fedora专题

机械硬盘的内部结构浅析

机械硬盘和固态硬盘,是目前大家使用最多的两类硬盘。

我们这篇文章,先重点来介绍机械硬盘的内部结构。

想必很多小伙伴,对磁头、磁道、扇区和盘片的概念,都还是模模糊糊吧。

今天,我们就来让大家把机械硬盘看得仔仔细细、明明白白、真真切切!

【机械硬盘的外观】

我们先来看看一块机械硬盘的样子:

另一个角度,再看一下:

开开眼,再看看,稀碎的磁盘:

(纯属乱入,哈哈)

再来看看,机械硬盘盘片高速旋转起来的样子,是不是很帅:

Hard Disk Drive Inside. Structure of HDD, Spinning Platter. Move Magnetic Head by RoStRecords on Envato Elements

【机械硬盘的外观的构成】

【关于音圈马达】

顺便科普一下,音圈马达(Voice Coil Motor),是一种将电能转化为机械能的装置,并实现直线或有限摆角的运动。

下面这段小视频,便是音圈马达高速旋转时的炫酷样子:

然后,我们来看看,音圈马达是如何让磁盘360度旋转起来的:(很形象的一个示例)

【磁盘并非一片,而是很多片】

言归正传,我们来看看机械硬盘中最关键的组件:磁盘。

我们先来澄清硬盘界最大的一个误解,那就是,机械硬盘中的磁盘盘片,并不是一整片,而是多片盘片叠放而成!

我们来观察一下机械硬盘盘片的样子:

再来一个其他角度的:

最后,我们来一个最佳角度的:

我们再来看看上图中的组件拆分开的样子,会让你对机械硬盘的理解更清晰:

通过这个角度,大家可以真真切切地看出,硬盘里的内部结构了,盘片并非一片。

而且我可以很负责任地告诉你,还有一个很关键的点,磁头也非一头,而是每一个盘片的每一面都有一个磁头。

也就是说,一片盘片,有上下两个盘面,而上盘面、下盘面各有一个磁头。所以,假如一块机械硬盘,是由5个盘片组成的,那么它应该配备了10个磁头。

【硬盘里面概念多】

我们先来看看,硬盘上都有哪些重要的概念:

从上图中,我们看到了几个重要的概念:

(1)盘片:英文是Platter,一块硬盘可以由一个或多个盘片组成。一般一块硬盘的盘片数是在1个到5个之间。

(2)盘面:英文是Side,一个盘片,有上下两面,都是盘面,都可以存储数据。

(3)磁道:英文是Track,从上图中可以看到,每一个盘面,都会有很多磁道,这些磁道,是以圆心为中心的同心圆,只是它们的半径不同而已。

(4)扇区:英文是Sector,一个磁道上,有多个扇区,这些扇区,组成了一个圆(磁)圈(道)。

(5)柱面:英文是Cylinder,不同盘片上同一半径的磁道组成的圆柱面,叫做柱面。 所以说,柱面数和磁道数是相等的。

(6)磁头:英文是Head,磁头是固定在机械臂杆上的用于读写硬盘上数据的类似探针类的装置。每个盘面,都会对应一个磁头。所以盘面数等于磁头数。

我们再通过另一张图,领会一下:

仔细观察,你会发现:

(1)磁道的编号,都是从外到里,从小到大。即最外侧是0磁道。

(2)柱面的编号,亦是如此,从外到里,从小到大。

想想这是为什么呢?

揭晓答案哈,这是对于老式的磁盘来说,半径不同的磁道,其扇区的密度是不同的,外圈磁道的扇区密度小,里圈磁道的扇区密度大。

而扇区密度小,意味着每个扇区所占的面积就大,而且面积大的扇区存储数据的稳定性会更高一些。

因为编号小的柱面和磁道,往往会存储最重要的信息,比如引导程序、分区设置信息等,

而外侧的区域,面积较大,数据存储的稳定性更好,所以,磁盘都是从外侧的区域开始编号的。

好了,我们言归正传,突然学习这么多概念,会不会让你有些迷糊呢,这样,我们再放出一张图,这是一张宝图,是我目前为止看到的最直观的一张解释机械硬盘诸多概念的图啦:

大家是不是很清楚的理解了这几个概念呢。细心的小伙伴,应该会发现,这张图里,又多出了一个概念,那就是Cluster。

【Cluster的概念,其实很容易理解】

讲解Cluster之前,我们先要强调对扇区的一个认识。扇区,是一个物理实体,它是硬盘存储数据的最小单元。

而Cluster,中文叫做“簇”,“簇”是逻辑层面的概念,而非物理层面的实体。我们永远也不可能在磁盘上找到一个可以看得见摸得着的叫做“簇”的东西。

虽然簇和扇区,并非同一层面上的概念,但是为了讲解清楚,我们按不太严格的表达就是,簇是由一个或多个扇区所组成的。按严格的表达就是,簇是读写硬盘数据的最小单位,是一个或多个扇区所对应的数据量之和。

对了,还要补充一个小知识点,在Windows的FAT文件系统或NTFS文件系统中称为“簇(Cluster)”,而在Linux系统中,称之为“块(Block)”

【磁盘的度量指标 – 容量】

一块硬盘的存储容量 = 磁头数(也就是盘面数) × 磁道数(也就是柱面数) × 扇区数/磁道 × 每个扇区大小

一个扇区,通常是512字节。也有一些磁盘,为了提升其存储容量,其扇区被设置为4096字节。

【磁盘的度量指标 – 平均寻道时间】

磁头从开始移动到数据所在磁道所需的平均时间,称为平均寻道时间,英文称为 Average Seek Time。

平均寻道时间越短,说明硬盘的性能约好,读取数据越快。

对于机械硬盘来说,通常的平均寻道时间在9-10ms左右。

【磁盘的度量指标 – 硬盘转速】

硬盘转速,是指硬盘盘片在1分钟(总计60秒)的时间内的最大的旋转圈数,单位是RPM,即Revolutions Per Minute。

常见的家用硬盘的RPM有5400RPM与7200RPM两种,专业级硬盘有10000RPM,甚至15000RPM。

RPM越大,说明硬盘的读写性能越好。

【磁盘的度量指标 – 旋转延迟】

与RPM相辅相成的一个指标,是旋转延迟(Rotational Delay)。

旋转延迟,指的是从磁盘寻道结束的时刻开始,直到盘片将所需读取的数据库所在扇区旋转到磁头正下方时为止,这期间所耗费的时间间隔。

【结语】

好了,至此,我们已经把机械硬盘的几乎所有常用概念,都讲解了一遍,希望能对大家理解硬盘、OS及计算机,有所帮助:)