1. Einleitung
Ich war schon immer neugierig, wie Software wie ein Betriebssystem dafür sorgt, dass Daten auf ein physisches Medium wie eine Festplatte geschrieben werden.
Wie speichert das physische Medium der Festplatte außerdem Daten? Gibt es einen hausähnlichen Platz auf der Festplatte, in den die Daten eingefügt werden können?
Als ich mich mit diesen Neugierigen unterhielt, fand ich eine zufriedenstellende Antwort.
2. Wie speichert ein physisches Medium wie eine Festplatte Daten?
Daten werden im Computersystem in Form von Binärzahlen gespeichert, also 0,1. Das physische Medium im Magnetplattengerät besteht aus einer Vielzahl winziger magnetischer Bereiche auf magnetischen Materialien, und jeder magnetische Bereich stellt eine Binärzahl 0 oder 1 dar, oder verschiedene magnetische Materialien stellen unterschiedliche Binärzahlen dar.
Sie können es sich also so vorstellen: Auf der Festplatte selbst befinden sich bereits Daten. Der Standardwert ist beispielsweise 0 oder der Standardwert ist 1, was das Grundprinzip der Festplattenspeicherung darstellt.
Wenn wir Daten speichern, müssen wir nur einen Weg finden, das magnetische Material entsprechend dem kleinen magnetischen Bereich zu ändern.
3. Ist eine Schnittstelle oder ein Code in die Festplatte integriert?
Ja, Festplatten verfügen über eine Schnittstelle oder API, die Festplattentreiber aufrufen können.
Festplattengeräte kommunizieren normalerweise über die Generic Block Device-Schnittstelle mit dem Betriebssystem. Diese Schnittstelle stellt dem Betriebssystem einige grundlegende Blockoperationen bereit, z. B. das Lesen und Schreiben von Datenblöcken.
Die generische Blockgeräteschnittstelle ist eine abstrakte Schnittstelle, die von verschiedenen Blockgeräten implementiert werden kann. Ein Festplattentreiber kann diese Schnittstelle implementieren, sodass das Betriebssystem über diese Schnittstelle mit dem Festplattengerät kommunizieren kann.
Festplattentreiber können einige Standardbefehle und -protokolle verwenden, um mit Festplattengeräten zu kommunizieren, z. B. SCSI (Small Computer System Interface) und ATA (Advanced Technology Attachment). Diese Protokolle stellen einige allgemeine Befehlssätze bereit, mit denen Anforderungen zum Lesen und Schreiben von Daten gesendet werden können.
Wenn Sie beispielsweise eine ATA-Festplatte verwenden, kann das Betriebssystem ATA-Befehle für Lese- und Schreibvorgänge verwenden. Der Festplattentreiber muss die vom Betriebssystem benötigte Blockoperationsschnittstelle und die ATA-Befehlsfunktion implementieren, damit das Betriebssystem über diese Schnittstelle Lese- und Schreibanforderungen an das Festplattengerät senden und eine Antwort erhalten kann.
In Bezug auf die Interaktion kann der Festplattentreiber die Interaktion zwischen Software und Hardware realisieren, indem er einige abstrakte Schnittstellen bereitstellt, z. B. eine allgemeine Blockgeräteschnittstelle. Gleichzeitig muss der Festplattentreiber das Festplattenprotokoll und den Befehlssatz usw. implementieren, um sicherzustellen, dass die Kommunikation zwischen dem Betriebssystem und dem Festplattengerät korrekt und effektiv ist.
Kurz gesagt, der Festplattentreiber realisiert die Interaktion zwischen Software und Hardware, indem er einige Standardprotokolle und -schnittstellen implementiert und eine Reihe von Aufgaben wie das Caching von Festplattendaten und die Planung von Festplattenanforderungen verarbeitet und Geschäftsdaten auf der Festplatte speichern kann.
4. Der Prozess des Schreibens von Daten auf die Festplatte durch die Anwendung
Wenn eine Anwendung Daten auf die Festplatte schreiben muss, sendet sie eine Anfrage an das Betriebssystem, das einen Festplattentreiber zur Verarbeitung der Anfrage auswählt.
Der Festplattentreiber führt die folgenden Schritte aus:
1. Speichern Sie die Daten im Speicherpuffer.
2. Schreiben Sie die Daten im Speicherpuffer auf den Festplattencontroller.
3. Der Festplattencontroller schreibt die Daten auf die Festplatte.
Da das Betriebssystem selbst die physische Struktur der Festplatte nicht versteht, ist ein Festplattentreiber erforderlich, um die Interaktion mit der Festplatte abzuschließen und eine Datenspeicherung zu erreichen.
5. Wie funktioniert die Festplatte?
Nehmen Sie als Beispiel eine SATA-Festplatte.
SATA-Festplatten (Serial ATA) verfügen über eingebetteten Programmcode. Die SATA-Festplatte enthält einige Controller-Chips, und der Programmcode ist in den Controller-Chip integriert, der zur Steuerung von Vorgängen wie Lesen, Schreiben, Zwischenspeichern und Festplattensystemverwaltung der Festplatte verwendet wird. Dieser Programmcode wird üblicherweise als Festplatten-Firmware (Disk Firmware) bezeichnet.
Der Programmcode im Festplatten-Controller-Chip interagiert mit den Schaltkreisen verschiedener Komponenten (z. B. Lese- und Schreibköpfe, Motoren usw.) auf dem Festplattengerät, um das Lesen, Schreiben, Suchen und andere Vorgänge der Festplatte zu steuern. Der Controller-Chip kann die Daten der Festplattenspur und des Festplattensektors usw. lesen oder schreiben und auch die Leistung der Festplatte verbessern, indem er die Parameter des Festplattengeräts anpasst. Im Einzelnen ist der Arbeitsprozess des Plattencontroller-Chips wie folgt:
1. Der Plattencontroller-Chip steuert den Motor über die Steuerschaltung, um die Platte rotieren zu lassen und den Lesekopf in die entsprechende Position zu bringen.
2. Der Festplatten-Controller-Chip liest oder schreibt die Daten von Festplattenspuren, Sektoren usw. und speichert oder ändert diese Daten.
3. Der Festplattencontroller prüft und verarbeitet die gelesenen oder geschriebenen Daten mithilfe von Technologien wie Prüfsumme und Fehlerkorrektur, um die Zuverlässigkeit der Daten sicherzustellen.
4. Der Festplatten-Controller-Chip kann die Parameter des Festplattengeräts anpassen, um die Leistung der Festplatte zu verbessern.
Kurz gesagt, der Programmcode des Festplatten-Controller-Chips interagiert mit den Schaltkreisen verschiedener Komponenten (wie Lese-/Schreibköpfe, Motoren usw.) auf dem Festplattengerät und vervollständigt die Steuerung und den Betrieb der Festplatte durch die Steuerung der Vorgänge von Lesen, Schreiben und Durchsuchen der Festplatte. Verwalten.
Wenn der Programmcode im Festplatten-Controller-Chip mit verschiedenen Komponenten auf dem Festplattengerät interagieren muss, überträgt er über Steuerpins (Control Pins) elektrische Signale an das Festplattengerät, um den Zustand und das Verhalten der Schaltung zu steuern. Der Festplatten-Controller-Chip überträgt das Steuersignal an die Schaltung des Festplattengeräts, und durch die Wirkung eines starken Magnetfelds oder eines schwachen Magnetfelds kann das magnetische Material in diesen magnetischen Bereichen polarisiert werden, um unterschiedliche Binärzahlen darzustellen.