硬盘基础知识科普

驰宇

My name is Gavin, my email is gavinnicholas0921@gmail.com

本文的许多内容已经有一定的历史，比如IDE接口，目前早已退出很久，见不到了，但依然有很多基础性的知识不受影响，所以大家可以慢慢阅读，获取一些对自己有用的知识，感谢您的阅读。

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本文地址：https://gavin_nicholas.coding.me/2017/06/28/Hard-Disk-Drive/
引语

众所周知，硬盘分为很多种，有SSD,HDD,HHD。 今天我们在这里介绍的就是HDD。




物理结构

总体来说，硬盘结构包括：盘片、磁头、盘片主轴、控制电机、磁头控制器、数据转换器、接口、缓存等几个部份。


所有的盘片（一般硬盘里有多个盘片，盘片之间平行）都固定在一个主轴上。在每个盘片的存储面上都有一个磁头，磁头与盘片之间的距离很小（所以剧烈震动容易损坏），磁头连在一个磁头控制器上，统一控制各个磁头的运动。磁头沿盘片的半径方向动作，而盘片则按照指定方向高速旋转，这样磁头就可以到达盘片上的任意位置了。
磁盘术语

磁头（head）、 磁道（track）、 柱面（cylinder）、扇区（sector）、 圆盘（platter）。那么这些都代表着什么呢？




如图5所示，我们把一个圆盘沿着半径切成几个扇形，这就叫做一个扇面，然后我们再沿着磁头的运动把这个原盘画成几个同心圆，每个原形的轨道就叫做一个磁道，然后被扇形和同心圆分离出来的小区域就叫做扇区。
再看图4,一般都有几个圆盘，每个盘片有上下两面，分别对应一个磁头。每个圆盘上下对应相同位置的扇区组成一个柱面。
注意，每个扇区的大小为512bytes，这个值是不会改变的。扇区也是我们在分割硬盘时最小单位了。
SCSI接口

一种常见于工作站等级以上的硬盘传输接口，这里IDE、SATA、PCIE等等就不再赘述，SCSI这种接口的硬盘在控制器上含有一块处理器，所以除了运转速度快之外，也比较不会耗费CPU资源。在个人计算机上面这种接口的硬盘不常见。
缓冲存储器

硬盘上面含有一个缓冲存储器，这个内存主要可以将硬盘内重使用的数据缓存起来，以加速系统的读取性能。通常这个缓冲存储器越大越好，因为缓冲存储器的速度要比数据从硬盘中被找出来快得多。


看右上角有一个64MB Cache，说明这个硬盘有64MB的缓存，目前主流产品可达64MB左右的缓存大小。
运转须知

由于硬盘内部机械手臂上的磁头与盘片的接触时很细微的空间，如果有抖动或者是脏污在磁头与硬盘之间，就会造成数据的损毁或者使硬盘 整个损毁。因此，正确使用计算机的方式，应该是在计算机通电之后，就绝对不要移动主机，避免硬盘抖动，而导致整个硬盘数据发生问题。另外，也不要随便将插头拔掉就以为是顺利关机。因为机械手臂必须要归回原位，所以使用操作系统的正常关机方式才能够有比较好的硬盘保养，因为它会让硬盘的机械手臂归回原位。

有时候因为环境问题，计算机内部的风扇常常会卡灰尘而造成一些声响。很多朋友只要听到这种声响都是二话不说，用力拍几下机箱，大力出奇迹，然后就没有声音了。现在你知道了，这样做的后果常常就是你的硬盘容易坏掉。

存储机制

硬盘的两个单位，扇区（Sector）和柱面（Cylinder），其中每个扇区大小为512bytes。
那么是不是每个扇区都一样重要呢？其实整块磁盘的第一个扇区特别重要，因为它记录了整块磁盘的重要信息。磁盘的第一个扇区主要记录了两个重要的信息，分别是：

• 主引导分区（Master Boot Record, MBR）：可以安装引导加载程序的地方，有446bytes。
  
• 分区表（Partition Table）：记录整块硬盘分区的状态，有64bytes。
  

MBR是很重要的，因为当系统在开机的时候会主动去读取这个区块的内容，这样系统才会知道你的程序放在哪里且该如何开机。如果你要安装多重引导的系统，MBR这个区块的管理就非常重要了！


