计算机组成与体系结构：硬盘驱动器（Hard Disk Drives）
目录
💽 硬盘驱动器（HDD）：传统的固定辅助存储设备
什么是硬盘驱动器？
硬盘的工作原理
HDD 的物理结构
Disk Pack（盘组）
Tracks（磁道）
Cylinders（柱面）
Sectors（扇区）
扇区容量：512 Bytes（标准）
硬盘容量的计算公式
Average Access Time（平均访问时间）
Seek Time（寻道时间）
Rotational Delay（旋转延迟）
💽 硬盘驱动器（HDD）：传统的固定辅助存储设备
什么是硬盘驱动器？
硬盘（Hard Disk Drive, HDD）是一种非易失性的固定辅助存储设备，用来长期存储操作系统、程序和用户数据。
即使关机断电，硬盘上的数据仍然保存不变。它属于 Secondary Memory（二级存储） 中的 固定辅存（Fixed Auxiliary Storage） 类型。
硬盘的工作原理
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硬盘内部有高速旋转的圆形磁盘（碟片）
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数据以磁性形式写在磁盘表面
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有一根读写磁头（磁头臂）在上面移动，读取或写入数据
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所有操作都由内置控制电路协调完成
HDD 的物理结构
Disk Pack（盘组）
Disk Pack 是硬盘中由 多张磁盘（platters） 组成的整体，每张磁盘上下两个面可用于存储。
结构：
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一组**磁盘片（Platters）**垂直堆叠在一起
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中心有一个**主轴（Spindle）**带动所有盘片高速旋转
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每个盘面上方有一个 读写磁头（Read/Write Head）
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多个磁头通过**磁头臂组合（Actuator Arm Assembly）**控制同步移动
Tracks（磁道）
每个磁盘面被划分为多个同心圆形的区域，这些圆圈就叫做 Tracks（磁道）
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每个 Track 像唱片上的一圈一圈
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每个面有若干个 Tracks，编号从中心向外递增
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Track 是数据存储的第一层逻辑单位
Cylinders（柱面）
柱面（Cylinder）是多个磁盘上相同编号的 Tracks 所组成的一组
📌 举例说明：
假设你有 4 个磁盘面（上下各两个），如果每个面上都有第 100 条磁道，那么这几个第100号磁道就组成一个柱面。
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所有磁头在移动时，是同时移动到相同的 Track 编号 → 所有同编号的 Track → 形成 Cylinder
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柱面就像是一根穿过所有磁盘的“虚拟柱子”
结论：
每个磁盘面一个 Track，多个面组合在同一 Track 编号处就组成了一个 Cylinder
所以：#Cylinders = #Tracks（每面）
Sectors（扇区）
磁道（Track） 被进一步划分为若干个弧段，这些段就是Sectors（扇区）
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每个 Sector 是硬盘中可以独立读写的最小物理单元
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在传统硬盘中，每个 Sector 的容量固定为：512 Bytes（字节）
⚠️ 注意：
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一个 Track 上有多个 Sector
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所有 Sector 通常大小相同（统一管理方便）
扇区容量：512 Bytes（标准）
为什么用 512B？
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这是传统硬盘的默认标准，兼容早期 BIOS 和文件系统设计
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512B 刚好适合存储一个数据块和校验信息，读写效率较好
变化趋势：
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高容量硬盘逐步转向 4KB 扇区（Advanced Format），但对外仍用 512B “逻辑扇区”模拟，以保兼容
Page（页）和 Sector 的关系
💡 Page（页）是操作系统或文件系统管理数据的单位，通常大小为 4 KB（4096 Bytes）
二者的关系：
| 项目 | 值 |
|---|---|
| 1 Sector | 512 Bytes |
| 1 Page | 4096 Bytes |
| 1 Page = ? Sectors | 4096 ÷ 512 = 8 Sectors |
📌 说明：
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操作系统读取/写入时，按页（Page）为单位
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硬盘实际存储数据时，以扇区（Sector）为最小单位
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所以：
一次读取一个 Page，硬盘至少要访问 8 个连续的 Sectors
硬盘容量的计算公式
📌 容量（每个盘面）的计算公式如下：
Capacity = #Tracks × #Sectors/Track × #Bytes/Sector
各参数解释：
| 参数 | 含义 | 举例 |
|---|---|---|
| #Tracks | 每个盘面有多少磁道（环） | 如：10,000 |
| #Sectors/Track | 每个磁道上分成多少扇区 | 如：400 |
| #Bytes/Sector | 每个扇区大小 | 标准：512 Bytes |
| Capacity | 单面容量 | 最终结果，单位为字节（Bytes） |
例子：
假设：
- 每面磁道数 = 10,000
- 每磁道扇区数 = 400
- 每扇区大小 = 512 Bytes那么每个盘面的容量 =
10,000 × 400 × 512 = 2,048,000,000 Bytes ≈ **2 GB**
如果有 2 张盘片（4 个面），总容量就是：2 GB × 4 = 8 GB
Average Access Time（平均访问时间）
这是衡量硬盘性能最常用的指标之一，计算公式为：
TS + TR + TDataTransfer
| 时间项 | 解释 | 常见值 |
|---|---|---|
| Ts | 寻道时间 | 8~12 ms |
| TR | 旋转延迟 | 3~5 ms |
| Ttransfer | 数据传输时间 | 0.05~0.5 ms |
| Taccess | 平均访问总时间 | 12~16 ms |
Seek Time（寻道时间）
寻道时间 Ts 是指：磁头臂从当前位置移动到目标柱面（Cylinder）所花费的时间。
如果题目中未直接指明，则默认为0。
组成部分：
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启动时间：开始移动磁头
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加速/减速时间：控制磁头平滑移动
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定位时间：精确对准目标柱面
特点：
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通常为硬盘访问时间中最耗时的部分
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取决于磁头臂从当前位置移动到目标位置的距离
Rotational Delay（旋转延迟）
旋转延迟指目标扇区旋转到磁头正下方所需的等待时间,用TR表示。
🎯计算方式：
平均旋转延迟 = 0.5 × 一个转一圈的时间
| 转速（RPM） | 一圈时间 | 平均 Tr（ms） |
|---|---|---|
| 5400 RPM | 11.1 ms | ~5.55 ms |
| 7200 RPM | 8.33 ms | ~4.17 ms |
| 10000 RPM | 6 ms | ~3 ms |
如果题目中未直接指明，则默认为TR = 1/2 * Rotation Time 。