硬盘架构原理及其算法&RAID工作原理&写惩罚

一、硬盘的架构以及寻址原理

硬盘工作原理:

硬盘寻址原理:逻辑顺序磁道、盘片、扇区(顺序CHS)

二、机械硬盘算法

读取算法

寻道算法

个人与企业适合的算法和寻道

个人使用的机械硬盘适合的寻道算法和读取算法是:

对于企业使用机械硬盘适合的寻道算法和读取算法是:

三、垂直盘和叠瓦盘

垂直盘:盘面大小一样

叠瓦盘:盘面大小呈现金字塔结构

四、RAID工作原理

RAID技术背景

RAID基本概念

RAID的数据组织形式(基本单位)

各类RAID工作原理

RAID 0工作原理

RAID 1工作原理

RAID 3工作原理(既要数据安全又要读写速率)

RAID的数据保护方式

RAID 5工作原理

更换校验盘后的异构

RAID 6工作原理

RAID不论什么级别,硬盘容量一定要一致(不管是数据盘还是校验盘)

RAID 10工作原理

写惩罚

RAID 3写惩罚


一、硬盘的架构以及寻址原理

机械硬盘的结构大致包括:盘片、磁头臂、读/写磁头、主轴、硬盘接口和控制电路等。

硬盘通过磁性粒子提供和保存数据。

硬盘工作原理:

- 盘片与磁性粒子- 通过磁头和磁头臂访问磁性- 控制电路通过控制磁头臂访问不同位置的磁性粒子- 主轴旋转让我们的盘片上每一块磁性粒子都得到访问

硬盘寻址原理:逻辑顺序磁道、盘片、扇区(顺序CHS)

CHS模式,H磁头数(Heads)、C柱面【磁道】(Cylinders)、S扇区数(Sectors)。

- 定位磁道- 定位盘片- 定位扇区

1、CHS寻址模式将硬盘划分为磁头(Heads)、柱面(Cylinder)、扇区(Sector)。

  • - 磁头(Heads):每张磁片的正反两南各有一个磁头,一个磁头对应一张磁片的一个面。因此,用第几磁头就可以表示数据在哪个磁面。- 桂面(Cylinder)所有磁片中半径相同的同心磁道构成“柱面",意思是这一系列的磁道垂直叠在一起,就形成一个柱面的形状。简单地理解,柱面数=磁道数。- 扇区(Sector):将磁道划分为若干个小的区段,就是扇区。虽然很小,但实际是一个扇子的形状,故称为扇区。每个扇区的容量为512字节。

2、知道了磁头数、柱面数、扇区数,就可以很容易地确定数据保存在硬盘的哪个位置。也很容易确定硬盘的容量,其计算公式是:硬盘容量=磁头数*柱面数*扇区数*512字节。

  • 其计算公式是:硬盘容量=磁头数*柱面数*扇区数*512字节。

3、LARGE寻址模式把柱面数除以整数倍、磁头数乘以整数倍而得到的逻辑磁头/柱面/扇区参数进行寻址,所以表示的已不是硬盘中的物理位置,而是逻辑位置。LBA寻址模式是直接以扇区为单位进行寻址的,不再用磁头/柱面/扇区三种单位来进行寻址。但为了保持与CHS模式的兼容,通过逻辑变换算法,可以转换为磁头/桂面/扇区三种参数来表示,但表示的也和LARGE寻址模式一样,已不是硬盘中的物理位置,而是逻辑位置了。

CHS寻址大于8GB后会重新编制,而LAB寻址会继续编下去。

  • CHS寻址最大只能编到8000,到8001就得重新开始编址。LAB是做了映射表,8001还可以编址。

二、机械硬盘算法

读取算法

  • 单磁头单区块读取算法:这是最基本的读取算法,也是最早的一种。它是通过单个磁头读取单个扇区的数据。- 多磁头单区块读取算法:这种算法使用多个磁头,以提高读取速度。每个磁头负责读取不同的扇区。- 单磁头多区块读取算法:这种算法可以在单个磁头的情况下读取多个扇区的数据。这通常是通过在磁头上放置多个磁道来实现的。- 预取读取算法:这种算法是通过预先读取数据来提高性能的。当磁头访问一个扇区时,它会同时读取下一个扇区的数据。这样,当访问下一个扇区时,数据已经在内存中了,而不需要等待磁头重新定位。- 磁头寻道算法:这种算法是用于寻找所需数据的磁道。当磁头需要读取数据时,它必须先移动到所需教据所在的磁道。磁头寻道算法可以优化这个过程,以提高读取速度。- 磁盘缓存算法:这种算法是用于管理磁盘缓存的。当数据被读取时,它通常会被缓存在内存中。磁盘缓存算法可以优化缓存的使用,以提高读取性能。