那么分区表又是什么呢？其实你刚刚拿到的整块硬盘就像一根原木，你必须要在这跟原木上面切割出你想要的区段，这个区段才能够再制作成为你想要的家具。如果没有进行切割，那么原木就不能被有效地使用。同样的道理，你必须要针对你的硬盘进行分区，这样硬盘才可以被你使用。
磁盘分区表（Partition Table）

怎么分区呢？首先你要有一个锯子，然后扔了，别想不开。上面的那个图中有柱面有开始柱面和结束柱面。那是文件系统的最小单位，也就是分区的最小单位。我们就是利用参考柱面号码的方式来处理。在分区表所在的64bytes容量中，总共分为四组记录去，每组记录区记录了该区段的启始与结束的柱面号码。若将硬盘以长条形来看，然后将柱面以柱形图来看，那么那64bytes的记录区段如图所示。


假设上面的硬盘设备文件名为/dev/hda时，那么这四个分区在Linux系统中的设备文件名如下所示，重点在于文件名后面会再接一个数字，这个数字与该分区所在的位置有关。

P1:/dev/hda1
P2:/dev/hda2
P3:/dev/hda3
P4:/dev/hda4

上图我们假设硬盘只有400个柱面，共分区成为四个分区，第四个分区所在为第301到400号柱面的范围。当你的操作系统是Windows时，那么第一到第四个分区的代号应该就是C,D,E,F。当你有数据要写入F盘时，你的数据会被写入到这块磁盘的301~400号柱面之间。
由于分区表就只有64bytes而已，最多只能容纳四个分区，这四个分区被称为主（Primary）或扩展（Extended）分区。
来整理一下

• 其实所谓的“分区”只是针对那个64bytes的分区表机型设置而已。
  
• 硬盘默认的分区表仅能写入四组分区信息。
  
• 这四组分区信息我们称为主（Primary）或扩展（Extended）分区。
  
• 分区的最小单位为柱面（Cylinder）。
  
• 当系统要写入磁盘时，一定会参考磁盘分区表，才能针对某个分区进行数据的处理。
  

分区详情

既然分区表只有记录四组数据的空间，那么是否代表我一块硬盘最多只能分区出四个分区？
"Of course not."
对电脑稍微有一点了解的人都知道，你可以将一块硬盘分区成十个以上的分区。那么这又是怎么样实现的呢？在Windows/Linux系统中，我们是通过刚才谈到的扩展分区的方式来处理的。扩展分区的想法是：既然第一个扇区所在的分区表只能记录四条数据，那我可否利用额外的扇区来记录更多的分区信息？如图所示。


在图中，我们硬盘四个分区记录仅仅使用了两个，P1为主分区，而P2则为扩展分区。注意，扩展分区的目的是使用额外的扇区来记录分区信息，扩展分区本身并不能被拿来格式化。然后我们可以通过扩展分区所指向的那个区块继续作分区的记录。
图中右下方那个区块有继续分区出五个分区，这五个由扩展分区分配继续切出来的分区，就被称为逻辑分区(logical partition)。注意：由于逻辑分割槽是由扩展分配继续分割出来的，所以他可以使用的磁柱范围就是扩展分配所配置的范围。也就是图中的101~400。 但是图中分区在Linux系统中的设备文件名分别如下：

P1:/dev/hda1
P2:/dev/hda2
L1:/dev/hda5
L2:/dev/hda6
L3:/dev/hda7
L4:/dev/hda8
L5:/dev/hda9

为什么设备文件名没有/dev/hda3和/dev/hda4呢？
因为前面四个号码都是保留给Primary和Extended用的。所以逻辑分区的设备名称号码就从5号开始了。
部分小结

