ibm ssd 架构设计：系统存储（1）(2)

实际情况下，外部将要存储到硬盘上的数据不会一次性写满整个磁道，读取数据到外部时也不需要读取整个磁道的数据。这是因为一个磁道被分为多个弧段，这些弧段称之为扇区。扇区是硬盘上存储数据的最基本物理单元。注意，目前市场上无论哪个供应商提供的机械硬盘产品，每个物理扇区单元固定的存储容量都是512字节。只是根据硬盘密度不一样，单位磁面下的扇区数量也不一样。既然扇区是数据存储的基本单元，就意味着一次硬盘读写操作的最小数据量就是512字节。

那么问题来了，是不是觉得512字节太小了点？是的，很多时候操作系统层面请求读写操作的文件都会大于一个扇区的单位容量。那么在物理层面上就需要两个甚至更多个扇区来存储这个文件，那么怎样来规划存储一个文件的若干扇区在磁面上的分布，从而达到减少读取时间的目的呢？

操作系统层面会将物理硬盘上两个或者多个能够连续读取的扇区组成合并成一个区域，称之为“簇”。注意，这两个或者多个能够连续读取的扇区不一定在物理上是连续的。这是什么原因呢？这是因为硬盘转动的速度很快（标准速度为7200转/分），当磁头完成一个“扇区1”的读写后还来不及读取下一个连续的“扇区2”相邻的扇区就“飞”过去了，要等磁面再转动一圈到预定“扇区2”的位置才能继续进行读写。

所以一个簇在物理磁面的分布可能是不连续的。实际上各个硬盘生产商都会设置一个“跳跃因子”来确定能够连续读取的扇区。如下图所示，四个不存在于连续物理位置的扇区构成一个簇。这样保证了磁面在旋转一圈的情况下就可以完成一个簇的全部读写。

最后说明一点，虽然扇面是硬件层面上机械磁盘读取数据的最小单元，但是“簇”才是操作系统层面上读取磁盘数据的最小单元。我们后文将讲解EXT文件系统和Btrfs文件系统，这两种文件系统定义的簇大小是不一样的。例如EXT文件系统的族大小可以有1KB（两个扇区）、2KB（四个扇区）、4KB（八个扇区）等多种选择。那么如果一个文件太小，不需要用完一个簇怎么办呢？没办法，它有需要使用至少一个簇的硬盘空间。也就是说，在操作系统存储一个文件时，即使一个簇没有占满，剩下的簇空间也不能再使用了。这就是为什么一个文件在操作系统上有两个大小：一个是文件的实际大小、另一个是文件占用硬盘空间的大小。

当需要从硬盘上读取一个文件是，首先会要求磁头定位到这个文件的起始扇区。这个定位过程包括两个步骤：一个是磁头定位到对应的磁道，然后等待主轴马达带动盘片转动到正确的位置，这个过程所花费的时间被称为寻址时间。也就是说寻址时间实际上包含两部分：磁头定位到磁道的时间为寻道时间，等待盘片转动到正确位置的时间称为旋转等待时间。

硬盘寻址的目的是为了找到将要读取的文件的起始扇区，并开始去取数据。ibm ssd这就可以解释为什么硬盘上读取一个100MB大小的文件和读取1000个100KB大小的文件时间是完全不一样的现象了：通常来说一个100MB的文件是存储在硬盘上可以连续读取的扇区上的，也就是说当硬盘需要读取这个文件时只需要进行一次寻址（为什么说是“通常”呢？因为前提是硬盘上至少要有一端连续空白的扇区，如果此时硬盘上碎片太多可能就找不到这样的连续空白区域了）；而读取1000个文件时，由于这些文件的起始存储位不连续，所以每次都要进行寻址操作。寻址时间是评价机械硬盘性能的重要指标，这个指标和硬盘转数、磁头数有直接关系：

硬盘转速越快的硬盘，在同样的寻址算法控制条件下将能够更快的将正确的扇区转动到磁头下方。但是硬盘转速也不能做得无限快，因为硬盘转速越快要求的磁面工艺、主马达工艺也就越高，并且产生的噪音、温度也会成几何级增加。现在民用级、商用级和工业级硬盘上最常采用三种转速选择：5400转/分、7200转/分和10000转/分。

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