【正文】 frame）和超級計算機甚至會和數(shù)以百計的硬盤驅(qū)動器連接。硬盤尺寸有很多種，現(xiàn)在普遍使用的是 英寸硬盤（用于臺式機或服務器）， 英寸的硬盤基本上 用于筆記本電腦中。 1．磁盤的物理結(jié)構 一個磁盤通常由多個碟片堆疊在一個軸上構成。讀寫磁頭在盤的中心和邊緣之間做徑向移動，同時軸心進行轉(zhuǎn)動，從而能夠快速地讀寫數(shù)據(jù)。磁頭在盤片的雙面進行讀寫數(shù)據(jù)。如圖 41 所示。 圖 41 硬盤的物理結(jié)構 注：請注意區(qū)分硬盤（ hard disk）和硬盤驅(qū)動器（ hard disk drive）這兩個術語。自 1956年 IBM 推出第一臺硬盤驅(qū)動器 IBM RAMAC 350 以來，硬盤的基本結(jié)構就幾乎沒變過。它的存儲部分（碟片）和機械電路驅(qū)動部分（驅(qū)動器）從來都 沒有分離過，二者合在一起構成一個硬盤盒。嚴格地說，硬盤實際上僅指硬盤盒體里的存儲部分（即碟片），而硬盤驅(qū)動器指的則是硬盤盒體里的電路板、電機、磁頭等機械電路驅(qū)動設備。但使用者通常都習慣用硬盤來統(tǒng)稱整個硬盤盒體。 磁頭 磁頭是硬盤中最昂貴的部件，也是硬盤技術中最重要和最關鍵的一環(huán)。傳統(tǒng)的磁頭是讀寫合一的電磁感應式磁頭，但是，硬盤的讀、寫卻是兩種截然不同的操作，為此，這種二合一磁頭在設計時必須要同時兼顧到讀 /寫兩種特性，從而造成了硬盤設計上的局限。而 MR磁頭（ Magoresistive heads），即磁阻磁頭，采用的是分離式的磁頭結(jié)構：寫入磁頭仍采用傳統(tǒng)的磁感應磁頭（ MR 磁頭不能進行寫操作），讀取磁頭則采用新型的 MR 磁頭，即所謂的感應寫、磁阻讀。這樣，在設計時就可以針對兩者的不同特性分別進行優(yōu)化，以得到最好的讀 /寫性能。另外， MR 磁頭是通過阻值變化而不是電流變化去感應信號幅度，因而對信號變化相當敏感，讀取數(shù)據(jù)的準確性也相應提高。而且由于讀取的信號幅度與磁道寬度無關，故磁道可以做得很窄，從而提高了盤片密度，達到 200MB/平方 英寸，而使用傳統(tǒng)的磁頭只能達到 20MB/平方 英寸，這也是 MR 磁頭被廣泛應 用的最主要原因。目前， MR 磁頭已得到廣泛應用，而采用多層結(jié)構和磁阻效應更好的材料制作的 GMR 磁頭（ Giant Magoresistive heads） 也逐漸普及。 磁道 當磁盤旋轉(zhuǎn)時，磁頭若保持在一個位置上，則每個磁頭都會在磁盤表面劃出一個圓形軌跡，這些圓形軌跡就叫做磁道。 這些磁道用肉眼是根本看不到的，因為它們僅是盤面上以特殊方式磁化了的一些磁化區(qū)，磁盤上的信息便是沿著這樣的軌道存放的。 相鄰磁道之間并不是緊挨著的 ，這是因為磁化單元相隔太近時磁性會相互產(chǎn)生影響，同時也為磁頭的讀寫 5 帶來困難。 一張 的 英寸軟盤，一面有 80 個磁道 ，而硬盤上的磁道密度則遠遠大于此值，通常一面有成千上萬個磁道。 扇區(qū) 磁盤上的每個磁道被等分為若干個弧段，這些弧段便是磁盤的扇區(qū) ， 每個扇區(qū)可以存放 512 個字節(jié)的信息，磁盤驅(qū)動器在向磁盤讀取和寫入數(shù)據(jù)時，要以扇區(qū)為單位。 英寸的軟盤，每個磁道分為 18 個扇區(qū)。 柱面 硬盤通常由重疊的一組盤片構成，每個盤面都被劃分為數(shù)目相等的磁道，并從外緣的“0”開始編號，具有相同編號的磁道形成一個圓柱，稱之為磁盤的柱面。 磁盤的柱面數(shù)與一個盤面上的 磁道數(shù)是相等的。 由于每個盤面都有自己的磁頭，因此，盤面數(shù)等于總的磁頭數(shù) 。