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机械硬盘的组成(基本概念)

机械硬盘的组成(基本概念)

作者: jerrik | 来源:发表于2019-08-02 17:01 被阅读0次

本文聚焦的是机械硬盘,即传统的电机驱动的大容量磁盘。像固态硬盘都是基于集成电路,这里不会做延伸。

一、组成部分

一个机械硬盘由下面五个部分组成(这里只包含核心部分,像金属介质、磁化材料不会涉及)

  • 盘片
  • 磁头
  • 磁道
  • 扇区
  • 柱面

二、盘片

硬盘中一般会有多个盘片组成,每个盘片包含两个面,每个盘面都对应地有一个读/写磁头。受到硬盘整体体积和生产成本的限制,盘片数量都受到限制,一般都在5片以内,但随着机械硬盘越来越大,盘片也有上百的,具体数量取决于硬盘厂商。盘片的编号自下向上从0开始,如最下边的盘片有0面和1面,再上一个盘片就编号为2面和3面。


image.png

三、扇区、磁道

下图显示的是一个盘面,盘面中一圈圈灰色同心圆为一条条磁道,从圆心向外画直线,可以将磁道划分为若干个弧段,每个磁道上一个弧段被称之为一个扇区(图践绿色部分)。扇区是磁盘的最小组成单元,通常是512字节。(由于不断提高磁盘的大小,部分厂商设定每个扇区的大小是4096字节)


image.png

四、磁头、柱面

硬盘通常由重叠的一组盘片构成,每个盘面都被划分为数目相等的磁道,并从外缘的“0”开始编号,具有相同编号的磁道形成一个圆柱,称之为磁盘的柱面。柱面,其实是个“虚”的东西!它是分开的。物理上不是一体的。只是在空间上,它类似于一个桶的桶壁一样。磁盘的柱面数与一个盘面上的磁道数是相等的。由于每个盘面都有自己的磁头,因此,盘面数等于总的磁头数。 如下图


image.png

五、磁盘容量计算

存储容量 = 磁头数 × 磁道(柱面)数 × 每道扇区数 × 每扇区字节数
图3中磁盘是一个 3个圆盘6个磁头,7个柱面(每个盘片7个磁道) 的磁盘,图3中每条磁道有12个扇区,所以此磁盘的容量为:
存储容量 6 * 7 * 12 * 512 = 258048
每个磁道的扇区数一样是说的老的硬盘,外圈的密度小,内圈的密度大,每圈可存储的数据量是一样的。新的硬盘数据的密度都一致,这样磁道的周长越长,扇区就越多,存储的数据量就越大。

六、磁盘读取响应时间

寻道时间:磁头从开始移动到数据所在磁道所需要的时间,寻道时间越短,I/O操作越快,目前磁盘的平均寻道时间一般在3-15ms,一般都在10ms左右。
旋转延迟:盘片旋转将请求数据所在扇区移至读写磁头下方所需要的时间,旋转延迟取决于磁盘转速。普通硬盘一般都是7200rpm,慢的5400rpm。
数据传输时间:完成传输所请求的数据所需要的时间。
小结一下:从上面的指标来看、其实最重要的、或者说、我们最关心的应该只有两个:寻道时间;旋转延迟。
读写一次磁盘信息所需的时间可分解为:寻道时间、延迟时间、传输时间。为提高磁盘传输效率,软件应着重考虑减少寻道时间和延迟时间。

总结

虽然知道了机械硬盘的大致组成结构,但是要回答下面几个问题,还是比较难的,需要进行更深入的研究:

  1. 磁盘柱面是用来干嘛的?
  2. 磁盘转速高为啥会读取文件更快呢? 转速越高,寻道时间就越短?
  3. 操作系统是如何确定一个文件存在在多个扇区的? 根据(柱面,盘面号,扇区号)来唯一确认一块存储?

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