【linux学习指南】Ext系列文件系统(一)理解硬件磁盘的逻辑结构&&CHS&&LBA地址

📝理解硬件

🌉 磁盘、服务器、机柜、机房

• 机械磁盘是计算机中唯⼀的⼀个机械设备
• 磁盘—外设
• 慢
• 容量大，价格便宜

题外话：

1. 关于机房
2. 关于磁盘—磁铁

🌉磁盘物理结构

🌉磁盘的存储结构

扇区：是磁盘存储数据的基本单位，512字节，块设备

如何定位一个扇区呢?

• 可以先定位磁头(header)
• 确定磁头要访问哪一个柱面(磁道) (cylinder)
• 定位一个扇区(sector)
• CHS地址定位

⽂件=内容+属性都是数据，⽆⾮就是占据那⼏个扇区的问题！能定位⼀个扇区了，能不能定位多个扇区呢？

sudo fdisk -l

• sudo fdisk -l 命令用于查看系统的磁盘分区信息。sudo 是用于以超级用户（root）权限执行命令，因为查看磁盘分区信息可能需要较高的权限，fdisk 是一个用于磁盘分区操作的工具，-l 参数表示列出（list）磁盘分区信息。

磁盘设备信息解读

• /dev/loop* 设备：
  • 如 /dev/loop0、/dev/loop1 等是循环设备（loop device）。循环设备是一种伪设备，它可以将文件模拟成块设备来使用。这些循环设备通常用于挂载磁盘镜像文件等操作，例如在容器技术（如Docker）或者挂载某些加密的磁盘镜像等场景下会经常看到。
  • 以 /dev/loop0 为例，它的大小是 63.7 MiB，包含 130448 个扇区，每个扇区大小为 512 字节（Sector size (logical/physical): 512 bytes / 512 bytes），最小和最优的I/O大小都是 512 字节。
• /dev/vda 设备：
  • 这是一个实际的物理磁盘设备（在虚拟化环境或者云主机环境下可能是虚拟的物理磁盘）。它的大小是 40 GiB，总共包含 83886080 个扇区，每个扇区同样是 512 字节。
  • 磁盘标签类型（Disklabel type）是 dos，这是一种比较常见的磁盘标签格式，它主要用于兼容传统的基于MS - DOS的分区表格式。磁盘标识符（Disk identifier）是 0xb51ab772，用于唯一标识这个磁盘。
  • 对于 /dev/vda1，这是 vda 磁盘上的一个分区，* 表示这个分区是可引导分区（Boot），它从扇区 2048 开始，到扇区 83886046 结束，包含 83883999 个扇区，分区大小是 40G，分区类型ID是 83，类型是 Linux，这意味着这个分区可能是用于安装Linux操作系统或者存储Linux相关文件系统的数据。

扇区是从磁盘读出和写入信息的最小单位，通常大小为512字节。 磁头(head)数:每个盘片一般有上下两面，分别对应1个磁头，共2个磁头 磁道(track)〉数:磁道是从盘片外圈往内圈编号0磁道，1磁道…，靠近主轴的同心圆用于停靠磁头，不存储数据 柱面(cylinder)数:磁道构成柱面，数量上等同于磁道个数 扇区(sector)数:每个磁道都被切分成很多扇形区域，每道的扇区数量相同圆盘(platter)数:就是盘片的数量 磁盘容量=磁头数×磁道(柱面)数×每道扇区数×每扇区字节数细节:传动臂上的磁头是共进退的(这点比较重要，后面会说明)

柱面(cylinder),磁头(head),扇区(sector)，显然可以定位数据了，这就是数据定位(寻址)方式之一，CHS寻址方式。

CHS寻址 对早期的磁盘非常有效，知道用哪个磁头，读取哪个柱面上的第几扇区就可以读到数据了。但是CHS模式支持的硬盘容量有限，因为系统用8bit来存储磁头地址，用10bit来存储柱面地址，用6bit来存储扇区地址，而一个扇区共有512Byte，这样使用CHS寻址一块硬盘最大容量为256* 102463512B= 8064 MB(1MB=1048576B)(若按1MB=1000000B来算就是8.4GB)

🌠 磁盘的逻辑结构

🌉理解过程

磁带上⾯可以存储数据，我们可以把磁带“拉直”，形成线性结构

那么磁盘本质上虽然是硬质的，但是逻辑上我们可以把磁盘想象成为卷在⼀起的磁带，那么磁盘的逻辑存储结构我们也可以类似于：

这样每⼀个扇区，就有了⼀个线性地址(其实就是数组下标)，这种地址叫做LBA

🌉真实过程

⼀个细节：传动臂上的磁头是共进退的

柱⾯是⼀个逻辑上的概念，其实就是每⼀⾯上，相同半径的磁道逻辑上构成柱⾯。所以，磁盘物理上分了很多⾯，但是在我们看来，逻辑上，磁盘整体是由“柱⾯”卷起来的。

所以，磁盘的真实情况是： 磁道： 某⼀盘⾯的某⼀个磁道展开：

即：⼀维数组 柱⾯： 整个磁盘所有盘⾯的同⼀个磁道，即柱⾯展开：

• 柱⾯上的每个磁道，扇区个数是⼀样的
• 这不就是⼆维数组吗 整盘：

整个磁盘不就是多张二维的扇区数组表(三维数组? )

所有，寻址一个扇区︰先找到哪一个柱面(Cylinder) ,在确定柱面内哪一个磁道(其实就是磁头位置，Head)，在确定扇区(Sector)，所以就有了CHS.

我们之前学过C/C++的数组，在我们看来，其实全部都是一维数组:

所以，每⼀个扇区都有⼀个下标，我们叫做LBA(LogicalBlockAddress)地址,其实就是线性地址。所以 怎么计算得到这个LBA地址呢？

LBA，1000，CHS必须要！ LBA地址转成CHS地址，CHS如何转换成为LBA地址。

OS只需要使⽤LBA就可以了！！LBA地址转成CHS地址，CHS如何转换成为LBA地址。谁做啊？？磁盘 ⾃⼰来做！固件(硬件电路，伺服系统)

🌠CHS&&LBA地址

CHS转成LBA：

• 磁头数*每磁道扇区数=单个柱面的扇区总数
• LBA=柱面号C单个柱面的扇区总数＋磁头号H每磁道扇区数＋扇区号S-1
• 即:LBA=柱面号C*(磁头数每磁道扇区数)＋磁头号H每磁道扇区数＋扇区号S- 1扇区号通常是从1开始的，而在LBA中，地址是从0开始的
• 柱面和磁道都是从0开始编号的
• 总柱面，磁道个数，扇区总数等信息，在磁盘内部会自动维护，上层开机的时候，会获取到这些参数。

LBA转成CHS：

• 柱面号C=LBA//(磁头数每磁道扇区数)【就是单个柱面的扇区总数】磁头号H=(LBA %(磁头数每磁道扇区数))/每磁道扇区数
• 扇区号S=(LBA%每磁道扇区数)+1
• "/:表示除取整

所以：从此往后，在磁盘使⽤者看来，根本就不关⼼CHS地址，⽽是直接使⽤LBA地址，磁盘内部⾃⼰ 转换。所以：

从现在开始，磁盘就是⼀个元素为扇区的⼀维数组，数组的下标就是每⼀个扇区的LBA地址。OS使⽤ 磁盘，就可以⽤⼀个数字访问磁盘扇区了。