硬盘结构简介
硬盘发展到现在，不管是容量、体积还是生产工艺都较之前有了重大革新和改进，但一直都保持了“温氏”的架构(固态硬盘除外，它不是我们今天的主角)。经过封装后的硬盘，对我们一般呈现出如下的样子：
打开后盖后为下图的样子
硬盘主要由盘体、控制电路板和接口部件组成。盘体就是一个密封，封装了多个盘片的腔体；控制电路包含硬盘BIOS，主控芯片和硬盘缓存等单元；接口部件包含电源、数据接口主从跳线等。
硬盘的盘片一般采用合金材料，多数为铝合金(IBM曾经开发过玻璃材质的盘片，好像现在有些厂家也生产玻璃材质的盘片，但不多见)，盘面上涂着磁性材料，厚度一般在0.5mm左右。有些硬盘只装一张盘片，有些则有多张。硬盘盘片安装在主轴电机的转轴上，在主轴电机的带动下作高速旋转。每张盘片的容量称为单碟容量，而一块硬盘的总容量就是所有盘片容量的总和。早期硬盘由于单碟容量低，所以盘片较多。现代的硬盘盘片一般只有少数几片。 盘片上的记录密度很大，而且盘片工作时会高速旋转，为保证其工作的稳定，数据保存的长久，所以硬片都是密封在硬盘内部。不可自行拆卸硬盘，在普通环境下空气中的灰尘、指纹、头发丝等细小杂质都会对硬盘造成永久损害。
接下来我们了解一下硬盘的盘面，柱面，磁道和扇区的概念。
盘面
硬盘一般会有一个或多个盘片，每个盘片可以有两个面(Side)，即第1个盘片的正面称为0面，反面称为1面；第2个盘片的正面称为2面，反面称为3面...依次类推。每个盘面对应一个磁头(head)用于读写数据。第一个盘面的正面的磁头称为0磁头，背面称为1磁头；第二个盘片正面的磁头称为2磁头，背面称为3磁头，以此类推。盘面数和磁头数是相等的。
一张单面的盘片需要一个磁头，双面的盘片则需要两个磁头。硬盘采用高精度、轻型磁头驱动和定位系统。这种系统能使磁头在盘面上快速移动，读写硬盘时，磁头依靠磁盘的高速旋转引起的空气动力效应悬浮在盘面上，与盘面的距离不到1微米(约为头发直径的百分之一)，可以在极短的时间内精确定位到计算机指令指定的磁道上。
早期由于定位系统限制，磁头传动臂只能在盘片的内外磁道之间移动。因此，不管开机还是关机，磁头总在盘片上。所不同的是，关机时磁头停留在盘片启停区，开机时磁头“飞行”在磁盘片上方。
磁道
每个盘片的盘面被划分成多个狭窄的同心圆环，数据就存储在这样的同心圆环上面，我们将这样的圆环称为 磁道 (Track)，每个盘面可以划分多个磁道。最外圈的磁道是0号磁道，向圆心增长依次为1磁道、2磁道……磁盘的数据存放就是从最外圈开始的。
扇区
根据硬盘的规格不同，磁道数可以从几百到成千上万不等。每个磁道可以存储数Kb的数据，但是计算机不必要每次都读写这么多数据。因此，再把每个磁道划分为若干个弧段，每个弧段就是一个 扇区 (Sector)。扇区是硬盘上存储的物理单位，每个扇区可存储128×2N次方（N＝0,1,2,3）字节的数据。从DOS时代起，每扇区是128×22＝512字节，现在已经成了业界不成文的规定，也没有哪个硬盘厂商试图去改变这种约定。也就是说，即使计算机只需要某一个字节的数据，但是也得把这个512个字节的数据全部读入内存，再选择所需要的那个字节。扇区的编号是从1开始，而不是0，这一点需要注意。另外，硬盘在划分扇区时，和软盘是有一定区别的。软盘的一个磁道中，扇区号一般依次编排，如1号，2号，3号...以此类推。但在硬盘磁道中，扇区号是按照某个间隔跳跃着编排。比如，2号扇区并不是1号扇区后的按顺序的第一个而是第八个，3号扇区又是2号扇区后的按顺序的第八个，依此类推，这个“八”称为交叉因子。
柱面
