硬碟是計算機系統中用於儲存大量資料（檔案）的部件。雖然現在基於半導體器件的固態硬碟（ssd）應用數量逐步增加，但機械硬碟仍然保持在容量和應用量方面的領先地位。
下面是乙個容量為80g的報廢的機械硬碟簡潔的內部，拆開之後可以看到其中包括有乙個讀寫磁頭，乙個碟片。用於訊號處理的電路附著在懸臂上的柔性電路板上。
▲ 開啟乙個容量80g的機械硬碟，顯露出其中主要的結構
很多計算機教科書都會介紹資料是如何在磁碟表面進行儲存的。磁碟表面從內到外分成若干個同心圓，成為磁軌不同碟片上下表面中同一半徑的磁軌組成磁軌柱。每條磁軌又分為若干扇區，每個扇區儲存固定位元組數（比如512， 1024 等）資料。計算機對於磁碟資料讀寫是以扇區（或者多個扇區）為單位進行讀寫的。
下面是磁碟資料結構示意圖。
▲ 教科書上關於磁碟表面資料儲存的結構示意圖
硬碟容量大小（c）=磁頭數（n1）×柱面數（n2）×扇區數（n3）×每個扇區位元組數（n4）
對於上剛剛拆開的80g硬碟，磁頭數（n1）為1。對於扇區數（n3），每個扇區位元組數（n4）都取常見到的數值（n3=1000，n4=512），那麼柱面數（n2）大約是：
▲ 磁碟的基本尺寸
如果按照上面磁碟的大小尺寸，可以計算出磁軌與磁軌之間的距離w的大小：
w =l
n2=32
156250
=2.048μm
w = } = \over } = 2.048\mu m
w=n2l
=15
6250
32=
2.04
8μm上面的數字顯示磁碟表面的磁軌是多麼的密集呀。
▲ 開啟音訊線圈驅動器，結構簡直不要太簡單了
也許不同的人還會有其他的問題。但上述問題困擾了我很多很長的時間。最後在artem rubtsov所寫的博文hdd inside: tracks and zones看到了問題的詳細解答。
對於第乙個問題，為了有效利用磁碟表面來儲存資料，實際磁碟碟片按照半徑不同，從內到外分成不同的區（zone）。每一區內所有磁軌上的扇區個數相同，從內到外不同區的扇區個數逐步增加。
比如下圖，左邊是使用了乙個區，即所有的磁軌上的扇區個數相同。右邊分成了兩個區，外部的區中的扇區個數比內部多。顯然右邊的方式對於磁碟表面利用效率高於左邊的方式。
▲ 磁碟表面的不同磁軌上的扇區分布
左：相同扇區數量；右：分割成兩個區，不同區有不同扇區個數
如果磁碟表面的區（zoon）劃分的越多，對應資料記錄密度就會越均勻。下圖顯示了實際磁碟劃分了14個區之後，磁碟表面資料記錄密度的情況。
之所以不同區內資料記錄密度平均值不太一樣，這與磁頭在不同區內與磁軌的夾角不同有關係。在最內側磁頭與磁頭夾角最大，使得有效的磁跡寬度減小，所以需要通過降低資料記錄密度來彌補。
▲ 分成了14個區的磁碟表面資料記錄密度
第二個問題：磁頭是如何精確定位磁軌，最為複雜，也是自動化領域的人最為關心的。artem rubtsov在其博文hdd inside: tracks and zones硬碟中定位磁頭到所需要的磁軌使用了一種稱為嵌入式私服系統（embedded servo system）技術：磁頭在運動同時讀取磁碟上的資訊，根據讀取的資訊來獲取所在的磁軌以及偏移量。所以磁頭只要能夠劃過某些磁軌，就可以完成對該磁軌內容的讀寫。所以碟片本身就是磁頭位置的感測器，磁碟中的懸臂只要能夠保證往復運動即可。
▲ 磁軌上資訊結構示意圖
artem rubtsov在博文中詳細描述了磁軌上的訊號結構，以及如何標誌磁軌的編碼和指示磁頭位置的偏差。這部分反智工程語言描述的內容足以讓那些急於想弄清技術細節的人感到暢快淋漓，驚嘆於磁碟中所蘊含的高超控制技術。
那麼問題來了，既然碟片上的磁軌用來定位磁頭，那麼磁軌資訊是如何寫上去的呢？
最初磁軌定位資訊是在硬碟裝配完成之後，在特殊的精密外部引導機械機構幫助下寫入的。這部分資訊只需要寫入一次，因此硬碟中就不需要保留這部分的結構。這也是讓我們對如此簡潔的硬碟磁頭驅動系統感到驚訝的原因。
▲ 硬碟中磁頭懸臂電機運動原理
將其中乙個電機磁極拆下之後，使用外部乙個小型磁鐵測試其表面的極性，可以看到磁極從左到右，極性變化。也就是說磁極的n-s是沿著磁鐵左右改變的。
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