機(jī)械硬盤(pán)（HDD辽旋，Hard Disk Drive）主要由盤(pán)片妓盲、磁頭杂拨、電機(jī)馬達(dá)、接口等組成悯衬。
機(jī)械硬盤(pán)的結(jié)構(gòu)
一個(gè) 機(jī)械硬盤(pán) 由多個(gè)盤(pán)片 疊加而成弹沽。
盤(pán)片（Platters）的表面涂有磁性物質(zhì)，這些磁性物質(zhì)用來(lái)記錄二進(jìn)制數(shù)據(jù)。工作時(shí)在主軸馬達(dá)的帶動(dòng)下進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)（比如每分鐘 7200 轉(zhuǎn)）策橘。每個(gè)盤(pán)片都有上下兩面炸渡，稱為盤(pán)面，每個(gè)盤(pán)面都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的讀寫(xiě)磁頭負(fù)責(zé)讀寫(xiě)該盤(pán)面上的數(shù)據(jù)丽已。
每個(gè)盤(pán)面對(duì)應(yīng)一個(gè)磁頭蚌堵，所有的磁頭都是連在同一個(gè)機(jī)械臂桿上的，因此所有磁頭只能 “共進(jìn)退”沛婴，即做相同運(yùn)動(dòng)吼畏。
當(dāng)關(guān)機(jī)時(shí)，磁頭會(huì)停留在硬盤(pán)的停泊區(qū)瘸味，工作時(shí)才會(huì)移動(dòng)到盤(pán)面上方宫仗，依靠磁盤(pán)高速旋轉(zhuǎn)引起的空氣動(dòng)力效應(yīng)懸浮在盤(pán)面上够挂。
在硬盤(pán)系統(tǒng)中旁仿，盤(pán)面按照從上到下的順序從 0 開(kāi)始編號(hào)，盤(pán)面號(hào)也叫磁頭號(hào)孽糖，比如一個(gè)硬盤(pán)有兩個(gè)盤(pán)片枯冈，則盤(pán)面號(hào)為 0 ~ 3。
名詞解釋：
-
Boom：機(jī)械臂桿办悟。 -
Head：磁頭尘奏。 -
Sector：扇區(qū)。 -
Spindle：軸病蛉。 -
Track：磁道炫加。 -
Platter：盤(pán)面。 -
Cylinder：柱面铺然。
其中
A是磁道俗孝，B是扇面，C是扇區(qū)魄健，D是簇（扇區(qū)組）
在盤(pán)片高速旋轉(zhuǎn)時(shí)保持磁頭不動(dòng)赋铝，那么磁頭就會(huì)在盤(pán)面上形成一個(gè)圓形的軌跡，這些同心的圓形軌跡就是磁道（Track）沽瘦。每個(gè)盤(pán)面上都有多個(gè)磁道革骨，這些磁道由外向內(nèi)從 0 開(kāi)始順序編號(hào)。
【注意】磁道之間并不是緊挨著的析恋，因?yàn)榇呕膯卧さ锰鼤?huì)相互影響良哲。
所有盤(pán)面上半徑相同的同心磁道垂直堆疊在一起構(gòu)成的一個(gè)圓柱，稱為柱面（Cylinder）助隧。柱面是一個(gè)抽象出來(lái)的概念筑凫，它在物理上不是一體的，只是在空間上類似于一個(gè)圓柱的外壁。為了方便理解漏健，可以認(rèn)為柱面就是磁道嚎货。柱面上的磁頭由上到下從 0 開(kāi)始順序編號(hào)，數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)也是按照柱面進(jìn)行蔫浆。
在讀寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)殖属，首先在同一柱面內(nèi)從 0 號(hào)磁頭開(kāi)始操作，依次向下在同一柱面的不同盤(pán)面即磁頭上進(jìn)行操作瓦盛，只有當(dāng)同一柱面的所有磁頭全部讀寫(xiě)完畢后才將磁頭切換到下一個(gè)柱面（同心圓往里的柱面）洗显。這么做的原因是選取磁頭只需通過(guò)電子切換即可，而選取柱面則必須通過(guò)機(jī)械切換原环，電子切換是相當(dāng)快的挠唆，而機(jī)械切換磁頭則要慢得多。
概括來(lái)說(shuō)嘱吗，就是當(dāng)一個(gè)磁道寫(xiě)滿數(shù)據(jù)后玄组，就在同一柱面的下一個(gè)盤(pán)面上寫(xiě)，一個(gè)柱面寫(xiě)滿后谒麦，才會(huì)移動(dòng)到下一個(gè)柱面俄讹，讀數(shù)據(jù)也是按照同樣的方式。
