硬盘的结构与工作原理

一口Linux

1. 机械硬盘的结构
机械硬盘（HDD，Hard Disk Drive）是一种数据存储设备，采用机械运动来读取和写入数据。它由一个或多个盘片组成，每个盘片正反面都有磁头负责读写数据。机械硬盘通常通过磁头臂移动到不同的磁道位置来访问数据，而盘片则通过主轴电机旋转以实现数据读写。但是机械硬盘的具体工作原理需要进一步了解，才能更好地理解机械硬盘的内部结构。
1.1 机械硬盘的盘面
机械硬盘的盘面由盘片、磁道、扇区、簇组成。

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盘片（Platters）：
    盘片是机械硬盘的核心组件，通常是由金属或玻璃材料制成的圆形碟片，盘片的正反两面会涂有磁性物质。硬盘的每一个盘片都有两个盘面（Side），即上下盘面，一般每个盘面都会利用，都可以存储数据，成为有效盘片，也有极个别的硬盘盘面数为单数。每一个这样的有效盘面都会有盘面号，按顺序从上至下从“0”开始依次编号。在硬盘系统中，盘面号又叫磁头号，因为每一个有效盘面都有一个对应的读写磁头。一个硬盘中通常有多个盘片（2~6个不等）堆叠排列。每个盘片的上下两面都可以用于读写数据。盘片以高速（如 5400 rpm 或 7200 rpm）旋转。

磁道（Tracks）：
   磁盘在格式化时被划分成许多同心圆，这些同心圆轨迹叫做磁道（Track）。磁道从外向内从0开始顺序编号。每一个盘面有300～1024个磁道，新式大容量硬盘每面的磁道数更多。每个磁道又被划分为若干个扇区，而信息以脉冲串的形式记录在这些轨迹中。

扇区（Sectors）：
    在磁盘里的磁道上等分出若干个弧段，这些弧段便是磁盘的扇区，每个扇区可以存放512个字节或4KB（通常情况下是512字节），磁盘驱动器在向磁盘读取和写入数据时，要以扇区为单位。通常扇区与扇区之间也有一定间隔（逻辑上的间隔，物理上没有任何间隔，但是每个扇区的开头都有一个同步信息，外围电路可以用来判断一个扇区的开始）

簇(Cluster)：
    将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。簇是操作系统（如 Windows）分配的最小逻辑存储单位，由一个或多个连续的扇区组成。
简单比喻（便于理解）

盘片：书的每一页

磁道：一页上的每一行

扇区：一行中的每个词

簇：你每次读书最小的一段，比如“一个句子”或“一行半”——即使你只需要一个词，也必须读整个句子。
1.2 机械硬盘（ H D D ）的柱面、磁头、磁头臂说明：

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柱面(Cylinder)：
柱面是所有盘片中，相同半径的磁道在垂直方向上的集合。

磁头（Read/Write Head）：
    磁头是用于读取和写入数据的装置，一般盘片的上下都有磁头，位于磁头臂上，每个磁头上都有读和写的操作装置。

磁头臂（Actuator Arm）：
    磁头臂是支持磁头的可移动臂，通过电动机或电磁力控制，可以使磁头在盘片上移动到不同的磁道位置。
1.3 机械硬盘（ H D D ）的主轴电机、控制电路说明：

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主轴电机（Spindle Motor）：
    主轴电机用于旋转盘片，使其以高速旋转。通常，机械硬盘的转速为5400转/分钟、7200转/分钟或更高。

控制电路（Controller Board）：
    控制电路是机械硬盘的核心电子部分，负责管理数据的读取和写入、调整磁头臂的位置、控制盘片旋转等操作。
2. 机械硬盘的寻址方式
2.1 CHS 寻址方式：
CHS寻址模式将硬盘划分为磁头（Heads）、柱面(Cylinder)、扇区(Sector)。
    磁头(Heads)：
    每张磁片的正反两面各有一个磁头，一个磁头对应一张磁片的一个面。因此，用第几磁头就可以表示数据在哪个磁面。
    柱面(Cylinder)：
     所有磁片中半径相同的同心磁道构成“柱面"，意思是这一系列的磁道垂直叠在一起，就形成一个柱面的形状。简单地理解，柱面数=磁道数。
    扇区(Sector)：
        将磁道划分为若干个小的区段，就是扇区。虽然很小，但实际是一个扇子的形状，故称为扇区。每个扇区的容量为512字节。

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CHS寻址的最大容量由三个参数决定：
    磁头数最大为255 (用 8 个二进制位存储)。从0开始编号。
    柱面数最大为1023(用 10 个二进制位存储)。从0开始编号。
    扇区数最大数 63(用 6个二进制位存储)。从1始编号。
所以CHS寻址方式的最大寻址范围为：
    255 * 1023 * 63 * 512 / 1048576 = 7.837 GB ( 1M =1048576 Bytes )
或硬盘厂商常用的单位：
    255 * 1023 * 63 * 512 / 1000000 = 8.414 GB ( 1M =1000000 Bytes )
? 缺点：

