硬盘主要由盘体、控制电路板和接口部件组成。盘体就是一个密封，封装了多个盘片的腔体；控制电路包含硬盘BIOS，主控芯片和硬盘缓存等单元；接口部件包含电源、数据接口主从跳线等。
硬盘的盘片一般采用合金材料，多数为铝合金(IBM曾经开发过玻璃材质的盘片，好像现在有些厂家也生产玻璃材质的盘片，但不多见)，盘面上涂着磁性材料，厚度一般在0.5mm左右。有些硬盘只装一张盘片，有些则有多张。硬盘盘片安装在主轴电机的转轴上，在主轴电机的带动下作高速旋转。每张盘片的容量称为单碟容量，而一块硬盘的总容量就是所有盘片容量的总和。早期硬盘由于单碟容量低，所以盘片较多。现代的硬盘盘片一般只有少数几片。 盘片上的记录密度很大，而且盘片工作时会高速旋转，为保证其工作的稳定，数据保存的长久，所以硬片都是密封在硬盘内部。不可自行拆卸硬盘，在普通环境下空气中的灰尘、指纹、头发丝等细小杂质都会对硬盘造成永久损害。一个被大卸八块的硬盘如下：
接下来我们了解一下硬盘的盘面，柱面，磁道和扇区的概念。
硬盘的内部结构通常专指盘体的内部结构。盘体是一个密封的腔体，里面密封着磁头、盘片（磁片、碟片）等部件，如图1-4所示。
图1-4 硬盘内部结构
硬盘的盘片是硬质磁性合金盘片，片厚一般在0.5mm左右，直径主要有1.8in（1in=25.4mm）、2.5in、3.5in和5.25in 4种，其中2.5in和3.5in盘片应用最广。盘片的转速与盘片大小有关，考虑到惯性及盘片的稳定性，盘片越大转速越低。一般来讲，2.5in硬盘的转速在5 400 r/min～7 200 r/ min之间；3.5in硬盘的转速在4 500 r/min～5 400 r/min之间；而5.25in硬盘转速则在3 600 r/min～4 500 r/min之间。随着技术的进步，现在2.5in硬盘的转速最高已达15 000 r/min，3.5in硬盘的转速最高已达12 000 r/min。
有的硬盘只装一张盘片，有的硬盘则有多张盘片。这些盘片安装在主轴电机的转轴上，在主轴电机的带动下高速旋转。每张盘片的容量称为单碟容量，而硬盘的容量就是所有盘片容量的总和。早期硬盘由于单碟容量低，所以，盘片较多，有的甚至多达10余片，现代硬盘的盘片一般只有少数几片。一块硬盘内的所有盘片都是完全一样的，不然控制部分就太复杂了。一个牌子的一个系列一般都用同一种盘片，使用不同数量的盘片，就出现了一个系列不同容量的硬盘产品。
盘体的完整构造如图1-5所示。
图1-5 盘体的完整结构
硬盘驱动器采用高精度、轻型磁头驱动/定位系统。这种系统能使磁头在盘面上快速移动，可在极短的时间内精确地定位在由计算机指令指定的磁道上。目前，磁道密度已高达5 400Tpi（每英寸磁道数）或更高；人们还在研究各种新方法，如在盘上挤压（或刻蚀）图形、凹槽和斑点等作为定位和跟踪标记，以提高到和光盘相等的道密度，从而在保持磁盘机高速度、高位密度和高可靠性的优势下，大幅度提高存储容量。
硬盘驱动器内的电机都是无刷电机，在高速轴承支持下机械磨损很小，可以长时间连续工作。高速旋转的盘体产生明显的陀螺效应，所以，在硬盘工作时不宜搬动，否则，将增加轴承的工作负荷。为了高速存储和读取信息，硬盘驱动器的磁头质量小，惯性也小，所以，硬盘驱动器的寻道速度明显快于软驱和光驱。
