硬盘物理结构及工作原理
机械硬盘的物理结构
机械硬盘的物理结构
机械硬盘是计算机中最常用的存储设备之一。
它的物理结构由盘片、读写头、主轴电机、马达等部件组成。
盘片是记录数据的主要部件，通常有多个盘片叠在一起，每个盘片都有两个面，每个面都可以记录和读取数据。
读写头是读写数据的
部件，它通过磁头臂和磁头来实现数据的读写。
主轴电机是硬盘的动力来源，它控制盘片的旋转速度和方向。
马达则负责控制读写头的移动。
盘片的物理结构通常分为数据区和服务区。
数据区是用来存储用户数据的区域，而服务区则用来存储硬盘自身的信息，如磁道号、扇区号等。
数据区和服务区被
划分成多个同心圆的磁道，每个磁道又被划分成多个扇区。
每个扇区可以存储一定大小的数据，通常为512字节或4KB。
硬盘读写数据的过程是这样的：当计算机需要读取硬盘中的数据时，操作系统会向硬盘发送读取命令。
硬盘内的控制器会根据命令控制马达将盘片旋转到正确的位置，然后将读写头移动到对应的磁道上，接着读取相应的扇区中的数据并传输
给计算机。
当计算机需要写入数据时，也是类似的过程，只是把读取数据的过程改为写入数据。
机械硬盘的物理结构非常复杂，但是它的读写速度相对较慢，而且易受外界的震动、磁场干扰等影响，容易产生数据丢失的问题。
随着科技的发展，固态硬盘
逐渐取代了机械硬盘成为了主流存储设备。
硬盘物理结构
硬盘物理结构先看下硬盘物理结构1 硬盘物理结构硬盘物理上主要是盘片、机械手臂、磁头、和主轴等组成. 在盘片逻辑划分上又分为磁道、扇区, 例如下图:2 盘片磁道、扇区磁道:当硬盘盘片旋转时, 磁头若保持在一个位置上, 则磁头会在盘片表面划出一个圆形轨迹, 这些圆形轨迹就叫做磁道. 以盘片中心为圆心, 由此可以划分出很多磁道来, 这些磁道用肉眼是根本看不到的, 因为它们仅是盘面上以特殊方式磁化了的一些磁化区, 硬盘上的信息便是沿着这样的轨道存放的, 盘片上的磁道由外向内依次从“0”开始进行编号.柱面:由于硬盘可以由很多盘片组成, 不同盘片的相同磁道就组成了柱面(cylinder), 如图1所示.磁头:假设有N个盘片组成的硬盘, 那么有2N个盘面(一个盘片有2面), 那么磁头也就有2N个, 即每个盘面有一个磁头.扇区:早期的硬盘盘片的盘面以圆心开始向外放射状将磁道分割成等分的弧段, 这些弧段便是硬盘的扇区(如图2). 每个扇区一般规定大小为512byte, 这里大家应该比较疑惑, 外圈周长很明显比内圈要长, 怎么可能每个扇区都是512byte?其实答案早期硬盘外圈存储比内圈存储密度低一些, 所以外圈很长但是仍然只能存储512byte, 因此如果我们知道了柱面数(磁道数) Cylinders、磁头数Heads、扇区数Sectors, 基本上硬盘的容量我们能够计算出来硬盘总容量= Cylinders * Heads * Sectors * 512byte. 但是由于早期硬盘外圈密度低, 导致盘片利用率不高, 现在的硬盘盘片则采用内外存储密度一致的方式, 每个磁道都划分成以512byte大小的弧段, 这样也造成了内外磁道上扇区数量会不一样, 外圈上的扇区数要多于内圈扇区数.硬盘寻址方式硬盘存取、读取数据, 首先要做的就是寻址, 即定位到数据所在的物理地址, 在硬盘上就要找到对应的柱面、磁头以及对应的扇区, 那么怎么寻址呢？有两种方式: CHS和LBACHS模式:CHS（Cylinder/Head/Sector）寻址模式也称为3D模式, 是硬盘最早采用的寻址模式, 它是在硬盘容量较小的前提下产生的.硬盘的C/H/S 3D参数既可以计算出硬盘的容量, 也可以确定数据所在的具体位置. 这是因为扇区的三维物理地址与硬盘上的物理扇区一一对应, 即三维物理地址可完全确定硬盘上的物理扇区. 三维物理地址通常以C/H/S的次序来书写, 如C/H/S为0/1/1, 则第一个数字0指0柱面, 第二个数字1指1磁头（盘面）, 第三个数字1指1扇区, 表示该数据位于硬盘1盘面上的0磁道1扇区. 现在定位已完成, 硬盘内部的参数和主板BIOS之间进行协议, 正确发出寻址信号, 从而正确定位数据位置.早期硬盘一个磁道上分63个扇区, 物理磁头最多16个（8个盘片, 盘片多了硬盘那就真要加厚了）. 采用8位寻址方式, 8位二进制位的最大值是256（0-255）, 可以表示磁头数, 而扇区只有63个（1-63）, 只需要其中6个二进制位即可表示, 剩下2位拿去表示柱面, 柱面数用10(8+2)位来表达, 达到1024个柱面（0-1023）, 因此总扇区数（1024×16×63）. 前面说一个扇区大小为512byte, 这也就是说, 如果以C/H/S寻址模式寻址, 则IDE硬盘的最大容量只能为1024×16×63×512B= 500MB左右.可以思考下, 在8位寻址模式下, 其实可以寻址的硬盘最大容量为1024×256×63×512B =8G,那为啥CHS模式硬盘只支持到500MB呢？原因很简单, 我们的硬盘盘片不可能让128片盘片重叠起来吧, 那会是多厚？？如果采用28位寻址方式, 那么可以寻址137G, 盘片也不可能一直堆叠下去.LBA(Logical Block Addressing)经常去买硬盘的人都知道, 目前硬盘经常都说单碟、双碟, 其实意思就是说硬盘盘片只有1个或者2个, 而且都只是用一面, 单碟一个磁头而已, 但是硬盘容量确是几百G, 而且硬盘柱面往往都大于1024个柱面, CHS是无法寻址利用完这些硬盘容量的.