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Linux笔记---文件系统硬件部分

news 来源：原创 2025/8/18 14:40:05

1. 文件系统

文件系统是操作系统用于明确存储设备（常见的是磁盘，也有基于NAND Flash的固态硬盘）或分区上的文件的方法和数据结构，即在存储设备上组织文件的方法。

1.1 基本组成

索引节点（inode）：用来记录文件的元信息，比如inode编号、文件大小、访问权限、创建时间、修改时间、数据在磁盘的位置等等。索引节点是文件的唯一标识，它们之间一一对应，也同样都会被存储在硬盘中，所以索引节点同样占用磁盘空间。

目录项（dentry）：用来记录文件的名字、索引节点指针以及与其他目录项的层级关联关系。多个目录项关联起来，就会形成目录结构，但它与索引节点不同的是，目录项是由内核维护的一个数据结构，不存放于磁盘，而是缓存在内存。

数据块（data block）：是文件系统读写的最小单位，用于存储文件的数据。不同的文件系统数据块大小可能不同，例如Linux中的逻辑块大小通常为4KB。

1.2 主要功能

管理和调度文件的存储空间：负责为文件分配和回收磁盘空间，提高磁盘空间的利用率。

提供文件的逻辑结构、物理结构和存储方法：定义了文件在磁盘上的存储方式和组织形式，如链式存储、索引存储等。

实现文件从标识到实际地址的映射：通过索引节点和目录项等数据结构，将用户使用的文件名转换为磁盘上的实际存储地址。

实现文件的控制操作和存取操作：提供对文件的创建、删除、读取、写入等操作的支持。

实现文件信息的共享并提供可靠的文件保密和保护措施：支持多个用户或进程对文件的共享访问，并通过访问权限等机制保护文件的安全性和保密性。

提供文件的安全措施：如文件的加密、备份与恢复等功能，保障文件数据的完整性和可用性。

这一节，我们主要认识文件系统的硬件部分，即磁盘（或硬盘）。

2. 磁盘

2.1 磁盘的分类

机械硬盘（HDD）：机械硬盘是传统的磁盘存储设备，由盘片、磁头、电机、控制电路等部件组成。数据存储在盘片的磁性涂层上，磁头通过在盘片表面移动来读写数据。机械硬盘的优点是容量大、价格相对较低，适合对读写速度要求不高的大容量存储场景。

固态硬盘（SSD）：固态硬盘采用闪存芯片作为存储介质，通过电子信号来存储和读取数据，不需要机械部件。固态硬盘的优点是读写速度快、抗震性强、功耗低、噪音小，适合对读写速度要求较高的场景，如系统盘、游戏盘等。

2.2 机械硬盘的存储结构

磁盘的数据就存储在圆型的磁片上，磁头可以在摇头臂的驱动下，随着盘片的高速旋转，访问到盘片表面的任意位置。

盘片的表面被分为多个存储单元，这些单元被成为扇区。

扇区：是磁盘存储数据的基本单位，每个扇区可存储512字节。

这意味着，每次对磁盘的数据进行读写都必须将一个扇区的512个字节一起加载到内存中。

通常来说，一块磁盘上有多组盘片与磁头（一个盘片对应两个面、两个磁头）。这些盘片绕着主轴进行同步的高速旋转，磁头在同一个机械臂杆的驱动下进行同步运动。

也就是说这些磁头在竖直方向上连成一条线，指向各自盘面的对应扇区。随着盘片的高速旋转，与磁道一同形成了一个柱面，如图所示。

磁盘容量 = 磁头数 × 磁道(柱面)数 × 每道扇区数 × 每扇区字节数（512）。

2.3 CHS地址定位

操作系统要访问一个文件，就需要知道该文件在哪一个扇区（或哪几个）。

那么，如何定位一个扇区呢？

定位扇区所在柱面(Cylinder)。
选择有效磁头(Header)。
定位扇区(Sector)。

三个参数 "Cylinder-Header-Sector" 共同构成了 "CHS地址"。

操作系统只要知道所需访问文件对应的 CHS地址，即可通过驱动程序完成访问。

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 * 1024 * 63 * 512B = 8064 MB(1MB = 1048576B)（若按1MB=1000000B来算就是8.4GB）。

2.4 LBA地址定位

我们可以将一个磁道看作一个一维数组，将一个柱面看作二维数组（在同一柱面上的每一个磁道作为二维数组的一行），那么磁盘就可以看作一个三维数组。

我们知道，无论是二维数组还是三维数组，从存储空间上来看都是一维数组首尾相接的结果。

我们按照这样的思路就可以将磁盘的存储空间映射为一维数组。

将这个磁盘抽象成的数组的下标作为扇区的地址，我们就得到了 "LBA地址"(Logical Block Address) ，即线性地址。

同样的，使用 LBA地址，操作系统就能很好的定位到扇区。只要在硬件层面上实现 "LBA地址到 CHS地址" 的转换。

2.5 CHS 与 LBA地址的相互转换

CHS 转换为 LBA

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

扇区通常是从1开始编号的，而柱面和磁道都是从0开始编号的。
在LBA中，地址是从0开始的。
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 转换为 CHS

柱⾯号C = LBA / (单个柱⾯的扇区总数 = 磁头数 * 每磁道扇区数)
磁头号H = (LBA % 单个柱⾯的扇区总数) / 每磁道扇区数 
扇区号S = (LBA % 每磁道扇区数) + 1

从现在开始，我们主要关注LBA 地址，将磁盘看作一个一维数组，而不再关心其底层细节了（交由硬件自动处理）。

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