機械硬碟的結構

① 電腦硬碟什麼樣子的啊結構什麼樣啊工作原理是什麼樣的

DIY裝機指的是自行選擇電腦的各個硬體，這些硬體包括處理器、主板、內存、顯卡、硬碟、機箱、電源等，在保證兼容、合理搭配的同時將所有的DIY硬體搭配組裝為一台完整的電腦，也是所謂的「組裝機」、「兼容機」，今天小編再來幫大家科普一下硬碟選購知識和硬碟知識，教你如何挑選合適的硬碟。硬碟分為固態硬碟和機械硬碟以及混合硬碟三個類型，而絕大數的用戶都是採用固態硬碟和機械硬碟雙硬碟方案，現在混合硬碟市場需要很小，市場上裝機常見主要是固態硬碟和機械硬碟，我們先來簡單介紹一下這三個類型的硬碟知識吧。一、硬碟 選購 的類型：1、機械硬碟(HDD)是一款傳統式硬碟，在沒有固態硬碟之前都是搭配的機械硬碟，現在裝機搭配機械硬碟多數作為儲存副盤。機械硬碟的結構主要是由一個或者多個鋁制或者玻璃製成的磁性碟片、磁頭、轉軸、磁頭控制器、控制電機、數據轉換器、介面以及緩存等幾個部分組成。在機械硬碟在工作的時候，磁頭懸浮在高速旋轉的磁性碟片上進行讀寫數據。優點主要是容量大，價格便宜，技術成熟，硬碟破壞可做數據恢復，而缺點主要是速度相比固態硬碟要慢，發熱大，噪音大，防震抗摔性差。2、固態硬碟(SSD)固態硬碟是在機械硬碟之後推出的一款新型硬碟，也是現在裝機首選硬碟之一，都是設為主盤運用，大大提升系統速度。固態硬碟主要是由多個快閃記憶體晶元加主控以及緩存組成的陣列式儲存，屬於以固態電子儲存晶元陣列製成的一種硬碟。優點主要是相比機械硬碟，讀取速度更快，尋道時間更小，能夠提升系統、軟體、游戲等讀寫速度，靜音、防震抗摔性佳，低功耗、輕便、發熱小。而缺點主要是價格偏貴、容量較小，大儲存需要的時候，往往需要搭配機械硬碟來運用。3、混合硬碟(SSHD)混合硬碟相當於機械硬碟和固態硬碟的結合產品，採用容量較小的快閃記憶體顆粒作為儲存常用文件，而磁碟才是最為重要的儲存介質，而快閃記憶體僅僅是起了緩沖的作用，將更多的常用文件保存到快閃記憶體內減小尋道時間，從而提升效率。混合硬碟優缺點主要是讀寫速度相比機械硬碟要快，但是速度不如固態硬碟，與機械硬碟同樣，發熱顯著，有顯著噪音，有震動。二、硬碟 選購 的品牌1、機械硬碟：西部數據(WD)、希捷(ST)2、固態硬碟：三星、Intel、浦科特、Toshiba、建興、閃迪、金士頓、威剛、WD、影馳、七彩虹、台電等。一般來說，首選三星、intel、浦科特，不過價格偏貴，其次金士頓、閃迪、Toshiba等，性價比品牌可以影馳、威剛、台電、七彩虹等。三、硬碟 選購 的容量同價位情況下，機械硬碟的容量要比固態硬碟要大很多，因此大儲存的情況下，必須搭配機械硬碟作為儲存運用，除非你是土豪，直接購買大容量的固態硬碟。固態硬碟容量通常：120G、240G、320G、500G、1T、2T或者以上等。不過現在基本都是選用120G、240G容量為主，因為大容量的固態硬碟價格絕對讓你懷疑人生，不過相信經過固態硬碟多年的發展，大容量會越來越主流，越來越便宜。機械硬碟容量通常：1T、2T、3T、4T或者以上等。一般基本都是選用1T、2T機械硬碟，再大的基本用不到，除非真有這樣的儲存需要。四、硬碟 選購 的介面機械硬碟現在都是SATA3介面，而固態硬碟常見的有：SATA 3介面，PCI-E介面，M.2介面，其中M.2之間也有不一樣的規格，主要由2242、2260、2280三種規格。SATA3介面的固態硬碟是現在運用廣泛的，而M.2介面固態硬碟慢慢主流起來，而PCI-E介面一般運用在高端機上，擁有更高的速度體驗。五、硬碟 選購 的尺寸台式電腦機械硬碟都是3.5英寸，而SATA3介面的固態硬碟是2.5寸的，與筆記本的機械硬碟尺寸相似，因此也可以運用在筆記本上。PCI-E介面的固態硬碟只適於台式電腦，並不合適筆記本，而M.2和SATA的固態硬碟，台式電腦和筆記本都是通用的。不過對於現在的筆記本和台式電腦來說，M.2介面的固態硬碟外形小巧，打破了SATA介面帶來的性能瓶頸，因此裝機之家小編堅信，M.2介面的固態硬碟才是未來趨勢。是什麼決定了固態硬碟和機械硬碟速度?固態硬碟主要是顆粒與主控， 固態的顆粒與主控好壞決定了一款固態硬碟的性能，顆粒與主控越好，無疑固態硬碟的速度越強。SSD的顆粒的傳統分類：SLC、MLC、TLC，SLC顆粒要強於MLC，而MLC顆粒又強於TLC，不過SLC顆粒在現在市場基本很少，(裝機之家原創)主要是價格偏貴，現在中高端的固態還是MLC顆粒的天下，而TLC顆粒成本較低，性能與壽命不如MLC，定位市場入門級固態硬碟。SLC = Single-Level Cell ，即1bit/cell，速度快壽命長，價格超貴(約MLC 3倍以上的價格)，約10萬次擦寫壽命。MLC = Multi-Level Cell，即2bit/cell，速度一般壽命一般，價格一般，約1000--3000次擦寫壽命。TLC = Trinary-Le