硬盘驱动器磁头与磁头臂及伺服定位系统是一个整体。伺服定位系统由磁头臂后的线圈和固定在底板上的电磁控制系统组成。由于定位系统限制，磁头臂只能在盘片的内外磁道之间移动。因此，不管开机还是关机，磁头总在盘片上；所不同的是，关机时磁头停留在盘片启停区，开机时磁头“飞行”在磁盘片上方。
硬盘上的数据是如何组织与管理的呢？硬盘首先在逻辑上被划分为磁道、柱面以及扇区，其结构关系如图1-6所示。
图1-6 磁头、柱面和扇区
每个盘片的每个面都有一个读写磁头，磁盘盘面区域的划分如图1-7所示。磁头靠近主轴接触的表面，即线速度最小的地方，是一个特殊的区域，它不存放任何数据，称为启停区或着陆区（Landing Zone），启停区外就是数据区。在最外圈，离主轴最远的地方是“0”磁道，硬盘数据的存放就是从最外圈开始的。那么，磁头是如何找到“0”磁道的位置的呢？从图1-5中可以看到，有一个“0”磁道检测器，由它来完成硬盘的初始定位。“0”磁道是如此的重要，以致很多硬盘仅仅因为“0”磁道损坏就报废，这是非常可惜的。这种故障的修复技术在后面的章节中有详细的介绍。
图1-7 硬盘盘片的启停区和数据区
早期的硬盘在每次关机之前需要运行一个被称为Parking的程序，其作用是让磁头回到启停区。现代硬盘在设计上已摒弃了这个虽不复杂却很让人不愉快的小缺陷。硬盘不工作时，磁头停留在启停区，当需要从硬盘读写数据时，磁盘开始旋转。旋转速度达到额定的高速时，磁头就会因盘片旋转产生的气流而抬起，这时磁头才向盘片存放数据的区域移动。盘片旋转产生的气流相当强，足以使磁头托起，并与盘面保持一个微小的距离。这个距离越小，磁头读写数据的灵敏度就越高，当然对硬盘各部件的要求也越高。早期设计的磁盘驱动器使磁头保持在盘面上方几微米处飞行。稍后一些设计使磁头在盘面上的飞行高度降到约0.1μm～0.5μm，现在的水平已经达到0.005μm～0.01μm，这只是人类头发直径的千分之一。气流既能使磁头脱离开盘面，又能使它保持在离盘面足够近的地方，非常紧密地跟随着磁盘表面呈起伏运动，使磁头飞行处于严格受控状态。磁头必须飞行在盘面上方，而不是接触盘面，这种位置可避免擦伤磁性涂层，而更重要的是不让磁性涂层损伤磁头。但是，磁头也不能离盘面太远，否则，就不能使盘面达到足够强的磁化，难以读出盘上的磁化翻转（磁极转换形式，是磁盘上实际记录数据的方式）。
硬盘驱动器磁头的飞行悬浮高度低、速度快，一旦有小的尘埃进入硬盘密封腔内，或者一旦磁头与盘体发生碰撞，就可能造成数据丢失，形成坏块，甚至造成磁头和盘体的损坏。所以，硬盘系统的密封一定要可靠，在非专业条件下绝对不能开启硬盘密封腔，否则，灰尘进入后会加速硬盘的损坏。另外，硬盘驱动器磁头的寻道伺服电机多采用音圈式旋转或直线运动步进电机，在伺服跟踪的调节下精确地跟踪盘片的磁道，所以，硬盘工作时不要有冲击碰撞，搬动时要小心轻放。
这种硬盘就是采用温彻斯特（Winchester）技术制造的硬盘，所以也被称为温盘。其结构特点如下。
①磁头、盘片及运动机构密封在盘体内。
②磁头在启动、停止时与盘片接触，在工作时因盘片高速旋转，带动磁头“悬浮”在盘片上面呈飞行状态（空气动力学原理），“悬浮”的高度约为0.1μm～0.3μm，这个高度非常小，图1-8标出了这个高度与头发、烟尘和手指印的大小比较关系，从这里可以直观地“看”出这个高度有多“高”。
图1-8 盘片结构及磁头高度示意图
③磁头工作时与盘片不直接接触，所以，磁头的加载较小，磁头可以做得很精致，检测磁道的能力很强，可大大提高位密度。
