电脑中常用的“扇区”、“簇”、“块”、“页”等概念

本文围绕磁盘存储相关概念展开,介绍了扇区是磁盘最小物理存储单位,磁盘块是操作系统最小逻辑存储单位,阐述了簇与块的区别、磁盘块存在的原因及映射方式,说明了磁盘读写基本单位,还探讨了磁盘块与扇区大小关系、4K对齐概念以及块与页的关系。

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1、什么是扇区和(磁盘)块?

物理层面:一个磁盘按层次分为 磁盘组合 -> 单个磁盘 -> 某一盘面 -> 某一磁道 -> 某一扇区

扇区,顾名思义,每个磁盘有多条同心圆似的磁道,磁道被分割成多个部分。每部分的弧长加上到圆心的两个半径,恰好形成一个扇形,所以叫做扇区。扇区是磁盘中最小的物理存储单位。通常情况下每个扇区的大小是512字节。(由于不断提高磁盘的大小,部分厂商设定每个扇区的大小是4096字节)

逻辑层面: 磁盘块(虚拟出来的)。 块是操作系统中最小的逻辑存储单位。操作系统与磁盘打交道的最小单位是磁盘块。

2、什么是簇?和块什么区别?

通俗的来讲,在Windows下如NTFS等文件系统中叫做簇;在Linux下如Ext4等文件系统中叫做块(block)。每个簇或者块可以包括2、4、8、16、32、64…2的n次方个扇区。

3、为什么存在磁盘块?

读取方便:由于扇区的数量比较小,数目众多在寻址时比较困难,所以操作系统就将相邻的扇区组合在一起,形成一个块,再对块进行整体的操作。

分离对底层的依赖:操作系统忽略对底层物理存储结构的设计。通过虚拟出来磁盘块的概念,在系统中认为块是最小的单位。

4、怎么映射磁盘块?

磁盘控制器,其作用除了读取数据、控制磁头等作用外,还有的功能就是映射扇区和磁盘块的关系

5、磁盘的读写基本单位是什么?

答案:读写基本单位是扇区。磁盘的原理,物理实现,磁盘控制器是按照扇区这个单位读取等操作数据的。操作系统是通过块簇来做为单位读取等操作数据的。此题问磁盘的读写,和操作系统没有关系,千万不要联系到操作系统层面去了。

文件系统就是操作系统的一部分,所以文件系统操作文件的最小单位是块。

6、磁盘块与扇区的大小

既然磁盘块是一个虚拟概念。是操作系统自己"杜撰"的。软件的概念,不是真实的。所以大小由操作系统决定,操作系统可以配置一个块多大。

一个块大小=一个扇区大小*2的n次方。

N是可以修改的。

7、为什么磁盘块大小必须是扇区大小的整数倍呢?

磁盘读取数据的基本单位就是一个扇区的大小,一个块的大小对于磁盘来说就是一次获取数据读取的扇区数*扇区大小,如果是整数倍的扇区数对于磁盘的IO更好,速度更快,也会更合理的利用资源。否则会对扇区进行分割。

一个扇区是512字节。有些硬盘厂商会提供4k大小扇区。这是物理结构。磁盘定下来的结构就是没法修改的。所以必须要将块设置为磁盘的大小。

8、4k对齐

随着时代发展,硬盘容量不断扩展,使得之前定义的每个扇区512字节不再是那么的合理,于是将每个扇区512字节改为每个扇区4096 个字节,也就是现在常说的“4K扇区”。随着NTFS成为了标准的硬盘文件系统,其文件系统的默认分配单元大小(簇)也是4096字节,为了使簇与扇区相对应,即使物理硬盘分区与计算机使用的逻辑分区对齐,保证硬盘读写效率,所以就有了“4K对齐”的概念。

新标准的”4K扇区”的硬盘在厂商为了保证与操作系统兼容的前提下,也将扇区模拟成512B,会默认定义为4096字节大小为一个簇,但因为其引导区占用了一个磁道共63个扇区,真正的文件系统在63号扇区之后。
我们通过计算得出前63个扇区大小为:512Bx63=32256B
并按照默认簇大小得出63扇区为:32256B÷4096B=7.875簇
即从第63个扇区结束,往后的每一个簇都会跨越两个物理单元,占据前一个单元的一小部分和后一个单元的一大部分。

而“4K对齐”主要是将硬盘的模拟扇区(512B)对齐到8的整数倍个“实际”4K扇区,即4096B*8=32768B,其正好跨过了63扇区的特性,从第64个扇区对齐。

9、块与页的关系

操作系统经常与内存和硬盘这两种存储设备进行通信,类似于“块”的概念,都需要一种虚拟的基本单位。所以,与内存操作,是虚拟一个页的概念来作为最小单位。与硬盘打交道,就是以块为最小单位。

### 存储中扇区的区别与联系 #### 1. 定义与基本概念 - ** (Page)** 是 Flash 存储器中写入数据的基本单位。每次向 Flash 中写入数据时,是以为单位进行的[^1]。的大小因厂商和存储类型的不同而有所差异,常见的有 1KB、2KB 和 4KB 等[^3]。 - **扇区 (Sector)** 是磁盘存储中的基本单位,在某些情况下也被视为文件系统的逻辑分区单元。它是磁盘上连续的一组物理位置,通常用于描述磁盘上的数据分布[^4]。 - ** (Block)** 则是一个更通用的概念,可以指代不同的存储层次结构中的最小可寻址单位。在 Linux 文件系统中,是文件系统管理的基本单位;而在硬盘操作中,它通常是操作系统与硬件交互的最小单位[^5]。 #### 2. 关系与层次结构 按照存储容量从小到大排列,三者之间的关系如下: - (Page)< 扇区(Sector)< (Block)< 芯片(Chip)。这种层次结构反映了从低级硬件到高级软件抽象的过程。 具体而言: - 在 Flash 存储器内部,****是最小的数据写入单位,多个组成一个更大的单位——****。当需要擦除数据时,通常以整个为单位执行操作。 - 对于磁盘设备,**扇区**代表其最基本的地址空间划分方式之一。尽管现代技术可能引入更多复杂的机制,但在传统意义上,读取或写入磁盘仍然基于单个或者若干相邻的扇区完成。 - 当涉及到更高层面的操作系统功能实现时,则会进一步封装成所谓的“”。这样做的目的是为了简化接口设计并提高效率。 #### 3. 应用场景举例 以下是几个典型应用场景的例子说明这三个术语如何被实际应用: - **嵌入式开发**: 在微控制器项目里处理外部 NAND/NOR flash芯片时经常会遇到page/block这样的参数设置需求,因为它们直接影响编程算法的选择以及性能优化方向. - **数据库管理系统(DBMS)**: 数据库引擎通过将记录映射至特定数量固定长度blocks上来组织表空间布局以便快速检索所需信息. - **固态驱动(SSD)控制固件编写过程中**,工程师们必须考虑TRIM命令作用范围覆盖哪些pages/sectors/blocks才能有效延长产品寿命同时保持良好随机访问速度表现. ```python # 示例代码展示如何计算给定尺寸下各部分所占比例 def calculate_storage_units(page_size_kb=2, sector_size_kb=8, block_size_kb=64): page_bytes = page_size_kb * 1024 sector_bytes = sector_size_kb * 1024 block_bytes = block_size_kb * 1024 print(f"Page Size: {page_bytes} bytes") print(f"Sector Size: {sector_bytes} bytes") print(f"Block Size: {block_bytes} bytes") calculate_storage_units() ```
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