磁盘地址划分与寻址

磁盘寻址层次解析

原创于 2025-11-17 10:46:29 发布 · 841 阅读

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磁盘的地址划分与寻址，本质上是一个从抽象到具体，层层映射的过程。它的目的是让操作系统和应用程序能够以一种相对简单、统一的方式（逻辑地址）来访问一个复杂、精密的物理设备（物理磁盘）。

首先，我们要理解磁盘（以传统机械硬盘为例）的物理结构。

盘片：一个或多个磁性盘片，用于存储数据。
磁道：每个盘片被划分为成千上万个同心圆环，每个圆环称为一个磁道。
扇区：每个磁道又被划分为多个弧段，每个弧段称为一个扇区。扇区是磁盘的最小物理存储单元，传统大小是512字节，现代高级格式磁盘通常是4096字节（4KB）。
柱面：所有盘片上相同半径的磁道组成的“圆柱体”称为柱面。
磁头：每个盘面都有一个读写磁头。

基于这个结构，最早的物理寻址方式是 CHS寻址：

寻址过程：要读取一个数据，磁盘驱动器需要接收到一个(CHS)三元组，然后：

CHS的局限性：

为了解决CHS的复杂性，引入了 LBA。

LBA 与 CHS 的转换：
磁盘控制器（或驱动）内部负责将操作系统发送的LBA地址转换为物理的CHS地址。这是一个简单的数学换算。假设一个磁盘有 H 个磁头（盘面），每个磁道有 S 个扇区：

（注意：这里的计算是概念性的，实际转换可能更复杂，但原理一致）

优点：

至此，我们已经完成了第一层抽象：物理扇区(CHS) -> 逻辑扇区(LBA)。

操作系统拿到的是一个由LBA组成的“线性空间”。但它需要为多个应用程序和用户文件提供服务，所以它需要再次划分这个空间。这是通过文件系统来实现的。

文件系统将连续的LBA空间组织成更高级的结构，以便管理文件和目录。关键概念包括：

分区：
- 一个物理磁盘可以被划分为多个分区（如C盘、D盘）。
- 每个分区在操作系统看来就像一个独立的磁盘，有自己的LBA范围（从0到分区大小）。
- 主引导记录（MBR） 或 GUID分区表（GPT） 负责记录这些分区的起始和结束LBA。
块：
- 文件系统为了管理效率，通常会将多个连续的扇区组合成一个 “块” 或 “簇”。
- 例如，一个块可能由8个连续的512字节扇区组成，形成一个4KB的块。
- 文件系统分配空间的最小单位是块，而不是扇区。
元数据：
- 文件系统需要数据结构来记录哪些块是空闲的，哪些块属于哪个文件。
- inode（类Unix系统）或 Master File Table - MFT（Windows NTFS）就是这样的数据结构。它们本身也存储在磁盘上特定的LBA位置。
- 元数据中存储了文件内容的块指针。这些指针本质上就是LBA地址的集合。

假设用户请求打开文件 /home/user/document.txt。

应用程序：发出 open("/home/user/document.txt") 系统调用。
操作系统/文件系统：
- 在文件系统元数据中查找路径 /home/user/document.txt，找到对应的 inode/MFT。
- 从存储inode的固定LBA位置读取inode数据。
- 解析inode，获取存储文件内容的所有数据块的地址（LBA列表）。
操作系统/设备驱动：
- 将包含目标数据的LBA地址和读取长度封装成一个SCSI或ATA命令。
- 将这个命令发送给磁盘控制器。
磁盘控制器：
- 接收命令，解析出LBA地址（例如 LBA 10000）。
- 在内部将 LBA 10000 转换为物理的(CHS)地址（此过程对上层完全透明）。
磁盘硬件：
- 根据(CHS)地址，移动磁臂，选择磁头，等待扇区旋转到位。
- 将对应扇区的数据读取出来，通过接口返回给磁盘控制器，再依次传递给驱动、操作系统，最终送达应用程序。

现代发展：

固态硬盘：SSD没有机械结构，不存在磁道和扇区的物理概念。但它仍然模拟出LBA接口，内部闪存转换层负责将主机发送的LBA映射到实际的闪存物理页上。这使得操作系统可以像使用机械硬盘一样使用SSD。
高级格式 4K 扇区：为了提高存储效率，现代磁盘物理扇区大小变为4KB。为了兼容旧系统，它们可能向操作系统报告为512字节扇区，这称为“512e”模拟，增加了转换的复杂性。原生4K（4Kn）则直接使用4KB作为LBA单位。

希望上文能帮助彻底理解磁盘地址的划分与寻址过程。