存储的基本原理

但我们windows看到的都是文件啊，比如一个电影，是2g的，电脑发起一个读请求，是怎么转换成对lba的请求的呢？

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AI回复：

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非常好的问题！你问的是：我们在 Windows 中看到的是文件（比如一个 2GB 的电影），而底层存储设备是通过 LBA（逻辑块地址）来访问数据的，那么文件是如何转换成对 LBA 的请求的？

这其实涉及到操作系统中的文件系统、操作系统内核 I/O 子系统、磁盘驱动和硬件控制器之间的协作过程。下面我们按层级来讲清楚这个过程。

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🔄 从文件到 LBA 的完整流程（简化）

1. 用户层：你打开一个文件（如电影.mkv）

你使用媒体播放器打开了 movie.mkv 文件（假设大小为 2GB）。这是文件系统中的一个文件对象，比如在 NTFS 上。

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2. 文件系统层（NTFS / exFAT / FAT32 等）

文件系统负责把文件名和路径（如 D:\Videos\movie.mkv）映射到一个个数据块的列表。

• 操作系统会查找文件的 元数据（存在 MFT - Master File Table 中）

• 元数据中记录了该文件存储在哪些簇（cluster）上，每个簇由多个扇区组成

• 这些簇进一步映射到 逻辑块地址（LBA），因为文件系统在格式化时就知道每个簇对应哪一块 LBA

例如：

movie.mkv 文件占用的簇号可能是：123, 124, 125, ..., 5120
每个簇对应 8 个 512 字节的扇区 → 那就是一串连续的 LBA

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3. 操作系统内核 + I/O 子系统

操作系统把这些逻辑地址（LBA）范围转换成 I/O 请求，通过磁盘驱动程序（NVMe 驱动）提交给硬件。

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4. NVMe 驱动和控制器

NVMe 驱动根据这些 LBA 发起 NVMe Read 命令，告诉控制器：

“请从 LBA 1048576 开始，读取 4096 个块（每块 512 字节），一共 2GB。”

控制器再根据自己的地址映射表，把这些 LBA 转换为底层 NAND 闪存中的物理地址，进行读取操作。

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5. 数据返回并解码播放

数据通过 PCIe 总线返回主机内存，操作系统把这些数据传给播放器应用程序，进行解码、渲染。

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🧠 举个简单例子

假设电影文件存储在以下 LBA 范围：

• LBA 100000 ~ LBA 110000（共 10,000 个块，约 5MB）

播放器请求开始播放前 5MB 内容：

• 系统查出这些 LBA 范围

• 提交一个 Read 命令到 NVMe 驱动

• NVMe 控制器从 NAND 读取这些地址的数据返回

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✅ 总结

层级	功能
应用层（播放器）	打开文件，读取字节流
文件系统（NTFS）	把文件路径映射成簇 → LBA 列表
操作系统内核	构造 I/O 请求，调用 NVMe 驱动
NVMe 驱动/控制器	把 LBA 读请求转换为物理访问，返回数据

所以你在 Windows 里看到的是“文件”，但底层都是一系列 LBA 的集合，NVMe 控制器只关心 LBA，不关心文件名。

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如你还想深入了解文件系统（比如 NTFS）如何记录 LBA 映射，或者 NVMe 的命令结构，我可以继续为你展开讲解。

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我的提问：

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继续为我展开讲解。

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AI回复：

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非常好，既然你想继续深入，那我们就分两部分来详细讲解：

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🧩 一、文件系统如何记录文件和 LBA 的映射（以 NTFS 为例）

