磁盘是广为应用的保存大量数据的存储设备，存储数据的数量级可达几百到几千千兆字节，而基于RAM的存储器只能有几百或几千兆字节。不过从磁盘上读信息的时间为毫秒级，比从DRAM读慢了10万倍，比从SRAM读慢了100万倍。

1、磁盘构造

磁盘由盘片构成，每个盘片有两面，称为表面，表面覆盖着磁性记录材料。盘片中央有一个可以旋转的主轴，它使得盘片以固定的旋转速率旋转，通常是5400~15000转每分钟（Revolution Per Minute，RPM）。

下图是一个典型的磁盘表面的结构，每个表面由一组称为磁道（track）的同心圆组成。每个磁道被划分为一组扇区（sector），每个扇区包含相等数量的数据位（通常是512字节），这些数据编码在扇区上的磁性材料中。扇区之间由一些间隙（gap）分隔开，这些间隙中不存储数据位。间隙存储用来标识扇区的格式化位。

磁盘通常包含一个或多个这样的盘片，封装在一个密封的容器内，如下图所示。整个装置通常被称为磁盘驱动器（disk drive），简称为磁盘（disk）。

磁盘制造商通常用柱面（cylinder）来描述多个盘片驱动器的构造，这里柱面是所有盘片表面上到主轴中心的距离相等的磁道的集合。如一个驱动器有三个盘片和六个面，每个表面上的磁道的编号都是一致的，那么柱面k就是6个磁道k的的集合。

2、磁盘容量

一个磁盘上可以记录的最大位数称为它的最大容量，或简称为容量。磁盘容量由以下因素决定：

• 记录密度（位/英寸）：磁道一英寸的段中可以放入的位数；
• 磁道密度（道/英寸）：从盘片中心出发半径上一英寸的段内可以有的磁道数；
• 面密度（位/平方英寸）：记录密度 与 磁道密度 的乘积。

下面是一个磁盘容量的计算公式：

假如有一个磁盘，有5个盘片，每个盘片2个面，每个面20000条磁道，每个磁道平均300个扇区，每个扇区512个字节，则这个磁盘的容量是：

3、磁盘操作

磁盘用读/写头（read/write head）来读写存储在磁性表面的位，而读写头连接到一个传动臂一端，如下图所示。

通过沿着半径轴前后移动这个传动臂，驱动器可以将读/写头定位在盘面的任何磁道上。这样的机械运动成为寻道。多个盘片的磁盘针对每个盘面都有一个独立的读/写头，如下图所示。读/写头垂直排列，一致行动。在任何时刻，所有的读/写头都位于同一个柱面上。

在传动臂末端的读/写头在磁盘表面高度大约0.1微米处的一层气垫上飞翔，速度大约80km/h。这样小的间隙，盘面上一粒灰尘都像一块巨石，如果读/写头碰到这样一块巨石，就会停下来撞到盘面。

磁盘以扇区大小的块来读写数据，对扇区的访问时间主要有三部分：

• 寻道时间：移动传动臂到目标磁道上所需的时间。平均寻道时间通常为3~9ms，最长可到20ms；
• 旋转时间：读/写头到目标磁道后，目标扇区旋转到读/写头下所需的时间。最坏情况下，需等磁盘旋转一圈；
• 传送时间：当目标扇区的第一个位到读/写头下时，驱动器就可以开始读或写该扇区的内容，一个扇区的传送时间依赖于旋转速度和每条磁道的扇区数目。

4、逻辑磁盘块

现代磁盘构造复杂，有多个盘面，这些盘面上有不同的记录区。为了对操作系统隐藏这样的复杂性，现代磁盘将它们的构造呈现为一个简单的视图：一个B个扇区大小的逻辑块的序列，编号为0，1，2，...，B-1。磁盘封装中有一个小的硬件/固件设备，称为磁盘控制器，维护着逻辑块号和实际磁盘扇区之间的映射关系。

当操作系统想要执行一个I/O操作时，如读一个磁盘扇区的数据到主存，操作系统会发送一个命令到磁盘控制面，让它读某个逻辑块号。控制器上的固件执行一个快速表查找，将一个逻辑块号翻译成一个三元组（盘面，磁道，扇区），这个三元组唯一地标识了对应的物理扇区。控制器上的硬件会解释这个三元组，将读/写头移到适当的柱面，等待扇区移动到读/写头下，将读/写头感知到的位放到控制器上的一个缓冲区中，然后将它们复制到主存中。