这样的 I/O 设备容量相关的计量单位，通常 K＝103，M＝106，G＝109，而 T＝1012。速率和吞吐量常常也使用这些前缀。
幸运地，对于我们通常依赖的不需要复杂计算的估计值，无论是哪种假设在实际中都工作得很好。例如，230 和 109 之间的相对差别不大：（230−109）/109≈7%。类似，（240−1012）/1012≈10%。
练习题 6.2
计算这样一个磁盘的容量，它有 2 个盘片，10 000 个柱面，每条磁道平均有 400 个扇区，而每个扇区有 512 个字节。
3. 磁盘操作
磁盘用读/写头（read/write head）来读写存储在磁性表面的位，而读写头连接到一个传动臂（actuator arm）一端，如图 6-10a 所示。通过沿着半径轴前后移动这个传动臂，驱动器可以将读/写头定位在盘面上的任何磁道上。这样的机械运动称为寻道（seek）。一旦读/写头定位到了期望的磁道上，那么当磁道上的每个位通过它的下面时，读/写头可以感知到这个位的值（读该位），也可以修改这个位的值（写该位）。有多个盘片的磁盘针对每个盘面都有一个独立的读/写头，如图 6-10b 所示。读/写头垂直排列，一致行动。在任何时刻，所有的读/写头都位于同一个柱面上。
图 6-10 磁盘的动态特性
在传动臂末端的读/写头在磁盘表面高度大约 0.1 微米处的一层薄薄的气垫上飞翔（就是字面上这个意思），速度大约为 80 km/h。这可以比喻成将一座摩天大楼（442 米高）放倒，然后让它在距离地面 2.5 cm（1 英寸）的高度上环绕地球飞行，绕地球一周只需要 8 秒钟！在这样小的间隙里，盘面上一粒微小的灰尘都像一块巨石。如果读/写头碰到了这样的一块巨石，读/写头会停下来，撞到盘面——所谓的读/写头冲撞（head crash）。为此，磁盘总是密封包装的。
磁盘以扇区大小的块来读写数据。对扇区的访问时间（access time）有三个主要的部分：寻道时间（seek time）、旋转时间（rotational latency）和传送时间（transfer time）：
- 寻道时间： 为了读取某个目标扇区的内容，传动臂首先将读/写头定位到包含目标扇区的磁道上。移动传动臂所需的时间称为寻道时间。寻道时间 Tseek 依赖于读/写头以前的位置和传动臂在盘面上移动的速度。现代驱动器中平均寻道时间 Tavg seek 是通过对几千次对随机扇区的寻道求平均值来测量的，通常为 3～9ms。一次寻道的最大时间 Tmax seek 可以高达 20ms。
- 旋转时间： 一旦读/写头定位到了期望的磁道，驱动器等待目标扇区的第一个位旋转到读/写头下。这个步骤的性能依赖于当读/写头到达目标扇区时盘面的位置以及磁盘的旋转速度。在最坏的情况下，读/写头刚刚错过了目标扇区，必须等待磁盘转一整圈。因此，最大旋转延迟（以秒为单位）是：
Tmax rotation = 1/RPM × 60s/1min平均旋转时间 Tavg rotation 是 Tmax rotation 的一半。
- 传送时间： 当目标扇区的第一个位位于读/写头下时，驱动器就可以开始读或者写该扇区的内容了。一个扇区的传送时间依赖于旋转速度和每条磁道的扇区数目。因此，我们可以粗略地估计一个扇区以秒为单位的平均传送时间如下：
Tavg transfer = 1/RPM × 1/(平均扇区数/磁道) × 60s/1min我们可以估计访问一个磁盘扇区内容的平均时间为平均寻道时间、平均旋转延迟和平均传送时间之和。例如，考虑一个有如下参数的磁盘：
| 参数 | 值 |
|---|---|
| 旋转速率 | 7200RPM |
| Tavg seek | 9ms |
| 每条磁道的平均扇区数 | 400 |
对于这个磁盘，平均旋转延迟（以 ms 为单位）是：
Tavg rotation = 1/2 × Tmax rotation
= 1/2 × (60s/7200 RPM) × 1000 ms/s
≈ 4 ms平均传送时间是：
Tavg transfer = 60/7200 RPM × 1/400 扇区/磁道 × 1000 ms/s
≈ 0.02 ms总之，整个估计的访问时间是：
Taccess = Tavg seek + Tavg rotation + Tavg transfer
= 9 ms + 4 ms + 0.02 ms