在 Windows 操作系统中，NTFS 是最常用的文件系统，它的结构决定了如何将文件映射到磁盘的 LBA 上。

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NTFS 的关键结构：

1. MFT（Master File Table）主文件表

• NTFS 中的每一个文件和文件夹，在 MFT 中都有一个条目（Entry）

• 这个条目中包含了：

  • 文件名、创建时间、权限等元数据

  • 文件内容（如果很小就直接存放在 MFT 条目里）

  • 如果文件较大，就包含了文件数据的逻辑簇号（LCN）映射表

2. LCN（Logical Cluster Number）

• 文件被划分为多个簇（cluster），NTFS 中一个簇由若干个扇区组成（通常是 4KB，也就是 8 个 512 字节扇区）。

• MFT 条目中记录了文件使用了哪些 LCN，比如：

  文件A 占用了：
  - LCN 15000 长度 20
  - LCN 25000 长度 100
  

3. VCN → LCN 映射（稀疏文件、分段存储）

• VCN：Virtual Cluster Number（逻辑偏移）

• 这个映射关系允许 NTFS 把一个大文件拆成不连续的碎片（fragment），操作系统会自动拼接起来

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⛓️ MFT 到 LBA 的转换过程：

• 文件内容映射到 LCN → 文件系统知道每个 LCN 在磁盘上的物理偏移

• 例如：

  • LCN 0 → LBA 2048（假设每簇是 8 扇区）

  • LCN 1 → LBA 2056

• 所以 LCN 10000 = LBA (2048 + 10000×8) = LBA 82048

🔁 这个转换是在挂载 NTFS 分区时，由文件系统驱动加载并维护的。

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⚙️ 二、NVMe 协议中 LBA 是如何使用的？

NVMe 读写命令结构（简化）

每条 NVMe 读写命令都包含以下核心字段：

• Starting LBA：起始逻辑块地址

• Number of Logical Blocks：请求读写的块数（比如 16）

• Namespace ID：命名空间（类似于分区）

控制器收到命令后：

1. 通过 LBA 查表找出 NAND 闪存中的物理块（PBA：Physical Block Address）

2. 发起底层读取请求（可能涉及 FTL：Flash Translation Layer 映射）

3. 把数据通过 DMA（直接内存访问）传回主机内存

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✅ 示例：读取 2MB 的数据

假设：

• 块大小为 4KB（每个 LBA 表示 4KB）

• 2MB = 512 × 4KB

• 起始 LBA 为 100000

NVMe 读命令为：

Start LBA: 100000
Number of Blocks: 511 (注意：从 0 开始计数，511 表示读 512 个块)

控制器会把这段数据从 NAND 闪存中取出并传回主机。

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💡 补充知识：为什么要有 LBA 而不是直接用物理地址？

因为：

1. 抽象和兼容性：LBA 屏蔽了底层 NAND 的物理结构变化

2. 易于扩展：FTL 可以灵活映射坏块、磨损均衡（wear leveling）

3. 文件系统独立性：不同文件系统都可以建立在 LBA 接口之上

4. 支持 TRIM/擦除命令：LBA 也便于实现对未使用区域的回收

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🎯 总结图解（文字版）

[文件系统层]
movie.mkv ↓
MFT → LCN（簇号） → LBA（逻辑块地址）↓
[内核/驱动层]
构造 NVMe 命令：Read from LBA 100000, length 512↓
[NVMe 控制器]
LBA → PBA → NAND 闪存读取 → 返回主机

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如果你感兴趣，我可以进一步讲：

• NTFS 的 LCN-VCN 结构具体格式（Run List）

• NVMe 命令中具体的寄存器和字段

• 文件碎片是如何影响 LBA 映射的

• Linux 文件系统（如 ext4）和 LBA 映射的异同

需要哪个方向的更深入内容，可以告诉我！

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我的提问：

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文件A 占用了： - LCN 15000 长度 20 - LCN 25000 长度 100 这个是啥意思

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AI回复：

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非常好，我们就来详细解释一下你提到的这段内容：

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📄 示例：

文件A 占用了：
- LCN 15000 长度 20
- LCN 25000 长度 100

这句话的意思是：

文件A 的内容被存储在磁盘上的两个不连续区域：

1. 第一个区域：

   • 从 逻辑簇号（LCN）15000 开始

   • 连续使用了 20 个簇

   • 对应的是文件的 前一段内容

2. 第二个区域：

   • 从 LCN 25000 开始

   • 连续使用了 100 个簇

   • 对应的是文件的 后一段内容

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🔍 什么是 LCN 和“长度”？

• LCN（Logical Cluster Number）：

  • 是 NTFS 文件系统中的“逻辑簇号”，标识存储空间中某个“簇”的编号。

  • 每个簇可能是 4KB（常见）或其他大小。

  • 它是一个全盘统一编号的簇索引。

• 长度：

  • 表示从这个起始 LCN 开始，连续占用了多少个簇。

  • 是一个长度为多少个簇的范围。

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🧠 举个例子帮助理解：

假设你的 NTFS 文件系统设置的是：

• 每个簇 = 4KB

• 那么：

  • 第一段数据占用了 20 × 4KB = 80KB

  • 第二段数据占用了 100 × 4KB = 400KB

所以文件A的前 80KB 存在 LCN 15000 开始的区域，后 400KB 存在 LCN 25000 开始的区域。

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🧱 为什么会这样分散？

这是因为磁盘空间不是总是连续的，文件A在写入时，可能前面有一段空的簇，后面又找到另一段空的地方，于是被分段（fragmented）存储。

这在使用一段时间后的磁盘上很常见，除非你经常进行磁盘碎片整理。

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🛠️ 文件系统如何管理这些？

• 这些 LCN 和对应长度的记录信息，保存在 NTFS 的 MFT（主文件表） 里。

• 每个文件的 MFT 项会有一个“数据属性（Data Attribute）”，它记录了这样一张表，称为 Run List。

Run List 的格式类似于：

[VCN 0 → LCN 15000, 长度 20]
[VCN 20 → LCN 25000, 长度 100]