④磁盘表面非常平整光滑，可以做镜面使用。
盘面
硬盘一般会有一个或多个盘片，每个盘片可以有两个面(Side)，即第1个盘片的正面称为0面，反面称为1面；第2个盘片的正面称为2面，反面称为3面...依次类推。每个盘面对应一个磁头(head)用于读写数据。第一个盘面的正面的磁头称为0磁头，背面称为1磁头；第二个盘片正面的磁头称为2磁头，背面称为3磁头，以此类推。盘面数和磁头数是相等的。
一张单面的盘片需要一个磁头，双面的盘片则需要两个磁头。硬盘采用高精度、轻型磁头驱动和定位系统。这种系统能使磁头在盘面上快速移动，读写硬盘时，磁头依靠磁盘的高速旋转引起的空气动力效应悬浮在盘面上，与盘面的距离不到1微米(约为头发直径的百分之一)，可以在极短的时间内精确定位到计算机指令指定的磁道上。
早期由于定位系统限制，磁头传动臂只能在盘片的内外磁道之间移动。因此，不管开机还是关机，磁头总在盘片上。所不同的是，关机时磁头停留在盘片启停区，开机时磁头“飞行”在磁盘片上方。
磁道
每个盘片的每个盘面被划分成多个狭窄的同心圆环，数据就是存储在这样的同心圆环上，我们将这样的圆环称为磁道(Track)，每个盘面可以划分多个磁道。关机时磁头停留在硬盘的着陆区(Landing Zone)，这个着陆区以前是位于离盘心最近的区域，不存放任何数据。在后期的硬盘工艺中有些硬盘生产厂商将这个区域被移动到了盘片的外面，如下所示：
在每个盘面的最外圈，离盘心最远的地方是“0”磁道，向盘心方向依次增长为1磁道，2磁道，等等。硬盘数据的存放就是从最外圈开始。
扇区
根据硬盘规格的不同，磁道数可以从几百到成千上万不等。每个磁道上可以存储数KB的数据，但计算机并不需要一次读写这么多数据。在这一这基础上，又把每个磁道划分成若干弧段，每段称为一个扇区(Sector)。扇区是硬盘上存储的物理单位，每个扇区可存储128×2N次方（N＝0,1,2,3）字节的数据。从DOS时代起，每扇区是128×22＝512字节，现在已经成了业界不成文的规定，也没有哪个硬盘厂商试图去改变这种约定。也就是说即使计算机只需要硬盘上存储的某个字节，也须一次把这个字节所在的扇区中的全部512字节读入内存，再选择所需的那个字节。扇区的编号是从1开始，而不是0，这一点需要注意。另外，硬盘在划分扇区时，和软盘是有一定区别的。软盘的一个磁道中，扇区号一般依次编排，如1号，2号，3号...以此类推。但在硬盘磁道中，扇区号是按照某个间隔跳跃着编排。比如，2号扇区并不是1号扇区后的按顺序的第一个而是第八个，3号扇区又是2号扇区后的按顺序的第八个，依此类推，这个“八”称为交叉因子。
这个交叉因子的来历有必要详述一下，我们知道，数据读取经常需要按顺序读取一系列相邻的扇区(逻辑数据相邻)。如对磁道扇区按物理顺序进行编号，很有可能出现当磁头读取完第一个扇区后，由于盘片转速过快来不及读取下一个扇区，(要知道物理相邻扇区位置距离是极小的)，必须等待转完一圈，这极大浪费了时间。所以就用交叉来解决这个问题。增加了交叉因子后的扇区编号一般是下面这个样子：
柱面
柱面其实是我们抽象出来的一个逻辑概念，前面说过，离盘心最远的磁道为0磁道，依此往里为1磁道，2磁道，3磁道....，不同面上相同磁道编号则组成了一个圆柱面，即所称的柱面(Cylinder)。这里要注意，硬盘数据的读写是按柱面进行，即磁头读写数据时首先在同一柱面内从0磁头开始进行操作，依次向下在同一柱面的不同盘面(即磁头上)进行操作，只有在同一柱面所有的磁头全部读写完毕后磁头才转移到下一柱面，因为选取磁头只需通过电子切换即可，而选取柱面则必须通过机械切换。电子切换比从在机械上磁头向邻近磁道移动快得多。因此，数据的读写按柱面进行，而不按盘面进行。 读写数据都是按照这种方式进行，尽可能提高了硬盘读写效率。
