机械硬盘的组成(基本概念)

本文聚焦的是机械硬盘,即传统的电机驱动的大容量磁盘。像固态硬盘都是基于集成电路,这里不会做延伸。

一、组成部分

一个机械硬盘由下面五个部分组成(这里只包含核心部分,像金属介质、磁化材料不会涉及)

• 盘片
• 磁头
• 磁道
• 扇区
• 柱面

二、盘片

硬盘中一般会有多个盘片组成，每个盘片包含两个面，每个盘面都对应地有一个读/写磁头。受到硬盘整体体积和生产成本的限制，盘片数量都受到限制，一般都在5片以内,但随着机械硬盘越来越大,盘片也有上百的,具体数量取决于硬盘厂商。盘片的编号自下向上从0开始，如最下边的盘片有0面和1面，再上一个盘片就编号为2面和3面。

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三、扇区、磁道

下图显示的是一个盘面，盘面中一圈圈灰色同心圆为一条条磁道，从圆心向外画直线，可以将磁道划分为若干个弧段，每个磁道上一个弧段被称之为一个扇区（图践绿色部分）。扇区是磁盘的最小组成单元，通常是512字节。（由于不断提高磁盘的大小，部分厂商设定每个扇区的大小是4096字节）

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四、磁头、柱面

硬盘通常由重叠的一组盘片构成，每个盘面都被划分为数目相等的磁道，并从外缘的“0”开始编号，具有相同编号的磁道形成一个圆柱，称之为磁盘的柱面。柱面，其实是个“虚”的东西！它是分开的。物理上不是一体的。只是在空间上，它类似于一个桶的桶壁一样。磁盘的柱面数与一个盘面上的磁道数是相等的。由于每个盘面都有自己的磁头，因此，盘面数等于总的磁头数。 如下图

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五、磁盘容量计算

存储容量 ＝ 磁头数 × 磁道(柱面)数 × 每道扇区数 × 每扇区字节数
图3中磁盘是一个 3个圆盘6个磁头，7个柱面（每个盘片7个磁道） 的磁盘，图3中每条磁道有12个扇区，所以此磁盘的容量为：
存储容量 6 * 7 * 12 * 512 = 258048
每个磁道的扇区数一样是说的老的硬盘，外圈的密度小，内圈的密度大，每圈可存储的数据量是一样的。新的硬盘数据的密度都一致，这样磁道的周长越长，扇区就越多，存储的数据量就越大。

六、磁盘读取响应时间

寻道时间：磁头从开始移动到数据所在磁道所需要的时间，寻道时间越短，I/O操作越快，目前磁盘的平均寻道时间一般在3－15ms，一般都在10ms左右。
旋转延迟：盘片旋转将请求数据所在扇区移至读写磁头下方所需要的时间，旋转延迟取决于磁盘转速。普通硬盘一般都是7200rpm，慢的5400rpm。
数据传输时间：完成传输所请求的数据所需要的时间。
小结一下：从上面的指标来看、其实最重要的、或者说、我们最关心的应该只有两个：寻道时间；旋转延迟。
读写一次磁盘信息所需的时间可分解为：寻道时间、延迟时间、传输时间。为提高磁盘传输效率，软件应着重考虑减少寻道时间和延迟时间。

总结

虽然知道了机械硬盘的大致组成结构,但是要回答下面几个问题,还是比较难的,需要进行更深入的研究:

1. 磁盘柱面是用来干嘛的?
2. 磁盘转速高为啥会读取文件更快呢？ 转速越高,寻道时间就越短?
3. 操作系统是如何确定一个文件存在在多个扇区的? 根据(柱面,盘面号,扇区号)来唯一确认一块存储?