盤(pán)面上可以劃分出很多磁道绕德，但是我們并不需要每次都讀寫(xiě)這么多數(shù)據(jù)患膛，所以又將磁道劃分為了若干更小的弧段，每段被稱為一個(gè)扇區(qū)（Sector）耻蛇。
由于這些弧段轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度一樣踪蹬，但是長(zhǎng)度不同，所以線速度也不一樣臣咖，外圈的線速度大于內(nèi)圈跃捣，即相同的轉(zhuǎn)速下，在同樣的時(shí)間段內(nèi)外圈劃過(guò)的弧段長(zhǎng)度要比內(nèi)圈劃過(guò)的弧段長(zhǎng)度大亡哄。
扇區(qū)從 1 開(kāi)始編號(hào)枝缔，是硬盤(pán)進(jìn)行讀寫(xiě)操作的最小單位，一般硬盤(pán)的一個(gè)扇區(qū)大小為 512 字節(jié)——這也就意味著哪怕我們只存放 1 字節(jié)的數(shù)據(jù)也會(huì)占用硬盤(pán)的一個(gè)扇區(qū)（512 字節(jié)）蚊惯。后來(lái)為了提升硬盤(pán)的效率和使用率又推出了 4K 大小的扇區(qū)標(biāo)準(zhǔn)愿卸。
扇區(qū)的物理地址
扇區(qū)存儲(chǔ)的第一個(gè)主要部分就是標(biāo)識(shí)符，也就是扇區(qū)頭標(biāo)截型，它是一個(gè)扇區(qū)的三維地址趴荸，包括盤(pán)面號(hào)、柱面號(hào)和扇區(qū)號(hào)宦焦，通過(guò)這三個(gè)地址可以唯一確定一個(gè)扇區(qū)发钝《倩粒可用（柱面號(hào)，盤(pán)面號(hào)酝豪，扇區(qū)號(hào)）來(lái)定位任意一個(gè) “磁盤(pán)塊”涛碑。
在 【文件的物理結(jié)構(gòu)】中，我們經(jīng)常提到文件數(shù)據(jù)存放在外存中的幾號(hào)塊（邏輯地址）孵淘，這個(gè)塊號(hào)就可以轉(zhuǎn)換成（柱面號(hào)蒲障，盤(pán)面號(hào)，扇區(qū)號(hào)）的地址形式瘫证。
可根據(jù)該地址讀取一個(gè) “塊”揉阎，操作如下：
- （1）根據(jù)
柱面號(hào)移動(dòng)磁臂，讓磁頭指向指定柱面背捌； - （2）激活指定盤(pán)面對(duì)應(yīng)的磁頭毙籽；
- （3）磁盤(pán)旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中，指定的扇區(qū)會(huì)從磁頭下面劃過(guò)毡庆，這樣就完成了對(duì)指定扇區(qū)的讀/寫(xiě)坑赡。
扇區(qū)的第二個(gè)主要部分就是存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)段，可分為數(shù)據(jù)和保護(hù)數(shù)據(jù)的糾錯(cuò)碼（ECC）扭仁。
容量計(jì)算
存儲(chǔ)容量 = 磁頭數(shù)（盤(pán)面數(shù)）* 磁道數(shù)（柱面數(shù)）* 每個(gè)磁道的扇區(qū)數(shù) * 每個(gè)扇區(qū)的字節(jié)數(shù)
- 以前的硬盤(pán)每個(gè)磁道的扇區(qū)數(shù)是一樣的垮衷，外圈扇區(qū)的密度小厅翔，內(nèi)圈扇區(qū)的密度大乖坠。
- 現(xiàn)在的硬盤(pán)內(nèi)外圈扇區(qū)的密度一致，這樣磁道的長(zhǎng)度越長(zhǎng)刀闷，扇區(qū)就越多熊泵，存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量就越大。
簇或塊
從硬盤(pán)的物理結(jié)構(gòu)來(lái)看甸昏，數(shù)據(jù)存取信息的最小單位是扇區(qū)顽分，一個(gè)扇區(qū)可能為 512 字節(jié)或者是 4K。
由于扇區(qū)的容量小且數(shù)量眾多施蜜，在尋址時(shí)比較困難卒蘸，所以操作系統(tǒng)就將相鄰的扇區(qū)組合在一起，形成一個(gè)整體翻默，這個(gè)整體就是操作系統(tǒng)對(duì)硬盤(pán)進(jìn)行存取的最小單位缸沃，在 Windows 下稱為簇（Cluster），在 Linux 等系統(tǒng)中稱為塊（Block）修械。每個(gè)簇或塊可以包含 2, 4, 8, 16, 32 等趾牧，2 的 n 次方個(gè)扇區(qū)。