② 機械硬碟是什麼

硬碟有機械硬碟(HDD)和固態硬碟(SSD)之分。機械硬碟即是傳統普通硬碟，主要由：碟片，磁頭，碟片轉軸及控制電機，磁頭控制器，數據轉換器，介面，緩存等幾個部分組成。

磁頭可沿碟片的半徑方向運動，加上碟片每分鍾幾千轉的高速旋轉，磁頭就可以定位在碟片的指定位置上進行數據的讀寫操作。信息通過離磁性表面很近的磁頭，由電磁流來改變極性方式被電磁流寫到磁碟上，信息可以通過相反的方式讀取。硬碟作為精密設備，塵埃是其大敵，所以進入硬碟的空氣必須過濾。

機械硬碟中所有的碟片都裝在一個旋轉軸上，每張碟片之間是平行的，在每個碟片的存儲面上有一個磁頭，磁頭與碟片之間的距離只有0.1μm～0.5μm，較高的水平已經達到 0.005μm～0.01μm，所有的磁頭聯在一個磁頭控制器上，由磁頭控制器負責各個磁頭的運動。
區別
機械硬碟與固態硬碟優缺點對比
1、防震抗摔性：機械硬碟都是磁碟型的，數據儲存在磁碟扇區里。而固態硬碟是使用快閃記憶體顆粒（即內存、MP3、U盤等存儲介質）製作而成，所以SSD固態硬碟內部不存在任何機械部件，這樣即使在高速移動甚至伴隨翻轉傾斜的情況下也不會影響到正常使用，而且在發生碰撞和震盪時能夠將數據丟失的可能性降到最小。相較機械硬碟，固硬佔有絕對優勢。

2、數據存儲速度：機械硬碟的速度約為120MB/S，SATA協議的固態硬碟速度約為500MB/S，NVMe協議(PCIe 3.0×2)的固態硬碟速度約為1800MB/S，NVMe協議(PCIe 3.0×4)的固態硬碟速度約為3500MB/S。

3、功耗：固態硬碟的功耗上也要低於機械硬碟。

4、重量：固態硬碟在重量方面更輕，與常規1.8英寸硬碟相比，重量輕20-30克。
5、噪音：由於固硬屬於無機械部件及快閃記憶體晶元，所以具有了發熱量小、散熱快等特點，而且沒有機械馬達和風扇。

