存儲篇(1)

計算機體系

大學學過微機原理，裏面介紹一個計算機最小組成單元-cpu，內存，磁盤。相應的這三者也構成所謂的圖靈機，即有限狀態機。 在主機主板中還包含了南北橋芯片，前者的設計意圖是接入低速的io設備，後者是創建cpu和內存南橋的通道。

cpu和北橋鏈接是總線爲系統總線，總線頻率爲cpu從外部存取數據的數據傳輸速率，cpu自身的震盪頻率爲cpu計算的頻率。 內存和北橋鏈接的總線爲內存總線。北橋的速率高於外設的傳輸速率，因此在io總線鏈接北橋中引入南橋，其集成了不少外設的控制器，好比磁盤控制器，usb控制器等。

io總線

對於io總線，其並不是只有一條總線，而是分爲地址總線，控制總線，數據總線。

cpu與硬盤設備的交互

1. 每一個io設備在啓動後會在內存中映射一個或者多個地址，這個地址8位長，稱爲io端口。針對這個地址的數據，通通會被北橋芯片重定向到總線實際設備上。
2. 首先cpu會把io地址放到系統總線上，北橋收到以後，會等待cpu發送第一個針對外設的指令。而後cpu發送以下三條指令 1） 指令包含當前指令是讀或者寫，並且包含其餘一些選項，如是否中斷或者開啓磁盤緩存 2） 發送須要讀取的硬盤邏輯塊號 3） 給出讀取出來的內存應該存放到內存的哪一個地址上。
3. 這三條指令會依次發送給io總線上的磁盤控制器來執行。好比第二條指令，磁盤控制器收到後會進行磁盤實際扇區和邏輯塊號的查找，而後尋址，讀取，第三條指令cpu給出數據應該放在內存的地址，磁盤控制器讀取出數據而後經過DMA技術直接在內存進行尋址並執行寫入。

注：cpu發送的指令是到南橋芯片上集成的控制器，控制器對磁盤發出一系列指令分爲兩個體系，一個是ATA指令集，一種是SCSI指令集，scsi指令集比ata指令集高效。

存儲分類

通常咱們錄音帶這中存儲介質是沒辦法隨機定位的，這種存儲稱爲流式存儲，對於硬盤這種分扇區，能夠定位到扇區位置的存儲方式稱爲塊式存儲。所以磁帶這種存儲方式只能用於數據容災備份。

普通磁盤的構成

普通磁盤的數據組織通常由多個雙邊盤面，每一個盤面有多條磁盤，每一個同心同磁道不是連續記錄數據，而是劃分爲一段段的圓弧，根據角速度一致，外圈的數據讀取速度比內圈的快。每段圓弧稱爲一個扇區，這個是io讀寫的最小單位。 同一個磁道下全部盤面構成一個柱面，磁頭讀寫首先從同一個柱面內從0磁頭開始進行操做，依次向下在不一樣盤面進行操做，寫完後再轉移到下一個柱面。(減小尋軌，電信號切換遠快於機械切換)

扇區：每一個扇區能夠存放512b數據和一些其餘信息，扇區通常有兩個主要部分，一個是存儲數據地址的標識符，另外一個是存儲數據的數據段。前期扇區的頭標包括組成扇區三級地址的三個數字(扇區所在的磁道，扇區所在的柱面，扇區所在位置。稱爲CHS地址)，後面換成LBA編址方式，lba編址再也不區分柱面磁道這些概念，而是提供一個線性的地址，而後這些物理信息由磁盤自己保存。這個關係保存在磁盤控制器電路的ROM芯片中，磁盤初始化時載入緩存中以便查詢。扇區頭標中包含一個字段代表扇區是否能可靠存儲數據，而且扇區頭標以循環冗餘crc值做爲結束。

扇區編號和交叉因子

最簡單的扇區編號方式是採用線性順序編號，但這個方法存在一個問題，但扇區在處理一個扇區數據期間，可能因爲磁頭轉得太快，直接就進入下一個扇區頭標部分，這個時候磁盤就須要空轉一週才能從新寫入。針對這個狀況，ibm一位工程師就採起一個交叉因子的方式進行編號，好比3:1表明磁盤第一個扇區爲1號，跳過兩個扇區到第四個扇區爲2號。

磁盤io單位

對於磁盤而言，最小寫入單位是一個扇區，對於操做系統的page，文件系統的block通常是4KB大小,io對於越上層而已越清晰簡潔，而越底層io越複雜。好比文件系統的io比卷管理程序的io簡單，卷管理程序對應到磁盤控制器更簡單。

磁盤的簡單描述

對於一個小白而已，磁盤能夠當作一張空白的紙，咱們經過位置信息能夠找到咱們須要的寫入或者讀取的位置，而對於這個尋址即相似上面LBA尋址方式。當尋找到對應位置後，咱們須要向磁盤發送須要寫入的數據，針對這個問題，人們抽象出一套接口系統，專門用於計算機和其外設交互數據，稱爲scsi接口協議。

磁盤隊列技術

想象一個場景，當多個io下發到磁盤中，a須要讀取中間的數據，b要讀取最左邊的數據，c要讀取最右邊的數據。假設咱們按照先進先服務的原則，這個時候顯然效率並非最好的，因此這個就涉及一個優化問題，如何使得磁盤的執行序列最優。固然這個問題並不能只在磁盤驅動器上考慮，還必須在磁盤控制器上考慮，由於磁盤控制器默認行爲是讀取驅動器上的緩存，若是數據亂序後就會引起不少問題。(磁盤控制器和磁盤驅動器的步伐不是一致，驅動器只能預先讀取數據存在其緩存中，等待控制器去主動讀取)

1. FCFS（first come first server）
2. sstf（shortest seek time first）會形成餓死問題，讀取與磁盤最短距離的請求數據。
3. scan（迴旋掃描模式）電梯模型，單邊掃描後再折返
4. c-scan（單邊掃描）
5. look（智能監察掃描模式）這個方式和單邊的區別在於不須要掃描到終點，而是完成最兩端io即折返