寻道算法

  • 最短寻道时间优先算法(SSTF):该算法会优先选择距离当前磁头位置最近的磁道进行寻道。这种算法可以最大限度地减少寻道时间,但可能会导致某些磁道被优先选择,从而导致其他磁道被忽略。- 扫描算法(SCAN):该算法会按照一个方向移动磁头,直到到达磁盘的一端,然后返回到另一端。这种算法可以保证所有磁道都有机会被访问到,但可能会导致一些磁道等待时间过长。- 循环扫描算法(C-SCAN):该算法与扫描算法类似,不同之处在于在到达磁盘一端后,磁头会立即返回到另一端,而不是等待一段时间。这种算法可以减少等待时间,但可能会导致一些磁道被频繁地访问。- 随机算法(RANDOM);该算法会随机选择一个磁道进行寻道。这种算法可以避免一些问题,如扫描算法可能导致的等待时间过长。但是由于随机选择,可能会导致某些磁道被频繁访问,而其他磁道则被忽略。
  • LOOK算法LOOK算法是一种改进的SCAN算法,它也是一种基于电梯算法的磁盘调度算法。LOOK算法与SCAN算法的不同之处在于,它在到达磁盘的一端后不会立即返回,而是改变方向,直到到达另一端。LOOK算法可以有效地避免磁盘调度算法中出现的"饥饿”现象,即某些磁盘请求长时间得不到满足的情况。- C-LOOK算法C-LOOK算法是一种改进的LOOK算法,它也是一种基于电梯算法的磁盘调度算法。与LOOK算法不同,C-LOOK算法在到达磁盘的一端后会立即返回到另一端,而不是改变方向。这种算法可以减少磁头的移动距离,从而提高磁盘的访问效率。- N-Step-SCAN算法N-Step-SCAN算法是一种基于电梯算法的磁盘调度算法,它可以将SCAN算法的行为更细化,以便更好地平衡磁头的寻道时间和磁盘的访问效率。在N-Step-SCAN算法中,磁头在磁盘上按照扫描路径前进,但是它不是在磁盘的一端直接返回,而是沿着一定的步数(N)向反方向移动,然后再开始下一次扫描。这种算法可以更好地平衡磁头的寻道时间和磁盘的访问效率,从而提高磁盘的读取性能和响应速度。这三种算法都是常见的磁盘调度算法,它们都可以有效地平衡磁头的寻道时间和磁盘的访问效率,提高磁盘的读取性能和响应速度。具体使用哪种算法取决于应用的要求和性能需求。

个人与企业适合的算法和寻道

个人使用的机械硬盘适合的寻道算法和读取算法是:

  • 个人使用的机械硬盘通常默认采用最短寻道时间优先算法(SSTF)和单磁头单区块读取算法。SSTF算法是一种简单而有效的寻道算法,可以最小化磁头寻找所需数据的时间。而单磁头单区块读取算法则是最基本的读取算法,它可以保证数据的可靠性和一致性,但读取速度相对较慢。当然,一些高端的机械硬盘可能会使用更先进的寻道算法和读取法,以提高性能和可靠性。

对于企业使用机械硬盘适合的寻道算法和读取算法是:

  • 通常采用更高级的寻道算法和读取算法,以满足更高的性能和可靠性需求。例如,企业级机械硬盘可能采用更先进的寻道算法,如LOOK、C-LOOK、NStep-SCAN等,这些算法可以更好地平衡磁头的寻道时间和磁盘的访问效率,提高磁盘的读取性能和响应速度。此外,企业级机械硬盘可能采用更高级的读取算法,如多磁头同时读取、多区块同时读取等,以提高磁盘的读取速度和并发性能。总之,企业使用的机械硬盘在寻道算法和读取算法方面要比个人使用的机械硬盘更加先进和复杂,以满足更高的性能和可靠性需求。

三、垂直盘和叠瓦盘

叠瓦盘和垂直盘是两种不同类型的服务器硬盘安装方式,它们之间的区别主要在于安装位置和安装方式:

1.叠瓦盘

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