硬盘的逻辑结构

硬盘的物理结构

　　硬盘使用一种盘状物来存储数据，这些浅盘以轴为中心叠合在一起，由马达推动而旋转。浅盘的表面是磁介质，通过读/写磁头的作用，数据以同心圆的方式被存储。一层浅盘有一个磁头，而磁头由包括伺服系统的激励臂定位在浅盘的上面。

　　所有的读写磁头排列在一起，这样它们可以一起在浅盘上移动。信息从浅盘的最外边开始记录，当最外的磁道写满后，磁头向内移动开始往下一个空磁道写信息。浅盘每分钟旋转至少3600转。只要不是电脑关机或硬盘不上电，它就一直旋转。这种快速的旋转在浅盘上产生一薄层气垫，能使读写磁头浮动在其上。因为磁头不接触浅盘而是“漂浮”在上面10微米处，任何在浅盘上的微小的尘粒（一个香烟灰微粒是100微米）都会损坏磁头，继而毁坏浅盘上的磁介质。因此，保持硬盘空气塞的完整和在干净的环境中使用硬盘很重要。

　　移动正在工作中的硬盘可能会导致磁头毁坏，因此上电时不要移动电脑。当今的硬盘在不上电时磁头被激励臂从浅盘上移走，从而保护硬盘。而很多使用步进电机的老式硬盘就没有这个功能，磁头的移走只能靠执行软件来使浅盘减速直至停止，磁头放在磁盘最后一个柱面的加载区来实现，但这只能保护硬盘的介质而不是磁头，在移动电脑时仍然要小心。

　　数据存储在类似同心圆的磁道上，磁道的顺序是从外层到内层，每个圆形轨迹由512Byte的扇区组成。而在所有浅盘表面的相同的磁道称为柱面。

　　每个浅盘的表面都有一个相应的读写磁头，比如，两个浅盘的硬盘有四个盘面和四个磁头。因此，硬盘的容量等于：磁头数*柱面数*扇区数*512 Byte。二进制数据组成的信息以磁通量的形式存储在磁介质上，使用硬盘时，读写磁头再将它们转换为非常弱的电信号。经过预放大器增强信号，再由数字信号处理器转换为数字信号。所有这些电气部件，包括激励臂电气控制、旋转马达电气控制、高速缓存电气控制，被集成在硬盘里的印刷电路板上。

　　硬盘浅盘表面的磁道和扇区是经过低级格式化后形成的，它们为进一步存储数据做好了准备。所有商业上的硬盘在出厂前已经低级格式化，那时就确定了每道扇区数，浅盘就像切饼子一样被分成扇区。因为浅盘的最外道的周长比内道长，它就浪费了一些空间。在内道的扇区数限制了外道的扇区数。现代的驱动器使用多重区域记录技术（ Multiple Zone Recording ）以存储更多的数据。这种技术使用的扇区长度规定为读写磁头能处理的最大值，数据被记录到浅盘中统一长度的扇区中。因此，在外道里就能有更多的扇区，而且因为同样旋转一周，外道经过磁头的扇区数要比内道多，这些扇区的读写速度也得到了提高。

　　现在的发展趋势是，随着磁介质和读写磁头技术的提高，扇区的数据密度越来越高，这样不用增大驱动器的体积就能提高它的容量。

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硬盘的逻辑结构

硬盘由很多盘片(platter)组成，每个盘片的每个面都有一个读写磁头。如
果有N个盘片。就有2N个面，对应2N个磁头(Heads)，从0、1、2 开始编号。每
个盘片被划分成若干个同心圆磁道(逻辑上的，是不可见的。)每个盘片的划分
规则通常是一样的。这样每个盘片的半径均为固定值R的同心圆再逻辑上形成了
一个以电机主轴为轴的柱面(Cylinders)，从外至里编号为0、1、2……每个盘
片上的每个磁道又被划分为几十个扇区(Sector)，通常的容量是512byte，并
按照一定规则编号为1、2、3……形成Cylinders×Heads×Sector个扇区。这
三个参数即是硬盘的物理参数。

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几个概念

▲关于硬盘低级格式化（物理格式化）

1． 低级格式化的作用是将空白的磁片划分一个个同心圆、半径不同的磁道，还将磁道划分为若干个扇区，每个扇区的容量为512字节。

2． 低级格式化在硬盘出厂时已由硬盘生产商完成了，通常使用者无需再进行低级格式化操作。
3． 关于低级格式化的种种见解，是本站站长查阅有关资料、网页汇编而成，仅供参考。

(1)如无非常必要，使用者不要对硬盘进行低级格式化操作，因为硬盘出厂前的初始低级格式化是由生产线上的专用磁头完成的，而使用者在硬盘出厂后的使用过程中用软件进行低级格式化，使用的是硬盘本身的读写磁头，其读写性能、读写准确度，无不如生产线上的专用磁头，因此，格式化的效果肯定不如生产线的初始低级格式化，从而使硬盘性能下降。

(2)低级格式化是硬盘高损耗的操作，将大大缩短硬盘的使用寿命，因此，如非十分必要，建议不要进行低级格式化。

(3)低级格式化容易引起磁片表面的操伤，如非必要，不要低格。

(4)但是，如遇以下情况，低级格式化可能是有必要的：

① 受外部强磁体、强磁场的影响，或因长期使用，硬盘磁片上由低级格式化划分出来的扇区格式磁性记录部分丢失，因此出现大量“坏扇区"。注意，这并不是磁片的物理损坏。这时，进行低级格式化，重新划分扇区，可能是一个有效的办法。