• 主分区与扩展分区最多可以有四个(硬盘的限制)。
  
• 扩展分区最多只能有一个(操作系统的限制)。
  
• 逻辑分区是由扩展分区继续切割出来的分区。
  
• 能够被格式化后作为数据存取的分区为主分区与逻辑分区。扩展分区无法格式化。
  
• 逻辑分区的数量随着操作系统不同而不同，在Linux系统中，IDE硬盘最多有59个逻辑分区(5号到63号)， SATA硬盘则有11个逻辑分区(5号到15号)。
  

事实上，分区是个很麻烦的东西，因为他是以磁柱为单位的"连续"磁盘空间，且扩展分区又是个类似独立的磁盘空间，所以在分区的时候得要特别注意。
如下面的两个例子。

Q:在Windows操作系统当中，如果你想要将D与E盘整合成为一个新的分区，而如果有两种分区的情况如下图所示， 图中的特殊颜色区块为D与E盘的示意，请问这两种方式是否均可将D与E整合成为一个新的分区？A:第一个图中两个有色的分区是可以合并的，因为上图的D与E同属于扩展分区内的逻辑分区，因此只要将两个分区删除，然后再重新创建一个新的分区， 就能够在不影响其他分区的情况下，将两个分区的容量整合成为一个。
而第二图中的就不可以，因为D与E分属主分区与逻辑分区，两者不能够整合在一起。除非将扩展分区破坏掉后再重新分区。但如此一来会影响到所有的逻辑分区，要注意的是：如果扩展分区被破坏，所有逻辑分区将会被删除。 因为逻辑分区的信息都记录在扩展分区里面。

由于第一个磁区所记录的分区表与MBR是这么的重要，几乎只要读取硬盘都会先由这个扇区先读起。 因此，如果整颗硬盘的第一个磁区(就是MBR与Partition Table所在的磁区)物理实体坏掉了，那这个硬盘大概就没有用了！因为系统如果找不到分区表，怎么知道如何读取柱面区间呢？
更多的例子
1.

Q:如果我想将一颗大硬盘"暂时"分区成为四个Partitions，同时还有其他的剩余容量可以让我在未来的时候进行规划， 我能不能分割出四个Primary？若不行，那么你建议该如何分区？A:由于Primary+Extended最多只能有四个，其中Extended最多只能有一个，这个例题想要分割出四个分区且还要预留剩余容量， 因此P+P+P+P的分区方式是不适合的。因为如果使用到四个P，则即使硬盘还有剩余容量， 因为无法再继续分区，所以剩余容量就被浪费掉了。
假设你想要将所有的四个记录都花光，那么P+P+P+E是比较适合的。所以可以用的四个Partitions，有3个主分区和一个逻辑分区， 剩余的容量在扩展分区中。 如果你要分区超过4个以上时，一定要有Extended分区，而且必须将所有剩下的空间都分配给Extended， 然后再以Logical的分区来规划Extended的空间。 另外，考虑到磁盘的连续性，一般建议将Extended的柱面号码分配在最后面的柱面内。

2.

Q:我能不能仅分割出一个Primary与一个Extended？A:当然可以，这也是早期Windows操作系统惯用的手法！此外，逻辑分区的号码在IDE可达63号，SATA则可达15号， 因此仅一个主分区与一个扩展分区即可，因为扩展分区可继续被分割出逻辑分区。

开机流程与主引导分区(MBR)

大致流程:

• BIOS：启动主动运行的韧体，会认识第一个可启动的装置。
  
• MBR：第一个可开机设备的第一个扇区内的住引导分区块，内含引导加载装置。
  
• 引导加载程序(boot loader)：一支可读取核心文件来运行的软件。
  
• 核心文件：开始操作系统的功能。
  

了解主板的人知道有BIOS(Basic Input Output System)和CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)两个东西，这里简单提一下，CMOS是记录各项硬件参数且嵌入在主板上面的储存器，BIOS则是一个写入到主板上的一个韧体(再次说明，韧体就是写入到硬件上的一个软件程序)。这个BIOS就是在启动的时候，计算机系统会主动运行的第一个程序了！
接下来BIOS会去分析计算机里面有哪些储存设备，我们以硬盘为例，BIOS会依据用户的设置去取得能够启动的硬盘， 并且到该硬盘里面去读取第一个扇区的MBR位置。MBR这个仅有446bytes的硬盘容量里面会放置最基本的引导加载程序，此时BIOS就功成圆满，而接下来就是MBR内的引导加载程序的工作了。
这个引导加载程序的目的是在加载(load)核心文件，由于引导加载程序是操作系统在安装的时候所提供的，所以他会认识硬盘内的文件系统格式，因此就能够读取核心文件，然后接下来就是核心文件的工作，引导加载程序也功成圆满，之后就是大家所知道的操作系统的任务啦！
由上面的说明我们会知道，BIOS与MBR都是硬件本身支持的功能，至于Boot loader则是操作系统安装在MBR上面的一套软件了。由于MBR仅有446bytes而已，因此这个引导加载程序是非常小而美的。 这个boot loader的主要任务有底下这些项目：

• 提供菜单：使用者可以选择不同的启动项目，这也是多重启动的重要功能。
  
• 加载核心文件：直接指向可启动的程序区段来开始操作系统。
  
• 转交其他loader：将引导加载功能转交给其他loader负责。
  

上面前两点还容易理解，但是第三点就有深意了。那表示你的计算机系统里面可以具有两个以上的引导加载程序。虽然我们的硬盘只有一个MBR，但是引导加载程序除了可以安装在MBR之外，还可以安装在每个分区的引导扇区(boot sector)。分区还有各自的引导扇区。这个特色才能造就"多重启动"的功能。
举个例子，假设电脑只有一个硬盘，里面分成四个分区，其中第一、二分区分别安装了Windows及Linux，你要如何在开机的时候选择用Windows还是Linux开机呢？假设MBR内安装的是可同时认识Windows/Linux操作系统的引导加载程序， 那么整个流程可以图示如下：


在上图中我们可以发现，MBR的引导加载程序提供两个菜单，菜单一(M1)可以直接加载Windows的核心文件来开机；菜单二(M2)则是将引导加载工作交给第二个分区的引导扇区(boot sector)。当使用者在启动的时候选择菜单二时，那么整个引导加载工作就会交给第二分区的引导加载程序了。 当第二个引导加载程序启动后，该引导加载程序内(上图中)仅有一个开机菜单，因此就能够使用Linux的核心文件来启动罗。这就是多重启动的工作情况。我们将上图作个总结：

• 每个分区都拥有自己的引导扇区(boot sector)。
  
• 图中的系统分区为第一及第二分区。
  
• 实际可开机的核心文件是放置到各分区内的。
  
• loader只会认识自己的系统分区内的可开机核心文件，以及其他loader而已。
  
• loader可直接指向或者是间接将管理权转交给另一个管理程序。
  

Q:为什么安装多系统最好要先安装Windows再安装Linux呢?A:Linux在安装的时候，你可以选择将启动管理程序安装在MBR或各别分割槽的启动磁区，而且Linux的loader可以手动配置菜单(就是上图的M1, M2...)，所以你可以在Linux的boot loader里面加入Windows启动的选项；
Windows在安装的时候，他的安装程序会主动的覆盖掉MBR以及自己所在分割槽的启动磁区，你没有选择的机会，而且他没有让我们自己选择菜单的功能。
因此，如果先安装Linux再安装Windows的话，那MBR的启动管理程序就只会有Windows的项目，而不会有Linux的项目 (因为原本在MBR内的Linux的启动管理程序就会被覆盖掉)。

引用

本文参考了《鸟哥的Linux私房菜》和另一个大神的博客，具体忘记叫什么了，实在不好意思。
本人高三狗，做个视频不容易，还请大家多多支持一下下。

乜仁

好

郭小贱

可以了，只是现在都默认GPT分区了！答主有空更新一下答案吧，估计会累趴下，辛苦了！

韩小咪

老。。。

笨死的猪

早就过时了吧……

痴情废物

SSD都已经用很久了⊙▽⊙

朶爸

多谢科普

天外飞猴

这些炒冷饭技术有什么好处？怎么不介绍下机械硬盘如何量产的？

美蒂奧利奧

感谢！

翟华养

最前面那句“you can ask me for help”用的不是太合适吧