接口
现代磁盘驱动器的基本接口是一个由大量扇区（通常为 512 字节）组成的线性地址空间（0 到 n-1）。驱动器制造商仅保证单个 512 字节的写入是原子的。如果发生掉电，较大的写入操作可能会出现不完整写入（Torn Write）。
磁盘驱动器存在一个“不成文的契约”：访问空间上彼此靠近的块比访问相隔较远的块更快，且连续块的顺序访问是最快的访问模式。
基本几何形状
磁盘由一个或多个盘片（Platter）组成，每个盘片有上下两个表面。盘片围绕主轴（Spindle）以恒定速度旋转，旋转速率以 RPM（每分钟转数）衡量（如 10000 RPM 意味着单次旋转约需 6ms）。
数据编码在表面的同心圆上，称为磁道（Track）。读写操作由连接在磁盘臂（Disk Arm）上的磁头（Disk Head）完成。
简单的磁盘驱动器模型
为了深入理解磁盘的运作方式，我们可以逐步构建一个磁盘模型。一次完整的 I/O 操作时间严格按照先后顺序由寻道、旋转和传输三个阶段组成。
单磁道模型与旋转延迟
假设磁盘只有一个磁道，包含 12 个扇区（编号 0 到 11）。磁头连接在磁盘臂的末端，盘片逆时针旋转。 当驱动器收到读取某个扇区的请求时，它必须等待目标扇区旋转到磁头下方。这段等待时间被称为旋转延迟 (Rotational Delay)。 如果磁盘完整的旋转周期耗时为 ，在最坏情况下（目标扇区刚转过磁头）需要等待接近 的时间，而平均旋转延迟通常为单次旋转时间的一半（）。
多磁道模型与寻道时间
真实的磁盘表面拥有数以百万计的同心磁道。当请求的扇区位于其他磁道时，驱动器必须首先将磁盘臂移动到正确的磁道上方，这个物理移动过程称为寻道 (Seek)。 寻道与旋转一样，是最昂贵的磁盘操作之一。寻道过程包含四个物理阶段：
- 加速：磁盘臂开始移动。
- 滑行：磁盘臂全速惯性移动。
- 减速：磁盘臂靠近目标磁道时开始减速。
- 停放 (Settling Time)：磁头小心且精确地定位在目标磁道上。停放时间通常不短（约 0.5 到 2ms），因为驱动器必须绝对确认找准了磁道，而不仅仅是移到了附近。
寻道完成后，磁头已定位在正确的磁道上。此时盘片仍在旋转，接下来只需承担短暂的旋转延迟，等待目标扇区来到磁头下方。
传输
当目标扇区经过磁盘磁头时，I/O 操作进入最后阶段：传输 (Transfer)。此时数据才真正从磁盘表面读取，或写入到磁盘表面。
其他关键设计细节
除了基本的寻道和旋转，现代磁盘还包含以下重要设计以优化性能：
- 磁道偏斜 (Track Skew)：在跨越磁道边界进行顺序读取时，磁盘需要时间来重新定位磁头（即使是移动到相邻磁道）。如果没有偏斜，当磁头到达新磁道时，所需的下一个扇区可能已经转过了磁头，导致必须白白等待一整圈的旋转延迟。因此，相邻磁道的扇区在物理位置上会有一定的角度偏移，以完美衔接磁头切换的时间。
- 多区域 (Multi-zoned)：由于外圈的物理周长更大，现代磁盘将表面划分为多个连续的区域（Zone）。外圈区域的磁道比内圈区域的磁道拥有更多的扇区。
- 缓存 (Cache/Track Buffer)：驱动器内置少量内存（通常 8MB 到 16MB）。
- 预读机制：读取某扇区时，驱动器可能会将该磁道上的所有扇区一并读入缓存，以极快地响应后续对同磁道的请求。
- 写入策略：分为后写 (Write Back)（数据放入缓存即向系统报告完成，也称立即报告）和直写 (Write Through)（数据真正落盘后才报告完成）。后写策略能让驱动器看起来更快，但在发生掉电时，可能会破坏文件系统对数据写入顺序的依赖，引发一致性问题。
I/O 时间计算
I/O 时间与速率的计算公式如下：
随机工作负载与顺序工作负载的性能差异巨大。以 Cheetah 15K.5 高性能驱动器为例，其随机 I/O 速率约为 0.66 MB/s，而顺序 I/O 速率可达 125 MB/s，性能差距接近 200 倍。因此，尽可能以顺序方式或大块传输数据是核心的设计原则。
磁盘调度
由于 I/O 成本高昂，操作系统和磁盘控制器会通过调度算法来优化请求顺序，其核心思想是遵循最短任务优先（SJF）。
SSTF (最短寻道时间优先)
SSTF（Shortest-Seek-Time-First）优先服务距离当前磁头最近磁道上的请求。由于操作系统只能看到逻辑块，通常实现为其变体 NBF（Nearest-Block-First）。 SSTF 的致命缺陷是饥饿 (Starvation)：如果内圈磁道持续有请求到来，外圈磁道的请求将被无限期搁置。
SCAN / C-SCAN (电梯算法)
为了解决饥饿问题，SCAN 算法以跨越磁道的顺序（如从内到外，再从外到内）服务请求，类似于电梯运行。
- F-SCAN：在单次扫过期间冻结队列，新到达的请求放入单独队列等待下次扫描。
- C-SCAN (Circular SCAN)：单向扫描（如仅从外向内），到达尽头后直接返回起点，保证了更公平的等待时间。
SPTF (最短定位时间优先)
SSTF 和 SCAN 仅考虑了寻道时间，而忽略了旋转延迟。在现代驱动器中，寻道和旋转时间大致相当。 SPTF（Shortest Positioning Time First）同时考虑寻道和旋转时间，选择总体定位时间最短的请求。由于操作系统缺乏精确的磁头位置和磁道布局信息，SPTF 通常在磁盘控制器内部实现。操作系统只需将一批请求发送给磁盘，由磁盘内部的调度器决定最优执行顺序。
其他调度策略
- I/O 合并 (I/O Merging)：调度器会将相邻的逻辑块请求合并为一个大块请求，以减少请求数量和开销。
- 非工作保全 (Non-work-conserving)：在某些情况下，即使磁盘空闲且有待处理请求，调度器也会选择等待一段时间（Anticipatory Scheduling），期望有物理位置更优的新请求到达，从而提高整体吞吐量。