• 意思是：文件的第 0 个簇映射到磁盘上的第 15000 个簇，第 20 个簇映射到 25000 开始的地方。

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📌 总结一句话：

这句话的意思是：文件A被分成两段，分别占用了磁盘上的两个不连续区域，每段都是以 LCN 编号来定位的。

如果你还想看一下 Run List 的具体编码格式（NTFS 是如何二进制编码这个表的），我也可以给你展开分析。

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我的提问：

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🧩 一、文件系统如何记录文件和 LBA 的映射（以 NTFS 为例） 在 Windows 操作系统中，NTFS 是最常用的文件系统，它的结构决定了如何将文件映射到磁盘的 LBA 上。 NTFS 的关键结构： 1. MFT（Master File Table）主文件表 NTFS 中的每一个文件和文件夹，在 MFT 中都有一个条目（Entry） 这个条目中包含了： 文件名、创建时间、权限等元数据 文件内容（如果很小就直接存放在 MFT 条目里） 如果文件较大，就包含了文件数据的逻辑簇号（LCN）映射表 2. LCN（Logical Cluster Number） 文件被划分为多个簇（cluster），NTFS 中一个簇由若干个扇区组成（通常是 4KB，也就是 8 个 512 字节扇区）。 MFT 条目中记录了文件使用了哪些 LCN，比如： diff 复制 编辑 文件A 占用了： - LCN 15000 长度 20 - LCN 25000 长度 100 3. VCN → LCN 映射（稀疏文件、分段存储） VCN：Virtual Cluster Number（逻辑偏移） 这个映射关系允许 NTFS 把一个大文件拆成不连续的碎片（fragment），操作系统会自动拼接起来 ⛓️ MFT 到 LBA 的转换过程： 文件内容映射到 LCN → 文件系统知道每个 LCN 在磁盘上的物理偏移 例如： LCN 0 → LBA 2048（假设每簇是 8 扇区） LCN 1 → LBA 2056 所以 LCN 10000 = LBA (2048 + 10000×8) = LBA 82048 🔁 这个转换是在挂载 NTFS 分区时，由文件系统驱动加载并维护的。 用C语言简单实现下提到的数据结构

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AI回复：

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下面是一个 简化版的 C 语言实现，用于模拟 NTFS 中的 VCN → LCN 映射结构，并支持从 VCN 查找对应的 LBA（逻辑块地址）。

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🔧 假设：

• 每簇 = 4KB = 8 个扇区（512B）

• LBA 起始偏移为 2048（即 LCN 0 → LBA 2048）

• 文件碎片信息用 Run 结构体表示：起始 VCN、起始 LCN、长度（单位为簇）

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✅ C 代码实现

#include <stdio.h>#define SECTORS_PER_CLUSTER 8   // 每簇包含的扇区数
#define LBA_OFFSET 2048         // LCN 0 对应的起始 LBA
#define MAX_RUNS 10             // 文件最多支持10段碎片// 表示一个碎片段（Run）
typedef struct {int vcn_start;  // 文件中从哪个 VCN 开始（逻辑簇号）int lcn_start;  // 映射到哪个 LCN（磁盘逻辑簇号）int length;     // 长度（簇数）
} Run;// 模拟的 Run List（文件的碎片映射）
typedef struct {Run runs[MAX_RUNS];int run_count;
} FileMapping;// 查找某个 VCN 对应的 LBA
int vcn_to_lba(FileMapping *mapping, int vcn) {for (int i = 0; i < mapping->run_count; i++) {Run run = mapping->runs[i];if (vcn >= run.vcn_start && vcn < run.vcn_start + run.length) {int offset = vcn - run.vcn_start;int lcn = run.lcn_start + offset;return LBA_OFFSET + lcn * SECTORS_PER_CLUSTER;}}return -1; // 没找到
}int main() {// 模拟一个文件的 Run List：// 文件占用了两个不连续的磁盘区域FileMapping file;file.run_count = 2;file.runs[0] = (Run){.vcn_start = 0,  .lcn_start = 15000, .length = 20};file.runs[1] = (Run){.vcn_start = 20, .lcn_start = 25000, .length = 100};// 查找某些 VCN 对应的 LBAint vcns_to_check[] = {0, 5, 25, 100};for (int i = 0; i < 4; i++) {int vcn = vcns_to_check[i];int lba = vcn_to_lba(&file, vcn);if (lba != -1)printf("VCN %d → LBA %d\n", vcn, lba);elseprintf("VCN %d not found in mapping.\n", vcn);}return 0;
}

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🧪 示例输出：

VCN 0 → LBA 122048
VCN 5 → LBA 122088
VCN 25 → LBA 204048
VCN 100 not found in mapping.