柱面实际上就是我们抽象出来的一个逻辑概念，前面说过，离盘心最远的磁道为0磁道，依此往里为1磁道，2磁道，3磁道....，不同面上相同磁道编号则组成了一个圆柱面，即所称的柱面(Cylinder)。需要注意的是，磁盘读写数据是按柱面进行的，磁头读写数据时首先在同一柱面内从0磁头开始进行操作，依次向下在同一柱面的不同盘面(即磁头上)进行操作。只有在同一柱面所有的磁头全部读写完毕后磁头才转移到下一柱面，因为选取磁头只需通过电子切换即可，而选取柱面则必须通过机械切换。电子切换比从在机械上磁头向邻近磁道移动快得多。因此，数据的读写按柱面进行，而不按盘面进行。 读写数据都是按照这种方式进行，尽可能提高了硬盘读写效率。
簇
将物理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(Cluster)。在Windows下，随便找个几字节的文件，在其上面点击鼠标右键选择属性，看看实际大小与占用空间两项内容，如大小：15 字节 (15 字节)， 占用空间：4.00 KB (4，096 字节)。这里的占用空间就是你机器分区的簇大小，因为再小的文件都会占用空间，逻辑基本单位是4K，所以都会占用4K。 簇一般有这几类大小 4K，8K，16K，32K，64K等。簇越大存储性能越好，但空间浪费严重。簇越小性能相对越低，但空间利用率高。NTFS格式的文件系统簇的大小为4K。
硬盘读写数据过程
现代硬盘寻道都是采用CHS(Cylinder Head Sector)的方式，硬盘读取数据时，读写磁头沿径向移动，移到要读取的扇区所在磁道的上方，这段时间称为寻道时间(seek time)。因读写磁头的起始位置与目标位置之间的距离不同，寻道时间也不同。目前硬盘一般为2到30毫秒，平均约为9毫秒。磁头到达指定磁道后，然后通过盘片的旋转，使得要读取的扇区转到读写磁头的下方，这段时间称为旋转延迟时间(rotational latencytime)。
一个7200（转/每分钟）的硬盘，每旋转一周所需时间为60×1000÷7200=8.33毫秒，则平均旋转延迟时间为8.33÷2=4.17毫秒（平均情况下，需要旋转半圈）。平均寻道时间和平均旋转延迟称为平均存取时间。
硬盘的容量计算公式
硬盘容量=盘面数×柱面数×扇区数×512字节
最后介绍一道笔试题
| 物理块 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 逻辑记录 | R1 | R2 | R3 | R4 | R5 | R6 | R7 | R8 | R9 | R10 |
假设磁盘的旋转速度为20ms，磁盘当前处在R1的开头处，若系统顺序扫描后将数据放入单缓冲区内，处理数据的时间为4ms（然后再读取下个记录），则处理这10个记录的最长时间是多少？
磁盘会一直朝某个方向旋转，不会因为处理数据而停止。本题要求顺序处理R1到R10，起始位置在R1，一周是20ms，共10个记录，所以每个记录的读取时间为2ms。
首先读R1并处理R1，读R1花2ms，读好后磁盘处于R1的末尾或R2的开头，此时处理R1，需要4ms，因为磁盘一直旋转，所以R1处理好了后磁盘已经转到R4的开始了，这时花的时间为2+4=6ms。
这时候要处理R2，需要等待磁盘从R5一直转到R2的开始才行，磁盘转动不可反向，所以要经过8*2ms才能转到R1的末尾，
读取R2需要2ms，再处理R2需要4ms，处理结束后磁盘已经转到R5的开头了，这时花的时间为2*8+2+4=22ms。
等待磁盘再转到R3又要8*2ms，加上R3自身2ms的读取时间和4ms的处理时间，花的时间也为22ms，
此时磁盘已经转到R6的开头了，写到这里，就可以看到规律了，读取并处理后序记录都为22ms，所以总时间为6+22*9=204ms。