今天早上天氣還不錯，啊怎麼下午就開始雷聲轟隆隆，而且還是轟一整個下午的...
是誰！是誰在做壞事！！

硬碟（Hard Disk Drive, HDD）

在作業系統課程中，硬碟（Hard Disk Drive, HDD）是大容量儲存結構的典型範例。雖然相較於固態硬碟（SSD），HDD 在機械結構限制下有較高的延遲和較慢的讀寫速度，但由於其單位成本低且儲存容量大，仍然是備份或冷資料儲存的理想選擇。

硬碟基本組成結構

硬碟由多個關鍵組件構成，每個部分都扮演著重要角色。

• 碟片（Platter）：硬碟內部有多個扁平的圓形碟片，其表面塗有磁性物質，用於儲存資料。
• 磁頭（Read-Write Head）：磁頭懸浮在碟片表面上方，負責讀取或寫入資料。
• 手臂（Arm）：手臂將所有磁頭固定在一起，當手臂移動時，所有磁頭也會同步移動。
• 軌道（Track）：每個碟片表面都邏輯上劃分為多個同心圓，這些圓形區域就是軌道。
• 磁區（Sector）：每個軌道會進一步細分為多個磁區，這是硬碟最小的儲存單位，通常大小為 512 位元組或 4 KB。
• 柱面（Cylinder）：所有磁頭在同一手臂位置下所對應的軌道集合，形成一個無形的圓柱體。
• 主軸（Spindle）：主軸負責轉動碟片，其轉速通常以每分鐘轉數（RPM）來表示，例如 5400 RPM 或 7200 RPM。

硬碟效能指標

衡量硬碟效能的關鍵指標主要包括存取時間和傳輸速率。

• 尋道時間（Seek Time）：這是磁頭從目前位置移動到目標柱面所需的時間。
• 旋轉延遲（Rotational Latency）：這是碟片轉動，使目標磁區移動到磁頭下方所需的時間，平均而言，約為碟片轉動半圈的時間。
• 傳輸速率（Transfer Rate）：這是資料從硬碟傳送到記憶體的速度。
• 動態隨機存取記憶體緩衝區（DRAM Buffer）：現代硬碟通常內建有快取記憶體，用於暫存資料，藉此提升讀寫速度。
  尋道時間、旋轉延遲以及實際資料傳輸時間的總和，被稱為 I/O 時間，是評估硬碟存取效能的重要依據。

常見風險：磁頭碰撞（Head Crash）

所謂的磁頭碰撞，是指磁頭意外接觸到正在高速轉動的碟片表面，導致碟片被刮傷，造成資料永久損毀。一旦發生這種狀況，通常代表硬碟已無法修復，必須更換。由於磁頭和碟片之間的間隙極小，任何微小的震動或外力都可能導致磁頭碰撞，因此在使用和搬運硬碟時必須格外小心。

非揮發性記憶體裝置（NVM Devices）

記憶體裝置根據其斷電後是否能保留資料，可分為揮發性記憶體與非揮發性記憶體兩大類。非揮發性記憶體（Non-Volatile Memory, NVM）指的是即使斷電也能保留資料的記憶體，這類技術廣泛應用於固態硬碟（SSD）、隨身碟（USB）和嵌入式多媒體卡（eMMC）等儲存裝置中。