Windows 系統(tǒng)上通過(guò)管理員身份運(yùn)行 fsutil fsInfo ntfsInfo C: 命令肯污，會(huì)得到以下信息：
C:\WINDOWS\system32>fsutil fsInfo ntfsInfo C:
NTFS 卷序列號(hào) ： 0x01d5a3f9fb0c2900
NTFS 版本 ： 3.1
LFS 版本 ： 2.0
總扇區(qū) ： 466,752,274 (222.6 GB)
總?cè)杭? ： 58,344,034 (222.6 GB)
空余群集 ： 9,150,639 ( 34.9 GB)
總保留群集 ： 79,649 (311.1 MB)
用于存儲(chǔ)備用的保留 ： 0 ( 0.0 KB)
每扇區(qū)字節(jié)數(shù) ： 512
每物理扇區(qū)字節(jié)數(shù) ： 512
每群集字節(jié)數(shù) ： 4096
每 FileRecord 分段字節(jié)數(shù) ： 1024
每 FileRecord 分段群集數(shù) ： 0
Mft 有效數(shù)據(jù)長(zhǎng)度 ： 1.32 GB
Mft 開(kāi)始 Lcn ： 0x00000000000c0000
Mft2 開(kāi)始 Lcn ： 0x0000000000000002
Mft 區(qū)域開(kāi)始 ： 0x0000000002676580
Mft 區(qū)域結(jié)束 ： 0x0000000002682da0
MFT 區(qū)域大小 ： 200.13 MB
最大設(shè)備修剪程度計(jì)數(shù) ： 64
最大設(shè)備修剪字節(jié)計(jì)數(shù) ： 0x7fff8000
最大卷修剪程度計(jì)數(shù) ： 62
最大卷修剪字節(jié)計(jì)數(shù) ： 0x40000000
Resource Manager 標(biāo)識(shí)符: E19CBA6D-0FE9-11EA-9980-484D7ECA4B02
這臺(tái)設(shè)備使用的文件系統(tǒng)是 NTFS翘单，默認(rèn)的簇大小為 4096 字節(jié)吨枉。
Linux 系統(tǒng)上通過(guò)以下命令可以查看 block 信息：
$ sudo tune2fs -l /dev/sda1 | grep "Block size"
Block size: 4096
$ stat /boot/ | grep "IO Block"
Size: 4096 Blocks: 8 IO Block: 4096 directory
【設(shè)置 cmd 的顯示語(yǔ)言】
# 設(shè)置為英文
C:\WINDOWS\system32>chcp 437
Active code page: 437
# 設(shè)置為中文
C:\WINDOWS\system32>chcp 936
活動(dòng)代碼頁(yè): 936
訪盤(pán)過(guò)程
當(dāng)需要從硬盤(pán)讀取數(shù)據(jù)時(shí)，操作系統(tǒng)會(huì)將數(shù)據(jù)的邏輯地址發(fā)送給硬盤(pán)哄芜，硬盤(pán)的控制電路按照尋址邏輯將邏輯地址翻譯成物理地址貌亭，即確定要讀取的數(shù)據(jù)在哪個(gè)磁道，哪個(gè)扇區(qū)认臊。
為了讀取這個(gè)扇區(qū)的數(shù)據(jù)属提，需要將磁頭移動(dòng)到這個(gè)扇區(qū)的上方，為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)：
- （1）首先必須找到對(duì)應(yīng)的柱面美尸，即磁頭需要移動(dòng)到對(duì)應(yīng)的磁道上冤议，這個(gè)過(guò)程叫做尋道，所耗費(fèi)的時(shí)間叫做
尋道時(shí)間师坎。 - （2）然后目標(biāo)扇區(qū)旋轉(zhuǎn)到磁頭下恕酸，這個(gè)過(guò)程耗費(fèi)的時(shí)間叫做
旋轉(zhuǎn)時(shí)間。 - （3）接下來(lái)磁頭讀取該扇區(qū)的信息胯陋，然后就需要進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸蕊温，即數(shù)據(jù)從硬盤(pán)傳輸?shù)絻?nèi)存。