所謂硬盤的 CHS，即 Cylinder（柱面）、 Head（磁頭）、 Sector（扇區(qū)） ，只要知道了硬盤的 CHS 的數(shù)目，即可確定硬盤的容量， 硬盤的容量 =柱面數(shù) 磁頭數(shù) 扇區(qū)數(shù) 512B。 硬盤 的 邏輯結(jié)構 1. 硬盤參數(shù)釋疑 到目前為止 , 人們常說的硬盤參數(shù)還是古老的 CHS(Cylinder/Head/Sector)參數(shù)。那么為什么要使用這些參數(shù)，它們的意義是什么 ?它們的取值范圍是什么 ? 很久以前， 硬盤的容量還非常小的時候，人們 采用與軟盤類似的結(jié)構生產(chǎn)硬盤。也就是硬盤盤片的每一條磁道都具有相同的扇區(qū)數(shù)。由此產(chǎn)生了所謂的 3D參數(shù) (Disk Geometry). 既磁頭數(shù) (Heads)，柱面數(shù) (Cylinders)，扇區(qū)數(shù) (Sectors)，以及相應的尋址方式。 其中： 磁頭數(shù) (Heads)表示硬盤總共有幾個磁頭 ,也就是有幾面盤片 , 最大為 255 (用 8 個二進制位存儲 )； 柱面數(shù) (Cylinders) 表示硬盤每一面盤片上有幾條磁道 ,最大為 1023(用 10 個二進制位存儲 )； 編號從外圈開始，向軸方向編號，因此 最外圈為 0 柱面 。 扇區(qū)數(shù) (Sectors) 表示每一條磁道上有幾個扇區(qū) , 最大為 63(用 6 個二進制位存儲 )； 每個扇區(qū)一般是 512 個字節(jié) , 理論上講這不是必須的 ,但好像沒有取別的值的。 所以磁盤最大容量為： 255 * 1023 * 63 * 512 / 1048576 = 8024 MB ( 1MB =1048576 Bytes ) 255 * 1023 * 63 * 512 / 1000000 = 8414 MB ( 1MB =1000000 Bytes ) 硬盤廠商常用的單位 在 CHS 尋址方式中，磁頭，柱面，扇區(qū)的取值范圍分別為 【 0 到 （ Heads－ 1） 】 ， 【 0到 （ Cylinders－ 1） 】 ， 【 1 到 Sectors】 (注意是從 1 開始 )。 2. 基本 Int 13H 調(diào)用簡介 6 BIOS Int 13H 調(diào)用是 BIOS 提供的磁盤基本輸入輸出中斷調(diào)用，它可以完成磁盤 (包括硬盤和軟盤 )的復位，讀寫，校驗，定位，診，格式化等功能。它使用的就是 CHS 尋址方式， 因此最大識能訪問 8 GB 左右的硬盤 (本文中如不作特殊說明，均以 1M = 1048576 字節(jié)為單位 )。 3. 現(xiàn)代硬盤結(jié)構簡介 在老式硬盤中，由于每個磁道的扇區(qū)數(shù)相等，所以外道的記錄密度要遠低于內(nèi)道， 因此會浪費很多磁盤空間 (與軟盤一樣 )。為了解決這一問題，進一步提高硬盤容量，人們改用等密度結(jié)構生產(chǎn)硬盤。也就是說，外圈磁道的扇區(qū)比內(nèi)圈磁道多，采用這種結(jié)構后，硬盤不再具有實際的 3D 參數(shù)，尋址方式也改為線性尋址，即以扇區(qū)為單位進行尋址。 為了與使用 3D 尋址的老軟件兼容 (如使用 BIOSInt13H 接口的軟件 )， 在硬盤控制器內(nèi)部安裝了一個地址翻譯器，由它負責將老式 3D 參數(shù)翻譯成新的線性參數(shù)。這也是為 什么現(xiàn)在硬盤的 3D 參數(shù)可以有多種選擇的原因 (不同的工作模式，對應不同的 3D 參數(shù)， 如 LBA，LARGE， NORMAL)。 