另外由于老硬盘的扇区划分方式对硬盘利用率不高, 因此出现了现在的等密度盘, 外圈的扇区数要比内圈多, 原来的3D寻址方式也就不能适应这种方式, 因此也就出现了新的寻址方式LBA, 这是以扇区为单位进行的线性寻址方式, 即从最外圈柱面0开始, 依次将扇区号编为0、1….等等, 举个例子, 假设硬盘有1024个柱面, 由于是等密度硬盘, 柱面0(最外圈)假设有128个扇区, 依次编号为0-127, 柱面1有120个扇区, 则依次编号为127-246, …..依次最内圈柱面127只有扇区64个, 则编号到最后.因此要定位到硬盘某个位置, 只需要给出LBA 数即可, 这个就是逻辑数.在LBA 模式下, 为了保留原来CHS时的概念, 也可以设置柱面、磁头、扇区等参数, 但是他们并不是实际硬盘的物理参数, 只是为了计算方便而出的一个概念, 1023之前的柱面号都一一物理对应, 而1023以后的所有柱面号都记录成1023磁头最大数可以设置为255, 而扇区数一般是每磁道63个, 硬盘控制器会把由柱面、磁头、扇区等参数确定的地址转换为LBA 数. 这里我们再此明确两个概念:物理扇区号:一般我们称CHS模式下的扇区号为物理扇区号, 扇区编号开始位置是1逻辑扇区号:LBA下的编号, 扇区编号是从0开始.CHS模式转换到逻辑扇区号LBA计算公式LBA(逻辑扇区号)=磁头数×每磁道扇区数×当前所在柱面号+ 每磁道扇区数×当前所在磁头号+ 当前所在扇区号–1例如: CHS=0/0/1, 则根据公式LBA=255 ×63 ×0 + 63 ×0 + 1 –1= 0也就是说物理0柱面0磁头1扇区, 是逻辑0扇区.硬盘分区我们知道, 一般使用硬盘, 我们首先会对硬盘进行分区, 然后对分区使用某个文件系统格式(NTFS、FAT、ext2/ext3)进行分区格式化, 然后才能正常使用. 那么分区是怎么回事呢？我们常见的windows中说到的c、d、e盘是怎么划分出来的呢？其实, 在装windows系统过程中, 一般我们只需要填写每个分区的大小, 看不出来分区过程的实际工作情况, 我们可以从linux系统分区过程反而能反应底层实际分区情况.柱面是分区的最小单位, 即分区是以某个某个柱面号开始到某个柱面号结束的.如图, 柱面1~200我们可以分为一个区, 柱面201~500再划分为一个区, 501~1000再划分为一个区, 以此类推. 大家可以看到, 柱面0没有在任何分区里面, 为何？这里说说, 前面说到硬盘从外圈(柱面0)到内圈扇区是依次编号, 看似各个扇区没有什么区别, 但是这里硬盘的柱面0的第一个扇区(逻辑扇区0, CHS表示应该是0/0/1)却是最重要的, 因为硬盘的第一个扇区记录了整个硬盘的重要信息, 第一个扇区(512个字节)主要记录了两部分:①MBR(Master Boot Record): 主引导程序就放在这里, 主引导程序是引导操作系统的一个程序, 但是这部分只占446字节.②DPT(Disk Partition table): 硬盘分区表也在这里, 分区表就是用来记录硬盘的分区情况的, 例如c盘是1~200柱面, d盘是201~500柱面, 分区表总共只占64字节, 可以看出, 分区其实很简单, 就是在这个表里面修改一下记录就重新分区了, 但是由于只有64字节, 而一条记录就要占用16字节, 这个分区表最多只能记录4个分区信息, 为了继续分出更多分区来, 引入了扩展分区的概念, 也就是说, 在这4个分区中, 可以使用其中一条记录来记录扩展分区的信息, 然后在扩展分区中再继续划分逻辑分区, 而逻辑分区的分区记录则记录在扩展分区的第一个扇区中, 如此则可以像链表一样划分出很多分区来. 但是请注意, 一个分区表中可以有1~4条主分区, 但是最多只能有1个扩展分区.举例, 主分区可以是P1:1~200, 扩展分区P2: 2~1400, 扩展分区开始的第一个扇区可以用来记录扩展分区中划分出来的逻辑分区.分区表链分区表之间是如何关联的, 详细讲一下, 分区表是一个单向链表, 第一个分区表, 也就是位于硬盘第一个扇区中的DPT, 可以有一项记录扩展分区的起始位置柱面, 类似于指针的概念, 指向扩展分区(图3), 根据这项记录我们可以找到扩展分区的某柱面0磁头1扇区(CHS), 而这个扇区中又存放了第二个分区表, 第二个分区表第一项记录一般表述了当前所在的逻辑分区的起始/终止柱面, 第二项记录表述了下一个逻辑分区所在的0磁头1扇区(CHS),第三、第四项记录不存任何信息(图4).请看下图, 主引导记录/分区表所在的是硬盘第一个分区, 基本分区1、基本分2、基本分区3都是主分区、扩展分区内有2个逻辑分区, 每个逻辑分区的第一个扇区都是分区表, 至于引导扇区(DBR), 在系统启动一节中会提及.系统启动:之前提到MBR中安装的引导加载程序, 他的作用是什么？①提供开机菜单选项: 可以供用户选择启动哪个操作系统, 这是多重引导功能.②加载操作系统内核: 每个操作系统都有自己的内核, 需要引导程序来加载③转交给其他引导程序: 可以将工作移交给其他引导程序来进行上述操作.其实引导加载程序除了可以安装在MBR中, 还可以直接安装在每个分区的引导扇区(DBR)中, 注意下, 每个分区(主分区、逻辑分区)都有一个自己的启动扇区, 专门用来安装引导加载程序, 如上图标3结构图.系统启动过程:①首先,BIOS启动后, 读取硬盘第一个扇区MBR中的引导加载程序(可能是windows或者linux 的grub)②MBR中的引导程序提供开机菜单, 你可以选择1)直接加载windows 内核2)将工作转交给windows 分区内的引导扇区中的加载程序, 让他自己去加载内核3)转交给linux分区内引导扇区, 让他去加载linux.