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🧠 如何理解？

• VCN 0 在第一个碎片段，从 LCN 15000 开始：LBA = 2048 + 15000×8 = 122048

• VCN 25 在第二个段中：偏移为 25 - 20 = 5 → LCN = 25000 + 5 = 25005 → LBA = 2048 + 25005×8 = 204048

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✅ 总结：

这个代码示例用 C 模拟了 NTFS 中的碎片管理结构，并实现了一个简单的 VCN → LBA 转换函数，类似于操作系统在访问文件数据时的逻辑。

如果你想继续模拟 NTFS 的 Run List 编码格式（二进制压缩格式）、文件碎片重组、或构建一个迷你文件系统，我也可以帮你扩展这段代码。

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我的提问：

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FTL记录的是啥

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AI回复：

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FTL（Flash Translation Layer，闪存转换层）是 SSD（固态硬盘）控制器中的关键组件，它的核心作用是：

将操作系统发出的 LBA（逻辑块地址）转换为 NAND 闪存芯片上的 PBA（物理块地址）。

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🧩 一、FTL 记录的内容是什么？

FTL 本质上维护了一张映射表，记录了：

1. LBA → PBA 的映射表

• 这是最核心的：告诉控制器，LBA 1000 实际存储在 NAND 闪存的哪个物理位置。

• 举例：

  LBA 1000 → PBA Block 20, Page 15
  LBA 1001 → PBA Block 45, Page 7
  

2. 块擦除状态 / 空闲块列表

• NAND 闪存按块擦除，FTL 会维护哪些块是：

  • 可用的（Free Block）

  • 正在使用的（Used）

  • 等待回收的（Stale / Invalid）

3. 有效性标记

• 某个 PBA 页面中的数据是否仍然有效。

• 比如当 LBA 1000 被写入新数据，旧的 PBA 对应页面会被标记为 “无效”。

4. 擦写次数（用于磨损均衡）

• 每个物理块有擦写寿命限制（通常 3000~100000 次），FTL 需要跟踪每个块被擦除的次数，用于：

  • 磨损均衡（Wear Leveling）

  • 避免提前损坏某些块

5. 元数据日志 / 映射表缓存

• 为了加快查表，FTL 可能将常用的 LBA-PBA 映射缓存在 SRAM 中。

• 也可能将这张映射表以日志形式分布存储在 NAND 内部。

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🧠 二、为什么需要 FTL？

因为 NAND 闪存有几个天然限制：

1. 不能覆盖写：只能擦除整个“块”（通常是 128~512 个页面），不能直接修改一个页面。

2. 写入只能追加：写新数据时只能写空白页面。

3. 擦写寿命有限：需要做磨损均衡。

4. 存在坏块：部分 NAND 块天生无法使用，FTL 需要规避。

FTL 的目标就是屏蔽这些物理细节，让主机看到的是一个“连续且可随机读写”的 LBA 逻辑磁盘。

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📦 三、FTL 的映射策略类型

类型	映射方式	特点
页映射（Page Mapping）	每个 LBA → 每个 PBA	精度高，但映射表大（适合高端 SSD）
块映射（Block Mapping）	每组 LBA → 一整个物理块	映射表小，但写放大高
混合映射（Hybrid Mapping）	常用页用页映射，其他用块映射	兼顾性能和空间（常见于中端 SSD）

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🧪 举个例子：

主机写入：

Write 4KB → LBA 1000

FTL 做了什么？

1. 找到一个空闲 PBA 页面，比如 Block 20, Page 3

2. 写入数据到该物理页

3. 更新映射表：

   LBA 1000 → PBA (20, 3)
   

4. 如果之前的 LBA 1000 映射到了旧的 PBA（比如 15,2），那旧页就标记为“无效”

5. 当块中无效页面多时，FTL 会触发 垃圾回收（GC），把有效页面搬移、擦除整块、再放入空闲块池

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✅ 总结一句话：

FTL 记录的是一张“逻辑地址（LBA）”到“物理地址（PBA）”的映射表，外加一些用于管理 NAND 闪存寿命和状态的元数据。

如果你想看下它是如何实现映射表压缩、日志存储、或者 FTL 模拟器的代码，也可以告诉我！

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