可以看到遏乔，進(jìn)行一次讀寫(xiě)硬盤(pán)所需要的時(shí)間可以概括為：尋道時(shí)間义矛、旋轉(zhuǎn)時(shí)間和傳輸時(shí)間。目前硬盤(pán)的平均尋道時(shí)間在 3ms 到 15ms 之間盟萨，普通硬盤(pán)的轉(zhuǎn)速一般為 5400 rpm 或 7200 rpm凉翻。
局部性原理與磁盤(pán)預(yù)讀
由于存儲(chǔ)介質(zhì)的特性，硬盤(pán)本身的存取速度就比主存慢很多捻激，再加上磁頭的機(jī)械運(yùn)動(dòng)制轰，存取速度就更慢了。
為了提高硬盤(pán)的效率胞谭，盡量減少磁盤(pán) I/O垃杖，硬盤(pán)往往不是嚴(yán)格的按需存取，而是每次都會(huì)預(yù)讀丈屹，即使只需要一個(gè)字節(jié)调俘，磁盤(pán)也會(huì)從這個(gè)位置開(kāi)始，順序地向后讀取一定長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)放入內(nèi)存旺垒，這樣做的理論依據(jù)是計(jì)算機(jī)科學(xué)中著名的空間局部性原理：
當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)被用到時(shí)彩库，其附近的數(shù)據(jù)通常也會(huì)馬上被用到。
程序在運(yùn)行期間袖牙，一段時(shí)間內(nèi)所需要的數(shù)據(jù)通常都比較集中侧巨，由于磁盤(pán)的順序讀取效率很高（不需要尋道時(shí)間，只需要很少的旋轉(zhuǎn)時(shí)間）鞭达，因此預(yù)讀一般都可以提高磁盤(pán) I/O 的效率司忱。
磁盤(pán)預(yù)讀的長(zhǎng)度一般為 頁(yè)（Page）的整數(shù)倍皇忿。由于操作系統(tǒng)經(jīng)常與內(nèi)存和硬盤(pán)這兩種設(shè)備進(jìn)行通信，為了屏蔽底層物理存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)坦仍，需要抽象出一種邏輯上的存儲(chǔ)單位鳍烁。
當(dāng)與硬盤(pán)打交道時(shí)，操作系統(tǒng)
使用簇或者塊繁扎；當(dāng)與內(nèi)存打交道時(shí)幔荒，操作系統(tǒng)使用頁(yè)。
當(dāng)程序要讀取的數(shù)據(jù)不在內(nèi)存中時(shí)梳玫，會(huì)觸發(fā)一個(gè)缺頁(yè)異常爹梁，此時(shí)操作系統(tǒng)會(huì)向磁盤(pán)發(fā)出讀盤(pán)信號(hào)，磁盤(pán)會(huì)找到數(shù)據(jù)的起始位置然后連續(xù)讀取一頁(yè)或者幾頁(yè)的數(shù)據(jù)放入內(nèi)存提澎，然后異常返回姚垃，程序繼續(xù)執(zhí)行。
分類
硬盤(pán)按數(shù)據(jù)接口不同盼忌，大致分為 ATA 和 SATA（可參閱IDE界面）以及 SCSI 和 SAS积糯。
-
ATA，全稱
Advanced Technology Attachment谦纱，是用傳統(tǒng)的40-pin并口數(shù)據(jù)線連接主板與硬盤(pán)的看成，外部接口速度最大為133Mb/s。- 因?yàn)椴⒖诰€的抗干擾性太差跨嘉，且排線占空間川慌，不利計(jì)算機(jī)散熱，將逐漸被 SATA 所取代偿荷。
-
SATA于2002年推出后窘游，原有的ATA改名為 PATA（Parallel ATA）。
-
SATA跳纳，全稱
Serial ATA，也就是使用串口的ATA接口贪嫂。 -
SCSI贞岭，全稱為
Small Computer System Interface（小型機(jī)系統(tǒng)接口）八毯。 -
SAS（
Serial Attached SCSI）是新一代的SCSI技術(shù)。- 和
SATA硬盤(pán)相同唉工，都是采取序列式技術(shù)以獲得更高的傳輸速度白指，可達(dá)到3Gb/s。 - 此外也透過(guò)縮小連接線改善系統(tǒng)內(nèi)部空間等酵紫。
- 和
TIPS：硬盤(pán)轉(zhuǎn)速以每分鐘多少轉(zhuǎn)來(lái)表示告嘲，單位表示為
RPM，RPM是Revolutions Per minute的縮寫(xiě)奖地，是 轉(zhuǎn)/每分鐘橄唬。RPM值越大，內(nèi)部傳輸率就越快参歹，訪問(wèn)時(shí)間就越短仰楚，硬盤(pán)的整體性能也就越好。
