硬碟儲存原理
一、硬碟的簡單分類
按介面區分：
PATA（IDE）、SATA 、SCSI
按用途
PC硬碟、NB硬碟(移動硬碟)、伺服器硬碟
二、硬碟的外部物理結構：
硬碟主要由盤體、控制電路板和介面元件組成。
盤體是一個密封的腔體。(後續會提到硬碟的內部物理結構即是指盤體的內部結構)。
控制電路板上主要有硬碟BIOS、硬碟緩存（Cache）和主控制晶片等。硬碟介面包括插座、資料介面和主、從跳線（Jumper）等。
三、硬碟的內部物理結構
硬碟盤體是完全密封的，裡面主要有磁頭、碟片等元件。
硬碟的碟片材料硬度和耐磨性要求很高，所以一般採用合金材料(早期有塑膠，陶瓷的，現在也出現了玻璃材料的)。
盤上塗上磁性材料。硬碟碟片厚一般在0.5mm左右，碟片的轉速與碟片大小有關，考量到慣性及碟片穩定性，碟片越大轉速越低。
硬碟碟片安裝在主軸電機的轉軸上，在主軸電機的帶動下作高速旋轉。每張碟片的容量稱為單碟容量，而一塊硬碟的總容量就是所有碟片容量的總和。
早期硬碟由於單碟容量低，所以碟片較多。
現代的硬碟碟片，一般只有少數幾片。一塊硬碟內的所有碟片都是完全一樣的，否則控制部分就太複雜了。
碟片上的記錄密度很大，且通電運作時會高速旋轉，為保證其工作的穩定，資料保存的長久，所以碟片都是密封在硬碟內部的，內部並不是真空的。
不可自行拆卸硬碟，在普通環境下空氣中的灰塵，都會對硬碟造成永久損害。
一張單面的碟片需要一個磁頭，雙面的碟片則需要兩個磁頭。
硬碟採用高精度、輕型磁頭驅動和定位系統。
這種系統能使磁頭在盤面上快速移動，讀寫硬碟時，磁頭依靠磁片的高速旋轉引起的空氣動力效應懸浮在盤面上，與盤面的距離不到1微米，可在極短的時間內精確定位到電腦指令指定的磁軌上。
注意：由於磁片是旋轉的，則連續寫入的資料是排列在一個圓周上的。我們稱這樣的：圓周為一個磁軌(Track)。
由於定位系統限制，磁頭臂只能在碟片的內外磁軌之間移動。因此，不管開機還是關機，磁頭總在碟片上。
不同的是，關機時磁頭停留在碟片啟停區，開機時磁頭“懸浮”在磁片片上方。
五、硬碟儲存的邏輯結構
我們常說硬碟有面、磁柱、磁軌、磁區，這些只不過是虛擬的邏輯概念。
面(盤面)：
上面已經瞭解，硬碟一般會有一個或多個碟片，每個碟片可以有兩個面(Side)，依此可分為0面，1面等。每個面對應一個磁頭，用於讀寫資料。
磁軌：
碟片在中心軸帶動下做高速旋轉，磁頭連續寫入的資料是排列在一個圓周上的。我們稱
這樣的圓周為一個磁軌(Track)。可以假想有很多個同心圓，大小不同的磁軌組成盤面。
每個碟片的每個面都有一個讀寫磁頭。磁軌離主軸最近的，即線速度最小的地方，是一個特殊的區域，它不存放任何資料，稱為啟停區或著陸區，啟停區外就是數據區。
在最外圈，離主軸最遠的地方是“0”磁軌，硬碟資料的存放就是從最外圈開始的。
硬碟有一個“0”磁軌檢測器，由它來完成硬碟的初始定位。“0”磁軌十分重要，很多硬碟僅僅因為“0”磁軌損壞就報廢了，十分可惜。
磁頭：
磁頭用來讀取或者修改碟片上磁性物質的狀態，一般說來，每一個磁面都會有一個磁頭。
磁頭在停止工作時與磁片是接觸的停放在啟停區，但是在工作
時呈飛行狀態。啟停區不存放任何資料，磁頭在此區域啟停，不會損害任何資料。
讀取數據時碟片高速旋轉，對磁頭運動採用的空氣動力學設計，懸浮於盤面上，既不與盤面接觸，又能很好的讀取數據。
柱面：
我們認為離圓心最遠的磁軌為0磁軌，依此往裡為1磁軌....。
不同面上相同磁軌編號則組成了一個圓柱面，即所稱的柱面(Cylinder)。
每個柱面上的磁頭由上而下從“0”開始編號。
資料讀寫按柱面進行，即磁頭讀寫資料時首先在同一柱面內從“0”磁頭開始進行操作，依次向下在同一柱面的不同盤面(即磁頭上)進行操作，只有在同一柱面所有的磁頭全部讀寫完畢後磁頭才轉移到下一柱面，因為選取磁頭只需
通過電子切換即可，而選取柱面則必須通過機械切換。
電子切換比從在機械上磁頭向鄰近磁道移動快得多。因此，資料的讀寫按柱面進行，而不按盤面進行。
讀寫資料都是按照這種方式進行，盡可能提高了硬碟讀寫效率。
當然現今硬碟很多都只有一個碟片兩個盤面。
磁區：
根據硬碟規格的不同，磁軌數可以從幾百到成千上萬不等。一個磁軌上可以容納數KB的資料，但電腦並不需要一次讀寫這麼多資料。
在這基礎上，又把磁軌劃分成若干段，每段稱為一個磁區(Sector)。
磁區是硬碟上儲存的物理單位，包括512個位元組的資料和一些
其他資訊。即使電腦只需要硬碟上儲存的某個位元組，也須一次把這個位元組所在的磁區中的全部512位元組讀入記憶體，再選擇所需的那個位元組。
磁區資料主要有兩個部分：儲存資料的識別字和儲存資料的資料段。