固態硬碟與傳統硬碟的比較

固態硬碟（SSD）是典型的 NVM 應用，與傳統硬碟（HDD）相比，兩者在結構與效能上存在顯著差異：

快閃記憶體的技術限制

儘管固態硬碟採用的快閃記憶體（Flash Memory）具有高速存取的優勢，但其技術上仍存在一些固有限制：

• 無法直接覆寫：與傳統硬碟不同，快閃記憶體無法直接覆蓋現有資料。當需要修改資料時，必須先將整個資料區塊（block）擦除，然後再將新資料寫入。
• 以區塊為單位擦除：雖然資料寫入是以頁（page）為單位（約 4KB），但擦除操作必須以整個區塊為單位（約 256KB）。這意味著即使只修改一個位元組的資料，也必須擦除一個大區塊。
• 有限的寫入壽命：每個儲存單元（cell）的寫入次數是有限的，通常上限約為十萬次。
• 磨損平衡（Wear-Leveling）：為了避免某些儲存區域因頻繁寫入而過早損耗，必須採用磨損平衡技術，將寫入操作平均分散到整個儲存空間，以延長硬碟壽命。
  這些限制使得固態硬碟需要專門的控制器和韌體演算法（例如 Flash Translation Layer, FTL）來管理資料，以確保其穩定性與耐用性。

揮發性記憶體作為儲存媒體：RAM Disk 的應用

雖然 DRAM 屬於揮發性記憶體，但它也可以被模擬成高速的儲存媒介，這種應用被稱為 RAM Disk。

RAM Disk 的本質是利用電腦的 DRAM 記憶體來創建一個「虛擬硬碟」。它可以在作業系統中被掛載，並像普通磁碟一樣使用，但其存取速度比任何固態硬碟都快。因此，它常用於快取儲存或作為高速臨時資料儲存區。然而，RAM Disk 的最大風險在於，一旦電腦斷電，其中儲存的所有資料將會立即消失。

位址對應(Address Mapping)

當系統需要從儲存裝置讀寫資料時，並不是直接存取其物理位置，而是經歷一個「位址對應」（Address Mapping）的過程，將抽象的邏輯位址轉換為實際的物理位址。

這種轉換機制就像是地圖上的門牌號碼（邏輯位址）和實際的 GPS 座標（物理位址）之間的關係。我們只需要知道門牌號碼，導航系統會自動將其轉換為精確的座標，帶我們到達目的地，而無需我們知道 GPS 座標。

邏輯區塊位址（LBA）

邏輯區塊位址（Logical Block Address, LBA）是作業系統與應用程式所看到的抽象位址。它可以被想像成一個連續的一維陣列，陣列中的每個元素都代表一個「邏輯區塊」。無論底層儲存裝置是傳統硬碟的磁區（sector）還是固態硬碟的頁面（page），在系統看來，它們都是一個個編號好的 LBA，例如 LBA 0、LBA 1 等等。這種抽象層的好處在於，它提供了一個簡單、統一的介面，讓作業系統不必關心底層儲存裝置的複雜物理結構。

實體位址（Physical Address）

實體位址則指的是資料在儲存裝置中的實際物理位置。對於傳統硬碟而言，實體位址由磁頭、柱面、磁道和磁區等參數組成。而對於固態硬碟，實體位址則與其內部的頁、區塊（block）以及晶片（die）等結構相關。

LBA 無法直接對應實體位址的原因

在現代儲存裝置中，邏輯位址與實體位址之間並非簡單的一對一對應關係，這種轉換過程通常被視為「黑盒子」。以下是導致這種複雜性的幾個主要原因：

• 壞軌替換（Bad Sector Remapping）：當傳統硬碟的某個磁區損壞時，裝置會自動將其標記為無效，並用備用區域中的一個磁區來取代。這時，儘管該磁區的 LBA 保持不變，但其對應的實體位址已經被悄悄地替換了。
• 分區位元記錄（Zoned Bit Recording, ZBR）：在傳統硬碟中，位於外圈的磁道比內圈的磁道長。為了更有效地利用空間，硬碟會將碟片劃分為多個區域，外圈區域的每個磁道會包含更多的磁區。這種設計使得每個磁道上的磁區數量不一，使得 LBA 到實體位址的對應關係更加複雜。
• 位址對應機制的保密性：為了確保效能與可靠度，硬碟與固態硬碟的製造商通常會採用自家的專有演算法來管理 LBA 與實體位址的對應關係。這些演算法是裝置內建控制器的一部分，作業系統無法直接存取，這也導致了轉換過程的透明度降低。

不同儲存裝置的位址行為比較

下表比較了三種常見儲存裝置在儲存類型、資料保存、速度和常見用途上的差異：