③根据用户选择的选项和引导加载程序中记录的分区, 到分区表找对应的分区柱面号等分区信息, 启动内核或者分区加载程序.Window安装时默认会自动将MBR和windows所在分区的引导扇区都装上引导程序, 而不会提供任何选项给用户选择, 因此如果之前装过其他操作系统, 然后再另外装一个windows时, 会把公用的MBR覆盖掉, 如此, 原来的操作系统就无法启动了. 如果先装windows, 然后装linux, linux会覆盖MBR, 然后让用户选择是否将windows等其他操作系统的启动项添加进来, 如果你选择了添加进来, 那么你在开机时就会有两个选项让用户进行选择了.后记l 这里讨论的全部是硬盘相关的东西, 光盘不在此列, 而且光盘的磁道并不是从外圈到内圈编号, 而是从内圈开始编号, 这点注意.l 硬盘第一个扇区是由MBR和分区表占据, 因此0柱面0磁头上剩下的62个扇区一般会空出来保留（这部分保留称为隐藏扇区, 因为操作系统读取不到这部分扇区, 这部分扇区是提供给BIOS读取的）, 而系统分区则从0柱面1磁头1扇区开始, 折算成LBA=255 ×63 ×0 + 63 ×1 + 1 –1= 63, 即从LBA 63号扇区开始分区. 不过查阅有的资料提及到另外一种说法, 那就是有的硬盘可能0柱面全部空下来, 如果真是这样, 那浪费可就真的大了.l 对于扩展分区的分区表我们知道也是由扩展分区的第一个扇区开始写, 而且是写到每个逻辑驱动器的第一个扇区, 同样, 扩展分区内的第一个扇区所在的磁道剩余的扇区也会全部空余出来, 这些保留的扇区操作系统也是无法读取的, 注意在扩展分区的第一个扇区里面是没有引导加载记录的. 引导加载记录都是放在隐藏扇区后面的. 可以看图3, 图4。
硬盘的结构
硬盘的结构1、硬盘的外部物理结构硬盘主要由盘体、控制电路板和接口部件组成。
盘体是一个密封的腔体。
(后续将介绍硬盘的内部物理结构即是指盘体的内部结构)。
控制电路板上主要有硬盘BIOS、硬盘缓存（Cache）和主控制芯片等单元。
硬盘接口包括插座、数据接口和主、从跳线等。
2、硬盘的内部物理结构硬盘盘体是完全密封的，里面主要有磁头、盘片等部件。
硬盘的盘片材料硬度和耐磨性要求很高，所以一般采用合金材料，多数为铝合金。
(早期有塑料，陶瓷的，现在也出现了玻璃材料的)。
盘基上涂上磁性材料。
硬盘盘片厚一般在0.5mm左右，盘片的转速与盘片大小有关，考虑到惯性及盘片稳定性，盘片越大转速越低。
有些硬盘只装一张盘片，有此则有多张。
硬盘盘片安装在主轴电机的转轴上，在主轴电机的带动下作高速旋转。
每张盘片的容量称为单碟容量，而一块硬盘的总容量就是所有盘片容量的总和。
早期硬盘由于单碟容量低，所以盘片较多。
现代的硬盘盘片一般只有少数几片。
一块硬盘内的所有盘片都是完全一样的，否则控制部分就太复杂了。
盘片上的记录密度很大，而且盘片工作时会高速旋转，为保证其工作的稳定，数据保存的长久，所以硬片都是密封在硬盘内部的，内部并非真空。
不可自行拆卸硬盘，在普通环境下空气中的灰尘，都会对硬盘造成永久损害。
以上介绍的是盘片，一张单面的盘片需要一个磁头，双面的盘片则需要两个磁头。
硬盘采用高精度、轻型磁头驱动和定位系统。
这种系统能使磁头在盘面上快速移动，读写硬盘时，磁头依靠磁盘的高速旋转引起的空气动力效应悬浮在盘面上，与盘面的距离不到1微米(约为头发直径的百分之一)，可以在极短的时间内精确定位到计算机指令指定的磁道上。
注意：由于磁盘是旋转的，则连续写入的数据是排列在一个圆周上的。
我们称这样的圆周为一个磁道(Track)。
由于定位系统限制，磁头臂只能在盘片的内外磁道之间移动。
因此，不管开机还是关机，磁头总在盘片上。
所不同的是，关机时磁头停留在盘片启停区，开机时磁头“飞行”在磁盘片上方。
4.5万字透视FAT32系统
4.5万字透视FAT32系统一、硬盘的物理结构：硬盘存储数据是根据电、磁转换原理实现的。
硬盘由一个或几个表面镀有磁性物质的金属或玻璃等物质盘片以及盘片两面所安装的磁头和相应的控制电路组成(图1)，其中盘片和磁头密封在无尘的金属壳中。
硬盘工作时，盘片以设计转速高速旋转，设置在盘片表面的磁头则在电路控制下径向移动到指定位置然后将数据存储或读取出来。
当系统向硬盘写入数据时，磁头中“写数据”电流产生磁场使盘片表面磁性物质状态发生改变，并在写电流磁场消失后仍能保持，这样数据就存储下来了；当系统从硬盘中读数据时，磁头经过盘片指定区域，盘片表面磁场使磁头产生感应电流或线圈阻抗产生变化，经相关电路处理后还原成数据。
因此只要能将盘片表面处理得更平滑、磁头设计得更精密以及尽量提高盘片旋转速度，就能造出容量更大、读写数据速度更快的硬盘。
这是因为盘片表面处理越平、转速越快就能越使磁头离盘片表面越近，提高读、写灵敏度和速度；磁头设计越小越精密就能使磁头在盘片上占用空间越小，使磁头在一张盘片上建立更多的磁道以存储更多的数据。
二、硬盘的逻辑结构。
硬盘由很多盘片(platter)组成，每个盘片的每个面都有一个读写磁头。
如果有N个盘片。
就有2N个面，对应2N个磁头(Heads)，从0、1、2开始编号。
每个盘片被划分成若干个同心圆磁道(逻辑上的，是不可见的。
)每个盘片的划分规则通常是一样的。
这样每个盘片的半径均为固定值R的同心圆再逻辑上形成了一个以电机主轴为轴的柱面(Cylinders)，从外至里编号为0、1、2……每个盘片上的每个磁道又被划分为几十个扇区(Sector)，通常的容量是512byte，并按照一定规则编号为1、2、3……形成Cylinders×Heads×Sector个扇区。
