Linux存储--硬盘数据读取方式

    上一篇文章《Linux存储-硬盘的类型和命名规则》描述了硬盘的类型按材质可以分为机械硬盘和固态硬盘。那么Linux操作系统是以什么方式对硬盘进行读写的呢？先说结论：以扇区为单位对硬盘进行读写数据。

什么是扇区

    扇区既有硬件物理概念，也有逻辑概念，也就是说物理扇区是硬件参数，逻辑扇区是协议参数。从操作系统角度来看，固态硬盘和机械硬盘一样都是块设备，都按 512B 或者4KB逻辑扇区寻址。

• 物理扇区

   传统机械硬盘才是真实物理扇区。机械硬盘主要由磁头、盘片、柱面、磁道等组成，采用CHS（柱面号(Cylinder) +磁头号(Header) + 扇区号(Sector) 寻址方式定位一个物理扇区，通常是512B。

• 逻辑扇区

    固态硬盘没有磁头、盘片、柱面这些概念，而是由页（最小读取单位，通常是4kB-16kB）、块（由多个页组成）、平面或者晶片（多个块组成）组成，但硬盘接口与协议仍沿用扇区逻辑，采用LBA一位逻辑编号标识。操作系统下发LBA编号后，固态硬盘里的控制器会通过（FTL文件转换层）进行转换。

什么是LBA

     LBA是逻辑块寻址（Logical Block Address），操作系统把整块硬盘从头到尾按扇区依次编号，从 0 开始，以LBA0、LBA1、LBA2数字类推。每个编号就是一个 LBA 地址，一个LBA默认对应1个扇区（常见512 字节/ 4KB）。LBA0就是整块硬盘的第1个逻辑扇区，硬盘最开头的第一个512 字节，不管是机械盘还是固态硬盘，LBA0 永远是硬盘的最开头。

    通常如果采用MBR分区表则LBA0整个就是主引导记录MBR（引导代码+分区表+55AA标志）。如果采用GPT分区表则LBA0依然保留一个保护性MBR，防止使用旧的分区工具时误删GPT分区表，真正的GPT表头从LBA1开始。

     也就是说硬盘主控组件内部会做自动转换，操作系统下发LBA地址→硬盘主控自动翻译成物理CHS或者闪存物理单元→完成读写，操作系统永远只用LBA，不用关心硬盘物理结构是怎么样的。

操作系统对硬盘的读写流程

• 机械硬盘读写流程：

1.操作系统下发LBA地址

2.硬盘控制器将LBA转换为CHS 物理地址

3.磁头臂移动到目标柱面、磁道

4.盘片旋转等待目标扇区转到磁头下

5.磁头感应将磁信号转为电信号

6.ECC校验纠错并将数据传回操作系统

• 固态硬盘读写流程：

1.操作系统下发LBA 地址（和机械硬盘完全一样）

2.固态硬盘主控器通过FTL映射表将LBA转换对应物理块、页、晶片

3.电路直接选中目标闪存页

4.读取晶体管电荷状态解析为0/1信号

5.ECC纠错、缓存调度传回操作系统

• 固态硬盘和机械硬盘读写区别：

Linux查看扇区大小的方法

# Linux查看逻辑扇区大小 cat/sys/block/sda/queue/physical_block_size （sda根据实际）# Linux查看物理扇区大小 cat/sys/block/sda/queue/logical_block_size（sda根据实际）

核心点

• 传统机械硬盘以512B为扇区，现代新硬盘尤其是固态硬盘大多是4KB为扇区。

• 系统对硬盘读写必须按整扇区操作，哪怕只改1个字节数据，系统也会读整个扇区，修改，整个扇区写回。

• 操作系统、分区表、磁盘坏道、dd读写、磁盘寻址都是按LBA编号定位扇区。

• 不管是机械硬盘还是固态硬盘，只要使用MBR分区表，LBA0都是第一个扇区存MBR。

• 操作系统、BIOS/UEFI不感知硬盘的结构是固态盘还是机械盘。