硬盘寻址 CHS LBA

Posted 2021-02-03

近期回顾了下HDD磁盘的结构原理，重新又发现几个比较有意思的问题
稍作整理记录一下。

【背景信息】fdisk -l 命令返回（rhce 7以下）
[[email protected]_0_15_centos ~]# fdisk -l
Disk /dev/vda: 53.7 GB, 53687091200 bytes
255 heads, 63 sectors/track, 6527 cylinders
Units = cylinders of 16065 * 512 = 8225280 bytes
Sector size (logical/physical): 512 bytes / 512 bytes
I/O size (minimum/optimal): 512 bytes / 512 bytes
Disk identifier: 0x00086547

写在前面 先翻译几个单词：

• heads： 头部 --->这里理解为磁头数
  （PS，HDD中读写磁头是分开的，写+读为一组，这里表示磁头组数，即盘面数 ， 一个盘有两个面）

• sectors / track：扇形 / 小道 --->这里理解为磁道
• cylinders ：圆柱 --->这里理解为柱面

由上面的命令输出可以很直观的了解到这个分区的大小为：53687091200 bytes
即： 255 heads 63 sectors/track 6527 cylinders = 104856255(总sectors数)

            104856255 * 512 = 53686402560  bytes数

这里开始抛几个小问题：

1. 为什么磁头数为单数？ 另外数值为什么有255这么“巨”大？
2. 磁道外圈与内圈周长 相差巨大，为什么扇区数一样？ 且为什么是 63 ？

3. 为什么我们实际计算的53686402560 bytes数 与 53687091200 bytes不相等？

   要解释这几个问题，我们还是一定要引出 磁盘寻址 这个知识点。

   磁盘寻址，意思就是kernel 如何找到 PBA（物理块地址）的一种实现方式。
   主要有两种 CHS（老式） 和 LBA

   CHS
   由于早期磁盘的每个磁道的扇区数一样多（外圈磁颗粒稀疏，耐用性强），
   整体磁盘空间大小也不大。所以在设计时用了24位来表示：10+8+6
   C, (柱面数) 可编程数为 2^10 =1024
   H, (磁头数) 可编程数为 2^8 =256
   S, (扇区数) 可编程数为 2^6 =64
   由于1位用于特殊作用，均需要减1 即最大寻址空间为：
   1023 255 63 * 512 = 8414461440 bytes = 8G+

   很显然随着存储需求增加，单块磁盘的存储空间已经有了很大量级的发展。
   其中物理特性里，主要的几个关键参数均有改变：

   磁盘面的磁颗粒更高密+磁头更稳定更细(影响C)
   磁盘面的磁颗粒均匀分布（影响S）
   磁盘增加磁盘盘面（影响H）
   改变后之前的算法就不在适用于现在的这种结构了。所以就出了新的寻址
   方式LBA 逻辑块地址（从0开始计，一直到最后一个扇区）。

但为了兼容老式的计算方式以及更为立体的体现硬盘物理构造形态（个人理解），还是会体现出CHS的信息出来。

OK, 了解到这里 最上面的几个问题就很好解答了：

1. 为什么磁头数为单数？ 另外数值为什么有255这么“巨”大？
   这里不是真实的磁头数，只是为了在LBA换算成CHS时均用了CHS的最
   大值来转换运算而已。如上面截图一块东芝3T的盘就是 8个盘面 16个磁头数

2. 磁道外圈与内圈周长 相差巨大，为什么扇区数一样？ 且为什么是 63 ？
   同理63也不是真实是这样，真实情况肯定是外圈扇区数比内圈大
3. 为什么我们实际计算的53686402560 bytes数 与 53687091200 bytes不相等？
   这个个人是这样理解：Units = cylinders of 16065 512 = 8225280 bytes
   CHS的一个最小计算单元，即一1个柱面所拥有的扇区数： 255 63 = 16065
   那么在LBA上表示出CHS时肯定以LBA为准，CHS作为参考。为此当有零头数时，就直接去掉不在CHS上做显示处理。实际情况中LBA总扇区数几乎一定不是 16065的倍数，所以我们用CHS去计算总大小时会比LBA的值稍小一点。范围是在（1~16064） * 512

end.