= 13.02 ms这个例子说明了一些很重要的问题：
- 访问一个磁盘扇区中 512 个字节的时间主要是寻道时间和旋转延迟。访问扇区中的第一个字节用了很长时间，但是访问剩下的字节几乎不用时间。
- 因为寻道时间和旋转延迟大致相等，所以将寻道时间乘 2 是估计磁盘访问时间的简单而合理的方法。
- 对存储在 SRAM 中的一个 64 位字的访问时间大约是 4ns，对 DRAM 的访问时间是 60ns。因此，从内存中读一个 512 个字节扇区大小的块的时间对 SRAM 来说大约是 256ns，对 DRAM 来说大约是 4000ns。磁盘访问时间，大约 10ms，是 SRAM 的大约 40 000 倍，是 DRAM 的大约 2500 倍。
练习题 6.3
估计访问下面这个磁盘上一个扇区的访问时间（以 ms 为单位）：
参数 值 旋转速率 15 000RPM Tavg seek 8ms 每条磁道的平均扇区数 500
4. 逻辑磁盘块
正如我们看到的那样，现代磁盘构造复杂，有多个盘面，这些盘面上有不同的记录区。为了对操作系统隐藏这样的复杂性，现代磁盘将它们的构造呈现为一个简单的视图，一个 B 个扇区大小的逻辑块的序列，编号为 0，1，…，B−1。磁盘封装中有一个小的硬件/固件设备，称为磁盘控制器，维护着逻辑块号和实际（物理）磁盘扇区之间的映射关系。
当操作系统想要执行一个 I/O 操作时，例如读一个磁盘扇区的数据到主存，操作系统会发送一个命令到磁盘控制器，让它读某个逻辑块号。控制器上的固件执行一个快速表查找，将一个逻辑块号翻译成一个（盘面，磁道，扇区）的三元组，这个三元组唯一地标识了对应的物理扇区。控制器上的硬件会解释这个三元组，将读/写头移动到适当的柱面，等待扇区移动到读/写头下，将读/写头感知到的位放到控制器上的一个小缓冲区中，然后将它们复制到主存中。
旁注 格式化的磁盘容量
磁盘控制器必须对磁盘进行格式化，然后才能在该磁盘上存储数据。格式化包括用标识扇区的信息填写扇区之间的间隙，标识出表面有故障的柱面并且不使用它们，以及在每个区中预留出一组柱面作为备用，如果区中一个或多个柱面在磁盘使用过程中坏掉了，就可以使用这些备用的柱面。因为存在着这些备用的柱面，所以磁盘制造商所说的格式化容量比最大容量要小。
练习题 6.4
假设 1MB 的文件由 512 个字节的逻辑块组成，存储在具有如下特性的磁盘驱动器上：
参数 值 旋转速率 10 000RPM Tavg seek 5ms 平均扇区数/磁道 1000 表面 4 扇区大小 512 字节 对于下面的情况，假设程序顺序地读文件的逻辑块，一个接一个，将读/写头定位到第一块上的时间是 Tavg seek＋Tavg rotation。
A. 最好的情况：给定逻辑块到磁盘扇区的最好的可能的映射（即顺序的），估计读这个文件需要的最优时间（以 ms 为单位）。
B. 随机的情况：如果块是随机地映射到磁盘扇区的，估计读这个文件需要的时间（以 ms 为单位）。
5. 连接 I/O 设备
例如图形卡、监视器、鼠标、键盘和磁盘这样的输入/输出（I/O）设备，都是通过 I/O 总线，例如 Intel 的外围设备互连（Peripheral Component Interconnect，PCI）总线连接到 CPU 和主存的。系统总线和内存总线是与 CPU 相关的，与它们不同，诸如 PCI 这样的 I/O 总线设计成与底层 CPU 无关。例如，PC 和 Mac 都可以使用 PCI 总线。图 6-11 展示了一个典型的 I/O 总线结构，它连接了 CPU、主存和 I/O 设备。
虽然 I/O 总线比系统总线和内存总线慢，但是它可以容纳种类繁多的第三方 I/O 设备。例如，在图 6-11 中，有三种不同类型的设备连接到总线。
- 通用串行总线（Universal Serial Bus，USB）控制器是一个连接到 USB 总线的设备的中转机构，USB 总线是一个广泛使用的标准，连接各种外围 I/O 设备，包括键盘、鼠标、调制解调器、数码相机、游戏操纵杆、打印机、外部磁盘驱动器和固态硬盘。USB 3.0 总线的最大带宽为 625MB/s。USB 3.1 总线的最大带宽为 1250MB/s。
- 图形卡（或适配器）包含硬件和软件逻辑，它们负责代表 CPU 在显示器上画像素。