这三个参数即是硬盘的物理参数。
我们下面的很多实践需要深刻理解这三个参数的意义。
三、磁盘引导原理。
3.1 MBR(master boot record)扇区：计算机在按下power键以后，开始执行主板bios程序。
硬盘结构
硬盘1、硬盘的物理结构（1）磁头硬盘磁头，是硬盘读取数据的关键部件，它的主要作用就是将存储在硬盘盘片上的磁信息转化为电信号向外传输，而它的工作原理则是利用特殊材料的电阻值会随着磁场变化的原理来读写盘片上的数据，磁头的好坏在很大程度上决定着硬盘盘片的存储密度。
目前比较常用的是GMR（Giant Magneto Resisive）巨磁阻磁头。
磁头靠近主轴接触的表面，即线速度最小的地方，是一个特殊的区域，它不存放任何数据，称为启停区或着陆区（Landing Zone），启停区外就是数据区。
在最外圈，离主轴最远的地方是“0”磁道，硬盘数据的存放就是从最外圈开始的。
那么，磁头是如何找到“0”磁道的位置的呢？在硬盘中还有一个叫“0”磁道检测器的构件，它是用来完成硬盘的初始定位。
“0”磁道是如此的重要，以致很多硬盘仅仅因为“0”磁道损坏就报废，这是非常可惜的。
（2）磁头驱动机构一些设计使磁头在盘面上的飞行高度降到约0.1μm～0.5μm，现在的水平已经达到0.005μm～0.01μm，这只是人类头发直径的千分之一。
音圈电机和磁头驱动小车组成，新型大容量硬盘还具有高效的防震动机构。
高精度的轻型磁头驱动机构能够对磁头进行正确的驱动和定位，并在很短的时间内精确定位系统指令指定的磁道，保证数据读写的可靠性。
（3）盘片和主轴组件盘片是硬盘存储数据的载体，现在的盘片大都采用金属薄膜磁盘，这种金属薄膜较之软磁盘的不连续颗粒载体具有更高的记录密度，同时还具有高剩磁和高矫顽力的特点。
主轴组件包括主轴部件如轴瓦和驱动电机等。
随着硬盘容量的扩大和速度的提高，主轴电机的速度也在不断提升，有厂商开始采用精密机械工业的液态轴承电机技术。
所有的盘片都固定在一个旋转轴上，这个轴即盘片主轴。
而所有盘片之间是绝对平行的，在每个盘片的存储面上都有一个磁头，磁头与盘片之间的距离比头发丝的直径还小。
所有的磁头连在一个磁头控制器上，由磁头控制器负责各个磁头的运动。
FAT文件结构
一、硬盘的物理结构：硬盘存储数据是根据电、磁转换原理实现的。
硬盘由一个或几个表面镀有磁性物质的金属或玻璃等物质盘片以及盘片两面所安装的磁头和相应的控制电路组成(图1)，其中盘片和磁头密封在无尘的金属壳中。
硬盘工作时，盘片以设计转速高速旋转，设置在盘片表面的磁头则在电路控制下径向移动到指定位置然后将数据存储或读取出来。
当系统向硬盘写入数据时，磁头中“写数据”电流产生磁场使盘片表面磁性物质状态发生改变，并在写电流磁场消失后仍能保持，这样数据就存储下来了；当系统从硬盘中读数据时，磁头经过盘片指定区域，盘片表面磁场使磁头产生感应电流或线圈阻抗产生变化，经相关电路处理后还原成数据。
因此只要能将盘片表面处理得更平滑、磁头设计得更精密以及尽量提高盘片旋转速度，就能造出容量更大、读写数据速度更快的硬盘。
这是因为盘片表面处理越平、转速越快就能越使磁头离盘片表面越近，提高读、写灵敏度和速度；磁头设计越小越精密就能使磁头在盘片上占用空间越小，使磁头在一张盘片上建立更多的磁道以存储更多的数据。
二、硬盘的逻辑结构。
硬盘由很多盘片(platter)组成，每个盘片的每个面都有一个读写磁头。
如果有N个盘片。
就有2N个面，对应2N个磁头(Heads)，从0、1、2开始编号。
每个盘片被划分成若干个同心圆磁道(逻辑上的，是不可见的。
)每个盘片的划分规则通常是一样的。
这样每个盘片的半径均为固定值R的同心圆再逻辑上形成了一个以电机主轴为轴的柱面(Cylinders)，从外至里编号为0、1、2……每个盘片上的每个磁道又被划分为几十个扇区(Sector)，通常的容量是512byte，并按照一定规则编号为1、2、3……形成Cylinde rs×Heads×Sector个扇区。
这三个参数即是硬盘的物理参数。
我们下面的很多实践需要深刻理解这三个参数的意义。
三、磁盘引导原理。
3.1 MBR(master boot record)扇区：计算机在按下power键以后，开始执行主板bios程序。
《硬盘知识详细介绍》课件
缓存
总结词
缓存是指硬盘内部用于存储数据的临时存储器，可以提高数据读取和写入的效率。
详细描述
缓存的大小也是硬盘性能的指标之一。较大的缓存可以存储更多的数据，减少数据读取和写入的次数 ，提高硬盘的整体性能。常见的缓存大小有64MB、128MB和256MB等。
接口类型
总结词
接口类型是指硬盘与计算机之间的连接 方式，常见的接口类型有SATA、SAS和 SSD等。
当我们要从硬盘中读取数据时，控制电路 会控制磁头读取盘片上的数据，然后通过 控制电路将数据传输到计算机中。
寻道操作
转速和缓存
当我们要访问硬盘中的某个数据时，控制 电路会控制磁头移动到相应的位置上，这 个过程叫做寻道操作。
硬盘的转速和缓存大小也会影响其性能， 转速越快，缓存越大，硬盘的性能就越好 。
硬盘的数据存储方式
SSHD混合硬盘可以在不同工 作负载下自动调整工作模式， 以达到更好的性能和能耗表现 。
HHD三维硬盘
HHD三维硬盘是一种基于垂直存储技术的硬盘，可以在有限空间内提供更高的存储 密度。
HHD三维硬盘采用了先进的磁头和介质技术，可以实现更高的数据传输速度和稳定 性。
HHD三维硬盘在需要高存储密度和高可靠性的应用场景中具有广泛的应用前景，如 数据中心、云计算和大数据等领域。
THANKS.
