问题描述

我们为什么要整理这篇笔记呢？为了理解硬盘盘片的组成结构。在理解磁盘盘片结构后，有助于我们理解磁盘命令，如 fdisk(8)等，中使用的术语；有助于我们理解数据在磁盘中的分布方式；能够增强我们进行磁盘操作的自信心；理解在磁盘操作时发生的底层动作。所以，理解磁盘的物理结构，对日常工作是很有帮助的；

该部分笔记将整理：磁盘驱动器的物理结构，了解相关术语及概念；

解决方案

1）盘片（PLATTER）：

2）磁头（HEAD）：磁盘读 / 写磁头，用于读写数据“针头”。通常一个碟片有两个用于读取或写入数据的磁头：一个用于顶部，另一个用于相对侧；磁头值表示磁盘位置和所在面；

盘片的物理组成

该笔记将介绍：磁盘盘片结构，并简单介绍磁盘组成结构（我们的关注重点为磁盘盘片结构）；

盘片（PLATTER）为圆形金属盘，安装在硬盘内部的主机电轴上。部分硬盘包含多个盘片，以在有限空间内提供更多数据存储；

盘片有由铝（或玻璃）基板做成的芯，覆有氧化铁或钴合金制成的薄层。在基板的两侧，通过特别的制造技术沉积很薄的涂层，这个薄涂层就是数据存储的地方，称为介质层。当磁介质应用到基板表层时，会涂有薄润滑的保护层，以保护介质层。这复杂的三层介质如下：

基板（底层材料）

基板（底层材料）用于形成磁盘的形状，也是介质层沉积的地方，除此之外无特殊用途。通常使用铝合金作为盘片的基板，在早期很成功。随着技术进步，针头与盘片距离缩短，盘片转速更高，因此需要新材料来替代铝合金。玻璃盘片用来替代铝制盘片，它们更加稳定、质量更好、盘片更薄；

介质层

基板用于形成磁盘的形状，而介质层则沉积在基板上。它是应用在基板表面的磁性材料薄涂层，也是数据保存的地方，其厚度仅壹英寸的百万分之几；

采用“特殊技术”将磁性材料沉积在基板上。基板两面都涂有该薄涂层，通常通过称为磁控溅射的真空蒸镀（我们也不懂，看着翻译的）。另种方法是电镀法，类似于用在电镀饰品中的过程；

注意，盘片的两面都涂有介质层，也就是说盘片的两面都可以存储数据。（注意，这点会影响我们对其他内容的理解）

保护层

在介质层上，涂有超薄、防护的、润滑的保护层。它用于保护磁盘免于由于意外磁头接触、“磁头碰撞”、异物进入磁盘而带来的损坏；

盘片的特定结构

为了维护有组织的盘片以及取回数据，盘片被组织成“特定结构”。这种“特定结构”不是盘片的物理组成，而是逻辑划分方法。这些特定结构包括轨道（Track）、扇区（Sector）、簇（Cluster）；

扇区（Sector）

轨道被分割成数千个很小的单元，称为扇区（Sector）。在硬盘上，扇区是数据存储的基本单元，每个扇区可容纳数据超过 512-BYTE。少许附加字节用于控制结构与错误校验；

扇区的大小：
1）传统的硬盘是一个扇区是 512-BYTE，
2）在 CD-ROM 中是 2048-BYTE，
3）在新一点的硬盘中使用 4096-BYTE 的扇区；

扇区的组成：在现代的磁盘中，每个物理扇区由两部分组成：
1）头部，包含驱动器和控制器使用的信息；
2）数据区域，用于保存数据。我们常说“扇区为 512-BYTE”，只是指扇区的数据区域；

轨道（Track）

每个盘片被分成数千个紧凑的同心圆，像树的年轮，称为轨道（Track）。保存在磁盘中的所有信息，都记录在轨道中。轨道值在最外侧从零开始，推移到最内测。每个轨道可以容纳大量数据；

轨道是磁盘驱动器中数据的物理分区。在驱动器中单个碟片上的轨道数量恰好等于驱动器的磁柱数量；

一个磁盘有多少轨道？这个完全取决于厂商对硬盘的布局；
How many tracks does a modern harddisk have?
number of tracks

磁柱（Cylinder）

磁柱（Cylinder），由多个盘片上的“相同位置”（相同轨道值）的轨道组成，它是磁盘分区的最小单位；

所示如图，3 个 Track（黄色区域）是 1 个 Cylinder：

Q：为什么会有 Cylinder 这个概念？或说 Cylinder 存在的意义是什么？
A：如果硬盘仅有单个盘片，当数据写入时，若某个 Track 写满，则机械移动磁头到下个 Track 以继续写入数据。但是，如果有多个盘片，就不再移动磁头，而是直接电子切换下个磁头（电子切换要快于机械切换），直接在下个盘片的同个 Track 继续写入数据。为此诞生 Cylinder 概念。

簇（Cluster）

在硬盘上，每个分区细分为簇（Cluster）。簇是在硬盘上存储的最小的可能单元。簇大小取决于两样东西：分区大小；在分区上的文件系统。将多个扇区组织在一起形成簇；

Block Size，Cluster Size，Allocation Unit，部分时候具有相同含义，都是指操作系统进行磁盘操作的最小单位，即文件系统的最小单位。在内核中，文件系统使用 Block 概念；

其他内容

容量计算

因此「机械磁盘」的容量计算公式是：
1）碟片扇区数 * 扇区容量 * 碟片数
2）磁盘读 / 写磁头数量 * 每个磁头负责的磁柱数量 * 每个磁柱所含有的磁区数量 * 磁区容量

每个「Partition entry」是 16 字节，它的单位是扇区，每个扇区 512-BYTE，因此总字节数就是：512 x 2 ^ 16 x 8
在 PC XT 时代的硬盘技术产品，分区表使用柱面、磁头、扇区（CHS 寻址）单元细分存储介质。这些值不再与现代磁盘驱动器中的名称相对应，也与其他设备无关，例如固态驱动器，这些设备实际上没有圆柱或磁头；

参考文献

Wikipedia/Track (disk drive)
Wikipedia/Data cluster
Wikipedia/Disk sector
Physical structure of a hard disk – Master partition table step by Part 1
“blocks” column in output of fdisk
鸟哥的 linux 私房菜 /Linux 磁盘与硬件管理 / 物理组成
https://kb.iu.edu/d/ahim
What is the difference between block size and cluster size on a disk? – Quora
What is the difference between sectors, blocks, and clusters? : DataHoarder