4. 擴展 Int 13H 簡介 雖然現(xiàn)代硬盤都已經(jīng)采用了線性尋址，但是由于基本 Int13H 的制約，使用 BIOS Int 13H 接口的程序， 如 DOS 等還只能訪問 8 G 以內(nèi)的硬盤空間。為了打破這一限制， Microsoft 等幾家公司制定了 擴展 Int 13H 標準 (Extended Int13H)，采用線性尋址方式存取硬盤， 所以突破了 8 G 的限制，而且還加 入了對可拆卸介質(zhì) (如活動硬盤 ) 的支持。 硬盤基本參數(shù) 概念 一、容量 作為計算機系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲器，容量是硬盤最主要的參數(shù)。 硬盤的容量以兆字節(jié)（ MB）或千兆字節(jié)（ GB）為單位， 1GB=1024MB。但硬盤廠商在標稱硬盤容量時通常取 1G=1000MB，因此我們在 BIOS 中或在格式化硬盤時看到的容量會比廠家的標稱值要小。 硬盤的容量指標還包括硬盤的單碟容量。所謂 單碟容量是指硬盤單片盤片的容量 ，單碟容量越大，單位成本越低，平均訪問時間也越短。 對于用戶而言，硬盤的容量 就象內(nèi)存一樣，永遠只會嫌少不會嫌多。 Windows 操作系統(tǒng)帶給我們的除了更為簡便的操作外，還帶來了文件大小與數(shù)量的日益膨脹，一些應用程序動輒就要吃掉上百兆的硬盤空間，而且還有不斷增大的趨勢。因此，在購買硬盤時適當?shù)某笆敲髦堑?。近兩年主流硬盤是 80G，而 160G 以上的大容量硬盤亦已開始逐漸普及。一般情況下硬盤容量越大，單位字節(jié)的價格就越便宜，但是超出主流容量的硬盤略微例外。 二、轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)速 (Rotational speed 或 Spindle speed)是指硬盤盤片每分鐘轉(zhuǎn)動的圈數(shù)，單位為 7 RPM。 早期 IDE 硬盤的轉(zhuǎn)速一般為 5200rpm 或 5400rpm，曾經(jīng) Seagate 的 “大灰熊 ”系列和Maxtor 則達到了 7200rpm，是 IDE 硬盤中轉(zhuǎn)速最快的。如今的硬盤都是 7200rpm 的轉(zhuǎn)速，而更高的則達到了 10000rpm、 15000rpm。 三、平均訪問時間 平均訪問時間 (Average Access Time)是指磁頭從起始位置到達目標磁道位置，并且從目標磁道上找到要讀寫的數(shù)據(jù)扇區(qū)所需的時間。 平均訪問時間體現(xiàn)了硬盤的讀寫速度，它包括了硬盤的尋道時間和等待 時間，即： 平均訪問時間 =平均尋道時間 +平均等待時間。 硬盤的平均尋道時間 (Average Seek Time)是指硬盤的磁頭移動到盤面指定磁道所需的時間。這個時間當然越小越好，目前硬盤的平均尋道時間通常在 8ms 到 12ms 之間，而 SCSI硬盤則應小于或等于 8ms。 硬盤的等待時間，又叫潛伏期 (Latency)，是指磁頭已處于要訪問的磁道，等待所要訪問的扇區(qū)旋轉(zhuǎn)至磁頭下方的時間。 平均等待時間為盤片旋轉(zhuǎn)一周所需的時間的一半 ，一般應在 4ms 以下。 四、傳輸速率 傳輸速率 (Data Transfer Rate) 硬盤的數(shù)據(jù)傳輸率是指硬盤讀寫數(shù)據(jù)的速度，單位為兆字節(jié)每秒（ MB/s）。硬盤數(shù)據(jù)傳輸率又包括了內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸率和外部數(shù)據(jù)傳輸率。 