VS
详细描述
不同的接口类型对硬盘的性能也有影响。 较新的接口类型可以提供更高的数据传输 速度和更稳定的数据传输质量。选择合适 的接口类型可以根据实际需求来提高硬盘 的性能。
数据传输率
总结词
数据传输率是指硬盘在单位时间内可 以读取和写入的数据量，通常以 MB/s为单位。
详细描述
数据传输率是衡量硬盘性能的重要指 标之一。较高的数据传输率可以更快 地完成数据读取和写入操作，提高整 体系统性能。
硬盘基本构成及工作原理
主轴组件
❖ 硬盘的主轴组件主要是轴承和马达，我们可以笼统地认为轴承 决分为三个阶段：1、滚珠轴承。2、油浸轴承。3、液 态轴承(FDB，Fluid Dynamic Bearing Motors)。目前液态 轴承已经成为绝对的主流市场。
❖ 在整个轴承的发展阶段贯穿着一个非常重要的概念：Nonerepeatable runout，不可重复偏离，简称NRRO。它是描述 电机运转时轴承偏离主轴中心的随机偏移量的参数。为什么要 突出这个概念呢？
❖ 基板材料，目前大多2.5英寸HDD使用的是玻璃，3.5英寸使用的是铝 合金。虽然玻璃单就表面平整性而言，远比铝合金要好。但为何不在 3.5英寸上大规模使用玻璃基板呢？其实厂家主要是为了成本考虑，就 目前而言玻璃基板的成本比铝基板的成本要高。而在2.5英寸的硬盘上， 盘片较小较薄，需要较强的刚性，这种情况下如果铝合金做的较薄的话， 就无法满足要求。而且盘片体积较小，相对而言成本上升不大，所以硬 盘厂家在生产2.5英寸硬盘时，一般选用玻璃基板。
❖ 垂直磁化记录从微观上看，磁记录单元的排列方式有了变化，从原来的 “首尾相接”的水平排列，变为了“肩并肩”的垂直排列。磁头的构造 也有了改进，并且增加了软磁底层。这一改变直接解决了“超顺磁效 应”，并且可以将硬盘的单碟容量提高到500GB左右。
❖ 垂直记录的另一个好处是：相邻的磁单元磁路方向平行，磁极的两端都 挨在一起，虽然不像前述的夹层结构那样上下两层间形成反向耦合，但 与纵向记录相邻的磁单元只在磁极一端相接的情况比起来，互相稳定的 效果还是较为明显的
硬盘基本构成及工作原理原理
一、 硬盘的组成
❖ 硬盘大家一定不会陌生，我们可以把它比喻成是我们电脑储存数据和信息的大仓库。一般 说来，无论哪种硬盘，都是由盘片、磁头、盘片主轴、控制电机、磁头控制器、数据转换 器、接口、缓存等几个部份组成。所有的盘片都固定在一个旋转轴上，这个轴即盘片主轴。 而所有盘片之间是绝对平行的，在每个盘片的存储面上都有一个磁头，磁头与盘片之间的 距离比头发丝的直径还小。所有的磁头连在一个磁头控制器上，由磁头控制器负责各个磁 头的运动。磁头可沿盘片的半径方向动作，而盘片以每分钟数千转到上万转的速度在高速 旋转，这样磁头就能对盘片上的指定位置进行数据的读写操作.
硬盘物理结构及工作原理
硬盘物理结构及工作原理硬盘是一种常见的计算机储存设备，它使用磁性材料将数据存储在一个或多个旋转的盘片上。
硬盘的物理结构和工作原理对于了解它的工作方式和性能影响非常重要。
硬盘的物理结构主要包括盘片、磁头和磁道。
盘片是一个圆形薄片，通常由铝或玻璃制成。
磁头是一种读写头，它位于盘片上方或下方，用于读取和写入数据。
磁道是盘片上的圆形轨道，由磁性物质构成，用于存储数据。
硬盘的工作原理可以分为读取和写入两个过程。
在读取数据时，磁头会定位到特定的磁道上，然后检测磁性材料的磁性状态。
根据磁性状态的变化，磁头可以读取出相应的数据。
在写入数据时，磁头会通过磁场改变磁性材料的状态，从而将数据写入到特定的磁道上。
为了提高硬盘的读取速度和存储容量，硬盘制造商采取了一些技术手段。
其中之一是增加盘片的数量。
通过增加盘片的数量，硬盘可以在同一时间内读取/写入更多的数据，从而提高读取/写入速度。
另一个技术是增加磁头的数量。
通过增加磁头的数量，硬盘可以同时访问多个磁道，从而提高读取/写入速度。
硬盘还使用了缓存技术来提高性能。
缓存是一种临时存储器，用于临时存储频繁访问的数据。
当需要读取一些数据时，硬盘首先检查缓存中是否有该数据。
如果有，则直接从缓存中读取，从而加快读取速度。
如果没有，则从磁盘上读取数据，并将其存储到缓存中，以便下次读取。
总的来说，硬盘的物理结构和工作原理主要涉及盘片、磁头和磁道。
硬盘通过控制磁头的位置和磁场来读取和写入数据。
硬盘的读取速度主要受到旋转速度、寻道时间和传输速率的影响。
硬盘制造商通过增加盘片、磁头的数量和使用缓存技术等手段来提高硬盘的读取速度和存储容量。
文件系统
引导记录标志：占用两个字节 值为“55AA” ，55 AA表示这个扇区是个正常的计算机 启动时，BIOS把这个扇区读入内存，发现不是55 AA，则会拒绝启动。
硬盘主引导扇区MBR
DPT表项具体实例说明
硬盘主引导扇区MBR
字段 长度 1 byte 值 80
字段名和定义
引导指示符(Boot Indicator)指明该 分区是否为活动 分区 开始磁头 开始扇区只用了 0~5 位。后面的 两位被开始柱面 字段所使用 开始柱面 系统ID(system ID) 定义了分区 的类型 结束磁头 结束扇区 结束柱面 相对扇区数 该分区 中的扇区总数
