硬盤是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中關(guān)鍵部分，硬盤存儲(chǔ)了大量數(shù)據(jù)，需要維護(hù)與及時(shí)修復(fù)，掌握硬盤的結(jié)構(gòu)和儲(chǔ)存原理對(duì)維護(hù)和修復(fù)至關(guān)重要，本文主要研究硬盤的組織和存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。

　　《信息技術(shù)》電子信息期刊，創(chuàng)刊于1977年，是由中國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院、黑龍江省信息技術(shù)學(xué)會(huì)主辦;主管部門黑龍江省信息產(chǎn)業(yè)廳;由黑龍江移動(dòng)通信公司、黑龍江省誠(chéng)信建設(shè)促進(jìn)會(huì)、黑龍江省軟件行業(yè)協(xié)會(huì)、黑龍江省農(nóng)業(yè)信息中心、黑龍江省農(nóng)墾通信有限公司等單位協(xié)辦。

　　硬盤組織和存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)這部分內(nèi)容對(duì)于了解硬盤中數(shù)據(jù)的組織與存儲(chǔ),對(duì)于硬盤中數(shù)據(jù)的維護(hù)與修復(fù),都很重要。本文對(duì)此問題進(jìn)行討論,希望對(duì)感興趣的讀者有所幫助,能更好地了解和應(yīng)用這一知識(shí)。

　　1 前言

　　從1957年IBM公司研制成功出第一臺(tái)真正意義上的硬盤存儲(chǔ)器到現(xiàn)在已將近半個(gè)世紀(jì),在這短短的幾十年時(shí)間里,硬盤逐漸成為電腦不可缺少的外部存儲(chǔ)設(shè)備,被廣泛應(yīng)用。硬盤的容量成千上萬倍地增長(zhǎng),從當(dāng)初的數(shù)十MB發(fā)展到現(xiàn)在的數(shù)百GB,甚至達(dá)TB量級(jí)。硬盤容量的大幅度增加,其尋址模式也隨之不斷變化。最早采用的是C/H/S(Cylinder/Head/Sector)尋址模式,它依據(jù)磁頭數(shù)(Heads)、柱面數(shù)(Cylinders)和扇區(qū)數(shù)(Sectors)構(gòu)成的絕對(duì)地址來尋址的,也稱為物理磁盤地址。通常DOS將“柱面/磁頭/扇區(qū)”這樣表示法稱為“絕對(duì)扇區(qū)”表示法,但DOS不能直接使用絕對(duì)扇區(qū)進(jìn)行磁盤上的信息管理,而是用所謂“相對(duì)扇區(qū)”或“DOS扇區(qū)”——即按扇區(qū)號(hào),磁頭號(hào),柱面號(hào)(磁道號(hào))增長(zhǎng)的順序連續(xù)地分配DOS扇區(qū)號(hào)。

　　在早期的硬盤中,由于每個(gè)磁道的扇區(qū)數(shù)相等,外磁道的記錄密度遠(yuǎn)低于內(nèi)磁道,因此造成很多磁盤空間的浪費(fèi)。為了解決這一問題,人們改用等密度結(jié)構(gòu),即外圈磁道的扇區(qū)比內(nèi)圈磁道多。此種結(jié)構(gòu)的硬盤不再具有實(shí)際的3D參數(shù),尋址方式也改為以扇區(qū)為單位的線性尋址,這種尋址模式便是LBA(Logic Block Address, 邏輯塊地址)。在這種模式下,硬盤的物理地址與邏輯地址的轉(zhuǎn)換問題有一定必要性和復(fù)雜性,本文對(duì)此進(jìn)行討論,希望對(duì)感興趣的讀者有所幫助。

　　2 轉(zhuǎn)換過程

　　所謂邏輯扇區(qū)是物理扇區(qū)的一組連續(xù)數(shù)字的編號(hào),操作系統(tǒng)采用的一種扇區(qū)編號(hào)方式,其編號(hào)是從0開始到某個(gè)最大值方式排列,并連成一條線。使用邏輯扇區(qū)主要有以下兩個(gè)優(yōu)點(diǎn):第一,邏輯扇區(qū)的概念使硬盤的讀寫操作脫離了柱面、磁頭和扇區(qū)的硬件參數(shù);第二,在硬盤中每一定數(shù)目的扇區(qū)組成了數(shù)據(jù)文件的最小單位—— 簇,在對(duì)一個(gè)具體的簇進(jìn)行讀寫操作時(shí),操作系統(tǒng)劃分一個(gè)一維的邏輯扇區(qū)號(hào)要比使用三維物理扇區(qū)號(hào)簡(jiǎn)單的多,如果一個(gè)簇的扇區(qū)跨越在兩個(gè)盤片,則使用“柱面、磁頭和扇區(qū)”的表示方法就更加復(fù)雜了。那么硬盤的物理地址和邏輯地址是如何轉(zhuǎn)換的呢?下面具體介紹其相互轉(zhuǎn)換方法。

　　2.1 硬盤物理地址轉(zhuǎn)換為邏輯地址

　　首先我們先來了解一下從C/H/S到LBA線性地址的轉(zhuǎn)換規(guī)則。為了與使用C/H/S尋址的老軟件兼容,于是在硬盤控制器內(nèi)部安裝了一個(gè)地址翻譯器,它負(fù)責(zé)將C/H/S參數(shù)翻譯成LBA地址。