③ 機械硬碟的組成(基本概念)

一個機械硬碟由下面五個部分組成(這里只包含核心部分,像金屬介質、磁化材料不會涉及)

硬碟中一般會有多個碟片組成，每個碟片包含兩個面，每個盤面都對應地有一個讀/寫磁頭。受到硬碟整體體積和生產成本的限制，碟片數量都受到限制，一般都在5片以內,但隨著機械硬碟越來越大,碟片也有上百的,具體數量取決於硬碟廠商。碟片的編號自下向上從0開始，如最下邊的碟片有0面和1面，再上一個碟片就編號為2面和3面。

下圖顯示的是一個盤面，盤面中一圈圈灰色同心圓為一條條磁軌，從圓心向外畫直線，可以將磁軌劃分為若干個弧段，每個磁軌上一個弧段被稱之為一個扇區（圖踐綠色部分）。扇區是磁碟的最小組成單元，通常是512位元組。（由於不斷提高磁碟的大小，部分廠商設定每個扇區的大小是4096位元組）

硬碟通常由重疊的一組碟片構成，每個盤面都被劃分為數目相等的磁軌，並從外緣的「0」開始編號，具有相同編號的磁軌形成一個圓柱，稱之為磁碟的柱面。柱面，其實是個「虛」的東西！它是分開的。物理上不是一體的。只是在空間上，它類似於一個桶的桶壁一樣。磁碟的柱面數與一個盤面上的磁軌數是相等的。由於每個盤面都有自己的磁頭，因此，盤面數等於總的磁頭數。 如下圖

存儲容量 ＝ 磁頭數 × 磁軌(柱面)數 × 每道扇區數 × 每扇區位元組數
圖3中磁碟是一個 3個圓盤6個磁頭，7個柱面（每個碟片7個磁軌） 的磁碟，圖3中每條磁軌有12個扇區，所以此磁碟的容量為：
存儲容量 6 * 7 * 12 * 512 = 258048
每個磁軌的扇區數一樣是說的老的硬碟，外圈的密度小，內圈的密度大，每圈可存儲的數據量是一樣的。新的硬碟數據的密度都一致，這樣磁軌的周長越長，扇區就越多，存儲的數據量就越大。

尋道時間：磁頭從開始移動到數據所在磁軌所需要的時間，尋道時間越短，I/O操作越快，目前磁碟的平均尋道時間一般在3－15ms，一般都在10ms左右。
旋轉延遲：碟片旋轉將請求數據所在扇區移至讀寫磁頭下方所需要的時間，旋轉延遲取決於磁碟轉速。普通硬碟一般都是7200rpm，慢的5400rpm。
數據傳輸時間：完成傳輸所請求的數據所需要的時間。
小結一下：從上面的指標來看、其實最重要的、或者說、我們最關心的應該只有兩個：尋道時間；旋轉延遲。
讀寫一次磁碟信息所需的時間可分解為：尋道時間、延遲時間、傳輸時間。為提高磁碟傳輸效率，軟體應著重考慮減少尋道時間和延遲時間。

雖然知道了機械硬碟的大致組成結構,但是要回答下面幾個問題,還是比較難的,需要進行更深入的研究:

④ 扇區是什麼柱面是什麼磁頭是什麼

硬碟劃分為磁頭（Heads）、柱面(Cylinder)、扇區(Sector)。
*△磁頭(Heads)*：每張磁片的正反兩面圓前宴各有一個磁頭，一個磁頭對應一張磁片的一個面。因此，用第幾磁頭
就可以表示數據在哪個磁面。
*△柱面(Cylinder)*：所有磁片中半徑相同的同心磁軌構成「柱面"，意思是這一系列的磁軌垂直疊在一起，就形成一個柱面的形狀。簡單地理解悔李，柱面就是磁軌。
*△扇區(Sector)*：將磁軌劃分為若干個小的區段，就是扇區。雖橘銀然很小，但實際是一個扇子的形狀，故稱為扇區。每個扇區的容量為512位元組。

