硬盘HDD的结构与工作原理

2025-07-10 10:49:28

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

                                                                                                                  总结对比表
对比项 CHS 寻址 LBA 寻址
方式 柱面 + 磁头 + 扇区 线性编号扇区
表示层次 与硬盘物理结构密切相关 与硬盘物理结构无关
地址上限 有较多限制(如 BIOS 的 504MB 限制) 能支持大容量(TB 级别)
是否主流 已淘汰(老式 BIOS/MBR 用) 主流寻址方式(现代硬盘和操作系统)
读取效率 相对较慢
更快,逻辑简单

 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

项目 说明
最大支持容量 最多 2TB(32 位 LBA + 512 字节扇区)
最大分区数 最多 4 个主分区(或 3 主 + 1 扩展)
扩展分区支持 是(通过逻辑分区链表方式)
启动方式 兼容 BIOS(Legacy BIOS)
数据安全性 没有分区备份,MBR 损坏后容易导致整个盘无法启动

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

项目 说明
最大支持容量 理论上可达 9.4ZB(Zettabyte)(几乎无限)
最大分区数 默认最多 128 个主分区(无扩展分区)
分区冗余 有主分区表 + 备份分区表,增强数据可靠性
启动方式 支持 UEFI 启动,不兼容传统 BIOS 启动
安全性
更强,支持 CRC 校验、结构备份

适用场景

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

对比项 MBR GPT
最大硬盘支持 2 TB 9.4 ZB(几乎无限)
最大主分区数 4 个主分区或 3 主 + 扩展 + 逻辑分区 128 个主分区(可扩展)
是否支持扩展分区 否(不需要)
启动方式 仅 BIOS 仅 UEFI(新版主板)
数据安全 没有备份,易受损 有主备分区表,附带 CRC 检查
系统支持 XP、Win7(BIOS)等老系统 Win10+、Linux、macOS 等
分区结构位置 首个扇区 首尾扇区均有记录


 判断分区模式的方法(Windows)

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

 

如果你使用的是 推荐的分区模式
旧主板(BIOS)、旧系统(XP等) MBR
新主板(UEFI)、Win10/11等系统 GPT
超过 2TB 的大容量硬盘 GPT(必须)
多系统引导/数据安全性要求高 GPT

以上就是计算机教程网总结的关于硬盘HDD的结构与工作原理。