磁盘结构作用和工作原理
磁盘结构作用拓扑图
盘面（Platters）
- 磁盘圆形盘面，一个磁盘内含有多个盘面。
- 层叠关系，每个盘面之间不会贴着。
- 第一个盘的正面成为0面，反面为1面；第二个盘正面为2面，反面为3面，以此类推。
- 第一个盘面磁头为0磁头，背面为1磁头…第二个盘正面为2磁头，反面为3磁头，以此类推。
- 一个磁头用于读写数据，盘面数和磁头数是相等的。
作用：
- 盘面主要作用于划分多个扇区用来存放数据。
磁头（head）
- 磁头放置在盘面的上面与下面，磁头不会触碰到盘面本身的，每个盘面会有两个磁头，称为读写磁头，可以对数据进行读写。磁头是硬盘中对盘片进行读写工作的工具。硬盘在工作时，磁头通过感应旋转的盘片上磁场的变化来读取数据；通过改变盘片上的磁场来写入数据。为避免磁头和盘片的磨损，在工作状态时，磁头悬浮在高速转动的盘片上方，而不与盘片直接接触，只有在电源关闭之后，磁头会自动回到在盘片上的固定位置（称为着陆区，此处盘片并不存储数据，是盘片的起始位置）。
作用：
- 磁头是在盘面中起到读写数据的作用。
扇区（Sector）
- 每个磁道上可以存储数KB的数据，但计算机并不需要一次读写这么多数据。在这一这基础上，又把每个磁道划分成若干弧段， 每段称为一个扇区。磁盘驱动器在向磁盘读取和写入数据时，要以扇区为单位。
- 扇区是分布在盘面的数据分割区，以扇形区分，一个盘面可分多个扇区，扇区大小可根据系统自定义规划。
- 扇区是硬盘上存储的物理单位，每个扇区可存储128×2N次方（N＝0,1,2,3）字节的数据。
- 从DOS时代起，每扇区是128×22＝512字节，现在已经成了业界不成文的规定，也没有哪个硬盘厂商试图去改变这种约定。
- 即使计算机只需要硬盘上存储的某个字节，也须一次把这个字节所在的扇区中的全部512字节读入内存，再选择所需的那个字节。
- 扇区的编号是从1开始，而不是0
- 为了对扇区进行查找和管理，需要对扇区进行编号，扇区的编号从0磁道开始，起始扇区为1扇区，其后为2扇区、3扇区……，0磁道的扇区编号结束后，1磁道的起始扇区累计编号，直到最后一个磁道的最后一个扇区（n扇区）。例如，某个硬盘有1024个磁道，每个磁道划分为63个扇区，则0磁道的扇区号为1~63，1磁道的起始扇区号为64最后一个磁道的最后一个扇区号为64512。
作用：
- 扇形主要用来存放系统数据。
磁道（Track）
- 每个盘片的每个盘面被划分成多个狭窄的同心圆环，数据就是存储在这样的同心圆环上，我们将这样的圆环称为磁道每个盘面可以划分多个磁道。
- 在每个盘面的最外圈，离盘心最远的地方是“0”磁道，向盘心方向依次增长为1磁道，2磁道，等等。硬盘数据的存放就是从最外圈开始。
作用：
- 磁道是磁头访问盘面扇区的隧道，磁盘转起后磁头读取扇区内的数据。
柱面（Cylinder）
- 离盘心最远的磁道为0磁道，依此往里为1磁道，2磁道，3磁道…，不同面上相同磁道编号则组成了一个圆柱面，即所称的柱面。
- 硬盘数据的读写是按柱面进行，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，只有在同一柱面所有的磁头全部读写完毕后磁头才转移到下一柱面，因为选取磁头只需通过电子切换即可 ，而选取柱面则必须通过机械切换。电子切换比从在机械上磁头向邻近磁道移动快得多。因此，数据的读写按柱面进行，而不 按盘面进行。 读写数据都是按照这种方式进行，尽可能提高了硬盘读写效率。