簇
将物理相邻的若干个扇区称为了一个簇。操作系统读写磁盘的基本单位是扇区，而文件系统的基本单位是簇(Cluster)。在Windows下，随便找个几字节的文件，在其上面点击鼠标右键选择属性，看看实际大小与占用空间两项内容，如大小：15 字节 (15 字节)， 占用空间：4.00 KB (4，096 字节)。这里的占用空间就是你机器分区的簇大小，因为再小的文件都会占用空间，逻辑基本单位是4K，所以都会占用4K。 簇一般有这几类大小 4K，8K，16K，32K，64K等。簇越大存储性能越好，但空间浪费严重。簇越小性能相对越低，但空间利用率高。NTFS格式的文件系统簇的大小为4K。
硬盘读写数据的过程
现代硬盘寻道都是采用CHS(Cylinder Head Sector)的方式，硬盘读取数据时，读写磁头沿径向移动，移到要读取的扇区所在磁道的上方，这段时间称为寻道时间(seek time)。因读写磁头的起始位置与目标位置之间的距离不同，寻道时间也不同。目前硬盘一般为2到30毫秒，平均约为9毫秒。磁头到达指定磁道后，然后通过盘片的旋转，使得要读取的扇区转到读写磁头的下方，这段时间称为旋转延迟时间(rotational latencytime)。
一个7200（转/每分钟）的硬盘，每旋转一周所需时间为60×1000÷7200=8.33毫秒，则平均旋转延迟时间为8.33÷2=4.17毫秒（平均情况下，需要旋转半圈）。平均寻道时间和平均选装延迟称为平均存取时间。
所以，最后看一下硬盘的容量计算公式：
硬盘容量=盘面数×柱面数×扇区数×512字节
在博文“Linux启动过程分析”中我们提到过MBR，它是存在于硬盘的0柱面，0磁头，1扇区里，占512字节的空间。这512字节里包含了主引导程序Bootloader和磁盘分区表DPT。其中Bootloader占446字节，分区表占64字节，一个分区要占用16字节，64字节的分区表只能被划分4个分区，这也就是目前我们的硬盘最多只能支持4个分区记录的原因。
即，如果你将硬盘分成4个主分区的话，必须确保所有的磁盘空间都被使用了(这不是废话么)，一般情况下我们都是划分一个主分区加一个扩展分区，然后在扩展分区里再继续划分逻辑分区。当然，逻辑分区表也需要分区表，它是存在于扩展分区的第一个扇区里，所以逻辑分区的个数最多也只能有512/16=32个，并不是想分多少个逻辑分区都可以。
注意，我们所说的扩展分区也是要占用分区表项的。例如，如果我们的硬盘只划分一个主分区和一个逻辑分区，此时的分区表的排列如下：
Device Boot Start End Blocks Id System
/dev/sda1 * 1 19 152586 83 Linux
/dev/sda2 20 2569 20482875 83 Extended
/dev/sda5 2570 19457 4128705 82 Linux
主分区为1号分区，扩展分区占用了2号分区，3和4号扩展分区被预留了下来，逻辑分区从5开始编号依次递增，这里我们只划分了一个逻辑分区。