- 主机总线适配器将一个或多个磁盘连接到 I/O 总线，使用的是一个特别的主机总线接口定义的通信协议。两个最常用的这样的磁盘接口是 SCSI（读作“scuzzy”）和 SATA（读作“sat-uh”）。SCSI 磁盘通常比 SATA 驱动器更快但是也更贵。SCSI 主机总线适配器（通常称为 SCSI 控制器）可以支持多个磁盘驱动器，与 SATA 适配器不同，它只能支持一个驱动器。
图 6-11 总线结构示例，它连接 CPU、主存和 I/O 设备
其他的设备，例如网络适配器，可以通过将适配器插入到主板上空的扩展槽中，从而连接到 I/O 总线，这些插槽提供了到总线的直接电路连接。
6. 访问磁盘
虽然详细描述 I/O 设备是如何工作的以及如何对它们进行编程超出了我们讨论的范围，但是我们可以给你一个概要的描述。例如，图 6-12 总结了当 CPU 从磁盘读数据时发生的步骤。
旁注 I/O 总线设计进展
图 6-11 中的 I/O 总线是一个简单的抽象，使得我们可以具体描述但又不必和某个系统的细节联系过于紧密。它是基于外围设备互联（Peripheral Component Interconnect，PCI）总线的，在 2010 年前使用非常广泛。PCI 模型中，系统中所有的设备共享总线，一个时刻只能有一台设备访问这些线路。在现代系统中，共享的 PCI 总线已经被 PCIe（PCI express）总线取代，PCIe 是一组高速串行、通过开关连接的点到点链路，类似于你将在第 11 章中学习到的开关以太网。PCIe 总线，最大吞吐率为 16GB/s，比 PCI 总线快一个数量级，PCI 总线的最大吞吐率为 533MB/s。除了测量出的 I/O 性能，不同总线设计之间的区别对应用程序来说是不可见的，所以在本书中，我们只使用简单的共享总线抽象。
CPU 使用一种称为内存映射 I/O（memory-mapped I/O）的技术来向 I/O 设备发射命令（图 6-12a）。在使用内存映射 I/O 的系统中，地址空间中有一块地址是为与 I/O 设备通信保留的。每个这样的地址称为一个 I/O 端口（I/O port）。当一个设备连接到总线时，它与一个或多个端口相关联（或它被映射到一个或多个端口）。
图 6-12 读一个磁盘扇区
来看一个简单的例子，假设磁盘控制器映射到端口 0xa0。随后，CPU 可能通过执行三个对地址 0xa0 的存储指令，发起磁盘读：第一条指令是发送一个命令字，告诉磁盘发起一个读，同时还发送了其他的参数，例如当读完成时，是否中断 CPU（我们会在 8.1 节中讨论中断）。第二条指令指明应该读的逻辑块号。第三条指令指明应该存储磁盘扇区内容的主存地址。
当 CPU 发出了请求之后，在磁盘执行读的时候，它通常会做些其他的工作。回想一下，一个 1GHz 的处理器时钟周期为 1ns，在用来读磁盘的 16ms 时间里，它潜在地可能执行 1600 万条指令。在传输进行时，只是简单地等待，什么都不做，是一种极大的浪费。
在磁盘控制器收到来自 CPU 的读命令之后，它将逻辑块号翻译成一个扇区地址，读该扇区的内容，然后将这些内容直接传送到主存，不需要 CPU 的干涉（图 6-12b）。设备可以自己执行读或者写总线事务而不需要 CPU 干涉的过程，称为直接内存访问（Direct Memory Access，DMA）。这种数据传送称为 DMA 传送（DMA transfer）。
在 DMA 传送完成，磁盘扇区的内容被安全地存储在主存中以后，磁盘控制器通过给 CPU 发送一个中断信号来通知 CPU（图 6-12c）。基本思想是中断会发信号到 CPU 芯片的一个外部引脚上。这会导致 CPU 暂停它当前正在做的工作，跳转到一个操作系统例程。这个程序会记录下 I/O 已经完成，然后将控制返回到 CPU 被中断的地方。
旁注 商用磁盘的特性
磁盘制造商在他们的网页上公布了许多高级技术信息。例如，希捷（Seagate）公司的网站包含关于他们最受欢迎的驱动器之一 Barracuda 7400 的如下信息。（远不止如此！）（Seagate.com）
构造特性 值 构造特性 值 表面直径 3.5 英寸 旋转速率 7200 RPM 格式化的容量 3TB 平均旋转时间 4.16ms 盘片数 3 平均寻道时间 8.5ms 表面数 6 道间寻道时间 1.0ms 逻辑块 5 860 533 168 平均传输时间 156MB/s 逻辑块大小 512 字节 最大持续传输速率 210MB/s