机械硬盘结构和参数

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当我们拿到一块新硬盘（Hard Disk Drive，缩写为HDD，又叫磁盘，有时为了与固态硬盘相区分称“机械硬盘”）后，该如果使用呢？一般需要经过如下步骤：

在详解这些过程之前，我们先来了解下硬盘的结构和参数。

硬盘在碟片（或叫盘片）上下方的平整磁性表面存储和检索数字数据，数据通过离磁性表面很近的磁头由电磁流来改变极性的方式被写入到碟片上，数据也可以通过碟片被读取，原理是磁头经过碟片上下方的磁性表面时，磁性表面的磁场导致读取线圈中电气信号改变。碟片与磁头是一起被密封在硬盘驱动器内。硬盘有一个有着过滤措施的气孔，在过滤灰尘的同时又用来平衡工作时产生的热量导致的硬盘内外的气压差。

一块硬盘存取数据的工作完全都是依靠 读写磁头（read-write header） 来进行。磁头就是硬盘进行读写的“笔尖”，通过全封闭式的磁阻感应读写，通过机械手臂（可以看做是“笔杆”）将信息记录在硬盘内部的特殊介质上和从上面读取数据。

如果把硬盘磁头比喻成“笔”的形容成立，那么所谓硬盘的 蝶面（surface） 自然就是这“笔”下的“纸”。硬盘内部的磁盘有单碟片的，有双碟片的，也有多碟片的。每个 蝶片（platter） 都有上下两个蝶面，每个蝶面均对应一个读写磁头。读写磁头从上往下编号，依次为 0 号读写磁头、1 号读写磁头、2 号读写磁头、3 号读写磁头...，对应的蝶面也从上往下编号，依次为 0 面、1 面、2 面、3 面...。

扇区（sector） 是碟面上划分出来的一小片的扇形区域，代表硬盘最小的存储单位。驱动器在向碟面读取和写入数据时，要以扇区为最小单位。如果硬盘中出现了坏的扇区，数据就不能写入坏的扇区中。坏扇区通常有两种，一种是可以进行修复后正常使用的软坏扇区，这种坏的扇区，可以加以标识并完全修复。另一种则是物理坏扇区，这种类型的坏扇区通常是无法有效地进行修复的，智能通过扇区修复软件来跳过。DiskGenius是一款非常强大的扇区修复软件，在格式化和修复扇区时非常好用。

扇区大小有 512Byte 和 4k Byte（常说4k对齐就是这个4k）两种。2011年以前的硬盘物理扇区大小为512Byte，2011之后生产的硬盘的扇区大小以4k为主，磁头在蝶片上读写数据的最小单位是4k。为了兼容性，4k物理扇区的磁盘配备了512Byte转换固件（512-byte conversion firmware），目的是使4k扇区“从外边看起来”像老式的512Byte扇区一样。一个4k物理扇区的数据可以在缓存中被转换固件拆分成8个512Byte的数据块。转换固件像一个中介一样，从下层的4k物理扇区读取数据，然后拆分修改为512Byte格式数据，发送给上层的文件系统。

处在同心圆上的所有扇区组成 磁道（track） ，从外向内分别是 0 磁道、1 磁道、2 磁道等。从上图可知，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，当主轴旋转时，存入外圈的数据读写要比内圈快些，故通常数据的读写会由外向内，这是默认方式。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。

同一磁道上连续的若干扇区构成一个 块（block）/簇（cluster） 。块是操作系统中最小的逻辑存储单位，操作系统与磁盘打交道的最小单位是磁盘块。通俗的来讲，在Windows下如NTFS等文件系统中叫做簇，在Linux下如Ext4等文件系统中叫做块（block）。每个簇或者块可以包括2、4、8、16、32、64…2的n次方个扇区。

块/簇的优点如下：

类似于“块”的概念，还有一个叫做 页（page） 的虚拟单位，页是操作系统与内存通信的最小单位。

综上所述，扇区、块/簇、页区别如下：

扇区、块/簇、页的大小关系为： 扇区 <= 块/簇 <= page 。

不同蝶片上半径相等的磁道组成一个 柱面（cylinder） ，由外而内分别是 0 柱面、1 柱面、2 柱面等。

有了扇区（sector）、柱面（cylinder）和磁头（header），就可以定位数据了，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512 Byte，这样使用CHS寻址一块硬盘最大容量为256 * 1024 * 63 * 512B = 8064 MB（若按1MB=1000000B来算就是8.4GB）。

