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带你一起学习硬盘的物理结构与磁盘分区原理

2020-1-11 17:08| 发布者: 家电维修网| 查看: 172| 评论: 0

摘要: 硬盘的物理结构首先简单认识一下硬盘的物理结构，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 ...

硬盘的物理结构

首先简单认识一下硬盘的物理结构，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。

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。

磁盘的容量：磁头数 × 磁道(柱面)数 × 每道扇区数 × 每扇区字节数。

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
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
柱面(cylinder)数：同磁道数量
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
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，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)

CHS模式：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)

LBA编址方式：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。

磁盘分区原理

装过系统的人都知道必须要分区后才能安装系统，形象点的说比如Windows里C:、D:之类的东西。如果你要问硬盘为什么要分区，首先从使用习惯上来讲，我们不希望数据杂乱无章堆积在一起，其次如果不分区，如何才能在一块硬盘上使用不同的文件系统(下面讲到)呢，学院派的说法是：数据安全和性能考虑。

分区

先要说硬盘中最最重要的第一扇区，因为整块硬盘的重要信息都在这里：

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