磁盘的工作原理及组成：从物理结构到逻辑寻址
磁盘的工作原理及组成：从物理结构到逻辑寻址
磁盘是计算机系统中最重要的存储设备之一，它的工作原理和组成结构对于理解计算机存储系统至关重要。本文将从磁盘的物理结构、存储结构到逻辑结构，层层递进，深入浅出地解释磁盘如何存储和读取数据。
前提引入
在理解文件系统之前，我们需要先理解文件的基本概念。在计算机中，文件可以被看作是内容和属性的组合。当文件被打开时，其内容会被加载到内存中，通过基础I/O操作（如read()和write()）进行读写。操作系统通过文件描述符（File Descriptor）来管理打开的文件。由于内存中的数据是临时状态，因此在关闭文件后需要将其保存回磁盘。未打开的文件则持久化存储在磁盘上，以二进制形式保存。文件系统通过目录结构和索引机制记录文件的位置。因此，磁盘上的存储需要文件系统进行管理维护。
理解硬件
机械磁盘、服务器、机柜、机房
机械磁盘是计算机中唯一的机械设备。拆开后的磁盘内部俯视图如下：
盘片并不是光滑的，可以用磁铁的工作原理来想象，磁铁有南北极，可以用来代表二进制中的0和1，所以无数个小的磁铁在盘片表面汇聚，用不同的二进制序列来形成数据，然后通过磁头来读取数据，这样就是磁盘表面的工作原理。
服务器就是由网络设备和磁盘组成，每一个方块都是一个磁盘盒，企业级的服务器并不是所有的磁盘都是性能好的，对于长期不使用的数据会使用效率低的磁盘进行保存，降低成本。
机柜用来放多台服务器。
机房用来管理机柜。机房成本极高，只有大企业才会去建机房。机房最怕的就是起火，这是由于磁受热后会消磁，昂贵的不是机器，而是数据！
磁盘物理结构
磁盘的存储结构
拆开所看到俯视图的磁盘并不是真正的结构，磁盘实际上是有多个盘片，多个面组成，多少面对应多少个磁头。每一面由磁道组成，磁道中对应的扇区就是磁盘存储数据的基本单位，一个扇区是512字节。所以当对扇区内数据进行操作时需要将整个扇区加载到内存。
所有的扇区都是同轴转动，形成柱面，当磁盘写入的时候是对柱面进行批量写入。磁头在传动臂的带动下，共进退，但是在工作的时候根据需要，部分磁头工作，部分不工作。当读取文件数据时，多个磁头在不同面进行读取或写入。
如何定位磁盘扇区
磁盘扇区的定位通过以下三步实现，涉及机械硬盘的物理结构和工作原理：
- 定位磁头（Head）
- 作用：选择要操作的盘面。
- 实现：磁盘由多个叠放的盘片组成，每个盘片有两个磁头（上下面各一）。通过激活对应编号的磁头（如
Head 0、Head 1），选择具体盘面进行读写。 - 示例：若磁盘有 3 个盘片，则共有 6 个磁头（每面一个）。选择
Head 3即操作第二个盘片的上表面。
- 确定柱面/磁道（Cylinder）
- 作用：确定磁头要访问的“同心圆轨道”。
- 实现：所有盘片上相同半径的磁道组成一个柱面（例如，6 个盘片的第 5 磁道共同构成
Cylinder 5）。磁头臂横向移动，将磁头对齐到目标磁道的位置。 - 意义：同一柱面不同盘面的数据可被快速连续读取，减少磁头移动耗时。
- 定位扇区（Sector）
- 作用：在磁道上找到具体的数据块。
- 实现：磁盘高速旋转（如 7200 RPM），磁头静止在目标磁道上。通过扇区编号（如
Sector 12）或时间标记，等待目标扇区旋转到磁头正下方。触发读写操作。 - 关键点：扇区是磁盘最小存储单元（传统为 512 字节，现代硬盘支持 4K 字节）。扇区位置由磁盘旋转速度和控制器时序控制。
完整流程示例
假设要读取Cylinder 100, Head 2, Sector 45的数据：
- 移动磁头臂到第 100 号柱面。
- 激活第 2 号磁头，选择对应盘面。
- 磁盘旋转至第 45 号扇区经过磁头时，读取数据。
如果读写失败，等待下次旋转抵达，一直失败就一直等待，读写的准确率就是企业级磁盘和桌面级磁盘的区别，也有成本和价格决定。