现在很多硬盘采用同密度蝶片，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。

以下是硬盘的一些主要参数。

硬盘转速的单位为 rpm（revolutions per minute，即转/每分钟），指硬盘主轴马达每分钟(带动磁蝶)的转速。硬盘蝶片由主轴马达带动、在真空封闭的环境中高速旋转，将需要存取资料的扇区带到磁头下方，马达的转速越快，等待存取记录的时间也就越短。 从理论上说，转速越快越好，因为较高的转速可缩短硬盘的平均寻道时间和实际读写时间，从而提高在硬盘上的读写速度；可任何事物都有两面性，在转速提高的同时，硬盘噪音、耗电量和发热量也越高 ，它的稳定性就会有一定程度的降低。所以说我们应该在技术成熟的情况下，尽量选用高转速的硬盘 。进入 2006 年后，5400 rpm（revolutions per minute，即转/每分钟） 的硬盘已成为历史，7200 rpm 的硬盘已成为 2006 年乃至今后一段时间的主流产品。台式机硬盘转速一般为 7200 rpm，笔记本硬盘转速也逐渐由 5400 rpm 变为了 7200 rpm。传统机械硬盘的技术近年来几乎停止不前，价格也没有太大波动，更快的固态硬盘（SSD）渐渐进入市场，但价格较贵，随着技术的不断进步，固态硬盘的成本已经不断降低而达到我们可以接受的水平。可以在装机时选择 SSD（用于安装系统和软件） + HDD（用于存储文件） 的组合方式来获得最佳的读写速度体验。

磁蝶接口有多种，大致分为ATA（又称IDE）、SATA、SCSI和SAS。若考虑外接式磁蝶，还有USB、eSATA等接口。

目前ATA（Advanced Technology Attachment）接口已经被SATA（ Serial Advanced Technology Attachment ）接口取代。SATA连接线比IDE的粗排线更窄小，有利于机箱内部的通风、速度也更快，SATA接口目前为第三代，即SATA3.0，理论带宽为6Gbit/s，SATA3.0是个人电脑磁蝶的主流接口。

SCSI（ Small Computer System Interface ）接口早期被用在工作站和大型电脑上面，后来其速度被SATA接口打败，则被SAS（Serial Attached SCSI）接口取代，SAS接口的速度比SATA更快，且SAS硬盘的转速和传输速度也比SATA更快（SAS3接口理论带宽为12Gbit/s），当然也更贵。SAS接口确实很快、还支持热插拔，许多设备连接会使用这种接口，比如磁蝶阵列卡的连接插槽。

移动硬盘显然使用的是USB接口，传统的USB2.0接口速度比较慢，理论带宽仅有60MB/S，但是最近USB3.0（带宽为5Gbit/S）接口速度有不小的提升。所以，购买移动硬盘时尽量选择USB3.0接口。

硬盘相当重要的参数之一。硬盘是由多个存储碟片组合而成，而单碟容量就是指一个存储碟所能存储的最大数据量， 硬盘存储容量 ＝ 磁头数 × 磁道(柱面)数 × 每道扇区数 × 每扇区字节数 。目前在垂直记录技术的帮助下，单碟容量已经发展到 1 TB。它的提高不仅可以带来总容量提升，有利于降低生产成本，提高工作稳定性，而且单碟容量越大，硬盘的存储密度越高，磁头在相同时间内可以读取到更多的信息，这就意味着读取速度得以提高。

平均寻道时间（average seek time）指硬盘在蝶面上移动读写磁头到指定磁道寻找相应目标数据所用的时间，单位为毫秒，有5.2ms、8.5ms、8.9ms、12ms等。当单碟容量增大时，磁头的寻道动作和移动距离减少，从而使平均寻道时间减少，加快硬盘访问速度。