簇（Cluster）
- 将物理相邻的若干个扇区称为了一个簇。操作系统读写磁盘的基本单位是扇区，而文件系统的基本单位是簇。每个簇只能由一个文件占用，即使这个文件中有几个字节，决不允许两个以上的文件共用一个簇，否则会造成数据的混乱。这种以簇为最小分配单位的机制，使硬盘对数据的管理变得相对容易，但也造成了磁盘空间的浪费。在Windows下，随便找个几字节的文件，在其上面点击鼠标右键选择属性，看看实际大小与占用空间两项内容，如大小：15字节 (15 字节)， 占用空间：4.00 KB (4096 字节)。这里的占用空间就是你机器分区的簇大小，因为再小的文件都会占用空 间，逻辑基本单位是4K，所以都会占用4K。簇一般有这几类大小 4K，8K，16K，32K，64K等。簇越大存储性能越好，但空间浪费严重。簇越小性能相对越低，但空间利用率高。NTFS格式的文件系统簇的大小为4K。
硬盘读写数据的过程
现代硬盘寻道都是采用CHS(Cylinder Head Sector)的方式，硬盘读取数据时，读写磁头沿径向移动，移到要读取的扇区所在磁 道的上方，这段时间称为寻道时间(seek time)。因读写磁头的起始位置与目标位置之间的距离不同，寻道时间也不同。目前硬盘一 般为2到30毫秒，平均约为9毫秒。磁头到达指定磁道后，然后通过盘片的旋转，使得要读取的扇区转到读写磁头的下方，这段时间称 为旋转延迟时间(rotational latencytime)
- 一个7200（转/每分钟）的硬盘，每旋转一周所需时间为60×1000÷7200=8.33毫秒，则平均旋转延迟时间为8.33÷2=4.17毫秒（平均情况下，需要旋转半圈）。平均寻道时间和平均选装延迟称为平均存取时间。
- 硬盘的容量计算公式：硬盘容量=盘面数×柱面数×扇区数×512字节
磁盘读写数据所花费的时间
在了解了硬盘的基本原理之后，不难推算出，磁盘上数据读取和写入所花费的时间可以分为三个部分。
- 寻道时间
所谓寻道时间，其实就是磁臂移动到指定磁道所需要的时间，这部分时间又可以分为两部分：
寻道时间=启动磁臂的时间+常数*所需移动的磁道数
其中常数和驱动器的的硬件相关，启动磁臂的时间也和驱动器的硬件相关 - 旋转延迟
旋转延迟指的是把扇区移动到磁头下面的时间。这个时间和驱动器的转数有关，我们通常所说的7200转的硬盘的转就是这个。平均旋转延迟=1/(2 * 转数每秒)，比如7200转的硬盘的平均旋转延迟等于1/2 * 120≈4.17ms。旋转延迟只和硬件有关。 - 传输时间
传输时间指的是从磁盘读出或将数据写入磁盘的时间。这个时间等于：所需要读写的字节数/每秒转速*每扇区的字节数
硬盘与软盘的扇区编号
硬盘在进行扇区编号时与软盘有一些区别，在软盘的一个磁道中，扇区号一次编排，即1、2、3…n扇区。由于硬盘的转速较高，磁头在完成某个扇区数据的读写后，必须将数据传输到微机，这需要一个时间，但是这时硬盘在继续高速旋转，当数据传输完成后，磁头读写第二个扇区时，磁盘已经旋转到了另外一个扇区。因此在早期硬盘中，扇区号是按照某个间隔系数跳跃编排的。比 如，2号扇区并不是1号扇区后的按顺序的第一个，而是第八个，3号扇区又是2号扇区后的按顺序的第八个，依此类推，这个“八”称为 交叉因子。
硬盘驱动器如何工作？
交互式3D模型说明硬盘驱动器如何磁性存储信息
