[程序员应该知道的]硬盘基本知识（一）
[程序员应该知道的]硬盘基本知识（一）
2011-10-24 16:39
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首先简单认识一下硬盘的物理结构，硬盘内部的物理结构很复杂，只能从大的颗粒度去看内部的结构总体来说，硬盘结构包括：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。所有的盘片（一般硬盘里有多个盘片，盘片之间平行）都固定在一个主轴上。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很小（所以剧烈震动容易损坏），磁头连在一个磁头控制器上，统一控制各个磁头的运动。
首先简单认识一下硬盘的物理结构，硬盘内部的物理结构很复杂，只能从大的颗粒度去看内部的结构
总体来说，硬盘结构包括：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。所有的盘片（一般硬盘里有多个盘片，盘片之间平行）都固定在一个主轴上。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很小（所以剧烈震动容易损坏），磁头连在一个磁头控制器上，统一控制各个磁头的运动。磁头沿盘片的半径方向动作，而盘片则按照指定方向高速旋转，这样磁头就可以到达盘片上的任意位置了。
先上几张美图：
基本的结构就是这样子的，至于硬盘是如何进行读写的，必须要知道磁盘盘片是如何划分的？否则你只知道磁头在盘片上动来动去。
盘片上涉及的基本概念
整个硬盘上一般有很多的盘片组成，每个盘片如同切西瓜一样被“切”成一块一块的扇面，同时沿着半径的方向被划分成了很多同心圆，就是传说中的磁道，每条磁道被扇面切成很多的扇形区域叫做扇区（扇区是从磁盘读出和写入信息的最小单位，通常大小为512字节），不同盘片上的同半径磁道组成了柱面，这些都是磁盘物理上的概念，知道便可。有了这些概念，我帮便可以计算磁盘的容量：
磁头数 × 磁道(柱面)数 × 每道扇区数 × 每扇区字节数
l 磁头（head）数：每个盘片一般有上下两面，分别对应1个磁头，共2个磁头；
l 磁道（track）数：磁道是从盘片外圈往内圈编号0磁道，1磁道…，靠近主轴的同心圆用于停靠磁头，不存储数据；
l 柱面（cylinder）数：同磁道数量；
l 扇区（sector）数：每个磁道都别切分成很多扇形区域，每道的扇区数量相同；
l 圆盘（platter）数：就是盘片的数量。
硬盘上的数据定位
每个扇区可存储128×2的N次方（N＝0.1.2.3）字节的数据（一般为512B），扇区为数据存储的最小单元，从上图可知，外圈的扇区面积比内圈大，为何存储的数据量相同，这是因为内外圈使用的磁物质密度不同，但现在的硬盘已经采用内外圈同密度物质来存储数据了，以减少类似“大面积小数据”的浪费情况。（此时的内外磁道的扇区数量将不同，具体细节省略）
有了扇区（sector），有了柱面（cylinder），有了磁头（head），显然可以定位数据了，这就是数据定位(寻址)方式之一，CHS（也称3D），对早期的磁盘（上图所示）非常有效，知道用哪个磁头，读取哪个柱面上的第几扇区就OK了。CHS模式支持的硬盘容量有限，用8bit来存储磁头地址，用10bit来存储柱面地址，用6bit来存储扇区地址，而一个扇区共有512Byte，这样使用CHS寻址一块硬盘最大容量为256 * 1024 * 63 * 512B = 8064 MB(1MB = 1048576B)（若按1MB=1000000B来算就是8.4GB）
但现在很多硬盘采用同密度盘片，意味着内外磁道上的扇区数量不同，扇区数量增加，容量增加，3D很难定位寻址，新的寻址模式：LBA(Logical Block Addressing)。在LBA地址中，地址不再表示实际硬盘的实际物理地址（柱面、磁头和扇区）。LBA编址方式将CHS这种三维寻址方式转变为一维的线性寻址，它把硬盘所有的物理扇区的C/H/S编号通过一定的规则转变为一线性的编号，系统效率得到大大提高，避免了烦琐的磁头/柱面/扇区的寻址方式。在访问硬盘时，由硬盘控制器再将这种逻辑地址转换为实际硬盘的物理地址。
LBA下的编号，扇区编号是从0开始。
逻辑扇区号LBA的公式：
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。