1、自诊断程序：通过读取CMOS RAM中的内容识别硬件配置，并对 其进行自检和初始化； 2、CMOS设置程序：引导过程中，用特殊热键启动，进行设置后，存 入CMOS RAM中； 3、系统自举装载程序：在自检成功后将磁盘相对0道0扇区上的引导 程序装入内存，让其运行以装入DOS系统； 主要I／O设备的驱动程序和中断服务
1byte 6位
01 01
10位 1byte
00 07
1byte 6位 10位 4 byte 4 byte
FE FF 7B 000000 3F 00DAA8 3D
硬盘主引导扇区MBR
虚拟MBR
通过主引导记录定义的硬盘分区表，最多只能描述4个分区，如果想要多于4个分区，就要突破主引 导记录中的分区描述方法，这在某些时候也是突破硬盘容量限制的一种方法。微软为了解决这个问 题,采用了虚拟MBR. 根据主MBR我们只能找到扩展分区的起始位置.那么我们如何让操作系统启动 时找寻和引导所有的扩展分区里的所有逻辑分区,这里就是用到了我们所要讲的虚拟MBR(扩展引导 记录)
硬盘基础知识大全
硬盘基础知识大全硬盘是一个计算机系统的数据存储中心，我们运行计算机时使用的程序和数据目前绝大部分都存储在硬盘上。
下面就让小编带你去看看关于硬盘基础知识大全，希望能帮助到大家!关于硬盘的一些基础认识机械硬盘的认识硬盘的组成硬盘的物理结构磁头主要任务完成盘片上数据的读写操作，盘片在高速旋转时，磁头会飞行在盘面上方，而不是接触盘面每个盘片的两面都会有一个磁头，当然有的硬盘有可能只有一个磁头，磁头的编号从0开始机械臂使磁头部件作径向移动的装置，已完成磁道变换盘片含有磁性的合金盘片，用来存取写入的数据：每张盘片的容量成为单碟容量，而硬盘的容量就是所有盘片容量的总和;由于单碟容量的限制，通常一个硬盘会含有多张盘片盘片的厚度在0.5mm左右，盘片的转速与盘片大小有关每个盘片都会有上下两面，都可以被利用来存储数据;能存储数据的盘面成为有效盘面，每个盘面都会有一个盘面好，其和磁头编号是相对应的，从0开始编号盘片的逻辑划分扇区盘片在转动时，磁头在盘面上画过的一段圆弧，称扇区，即sector扇区并不是连续的，在磁道上被划分成一段一段的，从1开始编号是硬盘最小的物理存取单位，每个扇区为512byte磁道磁盘在格式化时被划分成许多同心圆，这些同心圆叫做磁道，即track磁道从外向内从0开始编号，盘面的容量越大，包含的磁道数越多磁道是看不见的，只是盘面上一些被磁化的区域柱面所有盘面上相同编号的磁道构成的圆柱，称为柱面，即cylinder每个柱面上的磁头由上到下从0开始编号数据的读写是按照柱面进行的，而非按照盘面进行柱面是分区的最小单位柱面是所有盘片表面上到中心主轴的距离相等的磁道集合数据的读写按柱面进行，即磁头读写数据时首先在同一柱面内从“0”磁头开始进行操作，依次向下在同一柱面的不同盘面即磁头上进行操作，只在同一柱面的所有磁头全部读写完毕后磁头才转移到下一柱面。
因为选取磁头只需要通过电子切换即可，而选取柱面则必须通过机械切换。
MBR、EBR、DBR是什么非常有用的基本概念
通常情况下可以这样描述这几个概念：MBR：为计算机启动后从可启动介质上首先装入内存并且执行的代码，通常用来解释分区结构。
以硬盘为例，通常为LBA的0扇区。
EBR:自MICROSOFT推出扩展分区的概念后，扩展分区就沿用了基本分区所采用的DPT结构，为了加以区别，人们通常把扩展分区的分区表所在的扇区称为EBR、E MBR、扩展MBR或虚拟MBR.DBR：为操作系统进入文件系统以后可以访问的第一个扇区，通常用来解释文件系统，在UNIX类文件系统中，等同于SUPERBLOCK。
FAT文件系统原理一、硬盘的物理结构：硬盘存储数据是根据电、磁转换原理实现的。
硬盘由一个或几个表面镀有磁性物质的金属或玻璃等物质盘片以及盘片两面所安装的磁头和相应的控制电路组成(图1)，其中盘片和磁头密封在无尘的金属壳中。
硬盘工作时，盘片以设计转速高速旋转，设置在盘片表面的磁头则在电路控制下径向移动到指定位置然后将数据存储或读取出来。
当系统向硬盘写入数据时，磁头中“写数据”电流产生磁场使盘片表面磁性物质状态发生改变，并在写电流磁场消失后仍能保持，这样数据就存储下来了；当系统从硬盘中读数据时，磁头经过盘片指定区域，盘片表面磁场使磁头产生感应电流或线圈阻抗产生变化，经相关电路处理后还原成数据。
因此只要能将盘片表面处理得更平滑、磁头设计得更精密以及尽量提高盘片旋转速度，就能造出容量更大、读写数据速度更快的硬盘。
这是因为盘片表面处理越平、转速越快就能越使磁头离盘片表面越近，提高读、写灵敏度和速度；磁头设计越小越精密就能使磁头在盘片上占用空间越小，使磁头在一张盘片上建立更多的磁道以存储更多的数据。
二、硬盘的逻辑结构。
硬盘由很多盘片(platter)组成，每个盘片的每个面都有一个读写磁头。
如果有N个盘片。
就有2N个面，对应2N个磁头(Heads)，从0、1、2开始编号。
每个盘片被划分成若干个同心圆磁道(逻辑上的，是不可见的。
)每个盘片的划分规则通常是一样的。
硬盘原理的详细解读
