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如何根据硬盘I O特性设计系统?

  在过去十年中,计算机硬件性能一般遵循摩尔定律。通用计算机的CPU频率已超过3GHz,内存已进入推广DDR4的时代。然而,虽然传统硬盘的存储容量增长很快,但读写性能并没有显着提高,而且SSD硬盘价格昂贵,不能在短时间内完全取代传统硬盘。传统磁盘的I / O读/写速度已成为计算机系统性能提升的瓶颈,限制了计算机整体性能的发展。

  针对这些问题,本文将介绍硬盘的物理结构和性能,以及磁盘性能操作系统的优化,最后讨论基于磁盘I / O特性的技术。

  硬盘内部的主要组件是磁盘盘片,传输臂,读/写磁头和主轴电机。实际数据写在光盘上,读写主要由传输臂上的读/写头完成。在实际操作中,主轴旋转盘片,然后驱动臂可以延伸,以允许读头在盘上读写。磁盘的物理结构如下所示:

  由于单个盘具有有限的容量,因此普通硬盘具有两个以上的盘,并且每个盘具有两个侧面,并且可以记录信息,因此一个盘对应于两个磁头。盘被分成许多扇形区域,每个区域称为扇区,并且硬盘中每个扇区的大小固定为512字节。盘的表面以盘的中心为中心,不同半径的同心圆称为轨道,由不同盘的相同半径的轨道组成的圆柱称为圆柱。轨道和圆柱体都是代表不同半径的圆圈。在许多情况下,轨道和气缸可以互换使用。磁盘盘片的垂直视图如下所示:

  每个磁道的扇区数在早期硬盘中是相同的。此时,可以根据磁盘的基本参数计算硬盘容量:存储容量=磁头数*磁道数(柱面数)*每扇区扇区数*每扇区字节数。

  由于每个轨道的扇区数相同,外环轨道半径大,内环轨道半径小,外环和内环扇区自然不同。同时,为了更好地读取数据,即使外环扇区的面积很大,也可以存储相同数量的字节(512字节)作为内圆扇区。这样,外圈的记录密度小于内圈的记录密度,浪费了大量的存储空间。

  今天的硬盘使用ZBR(Zoned Bit Recording)技术。盘的表面从内到外分成几个区域。不同地区的轨道扇区数量不同。同一区域中的曲目数相同。轨道区域的长扇区的数量很大,并且内环区域中的轨道的短扇区的数量很少,并且通常实现相等的密度,从而获得更多的存储空间。此时,由于每个磁道的扇区数不同,传统的容量计算公式不再适用。事实上,今天的大多数硬盘使用LBA(逻辑块寻址)逻辑块寻址模式,并且在知道LBA之后可以计算硬盘容量。

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