机械硬盘的物理结构和磁盘分区原理简介

硬盘的物理结构

首先，让我们简要了解硬盘的物理结构。一般而言，硬盘结构包括：磁盘，磁头，主轴，控制电机，磁头控制器，数据转换器，接口，高速缓存等。所有磁盘（硬盘中通常有多个磁盘，并且每个磁盘都平行其他）固定在主轴上。每个磁盘的存储表面上都有一个磁头。磁头和磁盘之间的距离很小（因此很容易因剧烈振动而损坏）。磁头连接到磁头控制器，以统一控制每个磁头的运动。磁头沿磁盘半径移动，并且磁盘沿指定方向高速旋转，因此磁头可以到达磁盘上的任何位置。

基本结构是这样的。至于硬盘的读写方式，您必须知道磁盘盘片是如何划分的，否则您只知道磁头在盘片上移动。

光盘上的基本概念

整个硬盘驱动器通常由许多光盘组成。每个光盘都像西瓜一样“切”成扇区，并沿半径分为多个同心圆，即图例轨道。每个轨道分为多个扇区，称为扇区（扇区是用于读取和写入信息的最小单位从磁盘，通常是512个字节）。不同磁盘上半径相同的磁道形成一列。另一方面，这些只是磁盘的物理概念。

硬盘上的数据位置

每个扇区可以存储128×2 N次方（N =0.1.2.3)字节数据（通常为512B），该扇区是数据存储的最小单位。外圈大于内圈。为什么存储的数据量相同？这是因为内圈和外圈中使用的磁性材料的密度不同。但是现在硬盘使用的是内圈和外圈的密度相同，以存储数据以减少“小面积数据”浪费的大小（此时，内圈和外圈的扇区数将有所不同，具体细节将省略）模式：使用扇区（sector），圆柱体（cylinder）和磁头（head），很显然，您可以找到数据，这是数据定位（寻址）方法之一，CHS（也称为3D），非常有效用于早期磁盘（如上图所示）。您知道要使用哪个磁头以及要读取哪个柱面。前几个扇区都可以。

CHS模式支持的硬盘容量有限。 8bit用于存储头地址，10bit用于存储柱面地址，6bit用于存储扇区地址，一个扇区共有512Bytes，因此使用CHS寻址硬盘的最大容量256 * 1024 * 63 * 512B = 8064 MB（1MB = 1048576B）（如果1MB = 1000000B计算为8.4GB）

LBA寻址方法：但是现在许多硬盘使用相同的密度盘，这意味着内磁道和外磁道上的扇区数不同，扇区数增加，容量增加。 3D很难定位和处理。新的寻址模式：LBA（逻辑块寻址）。在LBA地址中，该地址不再代表实际硬盘的实际物理地址（圆柱，磁头和扇区）。

LBA寻址方法将CHS的三维寻址方法转换为一维线性寻址。它通过某些规则将硬盘所有物理扇区的C / H / S编号转换为线性编号。系统效率大大提高，避免了繁琐的打印头/圆柱/扇区寻址模式。当访问硬盘时，硬盘控制器将该逻辑地址转换为实际硬盘的物理地址。 LBA下的数字，扇区号从0开始。

逻辑扇区号LBA的公式：LBA（逻辑扇区号）=磁头数×每磁道的扇区数×当前磁道数+每磁道的扇区数×当前磁头数+当前扇区数-1。

例如：CHS = 0/0/1，根据公式LBA = 255×63×0 + 63×0 + 1-1 = 0，这意味着物理0柱面0磁头1扇区为逻辑0扇区

磁盘分区原理

每个安装了系统的人都知道，必须先对系统进行分区才能安装。更生动地说，例如，Windows中的C：和D：之类的东西。如果您想问为什么需要对硬盘进行分区，首先，就使用习惯而言，我们不希望数据无序地堆积。其次，如果不进行分区，那么如何使用硬盘上的不同文件系统（如下所述），学术界的争论是：数据安全性和性能注意事项。

分区

让我们谈谈硬盘上最重要的第一扇区，因为整个硬盘的重要信息在这里：

您为什么说不能继续分配？技术柱面数足够多，因为上面提到的硬盘分区表只有64个字节，每个分区记录需要占用16个字节，最多只能分为4个字节。问题是这样的：如何将我的计算机分为5（cdefg）？

实际上，这里提到的4个分区是所谓的主分区。为了支持许多分区，引入了扩展分区的概念。也就是说，可以使用DPT中的一条记录来记录扩展分区的信息，然后再在扩展分区中进行记录，然后继续对逻辑分区进行划分，并将逻辑分区的分区信息记录在该分区的第一扇区中。扩展分区，以便可以像链接列表一样划分许多分区。但是请注意，一个分区表中可以有1〜4个主分区，但是最多只能有1个扩展分区。

分区表如何关联？分区表是一个单链表。第一个分区表是位于硬盘第一个扇区中的DPT，可以有一个记录扩展分区起始位置的列。该表面类似于指针的概念，指向扩展分区。根据该记录，我们可以找到扩展分区的柱面0头和1扇区（CHS），该扇区存储第二个分区表，第二个分区表。当前逻辑分区，第二条记录描述下一个逻辑分区所在的0头1扇区（CHS），第四条三、项目记录中未存储任何信息。

看下面的图片。主引导记录/分区表是硬盘的第一个分区。基本分区1、基本分区2、基本分区3是主分区，扩展分区中有2个逻辑分区。每个逻辑分区的第一个扇区是分区表。

引导加载程序

系统在分区之后启动。前面提到的MBR中安装的引导加载程序的作用是什么？

实际上，引导加载程序可以安装在MBR中，也可以直接安装在每个分区的引导扇区（DBR）中。请注意，每个分区（主分区，逻辑分区）都有自己的引导程序。该扇区专门用于安装引导加载程序，如图3所示。

系统启动过程

安装Windows时，默认情况下，MBR和Windows所在分区的引导扇区将自动与引导程序一起安装，并且不会提供任何选项供用户选择。因此，如果以前已经安装了其他操作系统，则需要安装其他窗口。此时，公共MBR将被覆盖，从而无法启动原始操作系统。

如果先安装Windows，然后再安装linux，则linux将覆盖MBR，然后让用户选择是否添加其他操作系统（例如Windows）的启动项。如果您选择添加，则将有两个供用户选择的选项。

文件系统

文件系统也是一个非常大而复杂的主题。我们仍然以相对流行和粗粒度的方式对其进行解释。试想一下我们的文件如何与磁盘扇区相对应，因此仅存在磁道扇区的基本概念。这毫无用处。需要更多抽象的数据类型或结构来抽象底层细节。

文件系统是一组抽象数据类型，用于实现诸如数据存储，层次结构，访问和获取之类的操作。文件系统是一种用于向用户提供对基础数据的访问的机制。它将设备中的空间划分为特定大小的块（扇区），通常每个块512字节。数据存储在这些块中，并且大小被修改为占用整数个块。文件系统软件负责将这些块组织到文件和目录中，并记录将哪些块分配给哪个文件以及不使用哪些块。

但是，文件系统不一定只出现在特定的存储设备上。它是数据的组织者和提供者。至于底层，它可以是磁盘或动态生成数据的其他设备（例如网络设备）。

原文来自：电子工程专辑

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