內(nèi)部傳輸率 (Internal Transfer Rate) 也稱為持 續(xù)傳輸率 (Sustained Transfer Rate)，它反映了硬盤緩沖區(qū)未用時的性能。內(nèi)部傳輸率主要依賴于硬盤的旋轉(zhuǎn)速度。 外部傳輸率（ External Transfer Rate）也稱為突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸率（ Burst Data Transfer Rate）或接口 傳輸率 ，它標稱的是系統(tǒng)總線與硬盤緩沖區(qū)之間的數(shù)據(jù)傳輸率，外部數(shù)據(jù)傳輸率與硬盤接口類型和硬盤緩存的大小有關。 五、緩存 與主板上的 高速緩存（ RAM Cache） 一樣，硬盤緩存的目的是為了解決系統(tǒng)前后級讀寫速度不匹配的問題，以提高硬盤的讀寫速度。目前，大多數(shù)硬盤的緩存在 8M 到 16M 之間，而 高端的則有 32M。 2．磁盤的性能指標 （ 1）容量 磁盤上信息的存儲是以同心圓的形式排列的，每一個圓稱為一個磁道。 半徑方向單位長度內(nèi)的磁道數(shù)目稱為道密度 Dt，沿圓周單位長度上的信息比特數(shù)稱為 位密度 Db，道密度 8 與位密度的乘積叫做面密度 Da，即 Da = DtDb。 Da 越大表明一個盤片上能存儲的信息量就越大。但面密度的提高會使相鄰磁道間的數(shù)據(jù)干擾加大，磁頭在磁道上進行數(shù)據(jù)讀寫時易發(fā)生偏離，差錯機率增大。目前最新的垂直級化技術可有效地降低干擾因素。硬盤的容量與碟片數(shù)、面密度關系密切，這兩項數(shù)值越大則容量越大。但是碟片數(shù)的增加會使硬盤體積增厚，因此單碟容量的大小直接關系到整個硬盤容量的大小，但隨著磁碟密度的提高，磁頭就必須隨之越來越靈敏。日立公司于 2022 年 6 月推出的 “Deskstar 7K1000”單碟容量高達200GB，總?cè)萘扛哌_ 1TB。 （ 2）轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)速是磁盤所有指標中除了容量之外最引人注目的性能參數(shù)，以每分鐘多少轉(zhuǎn)（ RPM）為單位。轉(zhuǎn)速對于硬盤傳輸速度和持續(xù)傳輸速度至關重要，轉(zhuǎn)速越快，硬盤取得及傳送數(shù)據(jù)的速度也就越快。目前，硬盤轉(zhuǎn)速大致有 4200RPM、 5400RPM、 7200RPM、 10000RPM 和15000RPM。 （ 3）平均尋道時間 平均尋道時間指的是磁頭到達目標數(shù)據(jù)所在磁道的平均時間，它直接影響硬盤的隨機數(shù)據(jù)存取速度。影響平均尋道時間的主要決定因素是磁頭讀寫臂的運行速度，另外 也跟單碟容量有關。單碟容量越高說明單碟的磁道數(shù)越多，磁道數(shù)的增加意味著磁道間距離的縮短，而磁頭從一個磁道轉(zhuǎn)移到另一個磁道所需的就位時間就會縮短，這將有助于隨機數(shù)據(jù)傳輸速度的提高。而磁道內(nèi)線性磁密度的增加則和硬盤的持續(xù)數(shù)據(jù)傳輸速度有著直接的聯(lián)系，磁頭技術的發(fā)展確保了這個增長不會因為磁頭的靈敏度的限制而放慢速度。所以在很多時候，更高單碟容量的 5400RPM 硬盤會比單碟容量較低的 7200RPM 硬盤速度更加快 。 目前硬盤平均尋道時間大約在 10ms 左右。 （ 4）緩存 緩存也是磁盤相當重要的一個參數(shù)，其大小也會直接 影響到磁盤的整體性能。在數(shù)據(jù)的讀取過程中，硬盤里