識別字包括組成磁區三維位址的三個數位：磁區所在的磁頭(或盤面)、磁軌(或柱面號)，以及磁區在磁軌上位置(即磁區編號)。識別字還包括一個欄位，顯示磁區是否可以儲存數據或者已有故障不宜使用的標記。
有些硬碟控制器在磁區標誌符中還記錄提示資訊，可在原磁區出錯時指引磁片轉到對應替換磁區或磁軌。最後，識別字以迴圈冗餘校驗(CRC)
值作為結束，以供控制器檢驗磁區識別字讀出情況，確保準確無誤。
磁區的第二個主要部分是儲存資料的資料段，可分為資料和保護資料的改錯碼(ECC)。
要注意硬碟在劃分磁區時，和軟碟是有一定區別的。軟碟的一個磁軌中，磁區號一般依次編排，如1號，2號，3號...以此類推。
但在硬碟磁軌中，磁區號是按照某個間隔跳躍著編排。如，2號磁區並不是1號磁區後的按順序的第一個而是第八個，3號磁區又是2號磁區
後的按順序的第八個，依此類推，這個“八”稱為交叉因數。
這個交叉因數的來歷有必要詳述一下。
我們知道，資料讀取經常需要按順序讀取一系列相鄰的磁區(邏輯資料相鄰)。如對磁軌磁區按物理順序進行編號，很有可能出現當磁頭讀取完第
一個磁區後，由於碟片轉速過快來不及讀取下一個磁區，必須等待轉完一圈，這極大浪費了時間。
在N年前，就有工程師想到用交叉因數這個辦
法來解決這個問題。
一個特定硬碟驅動器的交叉因數取決於：磁碟控制卡的速度、主機板的時鐘
速度、與控制器相連的輸出匯流排的操作速度等。
如果磁片的交叉因數值太高，就需多花一些時間等待資料在磁片上存入和讀出。而如果交叉因數值太低，就會大大降低磁片性能。
早期的硬碟管理工作中，設置交叉因數需要使用者自己完成。有時還需要設置幾種不同的值來比較其性能。現在的硬碟BIOS已經解決這個問題，一般低級格式化程式不再提供這一選項設置。
前面已經提及，系統在磁片上寫入讀取資料時，寫滿一磁軌後轉向同一柱面的下一個磁頭，當柱面寫滿時，再轉向下一柱面。這些轉換都需要時間，而在此期間磁片始終保持高速旋轉，這就會帶來又一個問題。
假定系統剛剛結束對一個磁軌最後一個磁區的寫入，並且已經設置了最佳交叉因數值，現在准備在下一磁軌的第一個磁區寫入，這時就要等到磁頭部件重新準備定位並按徑向方向到達下一磁
道。
如果這個操作佔用時間超過了一點點，儘管有交叉存取，磁頭仍會延遲到達，解決的辦法法是以原先磁軌所在位置為基準，把新磁軌(下一磁軌)上全部磁區號移動約一個或幾個磁區位置，這就是磁頭扭斜。
磁頭扭斜可以理解為柱面與柱面之間的交叉因數，硬碟出廠便設置好，
用戶一般不用去改變它。
磁頭扭斜只在檔較長超過磁軌結尾進行讀出和寫入時才發揮作用。所
以，扭斜設置不正確所帶來的時間損失比交叉因數小得多。
簇：
我們上邊已經瞭解磁區是實際物理單位，簇就是硬碟上儲存檔的一個邏輯單位。
物理相鄰的若干個磁區其實就組成了一個簇。作業系統讀寫磁片的基本單位是磁區，而檔案系統的基本單位是簇(Cluster)。
在你的Windows下，隨便找個幾十位元組的檔，右鍵屬性，看看實際大小與佔用空間兩項內
容，如大小：15 位元組 (15 位元組) 佔用空間：8.00 KB (8,192 位元組)。這裡的佔用空間就是你機器分區的簇大小，因為再小的檔都會佔用空間，邏輯基本單位是8K，所以都會佔用8K。
簇一般有這幾類大小 4K，8K，16K，32K，64K等。
簇越大儲存性能越好，但空間浪費嚴重。簇越小性能相對越低，但空間利用率高。
注意：這裡引入一個概念檔案系統，稍後的文章會詳細說明。
六、硬碟讀寫資料的過程
硬碟讀取資料時，讀寫磁頭沿徑向移動，移到要讀取的磁區所在磁軌的上方，這段時間稱為尋軌時間(seek time)。因讀寫磁頭的起始位置與目標位置之間的距離不同，尋軌時間也不同。
目前硬碟一般為2到30毫秒，平均約為9毫秒。
磁頭到達指定磁軌後，然後通過碟片的旋轉，使得要讀取的磁區轉到讀寫磁頭的下方，這段時間稱為旋轉延遲時間。
一個7200（轉/每分鐘）的硬碟，每旋轉一周所需時間為60×1000÷7200=8.33毫秒，則平均旋轉延遲時間為8.33÷2=4.17毫秒（平均情況下，需要旋轉半圈）。
七、結尾
以最為常見簡單的硬碟容量描述作為結尾。
硬碟容量=盤面數×柱面數×磁區數×512位元組
硬碟容量單位：KB（Kilobyte），MB（Megabyte），GB（Gigabyte），TB（Terabyte）， PB（Petabyte），EB（Exabyte）等為單位。
換算關係如下：
2^10=1024
1KB=1024Byte
1MB=1024KB
1GB=1024MB
1TB=1024GB
1PB=1024TB
1EB=1024PB
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