1、磁盤基礎知識

1.1 磁頭

磁頭是利用氣流漂浮在盤片上，并沒有接觸到盤片，因而可以在各軌間高速來回移動，但如果磁頭距離盤片太高，讀取的信號就會太弱；太低又會磨到盤片表面，所以盤片表面必須相當光滑平整，任何異物和塵埃均會使得磁頭摩擦到表面而造成數據永久性損壞。

硬盤讀寫磁頭為了能在磁盤表面高速來回移動讀取數據，則需漂浮在磁盤表面上，但是不能接觸，接觸就會造成劃傷。實現這種技術，完全是靠磁盤旋轉時，在盤片上空產生氣流，利用空氣動力學使磁頭懸浮于磁片上空。

磁盤每個時刻只允許一個磁頭來讀寫數據，也就是說，不管盤體內盤片和磁頭再多，也不可能提高硬盤的吞吐量和IO性能，只能提高容量。

1.2 盤面

硬盤的每一個盤片都有兩個盤面，即上、下盤面；每個盤面都能利用，都可以存儲數據。

盤面號從上到下的順序從0開始依次編號。

每個盤片的每個面都有一個對應的讀寫磁頭，磁頭起初停在盤片的最內圈，這是一個特殊區域，它不存放任何數據，稱為啟停區或著陸區，啟停區外就是數據區。

在最外圈，離主軸最遠的地方是0磁道(track)，硬盤數據的存放就是從最外圈開始的。

0磁道存放著用于操作系統啟動所必需的程序代碼，因為PC啟動后BIOS程序在加載任何操作系統或其它程序時，總是默認從磁盤的0磁道讀取程序代碼來運行。

1.3 磁道

磁盤在格式化時被劃分為許多同心圓，這些同心圓軌跡叫做磁道。

磁道從最外圈向內圈從0開始順序編號。

這些同心圓磁道不是連續記錄數據，而是被劃分成一段段的圓弧。

在同樣的轉速下，外圈在相同的時間段里，劃過的圓弧長度要比內圈劃過的圓弧長度大，因此外圈數據的讀寫要比內圈塊。

每段圓弧叫做一個扇區，扇區從1開始編號，每個扇區中的數據作為一個單元同時讀出或寫入，是讀寫的最小單位；不可能發生讀寫半個或者四分之一個這種小于一個扇區的情況，因為磁頭只能定位到某個扇區的開頭或者結尾，而不能在扇區內部定位。所以，一個扇區內部的數據是連續流式記錄的。

劃分磁道和扇區的過程，叫做低級格式化，通常在硬盤出廠時就已經格式化完畢了；相對于低級格式化來說，高級格式化指的對磁盤上所存儲的數據進行文件系統的標記，而不是對扇區和磁道進行磁化標記。

1.4 柱面

所有盤面上的同一編號的磁道，在豎直方向上構成一個圓柱，通常稱作柱面。

每個圓柱上的磁頭由上而下從0開始編號。

數據的讀寫按柱面進行，即磁頭讀寫數據時首先在同一柱面內從0磁頭開始進行操作，依次向下在同一柱面的不同盤面(磁頭)上進行操作；只有在同一柱面所有的磁頭全部讀寫完畢后磁頭才轉移到下一柱面，因為選取磁頭只需通過電子切換即可，而選取柱面則必須通過機械切換，即尋道。

電子切換相當快，比使用機械將磁頭向鄰近磁道移動要快得多，所以數據的讀寫按柱面進行，而不按盤面進行。也就是說，一個磁道寫滿數據后，就在同一柱面的下一個盤面來寫。一個柱面寫滿后，才移到下一個柱面開始寫數據，這樣可以減少尋道的頻繁度。

1.5 扇區

將每個環形磁道等距離切割，形成等長度的圓弧，每個圓弧就是一個扇區。 

劃分扇區的目的是為了使數據存儲更加條理化，就像一個大倉庫要劃分更多的房間一樣。每個扇區可以存放512B的數據和一些其它數據。

一個扇區有兩個主要部分：存儲數據地點的標識符和存儲數據的數據段。

扇區頭標包括組成扇區三級地址的三個數字：

(1) 扇區所在的柱面(磁道)

(2) 磁頭編號

(3) 扇區在磁道上的位置，即扇區號

柱面(Cylinder)、磁頭(Head)和扇區(Sector)三者簡稱CHS，所以扇區的地址又稱為CHS地址。

磁頭通過讀取當前扇區的頭標中的CHS地址，就可以知道當前是處于盤片上的哪個位置，比如內圈還是外圈，哪個磁頭正在讀寫(同一時刻只能有一個磁頭在讀寫)等。

CHS編址方式在早期的小容量硬盤中非常流行，但是目前的大容量硬盤的設計和低級格式化方式已經有所變化，所以CHS編址方式已不再使用，而轉為LBA編址方式。LBA編址方式不再劃分柱面和磁頭號，這些數據由硬盤自身保留，而硬盤對外提供的地址全部為線性的地址，即LBA地址。

所謂線性，指的是把磁盤想象成只有一個磁道，這個磁道是無限長的直線，扇區為這條直線上的等長線段，從1開始編號，直到無限遠。

1.6 基于CHS編址方式的磁盤最大容量

柱面數cylinders表示硬盤盤片每一面上有多少條磁道，最大為1023(用10個二進制位存儲)。

磁頭數heads表示硬盤總共有幾個磁頭，也就是幾個盤面，最大為255(用8個二進制位存儲)。

扇區數sectors表示每一條磁道上有多少扇區，最大為63(用6個二進制位存儲)。

每個扇區一般是512B，目前很多大型磁盤陣列所使用的硬盤，由于陣列控制器需要做一些諸如校驗信息之類的特殊存儲，這些磁盤都被格式化為每扇區520B。

如果按照每扇區512B來計算，磁盤最大容量為1023*255*63*512B/(1024*1024)=8024MB，這就是所謂8GB容量限制的原因。

磁盤驅動器內怎樣放下255個磁頭呢？這是不可能的。目前的硬盤一般可以有1盤片、2盤片或者4盤片，這樣就對應著2、4磁頭或者8磁頭。那么這樣算來，硬盤實際容量一定小于8GB了？顯然不是這樣的，所謂255個磁頭，這只是一個邏輯上的說法。而每條磁道上真的最多只有64個扇區么？當然也不是，一條磁道上實際的扇區數遠大于64，這樣就分攤了磁頭數實際少于255個所產生的“容量減小”。CHS編址方式沿襲了老的傳統，不愿意去作修改導致的；而這種沿襲達到了極限之后，最終導致LBA編址方式替代了CHS編址方式。

頭標中還包括一個字段，其中有顯示扇區是否能可靠存儲數據，或者是已發現某個故障因而不宜使用的標記。有些硬盤控制器在扇區頭標中還記錄有指示字，可在原扇區出錯時指引磁頭跳轉到替換扇區或磁道。最后扇區頭標以循環冗余校驗CRC值作為結束，以供控制器檢驗扇區頭標的讀出情況，確保準確無誤。

系統在磁盤上寫入信息時，寫滿一個磁道后會轉到同一柱面的下一個磁頭，當柱面寫滿時，再轉向下一柱面。從同一盤面的一個磁道轉到另一個磁道，也就是從一個柱面轉到下一個柱面，這個動作叫做換道。

本文參考引用了<<大話存儲Ⅱ—存儲系統架構與底層原理極限剖析>>