存储设备的核心单位：扇区、页与块
在计算机存储领域，扇区（Sector）、页（Page）和块（Block）是数据存储和管理的核心单位。这些单位的设计与存储介质的物理特性密切相关，直接影响设备的性能、效率和寿命。
不同类型的存储设备（如机械硬盘和固态硬盘）采用不同的单位体系。理解这些概念有助于我们更好地把握存储设备的工作原理和性能特点。
为什么这些单位很重要？
- 决定了存储设备的最小读写和擦除粒度
- 影响文件系统的设计和数据管理策略
- 与存储设备的性能、寿命和效率直接相关
- 帮助理解不同存储介质（HDD vs SSD）的本质区别
一、扇区（Sector）
概念
扇区是机械硬盘（HDD） 和早期存储设备中最基础的物理存储单位，也是操作系统与存储设备交互的最小寻址单位。
在机械硬盘中，盘片被划分成多个同心圆轨道（Track），每个轨道又被等分为若干个扇区，每个扇区的大小固定。
特点
- 固定大小：传统机械硬盘的扇区大小通常为 512 字节（早期标准），现代硬盘为了提高效率，逐渐采用 4096 字节（4KB） 的 “高级格式化” 扇区（称为 “物理扇区”，但操作系统仍可能以 512 字节为 “逻辑扇区” 兼容旧系统）。
- 最小寻址单位：操作系统读取或写入数据时，即使只需要 1 个字节，也必须读写整个扇区。例如，写入 100 字节的数据，实际会占用一个 512 字节的扇区，剩余空间被浪费。
- 与机械结构绑定：扇区的划分依赖于硬盘的物理结构（盘片、磁头），因此机械硬盘的性能受限于扇区的寻址速度（磁头移动、盘片旋转）。
适用场景
- 机械硬盘（HDD）的底层数据存储与管理。
- 操作系统对存储设备的基础寻址（如文件系统的簇通常由多个扇区组成）。
二、页（Page）
概念
页是闪存存储设备（如固态硬盘 SSD、U 盘、存储卡）中最小的读写单位，类似于机械硬盘的扇区，但仅适用于闪存介质。
闪存由多个存储单元组成，页是这些单元的最小操作单元。
特点
- 大小更大：页的大小通常为 4KB、8KB、16KB 甚至更大（不同闪存类型和厂商可能不同），远大于机械硬盘的扇区。
- 只读 / 写，不能单独擦除：闪存的特性决定了页可以直接读取或写入（但写入前需确保对应块已被擦除），但不能单独擦除一个页，擦除操作必须以 “块” 为单位进行（见下文 “块” 的解释）。
- 影响读写效率：由于页是最小读写单位，小文件的读写会直接操作页，而大文件会占用多个连续页。连续的页读写能显著提升闪存设备的性能（类似机械硬盘的连续扇区读写）。
适用场景
- 固态硬盘（SSD）、U 盘、存储卡等闪存设备的底层数据读写。
- 闪存控制器对数据的分配与管理（如将文件数据映射到具体的页）。
三、块（Block）
概念
块是闪存存储设备中最小的擦除单位，由多个连续的 “页” 组成。在机械硬盘中也有 “块” 的概念，但通常指逻辑块（如文件系统的块），与闪存的块完全不同。
特点
- 由多个页组成：一个块通常包含 128、256 或更多个页（例如，若页大小为 8KB，一个含 128 页的块大小为 1MB）。
- 擦除的最小单位：闪存的物理特性决定了数据写入前，对应区域必须先擦除（类似黑板写字前需要先擦除旧内容），而擦除不能针对单个页，必须一次性擦除整个块。这是闪存与机械硬盘的核心区别之一（机械硬盘可直接覆盖写入）。
- 影响寿命和性能：闪存的擦除次数有限（如 MLC 闪存约 1 万次，TLC 约 3000-5000 次），块的擦除次数直接决定了闪存设备的寿命。此外，频繁的擦除操作会导致 “写放大” 问题（实际写入数据量大于用户请求量），影响性能和寿命，因此闪存控制器需要通过 “磨损均衡” 技术分配擦除次数。
适用场景
- 闪存设备的底层擦除操作管理（如 SSD 的控制器会定期整理块，擦除无效数据页，释放空间）。
- 闪存寿命管理（磨损均衡算法确保各块擦除次数均匀）。
四、三者的核心区别与联系
联系
- 在闪存设备中，块包含页，页是块的组成部分；而机械硬盘中没有 “页” 和 “块” 的物理概念，仅以扇区为基础。
- 操作系统和文件系统会对底层单位进行抽象（如将多个扇区 / 页组合为 “簇” 或 “逻辑块”），方便用户管理文件，而无需直接操作扇区、页或块。
总结
- 扇区是机械硬盘的最小读写 / 寻址单位，大小较小（512B~4KB），依赖物理结构。
- 页是闪存设备的最小读写单位，大小较大（4KB~16KB），不能单独擦除。
- 块是闪存设备的最小擦除单位，由多个页组成，擦除次数影响设备寿命。
理解这三个单位有助于理解不同存储设备的性能差异（如 SSD 比 HDD 快的原因）、寿命管理（如 SSD 的磨损均衡）以及文件系统的设计逻辑。