机械硬盘的结构

机械硬盘（HDD，Hard Disk Drive）是一种数据存储设备，采用机械运动来读取和写入数据。它由一个或多个盘片组成，每个盘片正反面都有磁头负责读写数据。机械硬盘通常通过磁头臂移动到不同的磁道位置来访问数据，而盘片则通过主轴电机旋转以实现数据读写。但是机械硬盘的具体工作原理需要进一步了解，才能更好地理解机械硬盘的内部结构。

机械硬盘的盘面

机械硬盘的盘面由盘片、磁道、扇区、簇组成。

                                          磁道、扇区、簇

盘片（Platters）

 盘片是机械硬盘的核心组件，通常是由金属或玻璃材料制成的圆形碟片，盘片的正反两面会涂有磁性物质。硬盘的每一个盘片都有两个盘面（Side），即上下盘面，一般每个盘面都会利用，都可以存储数据，成为有效盘片，也有极个别的硬盘盘面数为单数。每一个这样的有效盘面都会有盘面号，按顺序从上至下从“0”开始依次编号。在硬盘系统中，盘面号又叫磁头号，因为每一个有效盘面都有一个对应的读写磁头。一个硬盘中通常有多个盘片（2~6个不等）堆叠排列。每个盘片的上下两面都可以用于读写数据。盘片以高速（如 5400 rpm 或 7200 rpm）旋转。

磁道（Tracks）

 磁盘在格式化时被划分成许多同心圆，这些同心圆轨迹叫做磁道（Track）。磁道从外向内从0开始顺序编号。每一个盘面有300～1024个磁道，新式大容量硬盘每面的磁道数更多。每个磁道又被划分为若干个扇区，而信息以脉冲串的形式记录在这些轨迹中。

扇区（Sectors）

在磁盘里的磁道上等分出若干个弧段，这些弧段便是磁盘的扇区，每个扇区可以存放512个字节或4KB（通常情况下是512字节），磁盘驱动器在向磁盘读取和写入数据时，要以扇区为单位。通常扇区与扇区之间也有一定间隔（逻辑上的间隔，物理上没有任何间隔，但是每个扇区的开头都有一个同步信息，外围电路可以用来判断一个扇区的开始）

簇(Cluster)

将相邻的若干个扇区称为了一个簇。操作系统读写磁盘的基本单位是扇区，而文件系统的基本单位是簇。簇是操作系统（如 Windows）分配的最小逻辑存储单位，由一个或多个连续的扇区组成。

简单比喻（便于理解）

盘片：书的每一页

磁道：一页上的每一行

扇区：一行中的每个词

簇：你每次读书最小的一段，比如“一个句子”或“一行半”——即使你只需要一个词，也必须读整个句子。

机械硬盘（ H D D ）的柱面、磁头、磁头臂说明 

柱面(Cylinder)

柱面是所有盘片中，相同半径的磁道在垂直方向上的集合。

磁头（Read/Write Head）

磁头是用于读取和写入数据的装置，一般盘片的上下都有磁头，位于磁头臂上，每个磁头上都有读和写的操作装置。

磁头臂（Actuator Arm）

磁头臂是支持磁头的可移动臂，通过电动机或电磁力控制，可以使磁头在盘片上移动到不同的磁道位置。

 机械硬盘（ H D D ）的主轴电机、控制电路说明

                        磁道号就是柱面号、磁头号就是盘面号

主轴电机（Spindle Motor）

 主轴电机用于旋转盘片，使其以高速旋转。通常，机械硬盘的转速为5400转/分钟、7200转/分钟或更高。

控制电路（Controller Board）

控制电路是机械硬盘的核心电子部分，负责管理数据的读取和写入、调整磁头臂的位置、控制盘片旋转等操作。

机械硬盘的寻址方式

CHS 寻址方式

CHS寻址模式将硬盘划分为磁头（Heads）、柱面(Cylinder)、扇区(Sector)。    

磁头(Heads)

每张磁片的正反两面各有一个磁头，一个磁头对应一张磁片的一个面。因此，用第几磁头就可以表示数据在哪个磁面。   

 柱面(Cylinder)

所有磁片中半径相同的同心磁道构成“柱面"，意思是这一系列的磁道垂直叠在一起，就形成一个柱面的形状。简单地理解，柱面数=磁道数。    

扇区(Sector)

将磁道划分为若干个小的区段，就是扇区。虽然很小，但实际是一个扇子的形状，故称为扇区。每个扇区的容量为512字节。

CHS寻址的最大容量由三个参数决定

磁头数最大为255 (用 8 个二进制位存储)。从0开始编号。

柱面数最大为1023(用 10 个二进制位存储)。从0开始编号。

扇区数最大数 63(用 6个二进制位存储)。从1始编号。

所以CHS寻址方式的最大寻址范围为

255 * 1023 * 63 * 512 / 1048576 = 7.837 GB ( 1M =1048576 Bytes )

或硬盘厂商常用的单位

255 * 1023 * 63 * 512 / 1000000 = 8.414 GB ( 1M =1000000 Bytes )

缺点

局限性强

BIOS 和硬盘接口存在寻址上限（如最多 1024 柱面、16 磁头、63 扇区）

不利于大容量硬盘

故逐渐淘汰。

LBA 寻址方式

将整个硬盘看作一个连续的扇区数组，每个扇区都有一个唯一编号，从 0 开始递增。

举例说明

假设

每个扇区为 512 字节

LBA 号为 2048，则表示硬盘第 2048 个扇区（起始地址为：2048 × 512 字节）

LBA寻址方式的最大数据容量

LBA（逻辑块地址，Logical Block Addressing）寻址方式的最大数据容量，取决于两个核心参数

LBA编号的最大值（即最大可寻址扇区数）

每个扇区的大小（一般是 512 字节或 4096 字节）

最大支持容量（按扇区大小分别计算）

使用 512 字节扇区

= 281,474,976,710,656 × 512 字节

≈ 144,115,188,075,855,872 字节

≈ 128 PB（Petabytes）

使用 4 KB 扇区（高级格式）

= 281,474,976,710,656 × 4096 字节

≈ 1,152,921,504,606,846,976 字节

≈ 1 EB（Exabyte）以上

 硬盘的分区模式

硬盘的分区模式主要有两种：MBR（Master Boot Record）和GPT（GUID Partition Table），它们定义了硬盘如何被划分为若干个分区，并决定了系统是否能正确识别、引导和使用这些分区。

 MBR 分区模式（主引导记录）

基本概述

诞生于 1983 年，传统 BIOS 启动的标准分区方式。

硬盘前 512 字节的扇区称为 MBR 区，包含：

主引导代码（Boot Loader）

分区表（最多只能有 4 个主分区）

分区标志（魔数）

                                                                           特点

适用场景

老主板、老系统（如 Windows XP、某些 BIOS-only 系统）

小于 2TB 的硬盘

GPT 分区模式（GUID 分区表）

基本概述

GPT 是 UEFI（统一可扩展固件接口）系统的标准分区格式。

分区信息存储在磁盘的多个扇区中，具有备份能力。

每个分区都有一个全球唯一标识符（GUID）。

                                       特点

新主板、新系统（如 Windows 10/11、Linux、macOS 等）

大于 2TB 的硬盘

多系统引导场景、服务器、大容量 RAID 阵列

                                                                   MBR vs GPT 对比表

打开“磁盘管理”→ 右键磁盘 → 属性 → “卷”→ 查看“分区样式”

显示：MBR 或 GPT或在命令行中使用

diskpart

list disk

带有* 的“GPT”列，表示该磁盘为 GPT 格式

 总结