⑤ 機械硬碟

機械硬碟（ HDD ， Hard Disk Drive ）主要由碟片、磁頭、電機馬達、介面等組成。

一個 機械硬碟 由多個 碟片 疊加而成。

碟片（ Platters ）的表面塗有 磁性物質 ，這些磁性物質用來記錄二進制數據。工作時在主軸馬達的帶動下進行高速旋轉（比如 每分鍾 7200 轉 ）。每個碟片都有上下兩面，稱為盤面，每個盤面都有一個對應的讀寫磁頭負責讀寫該盤面上的數據。

當關機時，磁頭會停留在硬碟的 停泊區 ，工作時才會移動到盤面上方，依靠磁碟高速旋轉引起的空氣動力效應懸浮在盤面上。

在硬碟系統中，盤面按照從上到下的順序從 0 開始編號，盤面號也叫磁頭號，比如一個硬碟有 兩個碟片 ，則盤面號為 0 ~ 3 。

名詞解釋：

在碟片高速旋轉時保持磁頭不動，那麼磁頭就會在盤面上形成一個圓形的軌跡，這些同心的圓形軌跡就是 磁軌 （ Track ）。每個盤面上都有多個磁軌，這些磁軌 由外向內 從 0 開始順序編號。

所有盤面上半徑相同的同心磁軌垂直堆疊在一起構成的一個圓柱，稱為 柱面 （ Cylinder ）。柱面是一個抽象出來的概念，它在物理上不是一體的，只是在空間上類似於一個圓柱的外壁。 為了方便理解，可以認為柱面就是磁軌 。柱面上的磁頭 由上到下 從 0 開始順序編號，數據的讀寫也是按照柱面進行。

在讀寫數據時，首先在同一柱面內從 0 號磁頭開始操作，依次向下在同一柱面的不同盤面即磁頭上進行操作，只有當同一柱面的所有磁頭全部讀寫完畢後才將磁頭切換到 下一個柱面 （ 同心圓往裡的柱面 ）。 這么做的原因是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，電子切換是相當快的，而機械切換磁頭則要慢得多 。

概括來說，就是 當一個磁軌寫滿數據後，就在同一柱面的下一個盤面上寫，一個柱面寫滿後，才會移動到下一個柱面 ，讀數據也是按照同樣的方式。

盤面上可以劃分出很多磁軌，但是我們並不需要每次都讀寫這么多數據，所以又將磁軌劃分為了若干更小的弧段，每段被稱為一個 扇區 （ Sector ）。

由於這些弧段轉動的 角速度一樣 ，但是長度不同，所以 線速度也不一樣 ，外圈的線速度大於內圈，即 相同的轉速下，在同樣的時間段內外圈劃過的弧段長度要比內圈劃過的弧段長度大 。

扇區從 1 開始編號，是硬碟進行讀寫操作的最小單位 ，一般硬碟的一個扇區大小為 512 位元組 ——這也就意味著哪怕我們只存放 1 位元組的數據也會佔用硬碟的一個扇區（512 位元組）。後來為了提升硬碟的效率和使用率又推出了 4K 大小的扇區 標准。

扇區存儲的第一個主要部分 就是標識符，也就是扇區頭標，它是一個扇區的三維地址，包括盤面號、柱面號和扇區號，通過這三個地址可以唯一確定一個扇區。可用（ 柱面號 ， 盤面號 ， 扇區號 ）來定位任意一個 「磁碟塊」。

在 【文件的物理結構】中，我們經常提到文件數據存放在外存中的幾號塊（邏輯地址），這個塊號就可以轉換成（ 柱面號 ， 盤面號 ， 扇區號 ）的地址形式。

可根據該地址讀取一個 「塊」，操作如下：

扇區的第二個主要部分 就是存儲數據的數據段，可分為數據和保護數據的糾錯碼（ ECC ）。

存儲容量 = 磁頭數（盤面數）* 磁軌數（柱面數）* 每個磁軌的扇區數 * 每個扇區的位元組數

從硬碟的物理結構來看，數據存取信息的最小單位是扇區，一個扇區可能為 512 位元組 或者是 4K 。
由於扇區的容量小且數量眾多，在定址時比較困難，所以操作系統就將相鄰的扇區組合在一起，形成一個整體， 這個整體就是操作系統對硬碟進行存取的最小單位 ，在 Windows 下稱為 簇 （ Cluster ），在 Linux 等系統中稱為 塊 （ Block ）。每個簇或塊可以包含 2, 4, 8, 16, 32 等， 2 的 n 次方個扇區 。

