磁盤是廣為應(yīng)用的保存大量數(shù)據(jù)的存儲設(shè)備，存儲數(shù)據(jù)的數(shù)量級可達(dá)幾百到幾千千兆字節(jié)，而基于RAM的存儲器只能有幾百或幾千兆字節(jié)。不過從磁盤上讀信息的時間為毫秒級，比從DRAM讀慢了10萬倍，比從SRAM讀慢了100萬倍。
1、磁盤構(gòu)造
磁盤由盤片構(gòu)成，每個盤片有兩面，稱為表面，表面覆蓋著磁性記錄材料。盤片中央有一個可以旋轉(zhuǎn)的主軸，它使得盤片以固定的旋轉(zhuǎn)速率旋轉(zhuǎn)，通常是5400~15000轉(zhuǎn)每分鐘（Revolution Per Minute，RPM）。
下圖是一個典型的磁盤表面的結(jié)構(gòu)，每個表面由一組稱為磁道（track）的同心圓組成。每個磁道被劃分為一組扇區(qū)（sector），每個扇區(qū)包含相等數(shù)量的數(shù)據(jù)位（通常是512字節(jié)），這些數(shù)據(jù)編碼在扇區(qū)上的磁性材料中。扇區(qū)之間由一些間隙（gap）分隔開，這些間隙中不存儲數(shù)據(jù)位。間隙存儲用來標(biāo)識扇區(qū)的格式化位。
磁盤通常包含一個或多個這樣的盤片，封裝在一個密封的容器內(nèi)，如下圖所示。整個裝置通常被稱為磁盤驅(qū)動器（disk drive），簡稱為磁盤（disk）。
磁盤制造商通常用柱面（cylinder）來描述多個盤片驅(qū)動器的構(gòu)造，這里柱面是所有盤片表面上到主軸中心的距離相等的磁道的集合。如一個驅(qū)動器有三個盤片和六個面，每個表面上的磁道的編號都是一致的，那么柱面k就是6個磁道k的的集合。
2、磁盤容量
一個磁盤上可以記錄的最大位數(shù)稱為它的最大容量，或簡稱為容量。磁盤容量由以下因素決定：
- 記錄密度（位/英寸）：磁道一英寸的段中可以放入的位數(shù)；
- 磁道密度（道/英寸）：從盤片中心出發(fā)半徑上一英寸的段內(nèi)可以有的磁道數(shù)；
- 面密度（位/平方英寸）：記錄密度 與 磁道密度 的乘積。
下面是一個磁盤容量的計算公式：
假如有一個磁盤，有5個盤片，每個盤片2個面，每個面20000條磁道，每個磁道平均300個扇區(qū)，每個扇區(qū)512個字節(jié)，則這個磁盤的容量是：
3、磁盤操作
磁盤用讀/寫頭（read/write head）來讀寫存儲在磁性表面的位，而讀寫頭連接到一個傳動臂一端，如下圖所示。
通過沿著半徑軸前后移動這個傳動臂，驅(qū)動器可以將讀/寫頭定位在盤面的任何磁道上。這樣的機(jī)械運(yùn)動成為尋道。多個盤片的磁盤針對每個盤面都有一個獨(dú)立的讀/寫頭，如下圖所示。讀/寫頭垂直排列，一致行動。在任何時刻，所有的讀/寫頭都位于同一個柱面上。
在傳動臂末端的讀/寫頭在磁盤表面高度大約0.1微米處的一層氣墊上飛翔，速度大約80km/h。這樣小的間隙，盤面上一粒灰塵都像一塊巨石，如果讀/寫頭碰到這樣一塊巨石，就會停下來撞到盤面。
磁盤以扇區(qū)大小的塊來讀寫數(shù)據(jù)，對扇區(qū)的訪問時間主要有三部分：
- 尋道時間：移動傳動臂到目標(biāo)磁道上所需的時間。平均尋道時間通常為3~9ms，最長可到20ms；
- 旋轉(zhuǎn)時間：讀/寫頭到目標(biāo)磁道后，目標(biāo)扇區(qū)旋轉(zhuǎn)到讀/寫頭下所需的時間。最壞情況下，需等磁盤旋轉(zhuǎn)一圈；
- 傳送時間：當(dāng)目標(biāo)扇區(qū)的第一個位到讀/寫頭下時，驅(qū)動器就可以開始讀或?qū)懺撋葏^(qū)的內(nèi)容，一個扇區(qū)的傳送時間依賴于旋轉(zhuǎn)速度和每條磁道的扇區(qū)數(shù)目。
4、邏輯磁盤塊
現(xiàn)代磁盤構(gòu)造復(fù)雜，有多個盤面，這些盤面上有不同的記錄區(qū)。為了對操作系統(tǒng)隱藏這樣的復(fù)雜性，現(xiàn)代磁盤將它們的構(gòu)造呈現(xiàn)為一個簡單的視圖：一個B個扇區(qū)大小的邏輯塊的序列，編號為0，1，2，...，B-1。磁盤封裝中有一個小的硬件/固件設(shè)備，稱為磁盤控制器，維護(hù)著邏輯塊號和實(shí)際磁盤扇區(qū)之間的映射關(guān)系。
當(dāng)操作系統(tǒng)想要執(zhí)行一個I/O操作時，如讀一個磁盤扇區(qū)的數(shù)據(jù)到主存，操作系統(tǒng)會發(fā)送一個命令到磁盤控制面，讓它讀某個邏輯塊號。控制器上的固件執(zhí)行一個快速表查找，將一個邏輯塊號翻譯成一個三元組（盤面，磁道，扇區(qū)），這個三元組唯一地標(biāo)識了對應(yīng)的物理扇區(qū)。控制器上的硬件會解釋這個三元組，將讀/寫頭移到適當(dāng)?shù)闹妫却葏^(qū)移動到讀/寫頭下，將讀/寫頭感知到的位放到控制器上的一個緩沖區(qū)中，然后將它們復(fù)制到主存中。
