「HDD」- 硬盘盘片的结构

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内容简介

我们为什么要整理这篇笔记呢?为了理解硬盘盘片的组成结构。在理解磁盘盘片结构后,有助于我们理解磁盘命令,如fdisk(8)等,中使用的术语;有助于我们理解数据在磁盘中的分布方式;可以增强我们进行“高逼格”磁盘操作的自信心;理解在进行某些磁盘操作时发生哪些动作。所以说还是有必要的理解磁盘盘片结构。

该笔记将介绍:磁盘盘片结构,并简单介绍磁盘组成结构(我们的关注重点为磁盘盘片结构)。

盘片的物理组成

盘片(PLATTER)为圆形金属盘,安装在硬盘内部的主机电轴上。部分硬盘包含多个盘片,以在有限空间内提供更多数据存储。

盘片有由铝(或玻璃)基板做成的芯,覆有氧化铁或钴合金制成的薄层。在基板的两侧,通过特别的制造技术沉积很薄的涂层,这个薄涂层就是数据存储的地方,称为介质层。当磁介质应用到基板表层时,会涂有薄润滑的保护层,以保护介质层。这复杂的三层介质如下:

基板(底层材料)

基板(底层材料)用于形成磁盘的形状,也是介质层沉积的地方,除此之外无特殊用途。通常使用铝合金作为盘片的基板,在早期很成功。随着技术进步,针头与盘片距离缩短,盘片转速更高,因此需要新材料来替代铝合金。玻璃盘片用来替代铝制盘片,它们更加稳定、质量更好、盘片更薄。

介质层

基板用于形成磁盘的形状,而介质层则沉积在基板上。它是应用在基板表面的磁性材料薄涂层,也是数据保存的地方,其厚度仅壹英寸的百万分之几。

采用“特殊技术”将磁性材料沉积在基板上。基板两面都涂有该薄涂层,通常通过称为磁控溅射的真空蒸镀(我们也不懂,看着翻译的)。另外壹种方法是电镀法,类似于用在电镀饰品中的过程。

注意,盘片的两面都涂有介质层,也就是说盘片的两面都可以存储数据。(注意,这点会影响我们对其他内容的理解)

保护层

在介质层上,涂有超薄、防护的、润滑的保护层。它用于保护磁盘免于由于意外磁头接触“磁头碰撞”异物进入磁盘而带来的损坏。

盘片的特定结构

为了维护有组织的盘片以及取回数据,盘片被组织成“特定结构”。这种“特定结构”不是盘片的物理组成,而是逻辑划分方法。这些特定结构包括轨道(Track)、扇区(Sector)、簇(Cluster)。

轨道(Track)、磁柱(Cylinder)

每个盘片被分成数千个紧凑的同心圆,像树的年轮,称为轨道(Track)。保存在磁盘中的所有信息,都记录在轨道中。轨道值在最外侧从零开始,推移到最内测。每个轨道可以容纳大量数据。

轨道是磁盘驱动器中数据的物理分区。在驱动器中单个碟片上的轨道数量恰好等于驱动器的磁柱数量。

一个磁盘有多少轨道?这个完全取决于厂商对硬盘的布局。
How many tracks does a modern harddisk have?
number of tracks

磁柱(Cylinder),由多个盘片上的“相同位置”(相同轨道值)的轨道组成,它是磁盘分区的最小单位。

扇区(Sector)

轨道被分割成数千个很小的单元,称为扇区(Sector)。在硬盘上,扇区是数据存储的基本单元,每个扇区可容纳数据超过512字节。少许附加字节用于控制结构与错误校验。

大小:传统的硬盘是一个扇区是512字节,在 CD-ROM 中是2048字节,在新一点的硬盘中使用 4096 字节的扇区。

扇区的组成:在现代的磁盘中,每个物理扇区由两部分组成:
1)头部,包含驱动器和控制器使用的信息。
2)数据区域,用于保存数据。我们常说“扇区为 512 字节”,只是指扇区的数据区域。

簇(Cluster)

在硬盘上,每个分区细分为簇(Cluster)。簇是在硬盘上存储的最小的可能单元。簇大小取决于两样东西:分区大小;在分区上的文件系统。将扇区组织在壹起形成簇。

其他内容

容量计算

因此「机械磁盘」的容量计算公式是:
1)碟片扇区数 * 扇区容量 * 碟片数
2)磁盘读/写磁头数量 * 每个磁头负责的磁柱数量 * 每个磁柱所含有的磁区数量 * 磁区容量

每个「Partition entry」是16字节,它的单位是扇区,每个扇区512字节,因此总字节数就是:512 x 2 ^ 16 x 8
在 PC XT 时代的硬盘技术产品,分区表使用柱面、磁头、扇区(CHS寻址)单元细分存储介质。这些值不再与现代磁盘驱动器中的名称相对应,也与其他设备无关,例如固态驱动器,这些设备实际上没有圆柱或磁头。

参考文献

Wikipedia/Track (disk drive)
Wikipedia/Data cluster
Wikipedia/Disk sector
Physical structure of a hard disk – Master partition table step by Part 1
“blocks” column in output of fdisk
鸟哥的linux私房菜/Linux 磁盘与硬件管理/物理组成