缓存硬盘与外部交换数据的临时场所，一般为64MB、128MB、256MB等规格 。硬盘读/写数据时，缓存就像一个中转仓库一样，不断的写入数据、清空再写入数据。简单地说，硬盘上的缓存容量是越大越好，大容量的缓存对提高硬盘速度很有好处，不过提高缓存容量就意味着成本上升。硬盘规格相同时，一般缓存的大小随容量的增加而增加，比如西数红蝶Pro的缓存规则为：2TB容量:64MB缓存/4TB-8TB容量:128MB缓存/10TB容量:256MB缓存。

数据传输率（Datatransfer rate）也称吞吐率，它表示在磁头定位后，硬盘读或写数据的速度。硬盘的数据传输率有两个指标：

主要集成了用于调节硬盘蝶片转速的主轴调速电路、控制磁头的磁头驱动与伺服电路、读写电路、以及控制与接口电路等。除了这些保证硬盘基本功能的基础电路以外，新式的硬盘上大多都还有自己的专用电路，主要是提供 S.M.A.R.T（Self- Monitoring，Analysis and Reporting Technology 自我监测、分析和报告系统）支持和各厂商自己开发的提高可靠性的硬件技术支持。此外，电路板上还有一块类似于 BIOS 芯片作用的 ROM，其中固化的程序可以在硬盘加电以后自动执行启动主轴电机、初始化寻道、定位和自检等一系列初始化动作。该控制芯片负责数据的交换和处理，是硬盘的核心部件之一。

主流的硬盘尺寸为2.5英寸和3.5英寸。2.5英寸硬盘多用于笔记本电脑及外置硬盘盒中。采用2.5寸硬盘的外置硬盘盒一般不需外接电源。3.5英寸硬盘多用于台式机中。但采用3.5英寸硬盘的外置硬盘盒一般都需外接电源，因为耗电量超过USB的供电上限。

随着单碟1TB技术的成熟，500GB容量的硬盘已经快要逐渐推出市场，而且，硬盘的容量规格许多都是整TB为单位增加，单块硬盘容量可高达十几TB。

此外，还有电压、电流等，机械硬盘里一般3.5寸硬盘需要5V和12V电压，2.5寸硬盘只需5V电压。

主要的硬盘厂商有：

各大厂商针对不同的消费群体推出了一系列硬盘产品，差异较大。

西部数据的硬盘产品档次从低到高依次有：

希捷的硬盘产品档次从低到高依次有：

由于硬盘机械手臂上的磁头和蝶片之间的空间很小，且蝶片转速极快，如果有大的抖动或污物附着在磁头与蝶片之间就可能造成数据的损坏或整个磁蝶的损坏。

硬盘内部是无尘状态，老式硬盘使用过滤器来过滤进入硬盘的空气，填充介质为空气，不过容易受到空气影响，因此碟片之间距离要够才行。2010年后氦气封装技术量产，氦气的密度比起空气小上许多，且氦气特色就是稳定，使用他来当介质，阻力和震动相对小，因此碟片之间的距离就能缩小，所以同样的空间下能够装下更多的碟片，采用氦气封装的好处除了容量变大外，温度和耗电能够再降低，因此耐用度和稳定性能够再提升 。

另外，为了避免震动导致磁头碰撞碟片，硬盘厂商设计出了各种保护方法。目前硬盘对于地震有很好的防护力，防摔能力也大幅进步，电源关闭及遇到较大震动时磁头会立刻移到安全区（近期的硬盘也开始防范突然断电的情况）。但硬盘在通电时耐摔度会降低（旋转逆动性）、也只能温和的移动，正确的方式是通电后尽量不要振动主机，使用操作系统的关机功能来正常开关机（软关机），而不是长按主机上的开机按钮或按下强制重启按钮、甚至拔掉插头来关机，因为机械手臂需要回归原位。如果非要移动主机，尽量在完全关机硬盘主轴马达停止转动后再进行。良好的使用习惯，可以使硬盘蝶片的寿命达到数十年之久，但还其他硬盘原件的寿命往往达不到这个标准。所以，如果硬盘出现故障了，只要蝶片不损坏，就有办法恢复数据。