磁盘存储器的原理
磁盘是依靠由一个个同心圆组成的磁道上的具有不同磁化方向的磁化元来存储0、1信息的。对这些磁化元的读写是通过一个磁头来进行的。磁头是由磁性材料制作而成，形状如同一个矩形环，靠近磁道方向上开有一个小间隙，在磁头上还分别绕有一组写线圈和读线圈。磁头在对一个磁道进行读写操作时，磁头固定不动，而磁道运动。如图所示。
进行写操作时，在写线圈中通过一定方向的脉冲电流时，磁铁芯内就产生一定方向的磁通，并在磁头间隙处产生很强的磁场。 在这个磁场作用下，位于磁头下的磁道上的某个固定单元就被磁化成相应极性的磁化元。每个磁化元记录一位二进制位，当磁盘相对于磁头运动时，就可以连续写入一连串的二进制信息。
进行读操作时，经过磁头的磁化元会使磁铁芯内产生磁通的变化，从而使读线圈中产生一定的感应电势，经转换变成一定方向的脉冲电流，由此脉冲电流即可判定所读出的是0还是1。
传统的磁盘是将读和写操作共用一个磁头完成，而新一代的硬盘系统则采用了不同的读写机制，它将读写操作分别在两个不同的磁头上完成，写机制与传统方式相同，而读机制则有所不同。读磁头是由一个磁阻（magnetoresistive，MR）式感应器组成，MR的电阻大小取决于在它下面运动的介质的磁化方向。让电流通过MR感应器，电阻的变化作为电压信号被检测出来，从而检测出读出的是0还是1。采用这种新的读机制，允许有更高的读操作频度，从而使磁盘可以达到更高的存储密度和读操作速度。
磁盘存储器的构成
磁盘存储器主要由磁盘片、磁盘驱动器和磁盘控制器等组成。软盘是由单个盘片构成，而硬盘则由多个盘片构成，通常称为盘片组。
磁盘驱动器由机械和电器两大部分组成。硬磁盘中，盘片组固定安装在一个主轴上，主轴通过传动带与一个主电机相连。硬盘组的每一个盘面上都有一个独立的磁头，磁头通过磁头臂连接在一个在固定滑轨上运动的小车上，再通过小车与一个定位驱动装置相连，如图所示。
磁盘驱动器的机械部分一方面驱动盘片组按一定转速绕主轴转动，另一方面驱动小车通过磁头臂带动磁头沿径向运动，进行磁道的定位。目前磁头小车的驱动方式采用步进电机或音圈电机两种。步进电机靠脉冲信号驱动，控制简单，整个驱动定位系统是开环控制，因此定位精度较低，一般用于道密度不高的硬磁盘驱动器。而音圈电机是线性电机，可以直接驱动磁头作直线运动，驱动定位系统是一个带有速度和位置信息反馈的闭环控制系统，驱动速度快，定位精度高，因此被更多的硬磁盘驱动器所采用。
磁盘驱动器的电器部分主要是由一些控制电路组成，其功能主要包括主电机和定位电机的控制，磁头的选择和读写控制，磁盘索引的识别和扇区的定位等。
磁盘控制器是主机与磁盘驱动器之间的接口。磁盘存储器是高速外存设备，它与主机之间采用成组数据交换方式。作为主机与驱动器之间的控制器，磁盘控制器有两个方面的接口：一个是与主机的接口，控制磁盘与主机之间通过外部总线交换数据；另一个是与磁盘驱动器的接口，根据主机命令控制磁盘驱动器的操作。另外，磁盘控制器还能完成磁盘与主机之间的数据格式转换以及数据的编码和解码工作。
磁盘存储器的数据结构
磁盘是以“盘面∣磁道∣扇区”的方式来进行数据组织的。磁盘的盘面由一个个同心圆环组成，每一个圆环称为一个磁道。当对磁盘进行读写时，磁头定位在磁道上，为防止或减少由于磁头未定位准确或磁域间的干扰所引起的错误，相邻磁道间有一定的间隙。一般来讲，一个磁盘面有上千个磁道。
磁道又进一步被分割成几十到上百个等长的圆弧，每一段圆弧称为一个扇区。一个扇区可以存储若干位信息，它也是磁盘与主机之间交换信息的基本单位，也就是说，主机对磁盘的读写操作一次至少是一个扇区。一个扇区所存储二进制位数的大小由操作系统对磁盘进行格式化时确定，大多数系统所定义的扇区的大小为512B～2KB。相邻扇区间同样留有一定的间隙。磁盘的数据组织形式如图所示。
当磁盘转动时，内圈磁道经过磁头的速率要比外圈慢。因此，需要寻找一种方式来补偿速率的变化，使磁头能以同样的速率读写所有的磁道。一种有效的办法是通过增大信息位的间隙来实现。这样以恒定角速度（constant angular，CAV）转动的盘，能使磁头以相同的速率来扫描所有信息位。上图就是一种采用CAV技术的磁盘布局格式，它的好处是，能方便地以磁道号和扇区号来直接寻址各个数据块。为将磁头从当前位置移到指定位置，只需将磁头径向移动到指定磁道，然后等待指定扇区转到磁头下即可。CAV的缺点是，外圈的长磁道上存储的数据位数与内圈的短磁道相同，浪费了长磁道的存储空间。
