（移动）硬盘物理结构详解

由于内存通常太小而且不能永久保存所有数据和程序，因此计算机系统必须提供外存来备份内存。现代计算机系统采用磁盘（硬盘）作为信息（程序与数据）的主要在线存储介质。换句话说，硬盘或磁盘为现代计算机系统提供大量外存。

图 1 硬盘的物理结构

在概念上，硬盘比较简单（图 1）。每个盘片为平的圆状，如同 CD 一样。普通盘片的直径为 1.8〜3.5 英寸（1 英寸=2.54 厘米）。盘片的两面都涂着磁质材料。通过在盘片上进行磁性记录可以保存信息。

读写磁头“飞行”在一个盘片的表面上方。磁头附着在磁臂上，磁臂将所有磁头作为一个整体而一起移动。盘片的表面逻辑地分成圆形磁道，再细分为扇区。同一磁臂位置的磁道集合形成了柱面。每个磁盘驱动器有数千个同心柱面，而每个磁道可能包括数百个扇区。常见磁盘驱动器的存储容量按 GB 来计算。

当使用磁盘时，驱动器电机高速旋转磁盘。大多数驱动器每秒旋转 60〜250 次，按每分钟转数（RPM）来计。普通驱动器的转速为 5400、7200、10 000 和 15 000RPM。

磁盘速度有两部分：

• 传输速率：在驱动器和计算机之间的数据流的速率。
• 定位时间或随机访问时间包括两部分，寻道时间（移动磁臂到所要柱面的所需时间）和旋转延迟（旋转磁臂到所要扇区的所需时间）。

典型的磁盘可以按每秒数兆字节的速率来传输，并且寻道时间和旋转延迟为数毫秒。

因为磁头飞行在极薄的空气垫上（以微米计），所以磁头有与磁盘表面接触的危险。虽然盘片涂有薄薄的保护层，但是磁头有时可能损坏磁盘表面。这个事故称为磁头碰撞。磁头碰撞通常无法修复，必须替换整个磁盘。

磁盘可以是可移动的，允许按需安装不同磁盘。可移动磁盘通常只有一个盘片，它保存在塑料盒内以防止不在驱动器内时被损坏。其他形式的可移动磁盘包括 CD、DVD、蓝光光盘以及称为闪存驱动器的可移动闪存设备（这是一种固态驱动器）。

磁盘驱动器通过称为 I/O 总线的一组电缆连到计算机。有多种可用总线，包括硬盘接口技术（ATA）、串行 ATA（SATA）、外部串行 ATA（eSATA）、通用串口总线（USB）、光纤通道（FC）。

数据传输总线由称为控制器的专门电子处理器来进行，主机控制器为总线的计算机端的控制器，磁盘控制器是磁盘驱动器内置的。为了执行磁盘 I/O 操作，计算机通过内存映射 I/O 端口，发送一个命令到主机控制器。接着，主机控制器通过消息将该命令送给磁盘控制器，并且磁盘控制器操作磁盘驱动器硬件，以执行命令。磁盘控制器通常具有内置缓存。磁盘驱动器的数据传输，在缓存和磁盘表面之间进行；而到主机的数据传输，则按更快速度在缓存和主机控制器之间进行。

固态磁盘

随着经济发展或技术革新，老旧技术有时按新的方式来使用，比如固态磁盘（SSD）的日益重要。

简单而言，SSD 为非易失性存储，可用作硬盘。这种技术，有多个变形，从带有电池（以允许在电源故障时维护状态）的 DRAM，到闪存技术，如单层单元（SLC）或多层单元（MLC）的芯片。

SSD 具有与传统硬盘相同的特性，但是会更可靠，因为没有移动部件；而且会更快，因为没有寻道时间或延迟。此外，其电源消耗更少。然而，与传统硬盘相比，SSD的每兆字节更昂贵，容量也更大，寿命也更短，所以用途有限。SSD的用途之一是存储数组，这可用于存储文件系统元数据以提高性能。SSD 也用于一些笔记本电脑，以便更小、更快、更节能。

因为 SSD 比磁盘驱动器要快得多，标准总线接口可能会对吞吐量造成重大限制。有些 SSD 设计成直接连到系统总线（例如，PCI）。SSD 也改变其他方面的传统计算机设计。有些系统直接使用 SSD 来替代磁盘驱动器。而其他的用 SSD 作为缓存，以便在磁盘、SSD 和内存之间移动数据，来优化性能。