【Linux-基础IO】如何理解Linux下一切皆文件磁盘的介绍

目录

如何理解Linux系统上一切皆文件

1.物理角度认识磁盘

2.对磁盘的存储进行逻辑抽象

磁盘寻址

3.磁盘中的寄存器

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如何理解Linux系统上一切皆文件

计算机中包含大量外设，操作系统想要管理好这些外设，就必须对这些外设进行先描述再组织，描述就是将每个外设抽象出一个结构体，每个结构体内部包含写方法、读方法等，如果某个外设没有所对应方法就把变量置为NULL

不同的外设接口抽象出的结构体可能会存在差异，操作系统通过再一层封装，将不同外设抽象成相同的存储结构，便于上层的调用

 

如果某个进程需要访问外设，就会先创建一个struct file，该struct file中存储对于的opration_func，当某个进程需要操作该外设时，则只需要访问存储该外设的operation_func的struct file并找到它的对应方法，即可对外设做操作

对于上层的保存着operation_func的struct file的集合，我们将其称之为虚拟文件系统。该文件系统存储格式是文件，上层用户看来，Linux中外设也是文件

 

1.物理角度认识磁盘

磁盘在冯诺伊曼体系中是外设，磁盘是计算机的一个组成；很早以前的计算机的存储设备是磁盘，现在为了轻便，大部分计算机采用固态硬盘（SSD）替代了磁盘，我们这里只讨论磁盘；磁盘是通过磁盘的磁性（N/S级）存储0或1，属于永久性存储介质；

磁盘的物理结构指的是存储数据的磁盘介质本身的物理组成部分。这些组成部分共同工作，以存储和检索数据。以下是磁盘物理结构的主要部分：

磁头是磁盘上最显著的组件之一，负责在磁盘表面读取和写入数据。磁头通过一个称为“磁头臂”的机械装置移动，该装置连接到磁盘的驱动器部分。磁头在移动时会非常接近磁盘表面，有时甚至只有几微米，因此磁头的设计必须非常精确。

磁盘表面是磁头在上面读写数据的平面。磁盘表面通常由多个圆盘组成，每个圆盘都围绕一个中心轴旋转。这些圆盘被称为磁盘片（简称盘片），它们通常是铝或玻璃，并且涂有磁性材料。

磁盘片是磁盘表面上的物理盘片，它们通常由多层涂有磁性材料的铝或玻璃制成。磁盘片围绕中心轴旋转，以一定的速度（称为转速）旋转

磁盘驱动器是磁盘的机械部分，它包含磁头臂、电机和控制器。磁头臂是连接到磁头的金属臂，它可以在磁盘表面移动。电机用于驱动磁盘片旋转，而控制器负责协调磁头和电机的动作，以确保数据读写操作的正确执行。

磁道是磁盘表面上的圆环，每个磁盘片上有多个磁道。磁头沿着这些磁道移动，以读取或写入数据。磁道的数量和布局取决于磁盘的大小和设计。

扇区是磁道上的一个存储单元，它是一个圆周上的一个固定大小的区域。每个扇区都有一个唯一的编号，用于标识其在磁盘上的位置。扇区的大小通常为512字节，但最新的硬盘可能使用更大的扇区大小，如4KB。

控制器是磁盘驱动器中的电子部分，负责管理磁头、电机和磁盘片之间的交互。控制器接收来自主机的命令，并将其转换为磁头和电机的动作指令。控制器还负责错误检测和纠正，以及数据传输的同步

磁盘接口是连接磁盘驱动器与计算机主板的部分，它定义了数据传输的协议和速度。常见的接口包括SATA、SAS、SCSI、NVMe等。

 

 

在磁盘中，定位某个扇区的方法是：①找到指定的磁头（Head）；②找到指定的磁道（Cylinde）；③找到指定的扇区（Sector）。这种方法简称为CHS（Cylinder、Header、Sector）

【示例】读取指定位置的数据

所以文件其实就是在磁盘中占有几个扇区的问题

2.对磁盘的存储进行逻辑抽象

磁盘寻址

在我们小学的时候，听英语听力我们使用磁带。将磁带插入播放机中，播放机既可以进行播放听力。磁带里有一条很长很长的塑料袋，上面涂有一层磁性材料，通常是氧化铁或磁性颗粒的混合物。这些材料在磁场的作用下可以被磁化，形成代表数据的磁化模式。磁带里也有磁头，用于读取和写入磁带的物理组件。

当我们把磁带拉出来，可以发现它存储数据是线性存储的；我们也把磁盘看作线性结构，即将磁道上的扇区按照某种规则，给予线性顺序编号；如下图所示，从左向右依次是盘面1、盘面2、盘面3......；每个盘面内，从左向右分别是该盘面不同的磁道；每个磁道又由多个扇区组成（这里我们假设每个磁道的扇区个数相同）

 

 

【示例】假设有一个磁盘，它的每个盘面有50个磁道，每个磁道有400个扇区（即每个盘面有20，000个扇区）。如果某个文件存放在18888号扇区，那么它属于哪个盘面的哪个磁道的哪个扇区呢？

盘面号 = 18888 / 20000 = 0号盘面（，磁道号 = 18888 / 400 = 47号扇区号 = 18888 % 400 = 88号扇区；

综上所述，18888号扇区属于第0个盘面的第47个磁道的第88个扇区。

像上述示例中寻找扇区的方式，称为LBA寻址方式（又称为逻辑寻址方式）。

3.磁盘中的寄存器

不仅CPU中包含寄存器，其他外部设备中也存在寄存器。

当某个进程需要向磁盘中写入数据时，以下步骤通常会发生：

设置读写控制寄存器：

• 进程（通过操作系统和相应的设备驱动程序）首先会将磁盘的读写控制寄存器设置为写状态。这通常涉及到向命令寄存器写入一个特定的命令代码，比如 “写命令”。

将数据放入数据寄存器：

• 接着，进程会将要写入的数据放入数据寄存器中。数据寄存器是磁盘控制器的一部分，用于暂存数据，这些数据随后会被写入磁盘的指定位置。

写入地址信息：

• 然后，进程需要将要写入数据的目标地址信息放入地址寄存器。这通常包括磁道号、磁头号和扇区号。这些信息告诉磁盘控制器数据应该被写入磁盘的哪个位置。

启动磁盘操作：

• 一旦所有的寄存器都被正确设置，磁盘控制器会开始执行写入操作。这个过程可能涉及到磁盘的寻道和旋转，以便磁头能够定位到正确的磁道和扇区。

监控状态寄存器：

• 在写入操作进行时，状态寄存器会显示磁盘的状态。例如，它可能会被设置为 “正在写入” 状态，表示磁盘正在执行写操作。

• 操作系统或设备驱动程序会定期检查状态寄存器，以监控操作进度和任何可能发生的错误。

操作完成：

• 当磁盘完成写入操作后，它会更新状态寄存器。如果操作成功完成，状态寄存器会设置为 “写入成功”；如果操作失败，状态寄存器会设置为 “写入失败”，并且可能会在错误寄存器中提供错误代码，以便于诊断问题。

响应操作结果：

• 操作系统根据状态寄存器的信息来决定下一步操作。如果写入成功，它可能会继续执行其他任务或响应用户请求。如果写入失败，它可能会重试写入操作、记录错误、通知用户或采取其他错误恢复措施。