物理构造

一块机械硬盘由盘面、磁头、悬臂三个部件组成

盘面

  1. 盘面（Disk Platter）是我们实际存储数据的盘片
  2. 盘面本身通常是用铝、玻璃或者陶瓷这样的材质去做成光滑盘片，然后在盘面上有一层磁性的涂层，数据就存储在磁性的涂层上
  3. 盘面中间有一个受电机控制的转轴（控制盘面去旋转），转速：RPM（Rotations Per Minute）

磁头

  1. 通过磁头（Drive Head），从盘面上读取数据，然后再通过电路信号传输给控制电路和接口，再到总线上
  2. 通常，一个盘面上会有两个磁头，分别是盘面的正反面，盘面在正反面都有对应的磁性涂层来存储数据
    • 一块硬盘不会只有一个盘面，而且上下堆叠了很多个盘面，各个盘面之间是平行的，每个盘面的正反两面都有对应的磁头

悬臂

  1. 悬臂（Actutor Arm）链接在磁头上，并且在一定范围内去把磁头定位到盘面的某个特定磁道（Track）上
  2. 一个盘面通常是圆形的，由很多同心圆组成，每个同心圆都是一个磁道，每个磁道都有编号

随机读写

  1. 一个磁道，会分成多个扇区（Sector），上下平行的盘面的相同扇区，组成一个柱面（Cylinder）
  2. 数据读取的步骤
    • 把盘面旋转到某个位置，在这个位置，悬臂可以定位到整个盘面的某个子区间（称为几何区间）
    • 把悬臂移动到特定磁道的特定扇区（在几何扇区里面，找到实际的扇区）
    • 找到实际的扇区后，磁头落下，读取正对着扇区的数据
  3. HDD的随机IOPS
    • 平均延时（Average Latency）：盘面旋转，把几何扇面对准悬臂的时间，和转速相关
      • 随机情况下，平均找到一个几何扇区，需要旋转半圈盘面
      • 7200RPM的硬盘，一秒旋转240个半圈，即平均延时为1s/240 ≈ 4.17ms
    • 平均寻道时间（Average Seek Time）：在盘面旋转之后，悬臂定位到扇区的时间
      • 一般在4~10ms
    • 因此，随机在整个硬盘上找一个数据，需要8~14ms
      • HDD是机械结构的，只有一个电机转轴，也只有一个悬臂，没有办法并行地去定位或者读取数据
      • 对于7200RPM的HDD，随机的IOPS为1s/8ms=125或者1s/14ms≈70

顺序读写

  1. 把顺序存放的数据，尽可能地放在同一个柱面上
  2. 这样，只需要旋转一次盘面，进行一次寻道，就可以去写入或者读取同一个垂直空间上的多个盘面的数据
  3. 如果一个柱面上的数据不够，也不要去动悬臂（慢），而是通过电机转动盘面，这样就可以顺序读完一个磁道上的所有数据
  4. HDD顺序读写的吞吐率能达到200MB/s

Partial Stroking

  1. HDD的随机IOPS只有100，很难满足现代互联网高并发的请求
  2. 访问一次数据的时间 ≈ 平均延时 + 平均寻道时间，考虑缩短其中一个
  3. 一般情况下，HDD的平均寻道时间都比平均延时要长，先考虑缩短平均寻道时间
    • 放弃寻道，把所有数据都放在一个磁道上，IOPS=1s/4ms=250
    • 如果只用一个磁道，能存储的数据非常有限，因此在实践中，通常只用1/2或者1/4的磁道
    • 对于一块7200RPM的HDD
      • 平均延时为4.17ms，平均寻道时间为9ms，原本的IOPS=1s/(4.17ms+9ms)≈75.9
    • 如果只用其中1/4的磁道，IOPS=1s/(4.17ms+9ms/4)≈155.8
      • IOPS提升了一倍，和15000RPM的HDD性能差不多
      • 硬盘能利用的空间为原来的1/4，但价格却没有15000RPM的HDD的1/4
      • 这样通过软件去格式化硬盘，只保留部分磁道让系统可用的情况，可以大大提升硬件的性价比

参考资料

深入浅出计算机组成原理