Windows 系統上通過管理員身份運行 fsutil fsInfo ntfsInfo C: 命令，會得到以下信息：

這台設備使用的文件系統是 NTFS ，默認的簇大小為 4096 位元組 。

Linux 系統上通過以下命令可以查看 block 信息：

【設置 cmd 的顯示語言】

當需要從硬碟讀取數據時，操作系統會將數據的邏輯地址發送給硬碟，硬碟的控制電路按照定址邏輯將邏輯地址翻譯成物理地址，即確定要讀取的數據在哪個磁軌，哪個扇區。

為了讀取這個扇區的數據，需要將磁頭移動到這個扇區的上方，為了實現這一點：

可以看到，進行一次讀寫硬碟所需要的時間可以概括為： 尋道時間 、 旋轉時間 和 傳輸時間 。目前硬碟的平均尋道時間在 3ms 到 15ms 之間，普通硬碟的轉速一般為 5400 rpm 或 7200 rpm 。

由於存儲介質的特性，硬碟本身的存取速度就比主存慢很多，再加上磁頭的機械運動，存取速度就更慢了。
為了提高硬碟的效率， 盡量減少磁碟 I/O ，硬碟往往不是嚴格的按需存取，而是每次都會預讀，即使只需要一個位元組，磁碟也會從這個位置開始，順序地向後讀取一定長度的數據放入內存，這樣做的理論依據是計算機科學中著名的 空間局部性原理 ：

程序在運行期間，一段時間內所需要的數據通常都比較集中，由於磁碟的順序讀取效率很高（不需要尋道時間，只需要很少的旋轉時間），因此 預讀一般都可以提高磁碟 I/O 的效率 。

磁碟預讀的長度一般為 頁 （ Page ）的整數倍。由於操作系統經常與內存和硬碟這兩種設備進行通信，為了屏蔽底層物理存儲結構的設計細節，需要抽象出一種邏輯上的存儲單位。

當程序要讀取的數據不在內存中時，會觸發一個缺頁異常，此時操作系統會向磁碟發出讀盤信號，磁碟會找到數據的起始位置然後連續讀取一頁或者幾頁的數據放入內存，然後異常返回，程序繼續執行。

硬碟 按 數據介面 不同，大致分為 ATA 和 SATA （可參閱 IDE 界面）以及 SCSI 和 SAS 。

⑥ 機械硬碟由哪些結構組成

不管是哪一種機械硬碟，基本都是由碟片、磁頭、碟片主軸、控制電機、磁頭控制器、數據轉換器、介面、緩存等幾個部份組成。

⑦ 簡述下硬碟的工作原理

硬碟分為機械硬碟與固態硬碟兩者，各類型原理如下：

1、機械硬碟

機械硬碟由磁碟、馬達和磁頭等機械部件組成，當機械硬碟需要讀取數據時，磁頭需要移動到相應的位置，讀取磁碟上的數據，而這個過程是需要時間的，稱之為尋道時間和潛伏周期。

2、固態硬碟

固態硬碟的內部構造包括PCB板、主控制器晶元和快閃記憶體晶元。其中最基本的單位就是快閃記憶體晶元，這是一種非易失性內存晶元，通過充電、放電的方式寫入和擦除數據。

(7)機械硬碟的結構擴展閱讀：

由於HDD在運行時需要轉動，所以抗震能力和性能比較弱，而且待機轉動時功耗也更高一些（停轉除外），讀寫時會有明顯「吱」的聲響；由於SSD沒有機械結構轉動，所以抗震能力很強，性能也更好，同時功耗也低很多，工作時沒有聲音。

另外容量方面，2.5英寸HDD的容量可以做到最高4TB，主流為1TB和2TB，而SSD即使迎來QLC，目前主流容量還集中在256GB和512GB。SSD是完全可以做大容量的，但由於價格問題，中等容量SSD更容易被接受。