文章来自/storage-module-114932.htm硬盘原理的详细解读（一）一、硬盘原理之硬盘的组成硬盘大家一定不会陌生，我们可以把它比喻成是我们电脑储存数据和信息的大仓库。
一般说来，无论哪种硬盘，都是由盘片、磁头、盘片主轴、控制电机、磁头控制器、数据转换器、接口、缓存等几个部份组成。
图1 硬盘组成图所有的盘片都固定在一个旋转轴上，这个轴即盘片主轴。
而所有盘片之间是绝对平行的，在每个盘片的存储面上都有一个磁头，磁头与盘片之间的距离比头发丝的直径还小。
所有的磁头连在一个磁头控制器上，由磁头控制器负责各个磁头的运动。
磁头可沿盘片的半径方向动作，而盘片以每分钟数千转到上万转的速度在高速旋转，这样磁头就能对盘片上的指定位置进行数据的读写操作。
图2 盘片组成图由于硬盘是高精密设备，尘埃是其大敌，所以必须完全密封。
二、硬盘原理之硬盘的工作原理硬盘在逻辑上被划分为磁道、柱面以及扇区。
图3 磁道、柱面以及扇区硬盘的每个盘片的每个面都有一个读写磁头，磁盘盘面区域的划分如图所示。
图4 磁盘盘面区域的划分磁头靠近主轴接触的表面，即线速度最小的地方，是一个特殊的区域，它不存放任何数据，称为启停区或着陆区（Landing Zone），启停区外就是数据区。
在最外圈，离主轴最远的地方是“0”磁道，硬盘数据的存放就是从最外圈开始的。
那么，磁头是如何找到“0”磁道的位置的呢？在硬盘中还有一个叫“0”磁道检测器的构件，它是用来完成硬盘的初始定位。
“0”磁道是如此的重要，以致很多硬盘仅仅因为“0”磁道损坏就报废，这是非常可惜的。
早期的硬盘在每次关机之前需要运行一个被称为Parking的程序，其作用是让磁头回到启停区。
现代硬盘在设计上已摒弃了这个虽不复杂却很让人不愉快的小缺陷。
硬盘不工作时，磁头停留在启停区，当需要从硬盘读写数据时，磁盘开始旋转。
旋转速度达到额定的高速时，磁头就会因盘片旋转产生的气流而抬起，这时磁头才向盘片存放数据的区域移动。
硬盘是如何存储数据的：硬盘的物理结构
硬盘是如何存储数据的：硬盘的物理结构提⽰：硬盘分为机械硬盘和固态硬盘这2种。
这⾥只讲解机械硬盘，固态硬盘的存储另当别论。
要想知道硬盘是如何存储数据的，就先明⽩硬盘的物理结构。
1、名称机械硬盘，由于信息载体为磁性物质，故⼜称磁盘。
2、硬盘主要结构在硬盘盒⾥⾯其实是由许许多多的圆形盘⽚、机械⼿臂、磁头与主轴马达所组成的。
3、⼯作情形实际的数据都是写在具有磁性物质的盘⽚上，⽽读写主要是通过在机械⼿臂上的磁头（head）来达成。
实际运⾏时，主轴马达让盘⽚转动，然后机械⼿臂可伸展让磁头在盘⽚上头进⾏读写的动作。
4、各主要部件说明（1）盘⽚和主马达主马达就是⼀个⼩电机，作⽤是让盘⽚转动起来。
通常数据写⼊当然就是以圆圈转圈的⽅式读写啰！对于机械硬盘，最重要的结构是这些两⾯涂有磁性材料的盘⽚，在⼯作时会以每分钟7200转的速度旋转。
盘⽚的作⽤是记录数据，在盘⽚上有序的排列了很多的⼩颗粒材料，它们都是磁性物质，可以被永久磁化和改变磁极，这两个磁极就分别表⽰了计算机⼆进制中的0和1。
由于盘⽚是转动后读写数据的，所以，当初设计就是在类似盘⽚同⼼圆上⾯切出⼀个⼀个的⼩区块，这些⼩区块整合成⼀个圆形，让机器⼿臂上的磁头去存取。
这个⼩区块就是磁盘的最⼩物理储存单位，称之为扇区（sector），那同⼀个同⼼圆的扇区组合成的圆就是所谓的磁道（track）。
扇区容量：原本硬盘的扇区都是设计成 512Byte（即0.5KB）的容量，但因为近期以来硬盘的容量越来越⼤，为了减少数据量的拆解，所以新的⼤容量硬盘已经有 4KByte（即4KB）的扇区设计！由于单⼀盘⽚的容量有限，因此有的硬盘内部会有两个以上的盘⽚喔！由于磁盘⾥⾯可能会有多个盘⽚，因此在所有盘⽚上⾯的同⼀个磁道可以组合成所谓的柱⾯（cylinder）。
数据存储在盘⽚上的⼀个个扇区中。
1）1个扇区（磁道）可存储512Bytes的数据量；2）⼀个平⾯中同⼀半径下的多个扇区共同组成了1个磁道；3）⼀个盘⽚有2个盘⾯，每个盘⾯都对应⼀个磁头，负责读写数据；4）⼀个硬盘可以有多个盘⽚；5）同⼀半径下的多个磁道共同组成了1个柱⾯。
机械硬盘和固态硬盘的工作原理和区别-文档
简单地说，NAND可以视作是由很多很多个电容器组成的集成电 路。NAND分为SLC（Single Level Cell）、MLC（Multi-Level Cell）、TLC（Trinary-Level Cell）等等（目前只有这三种）。 从名字就可以看出区别：SLC是“单层”，MLC是“双层”， TLC是“三层”。事实上可以这样理解：SLC是指分别将电容器 的充电状态（有电荷）和放电状态（无电荷）视为0和1；MLC 则是电荷全满、电荷2/3、电荷1/3、无电荷这四种状态，定义成 00、01、10、11；TLC则是又增加了几个中间值，有000至111这 八种定义。那么SLC的一个Cell（一个“电容器”）只能存储 1bit，MLC是2bit，TLC则是3bit。同时也很自然地可以明白，
AND FLASH的数据储存原理