　　同時(shí),由于系統(tǒng)在寫入數(shù)據(jù)時(shí)是按照從柱面到柱面的方式,當(dāng)上一個(gè)柱面寫滿數(shù)據(jù)后才移動(dòng)磁頭到下一個(gè)柱面,而且是從柱面的第一個(gè)磁頭的第一個(gè)扇區(qū)開始寫入,從而使磁盤性能最優(yōu)。那么在對(duì)物理扇區(qū)進(jìn)行線性編址時(shí),也是按照這種方式進(jìn)行。即把第一柱面(0柱)第一磁頭(0面)的第一扇區(qū)(1扇區(qū))編為邏輯“0”扇區(qū),把第一柱面(0柱)第一磁頭(0面)的第二扇區(qū)(2扇區(qū))編為邏輯“1”扇區(qū),直至第一柱面(0柱)第一磁頭(0面)的第63扇區(qū)(63扇區(qū))編為邏輯“62”扇區(qū),然后將磁頭轉(zhuǎn)到第一柱面(0柱)第二磁頭(1面)的第一扇區(qū)(1扇區(qū)),接著上面其對(duì)應(yīng)的邏輯編號(hào)為第“63”扇區(qū),0柱面所有扇區(qū)編號(hào)完畢后才轉(zhuǎn)到1柱面的0磁頭1扇區(qū),依次向下進(jìn)行,直到將所有的扇區(qū)都編上號(hào)。我們需要注意的是,物理扇區(qū)C/H/S中的扇區(qū)編號(hào)是從“1”至“63”,而邏輯扇區(qū)LBA方式下扇區(qū)是從“0”開始編號(hào),所有扇區(qū)編號(hào)按順序進(jìn)行。

　　在此轉(zhuǎn)換過程中,我們必須要知道的物理量有:

　　C1—起始扇區(qū)的柱面號(hào)

　　H1—起始扇區(qū)的磁頭號(hào)

　　S1—起始扇區(qū)的扇區(qū)號(hào)

　　NS—每磁道的扇區(qū)數(shù)

　　NH—硬盤每柱面磁道數(shù)

　　C、H、S表示硬盤當(dāng)前的柱面號(hào)、磁頭號(hào)和扇區(qū)號(hào),則計(jì)算柱面C、磁頭H、扇區(qū)S對(duì)應(yīng)的相對(duì)邏輯扇區(qū)號(hào)RS的公式為:

　　邏輯扇區(qū)RS=NH×NS×(C-C1)+NS×(H-H1)+(S-S1),為驗(yàn)證此公式,下面我們來舉個(gè)例子。

　　實(shí)例:已知有一個(gè)4磁頭(硬盤每柱面的磁道數(shù)為4),每磁道有17個(gè)扇區(qū)的硬盤,其中有一個(gè)邏輯硬盤D:,它的第一個(gè)扇區(qū)在硬盤的柱面號(hào)為120,磁頭號(hào)為1,扇區(qū)號(hào)為1的位置,則計(jì)算柱面號(hào)為160,磁頭號(hào)為3,扇區(qū)號(hào)為6的邏輯扇區(qū)號(hào)RS是多少?

　　分析:

　　根據(jù)前面的說明,已知條件有:C1=120, H1=1, S1=1, NS=17, NH=4,C=160,H=3,S=6,則代入上面公式可得到邏輯扇區(qū)號(hào)RS=4×17×(160-120)+17×(3-1)+(6-1)=2759,即硬盤柱面號(hào)為160,磁頭號(hào)為3,扇區(qū)號(hào)為6的邏輯扇區(qū)號(hào)為2759.

　　2.2 硬盤邏輯地址轉(zhuǎn)換成物理地址

　　在對(duì)硬盤進(jìn)行故障維護(hù)或者進(jìn)行相關(guān)軟件開發(fā)時(shí),不僅需要將硬盤的物理地址轉(zhuǎn)換成邏輯地址,有時(shí)還需要知道邏輯地址轉(zhuǎn)換為物理地址的方法。

　　根據(jù)計(jì)算機(jī)中符號(hào)的常用法則,我們用“div”表示除法運(yùn)算,用“mod”表示取余數(shù)運(yùn)算,其他參數(shù)如C、H、S依然表示硬盤當(dāng)前的柱面、磁頭和扇區(qū)號(hào),C1、H1、S1、NS和NH含義也和上面一致。在已知硬盤邏輯地址即邏輯扇區(qū)號(hào)LS的情況下,求硬盤對(duì)應(yīng)的物理地址的柱面號(hào)C、磁頭號(hào)H和扇區(qū)號(hào)S的方法如下:

　　C=((Ls div NS)div NH)+ C1

　　H=((Ls div NS)mod NH)+ H1

　　S=(Ls mod NH)+ S1

　　實(shí)例:設(shè)硬盤的磁頭號(hào)為4,每磁道17個(gè)扇區(qū),其中邏輯硬盤D的第一個(gè)扇區(qū)在硬盤的柱面120、磁頭1、扇區(qū)1上,求邏輯D盤上邏輯扇區(qū)為2757編號(hào)對(duì)應(yīng)的物理地址是多少?

　　分析:根據(jù)上面的已知條件,我們可知C1=120, H1=1,S1=1,NS=17,NH=4,Ls=2757,則將這些數(shù)據(jù)代入上面的公式可得:

　　C=((2757 div 17)div 4)+120=160

　　H=((2757 div 17)mod 4)+1=3

　　S=(2757 mod 17)+1=4

　　即邏輯扇區(qū)號(hào)Ls為2757的硬盤對(duì)應(yīng)的物理地址為柱面號(hào)是160、磁頭號(hào)是3和扇區(qū)號(hào)為4。

　　3 結(jié)束語

　　以上是本人在教學(xué)中的一些教學(xué)總結(jié),有可能還存在一些不完善的地方。因?yàn)槲疑钪?關(guān)于硬盤的這一塊知識(shí)還有很多有待于我們?nèi)ミM(jìn)一步的探索和積累,所以希望大家對(duì)于以上的內(nèi)容給予提出寶貴的意見,以更好的促進(jìn)我們的教學(xué)。

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