② 为改善硬盘的性能，试图重新设置扇区“间隔因子"（Interleave）以提高读写的速度，重新进行低级格式化是通常采用的方法。当然也有一些软件如Norton Utilities For DOS 6.0-8.0中的Calibrat（Norton Utilities For DOS 8.0中文版中的校正程序）可对硬盘进行不破坏数据前提下的低级格式化操作，以优化间隔因子，提高硬盘速度

▲ 间隔因子（交叉因子）释义
低级格式化硬盘时必须设定扇区“间隔因子”（交叉因子）值。间隔因子通俗的讲，是指低级格式化后，第一个扇区和第二个扇区相隔多少个物理扇区块。低级格式化划分出来的扇区不一定是连续的，而是交错排列的。只有间隔因子＝1时才是连续的，间隔因子＝2时，第1号扇区和第2号扇区中间间隔有一个扇区，间隔因子＝3时，第1号和第2号扇区中间间隔着两个扇区，如此类推。间隔因子值对硬盘读写速度有很大影响，应与硬盘转速、CPU速度、主板相匹配，否则影响硬盘性能。近年生产的新式硬盘和586级以上CPU应该不存在不匹配的问题。至于与硬盘转速相匹配的问题，除非使用者对硬盘重新进行了低级格式化，否则硬盘出厂时的低级格式化所设置“间隔因子"值应该与转速是相匹配的。

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▲硬盘寻址模式

1． 硬盘的寻址模式，通俗地说，就是主板BIOS通过什么方式，查找硬盘低级格式化划分出来的扇区的位置。不同的硬盘的容量，有不同的寻址模式。

CHS（或称为Normal）模式： 适应容量≤504MB的硬盘

LARGE（或称LRG）模式： 适应504MB≤容量≤8.4GB的硬盘

LBA（Logical Block Addressing）模式： 适应容量≥504MB的硬盘，但BIOS需支持扩展INT13H，否则也只能适应≤8.4GB的硬盘

以上三种寻址模式，可在BIOS设置的“STANDARD CMOS SETUP"项目中的“MODE"选项中选择（以AWARD BIOS为例）。

由于LARGE、LBA寻址模式采用了逻辑变换算法，比CHS复杂。但到目前为止大多数的资料、磁盘工具类软件中，采用的硬盘参数介绍和计算方法却还是按照相对而言比较简单的CHS寻址模式，因此，CHS寻址模式是硬盘寻址模式的基础，理解CHS寻址模式，对目前而言的硬盘使用和维护，还是很有用的。

2．CHS寻址模式：

① CHS寻址模式将硬盘划分为磁头（Heads）、柱面(Cylinder)、扇区(Sector)。

△磁头(Heads)：如本文第一条“了解硬盘的物理结构"第2小点所提到的，每张磁片的正反两面各有一个磁头，一个磁头对应一张磁片的一个面。因此，用第几磁头就可以表示数据在哪个磁面。

△柱面(Cylinder)：所有磁片中半径相同的同心磁道构成“柱面"，意思是这一系列的磁道垂直叠在一起，就形成一个柱面的形状。简单地理解，柱面就是磁道。

△扇区(Sector)：将磁道划分为若干个小的区段，就是扇区。虽然很小，但实际是一个扇子的形状，故称为扇区。每个扇区的容量为512字节。

② 知道了磁头数、柱面数、扇区数，就可以很容易地确定数据保存在硬盘的哪个位置。也很容易确定硬盘的容量，其计算公式是：

硬盘容量＝磁头数×柱面数×扇区数×512字节

③LARGE寻址模式把柱面数除以整数倍、磁头数乘以整数倍而得到的逻辑磁头／柱面／扇区参数进行寻址，所以表示的已不是硬盘中的物理位置，而是逻辑位置。LBA寻址模式是直接以扇区为单位进行寻址的，不再用磁头／柱面／扇区三种单位来进行寻址。但为了保持与CHS模式的兼容，通过逻辑变换算法，可以转换为磁头／柱面／扇区三种参数来表示，但表示的也和LARGE寻址模式一样，已不是硬盘中的物理位置，而是逻辑位置了。

——硬盘的工作模式
现在主板支持三种硬盘工作模式：NORMAL、LBA和LARGE模式。 NORMAL普通模式是最早的IDE方式。在此方式下对硬盘访问时,BIOS和IDE控制器对参数不作任何转换。该模式支持的最大柱面数为1024,最大磁头数为16,最大扇区数为63,每扇区字节数为512。因此支持最大硬盘容量为：512×63×16×1024=528MB。在此模式下即使硬盘的实际物理容量更大,但可访问的硬盘空间也只能是528MB。 LBA(Logical Block Addressing)逻辑块寻址模式。这种模式所管理的硬盘空间突破了528MB的瓶颈,可达8.4GB。在LBA模式下,设置的柱面、磁头、扇区等参数并不是实际硬盘的物理参数。在访问硬盘时,由IDE控制器把由柱面、磁头、扇区等参数确定的逻辑地址转换为实际硬盘的物理地址。在LBA模式下,可设置的最大磁头数为255,其余参数与普通模式相同。由此可计算出可访问的硬盘容量为:512×63×255×1024=8.4GB。 　　LARGE大硬盘模式。当硬盘的柱面超过1024而又不为LBA支持时可采用此种模式。LARGE模式采取的方法是把柱面数除以2,把磁头数乘以2,其结果总容量不变。例如,在NORMAL模式下柱面数为1220,磁头数为16,进入LARGE模式则柱面数为610,磁头数为32。这样在DOS看来柱面数小于1024,即可正常工作。目前基本上只有LBA有实际意义了。

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直到今天比弄明白 CHS 参数到底是怎么回事,以前虽然模模糊糊的研究过硬盘启动问题，知道MBR、DBR放在0，0，1；和0；1；1扇区，可是这3D参数到底是怎么来的一直搞不懂，憋了一年的问题现在终于搞通了，爽！