1. 文件系統

文件系統是操作系統用于明確存儲設備（常見的是磁盤，也有基于NAND Flash的固態硬盤）或分區上的文件的方法和數據結構，即在存儲設備上組織文件的方法。

1.1 基本組成

• 索引節點（inode）：用來記錄文件的元信息，比如inode編號、文件大小、訪問權限、創建時間、修改時間、數據在磁盤的位置等等。索引節點是文件的唯一標識，它們之間一一對應，也同樣都會被存儲在硬盤中，所以索引節點同樣占用磁盤空間。

• 目錄項（dentry）：用來記錄文件的名字、索引節點指針以及與其他目錄項的層級關聯關系。多個目錄項關聯起來，就會形成目錄結構，但它與索引節點不同的是，目錄項是由內核維護的一個數據結構，不存放于磁盤，而是緩存在內存。

• 數據塊（data block）：是文件系統讀寫的最小單位，用于存儲文件的數據。不同的文件系統數據塊大小可能不同，例如Linux中的邏輯塊大小通常為4KB。

1.2 主要功能

• 管理和調度文件的存儲空間：負責為文件分配和回收磁盤空間，提高磁盤空間的利用率。

• 提供文件的邏輯結構、物理結構和存儲方法：定義了文件在磁盤上的存儲方式和組織形式，如鏈式存儲、索引存儲等。

• 實現文件從標識到實際地址的映射：通過索引節點和目錄項等數據結構，將用戶使用的文件名轉換為磁盤上的實際存儲地址。

• 實現文件的控制操作和存取操作：提供對文件的創建、刪除、讀取、寫入等操作的支持。

• 實現文件信息的共享并提供可靠的文件保密和保護措施：支持多個用戶或進程對文件的共享訪問，并通過訪問權限等機制保護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、備份與恢復等功能，保障文件數據的完整性和可用性。

?這一節，我們主要認識文件系統的硬件部分，即磁盤（或硬盤）。

2. 磁盤

2.1 磁盤的分類

• 機械硬盤（HDD）：機械硬盤是傳統的磁盤存儲設備，由盤片、磁頭、電機、控制電路等部件組成。數據存儲在盤片的磁性涂層上，磁頭通過在盤片表面移動來讀寫數據。機械硬盤的優點是容量大、價格相對較低，適合對讀寫速度要求不高的大容量存儲場景。

• 固態硬盤（SSD）：固態硬盤采用閃存芯片作為存儲介質，通過電子信號來存儲和讀取數據，不需要機械部件。固態硬盤的優點是讀寫速度快、抗震性強、功耗低、噪音小，適合對讀寫速度要求較高的場景，如系統盤、游戲盤等。

?2.2 機械硬盤的存儲結構

磁盤的數據就存儲在圓型的磁片上，磁頭可以在搖頭臂的驅動下，隨著盤片的高速旋轉，訪問到盤片表面的任意位置。

盤片的表面被分為多個存儲單元，這些單元被成為扇區。

?扇區：是磁盤存儲數據的基本單位，每個扇區可存儲512字節。

這意味著，每次對磁盤的數據進行讀寫都必須將一個扇區的512個字節一起加載到內存中。

通常來說，一塊磁盤上有多組盤片與磁頭（一個盤片對應兩個面、兩個磁頭）。這些盤片繞著主軸進行同步的高速旋轉，磁頭在同一個機械臂桿的驅動下進行同步運動。

也就是說這些磁頭在豎直方向上連成一條線，指向各自盤面的對應扇區。隨著盤片的高速旋轉，與磁道一同形成了一個柱面，如圖所示。

磁盤容量 = 磁頭數 × 磁道(柱面)數 × 每道扇區數 × 每扇區字節數（512）。

2.3 CHS地址定位

操作系統要訪問一個文件，就需要知道該文件在哪一個扇區（或哪幾個）。

那么，如何定位一個扇區呢？

1. 定位扇區所在柱面(Cylinder)。
2. 選擇有效磁頭(Header)。
3. 定位扇區(Sector)。

?三個參數 "Cylinder-Header-Sector" 共同構成了 "CHS地址"。

操作系統只要知道所需訪問文件對應的 CHS地址 ，即可通過驅動程序完成訪問。

CHS模式支持的硬盤容量有限，因為系統用8bit來存儲磁頭地址，用10bit來存儲柱面地址，用6bit來存儲扇區地址，而一個扇區共有512Byte，這樣使用CHS尋址一塊硬盤最大容量為256 * 1024 * 63 * 512B = 8064 MB(1MB = 1048576B)（若按1MB=1000000B來算就是8.4GB）。

2.4 LBA地址定位

我們可以將一個磁道看作一個一維數組，將一個柱面看作二維數組（在同一柱面上的每一個磁道作為二維數組的一行），那么磁盤就可以看作一個三維數組。

我們知道，無論是二維數組還是三維數組，從存儲空間上來看都是一維數組首尾相接的結果。

我們按照這樣的思路就可以將磁盤的存儲空間映射為一維數組。

將這個磁盤抽象成的數組的下標作為扇區的地址，我們就得到了 "LBA地址"(Logical Block Address) ，即線性地址。

同樣的，使用 LBA地址，操作系統就能很好的定位到扇區。只要在硬件層面上實現 "LBA地址 到 CHS地址" 的轉換。?

2.5 CHS 與 LBA地址的相互轉換

CHS 轉換為 LBA

LBA = 柱面號C * (磁頭數 * 每磁道扇區數) + 磁頭號H * 每磁道扇區數 + 扇區號S - 1

• 扇區通常是從1開始編號的，而柱面和磁道都是從0開始編號的。
• 在LBA中，地址是從0開始的。
• 總柱面，磁道個數，扇區總數等信息，在磁盤內部會自動維護，上層開機的時候，會獲取到這些參數。

LBA 轉換為 CHS

柱?號C = LBA / (單個柱?的扇區總數 = 磁頭數 * 每磁道扇區數)
磁頭號H = (LBA % 單個柱?的扇區總數) / 每磁道扇區數 
扇區號S = (LBA % 每磁道扇區數) + 1 

從現在開始，我們主要關注LBA 地址，將磁盤看作一個一維數組，而不再關心其底層細節了（交由硬件自動處理）。