磁盘存储器  

磁盘存储器是计算机的核心外存设备，通过 磁记录技术 实现大容量数据存储。

磁盘存储器的核心特点

优点	缺点
存储容量大，位成本低	存取速度慢（机械结构限制）
介质可重复读写	对工作环境（温度、灰尘）敏感
非易失性，数据可长期保存	机械结构复杂，故障率较高
非破坏性读出（无需数据再生）	随机访问性能差（需寻道和旋转）

---

1. 磁盘存储器的组成

1.1 硬件结构

组件	功能	示例
盘片	存储数据的圆形磁性介质，双面可读写	铝合金/玻璃基板 + 磁性涂层
磁头	读写数据的电磁装置，悬浮在盘片上方（纳米级间隙）	温彻斯特技术（磁头悬浮）
磁盘驱动器	控制盘片旋转和磁头移动的机械装置进行读写数据	主轴电机、音圈电机（磁头臂）
磁盘控制器	连接主机与磁盘的接口，解析命令并控制读写操作	SATA、SCSI、NVMe 控制器

公式：

• 示例：1 个盘片（2 面）、1000 磁道、100 扇区/磁道、512B/扇区 → 容量 = 2 × 1000 × 100 × 512B = 100MB。

关键点：

• 位密度：内圈磁道位密度更高（周长短但存储量相同）。
• 格式化容量：实际可用容量比非格式化容量小（因校验信息占用空间）。

---

2. 磁记录原理

• 写入：电流通过磁头线圈 → 磁场改变盘面磁性 → 记录 0/1。
• 读取：磁头感应盘面磁场变化 → 生成电信号 → 解码为数据。
• 编码方式：
  • FM（调频制）：每个数据位间插入时钟信号，效率低（早期使用）。
  • MFM（改进调频制）：减少时钟信号，提高存储密度（现代硬盘基础）。

---

3. 磁盘性能指标

3.1 记录密度

指标	定义	单位
道密度	径向单位长度的磁道数（磁道间距）	道/英寸（TPI）
位密度	磁道单位长度存储的二进制位数	位/英寸（bpi）
面密度	道密度 × 位密度（综合存储密度）	位/平方英寸

注意：

• 外圈磁道周长长 → 位密度低；内圈磁道周长短 → 位密度高。
• 所有磁道 存储容量相同（通过调整位密度实现）。

3.2 容量计算

• 非格式化容量：理论最大容量（未划分扇区）。
• 格式化容量：实际可用容量（扣除校验、间隙等）
• 

3.3 存取时间

• 寻道时间：磁头移动到目标磁道的时间（平均 3~10ms）。
• 旋转延迟：盘片旋转到目标扇区的时间（平均半圈，约 4ms@7200RPM）。
• 传输时间：读取数据的时间（取决于转速和扇区大小）。

3.4 数据传输率

• 示例：
  • 7200RPM（120转/秒），每磁道 1MB → 传输率 = 120 × 1MB = 120MB/s。

---

4. 磁盘地址与工作过程

磁盘地址格式： 柱面号 | 磁头号（盘面号） | 扇区号

工作流程：

1、寻址：主机发送 柱面号、磁头号、扇区号 给磁盘控制器。

2、读/写：

• 磁头移动到目标磁道（寻道）。
• 等待目标扇区旋转到磁头下方（旋转延迟）。
• 传输数据（读/写）。

特点：

• 串行操作：不能同时读/写多个扇区。
• 机械延迟：寻道和旋转延迟是性能瓶颈（SSD 无此问题）。

---

5. 磁盘阵列（RAID）

5.1 RAID核心概念

定义：RAID（Redundant Array of Independent Disks）通过将多个物理磁盘组合为逻辑单元，实现性能提升、数据冗余或两者兼顾。 核心目标：

• 性能：并行读写（条带化）提高吞吐量。
• 可靠性：冗余机制（镜像/校验）防止数据丢失。

5.2 RAID级别详解

(1) RAID 0：条带化（无冗余）

• 原理：数据分块交替存储在所有磁盘（如数据块D1在磁盘1，D2在磁盘2）。
• 优点：
  • 读写速度接近单盘的N倍（N为磁盘数）。
  • 存储容量=所有磁盘容量之和（无开销）。
• 缺点：无容错能力：任一磁盘损坏即导致数据全损。
• 应用场景：临时数据缓存、高性能计算（如视频渲染）。

(2) RAID 1：镜像（完全冗余）

• 原理：数据完全复制到两组磁盘（如磁盘1和磁盘2存储相同数据）。
• 优点：
  • 高可靠性：允许一块磁盘故障。
  • 读取速度可能提升（可从任一磁盘读）。
• 缺点：
  • 容量利用率仅50%（2块盘存1份数据）。
• 应用场景：数据库日志、关键系统盘。

(3) RAID 5：分布式奇偶校验

• 原理：数据条带化存储，校验信息（Parity）均匀分布在各盘。
  • 示例：4块盘中，D1+D2+D3=P1（校验块），P1存储在第4块盘，下次校验块轮换位置。

• 优点：
  • 允许1块磁盘故障（通过校验信息恢复数据）。
  • 容量利用率=(N-1)/N（N为磁盘数，如4块盘用75%）。
• 缺点：
  • 写入性能较低（需计算校验位）。
• 应用场景：文件服务器、企业存储。

(4) RAID 10（RAID 1+0）：镜像+条带化

• 原理：先镜像（RAID 1）再条带化（RAID 0），需至少4块盘。
• 优点：高性能（并行读写）+高可靠（允许多块盘故障，前提是同一镜像组不同时损坏）。

• 缺点：容量利用率50%。
• 应用场景：高负载数据库、虚拟化平台。

RAID级别	原理	优点	缺点
RAID 0	数据条带化（无冗余）	高性能（并行读写）	无容错（一块盘坏全丢）
RAID 1	镜像（数据复制到两块盘）	高可靠性（100%冗余）	容量利用率仅 50%
RAID 5	分布式奇偶校验（数据 + 校验块）	平衡性能与冗余（1盘容错）	写性能较低（需计算校验）
RAID 10	RAID 1 + RAID 0（先镜像再条带）	高性能 + 高可靠	成本高（需至少 4 块盘）

5.3.RAID关键技术

• 条带化（Striping）：数据分块跨盘存储，提升并发性能（RAID 0/5/10）。
• 镜像（Mirroring）：数据完全复制，提供冗余（RAID 1/10）。
• 奇偶校验（Parity）：通过算法生成校验数据，实现容错（RAID 5/6）。

应用场景：

• RAID 0：视频编辑、临时缓存（需高性能，不关心数据安全）。
• RAID 1：数据库日志、关键系统备份（高可靠性优先）。
• RAID 5：文件服务器（兼顾容量与容错）。

---

6. 磁盘 vs SSD

特性	磁盘（HDD）	SSD
原理	磁记录（机械寻道）	闪存芯片（电子读写）
速度	慢（ms 级延迟）	快（μs 级延迟）
容量	大（TB 级）	较小（主流 1TB~4TB）
耐用性	高（无写寿命限制）	有限（NAND 闪存擦写次数）
价格	低（￥0.02/GB）	较高（￥0.5~1/GB）

---

7. 总结

• 磁盘优势：大容量、低成本、非易失性，适合冷数据存储。
• 性能瓶颈：寻道时间和旋转延迟（随机读写慢）。
• RAID 选择：

• • 要速度 → RAID 0
  • 要安全 → RAID 1/10
  • 要平衡 → RAID 5

✨ 一线工程师口诀：磁盘靠磁头转，寻道延迟是短板；RAID 冗余提速快，SSD 闪存更省电！ ✨