局限性强：BIOS 和硬盘接口存在寻址上限（如最多 1024 柱面、16 磁头、63 扇区）

不利于大容量硬盘，故逐渐淘汰。
2.2 LBA 寻址方式：
将整个硬盘看作一个连续的扇区数组，每个扇区都有一个唯一编号，从 0 开始递增。

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? 举例说明：假设：

每个扇区为 512 字节

LBA 号为 2048，则表示硬盘第 2048 个扇区（起始地址为：2048 × 512 字节）
LBA寻址方式的最大数据容量：
LBA（逻辑块地址，Logical Block Addressing）寻址方式的最大数据容量，取决于两个核心参数：

LBA编号的最大值（即最大可寻址扇区数）

每个扇区的大小（一般是 512 字节或 4096 字节）
?? 最大支持容量（按扇区大小分别计算）：? 1. 使用 512 字节扇区：

= 281,474,976,710,656 × 512 字节≈ 144,115,188,075,855,872 字节≈ 128 PB（Petabytes）? 2. 使用 4 KB 扇区（高级格式）：

= 281,474,976,710,656 × 4096 字节≈ 1,152,921,504,606,846,976 字节≈ 1 EB（Exabyte）以上?? 总结对比表：对比项CHS 寻址LBA 寻址方式柱面 + 磁头 + 扇区线性编号扇区表示层次与硬盘物理结构密切相关与硬盘物理结构无关地址上限有较多限制（如 BIOS 的 504MB 限制）能支持大容量（TB 级别）是否主流已淘汰（老式 BIOS/MBR 用）主流寻址方式（现代硬盘和操作系统）读取效率相对较慢更快，逻辑简单3. 硬盘的分区模式
??硬盘的分区模式主要有两种：MBR（Master Boot Record）和GPT（GUID Partition Table），它们定义了硬盘如何被划分为若干个分区，并决定了系统是否能正确识别、引导和使用这些分区。
?? 3.1 MBR 分区模式（主引导记录）? 基本概述：

诞生于 1983 年，传统 BIOS 启动的标准分区方式。

硬盘前 512 字节的扇区称为 MBR 区，包含：

主引导代码（Boot Loader）

分区表（最多只能有 4 个主分区）

分区标志（魔数）

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? 特点：项目说明最大支持容量最多 2TB（32 位 LBA + 512 字节扇区）最大分区数最多 4 个主分区（或 3 主 + 1 扩展）扩展分区支持是（通过逻辑分区链表方式）启动方式兼容 BIOS（Legacy BIOS）数据安全性没有分区备份，MBR 损坏后容易导致整个盘无法启动? 适用场景：

老主板、老系统（如 Windows XP、某些 BIOS-only 系统）

小于 2TB 的硬盘

?? 3.2 GPT 分区模式（GUID 分区表）

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? 基本概述：

GPT 是 UEFI（统一可扩展固件接口）系统的标准分区格式。

分区信息存储在磁盘的多个扇区中，具有备份能力。

每个分区都有一个全球唯一标识符（GUID）。
? 特点：项目说明最大支持容量理论上可达 9.4ZB（Zettabyte）（几乎无限）最大分区数默认最多 128 个主分区（无扩展分区）分区冗余有主分区表 + 备份分区表，增强数据可靠性启动方式支持 UEFI 启动，不兼容传统 BIOS 启动安全性更强，支持 CRC 校验、结构备份? 适用场景：

新主板、新系统（如 Windows 10/11、Linux、macOS 等）

大于 2TB 的硬盘

多系统引导场景、服务器、大容量 RAID 阵列
?? 3.3 MBR vs GPT 对比表：对比项MBRGPT最大硬盘支持2 TB9.4 ZB（几乎无限）最大主分区数4 个主分区或 3 主 + 扩展 + 逻辑分区128 个主分区（可扩展）是否支持扩展分区是否（不需要）启动方式仅 BIOS仅 UEFI（新版主板）数据安全没有备份，易受损有主备分区表，附带 CRC 检查系统支持XP、Win7（BIOS）等老系统Win10+、Linux、macOS 等分区结构位置首个扇区首尾扇区均有记录?? 3.4 判断分区模式的方法（Windows）：

打开“磁盘管理”→ 右键磁盘 → 属性 → “卷”→ 查看“分区样式”：
显示：MBR 或 GPT
[/ol]或在命令行中使用：

diskpartlist disk带有* 的“GPT”列，表示该磁盘为 GPT 格式? 3.5 总结如果你使用的是：推荐的分区模式旧主板（BIOS）、旧系统（XP等）MBR新主板（UEFI）、Win10/11等系统GPT超过 2TB 的大容量硬盘GPT（必须）多系统引导/数据安全性要求高GPT?? 博主技术交流群
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