根据NAND的物理结构，NAND是通过绝缘层存储数据的。 当你要写入数据，需要施加电压并形成一个电场，这样电子 就可以通过绝缘体进入到存储单元，此时完成写入数据。如 果要删除存储单元(数据)，则要再次施加电压让电子穿过绝 闪存的存储单元缘为层三，端从器而件离，开与存场储效单应元管。有相同的名称：源 所极以、，漏N极A和N栅D闪极存。在栅重极新与写硅入衬新底数之据间之有前二必氧须化要硅删绝除缘原层来，数用 来保护浮置栅极中的电荷不据会。泄漏。采用这种结构，使得存 储单元具有了电荷保持能力，就像是装进瓶子里的水，当你 倒入水后，水位就一直保持在那里，直到你再次倒入或倒出，
到这里你们或许要问：为什么使用固态硬盘的电脑 普遍比使 用机械硬盘的电脑反应快呢？
这是因为，系统分区在日常中进行的读写操作绝大 部分都是随机文件读写，这正是机械硬盘的软肋所 在，因为机械硬盘在这种情况下花费在寻道这件事 上的时间非常多，其他硬件不得不停下来等待。如 果你使用机械硬盘作为非系统盘，那么性能和固态 硬盘的差别不大——比如一部电影放在SSD和HDD
硬盘 结构 原理 磁道,扇区和柱面图示
硬盘结构原理磁道,扇区和柱面图示/pspio/blog/item/313592607bd09b4feaf8f865.html/blog/185252硬盘工作原理（转）硬盘结构原理磁道,扇区和柱面图示我们知道硬盘中是由一片片的磁盘组成的,大家可能没有打开过硬盘,没见过它具体是什么样.不过这不要紧.我们只要理解了什么是磁道,扇区和柱面就够了.在下图中,我们可以看到一圈圈被分成18(假设)等分的同心圆,这些同心圆就是磁道(见图).不过真打开硬盘你可看不到.它实际上是被磁头磁化的同心圆.如图可以说是被放大了的磁盘片.那么扇区就是每一个磁道中被分成若干等分的区域.相邻磁道是有间隔的,这是因为磁化单元太近会产生干扰.一个小软盘有80个磁道,硬盘嘛要远远大于此值,有成千上万的磁道.每个柱面包括512个字节。
那么什么是柱面呢?看下图,我们假设它只有3片.每一片中的磁道数是相等的.从外圈开始,磁道被分成0磁道,1磁道,2磁道......具有相同磁道编号的同心圆组成柱面,那么这柱面就像一个没了底的铁桶.哈哈,这么一说,你也知道了,柱面数就是磁盘上的磁道数.每个磁面都有自己的磁头.也就是说,磁面数等于磁头数.硬盘的容量=柱面数(CYLINDER)*磁头数(HEAD)*扇区数(SECTOR)*512B.这下你也可以计算硬盘的一些参数了.什么是簇？文件系统是操作系统与驱动器之间的接口，当操作系统请求从硬盘里读取一个文件时，会请求相应的文件系统（FAT 16/32/NTFS）打开文件。
扇区是磁盘最小的物理存储单元，但由于操作系统无法对数目众多的扇区进行寻址，所以操作系统就将相邻的扇区组合在一起，形成一个簇，然后再对簇进行管理。
每个簇可以包括2、4、8、16、32或64个扇区。
显然，簇是操作系统所使用的逻辑概念，而非磁盘的物理特性。
为了更好地管理磁盘空间和更高效地从硬盘读取数据，操作系统规定一个簇中只能放置一个文件的内容，因此文件所占用的空间，只能是簇的整数倍；而如果文件实际大小小于一簇，它也要占一簇的空间。
服务器硬盘原理
服务器硬盘原理在信息技术迅猛发展的今天，服务器作为数据处理和存储的核心设备，其性能和稳定性对于整个信息系统的运行至关重要。
而服务器硬盘作为服务器中数据存储的关键组件，其原理和技术更是值得我们深入探究。
本文将详细解析服务器硬盘的工作原理，以及相关的技术和应用。
一、服务器硬盘概述服务器硬盘，顾名思义，是专为服务器设计的硬盘。
与普通个人电脑（PC）硬盘相比，服务器硬盘在数据读写速度、容量、可靠性、功耗以及价格等方面都有着显著的不同。
服务器硬盘通常需要24小时不间断工作，处理大量数据请求，因此其设计和制造标准都远高于普通硬盘。
二、服务器硬盘的分类根据接口类型和技术标准，服务器硬盘主要分为以下几类：1. SATA硬盘：串行高级技术附件（SATA）是一种计算机总线，用于连接硬盘驱动器到主机总线适配器。
SATA硬盘在服务器中应用广泛，尤其是对于一些对性能要求不是特别高的场景。
2. SAS硬盘：串行连接SCSI（SAS）是一种点对点的串行接口，用于连接硬盘和主机系统。
SAS硬盘在性能、可靠性和扩展性方面优于SATA硬盘，适用于高性能服务器环境。
3. NVMe硬盘：非易失性存储器快速（NVMe）是一种用于连接非易失性存储器和主机系统的接口规范。
NVMe硬盘采用PCIe总线，具有极高的数据传输速率和低延迟，适用于高性能计算和存储应用。
4. SCSI硬盘：小型计算机系统接口（SCSI）是一种用于连接计算机和智能设备的并行接口。
虽然SCSI硬盘在价格上较高，但其优异的性能和稳定性使其在高端服务器市场仍有一席之地。
三、服务器硬盘的工作原理服务器硬盘的工作原理主要涉及到硬盘的物理结构、数据存储原理以及数据读写过程。
1. 硬盘的物理结构服务器硬盘的物理结构主要包括盘片、磁头、马达、接口电路和缓存等部分。
盘片是存储数据的介质，通常由铝合金或玻璃制成，表面涂有一层磁性材料。
磁头负责读写盘片上的数据，它通过马达的驱动在盘片表面高速移动。