磁盘容量 = 磁头数 × 磁道(柱面)数 × 每道扇区数 × 每扇区字节数
柱面（cylinder），磁头（head），扇区（sector），显然可以定位数据了，这就是数据定位(寻址)方式之一，CHS寻址方式。
磁盘的逻辑结构
理解过程
当磁带卷起来的时候也类似于磁盘那样由磁道组成的同心圆，但是拉出来后就是线性结构。所以磁盘也可以类比成这样的线性结构，将磁道断开，然后拉直形成线性结构，每一个结构存储单元是一个扇区。
一个磁道就是如下结构。
多个磁道链接到一起就是如下结构。
这样每一个扇区，就有了一个线性地址(其实就是数组下标)，这种地址叫做LBA。
每个磁道的扇区从1开始，磁头和柱面从0开始。
实际上还是使用CHS定位，但是在逻辑上可以这么认为，有几个盘面就是几个数组，每个数组就是多个磁道组成的。所以磁盘这样看来，就是线性结构！现在定位一个位置只需要一个数字（数组下标）。
真实过程
一个细节：传动臂上的磁头是共进退的
柱面是一个逻辑上的概念，其实就是每一面上，相同半径的磁道逻辑上构成柱面。
所以，磁盘物理上分了很多面，但是在我们看来，逻辑上，磁盘整体是由“柱面”卷起来的。
所以磁盘真实情况是：
即：一维数组
柱面：
整个磁盘所有盘面的同一个磁道，即柱面展开：
就类似于将一个圆柱的侧面剪开。
柱面上的每个磁道的扇区个数是一样的，形成的结构就是二维数组。
整盘：
整个磁盘不就是多张二维的扇区数组表。
所有，寻址一个扇区：先找到哪一个柱面(Cylinder) ,在确定柱面内哪一个磁道(其实就是磁头位置，Head)，在确定扇区（Sector），所以就有了CHS。
其实全部都是一维数组，对柱面和磁道也进行编号，全部连接在一起也是一个一维数组。
所以，每一个扇区都有一个下标，我们叫做LBA(Logical Block Address)地址,其实就是线性地址。所以怎么计算得到这个LBA地址呢？
在操作系统看来，只需指定逻辑块号，无需关心磁盘物理结构，通过LBA地址即可。
LBA为操作系统提供统一接口，屏蔽物理细节。转换工作由磁盘固件完成，通过电路伺服系统，操作系统只需操作逻辑地址。
OS为什么要使用LBA呢？
不同磁盘的物理结构差异巨大（例如，柱面数、磁头数、扇区数不同）。若操作系统直接使用 CHS，需适配所有硬盘型号，极为复杂。而使用LBA，操作系统只需指定逻辑块号，无需关心磁盘物理结构。
CHS与LBA转换
CHS 转 LBA 的公式推导：
假设已知以下磁盘参数：
每磁道扇区数：
S磁头数：
H当前 CHS 地址：
(C, H, S)磁头数 × 每磁道扇区数 = 单个柱面的扇区总数
LBA = 柱面号C × 单个柱面的扇区总数 + 磁头号H × 每磁道扇区数 + 扇区号S - 1
即：LBA = 柱面号C × (磁头数 × 每磁道扇区数) + 磁头号H × 每磁道扇区数 + 扇区号S - 1
扇区号通常是从1开始的，而在LBA中，地址是从0开始的
柱面和磁道都是从0开始编号的
总柱面，磁道个数，扇区总数等信息，在磁盘内部会自动维护，上层开机的时候，会获取到这些参数。
LBA 转 CHS 的公式推导：
已知：
LBA 地址：
LBA磁盘参数：
H（磁头数）、S（每磁道扇区数）柱面号C = LBA // (磁头数*每磁道扇区数)【就是单个柱面的扇区总数】
磁头号H = (LBA % (磁头数*每磁道扇区数)) // 每磁道扇区数
扇区号S = (LBA % 每磁道扇区数) + 1
"//"：表示除取整
从此往后，在磁盘使用者看来，根本就不关心CHS地址，而是直接使用LBA地址，磁盘内部自己转换。
所以，从现在开始，磁盘就是一个元素为扇区的一维数组，数组的下标就是每一个扇区的LBA地址。OS使用磁盘，就可以用一个数字访问磁盘扇区了。
一维数组和三维数组的转换。