一个磁道的存储容量是与磁道的长度（周长）有关的。在上述CAV方式中，为使所有磁道的容量相同，从外圈磁道到内圈磁道的线性密度是逐渐增大的，磁盘的容量也就受到最内圈磁道所能达到的最大记录密度的限制。为提高存储容量，现代磁盘系统使用一种称为多区式记录（multi zone recording，MZR）的技术。它将磁盘盘面划分成几个区（典型的是16区），每个区中的所有磁道的扇区数是相同的，从而磁道的容量也是相同的；但不同区的磁道所拥有的扇区数是不同的，从而容量也就不同，越往内圈的区，磁道容量越小。当磁头由一个区移动到另一个区时，容量的改变会引起磁头上读写时序的变化，也就使磁盘控制电路的控制更为复杂，但这种电路的复杂所带来的是磁盘容量的提升。
为使磁头能对扇区进行准确定位，磁道上会有一个起始点，称为磁盘索引，同时每个扇区还有起点和终点的标识。磁盘经格式化后，相关控制信息被记录在磁盘上，并由磁盘驱动器所识别和使用。
磁盘格式化的一个例子如图5-31所示。在此例中，每个磁道包含30个固定长度扇区，每个扇区有600B，其中512B为有效数据，剩余的为磁盘控制器使用的控制信息。其中各控制信息的含义如下：
·ID域 是唯一的一个标识或地址，用于定位具体扇区。
·同步字节 是一个特殊的位序列，用来定义区域的起始点。
·磁道号 用来标识磁盘上的一个磁道。
·磁头号 用来标识磁盘组中的一个磁头。
·扇区号 用来标识磁道上的一个扇区。
·CRC 循环冗余校验码。
磁盘存储器的技术指标
磁盘存储器的主要性能指标包括存储密度、存储容量和访问速度等。
磁盘存储器的主要性能指标包括存储密度、存储容量和访问速度等。
（1）存储密度
磁盘表面的存储密度主要分为道密度和位密度。道密度是指沿磁盘径向单位长度上的磁道数，单位为道/英寸（TPI）或道/毫米（TPM）。位密度是指磁道单位长度上能记录的二进制代码位数，单位为位/英寸（BPI）或位/毫米（BPM）。
（2）存储容量
一个磁盘存储器所能存储的字节总数，称为磁盘存储器的存储容量。存储容量有格式化容量和非格式化容量之分。格式化容量是指按照某种特定的记录格式所能存储信息的总量，也就是用户可以真正使用的容量。非格式化容量是磁记录表面可以利用的磁化单元总数。将磁盘存储器用于某计算机系统中，必须首先进行格式化操作，然后才能供用户记录信息。从前面的图5-30可以看出，经格式化后的磁盘的每个扇区内部和扇区之间都留有间隙及控制和校验信息，因此，格式化容量比非格式化容量小，一般为非格式化容量的60%～70%。
在所有磁道容量相同的磁盘存储器中，格式化容量可以按下述方法计算：
磁盘存储器总容量＝盘面数×每面容量
面容量＝磁道数×每道容量
道容量＝扇区数×每扇区容量
而非格式化容量则可以按下述方法计算：
磁盘存储器总容量＝盘面数×每面容量
面容量＝磁道数×每道容量
磁道数＝道密度×径向有效距离
道容量＝位密度×磁道周长
（3）访问时间
磁盘存储器的访问时间主要由寻道时间、旋转延时和传送时间三部分组成。
当磁盘驱动器操作时，磁盘主轴电机带动盘片以恒定的速度转动。为了读或写，磁头必须精确定位在所含数据的磁道和扇区的起始处。磁道选择包括在可移动磁头系统中移动磁头或在固定磁头系统选择某个磁头。在可移动磁头系统中，磁头定位到该磁道所花的时间称为寻道时间。无论哪一种磁头系统，一旦磁道选定，磁盘控制器将处于等待状态，直到相关扇区旋转到磁头可读写的位置，这段时间称为旋转延时。寻道时间和旋转延时的总和称为存取时间，即定位到读写位置的时间。从所访问的扇区头开始，整个扇区从磁头下经过，即完成了该扇区的数据传送，这部分时间称为传送时间。
寻道时间 由于寻道时间是不确定的，因此一个磁盘存储器的寻道时间一般取平均寻道时间。平均寻道时间是最大寻道时间与最小寻道时间的平均值，目前平均寻道时间为10～20ms，一些高速硬盘的平均寻道时间小于10ms。
旋转延时 每次对一个磁道上某个扇区的访问，旋转延时也是不同的，因此旋转延时也取平均值。平均旋转延时和磁盘转速有关，它用磁盘旋转一周所需时间的一半来表示。转速为7200转/分的磁盘其平均旋转时间为4.17ms。
传送时间 磁盘的数据传送时间，除了与所传送的数据大小有关外，主要取决于磁盘的数据传输率。磁盘存储器在单位时间内向主机传送数据的字节数，称为数据传输率，数据传输率与存储设备和主机接口逻辑有关。从主机接口逻辑考虑，应有足够快的传送速度向设备接收/发送信息。从存储设备考虑，磁盘转速越快，数据传输率也就越高。假设磁盘旋转速度为每秒r转，每条磁道容量为N个字节，则数据传输率
D＝rN（字节/秒）
（4）数据传输率
磁盘存储器在单位时间内向主机传送数据的字节数,叫数据传输率，传输率与存储设备和主机接口逻辑有关。从主机接口逻辑考虑，应有足够快的传送速度向设备接收/发送信息。从存储设备考虑，假设磁盘旋转速度为每秒n转，每条磁道容量为N个字节，则数据传输率Dr=nN(字节/秒)。也可以写成Dr=D?v(字节/秒)，其中D为位密度，v为磁盘旋转的线速度，磁盘存储器的数据传输率可达几十兆字节
