[科普中国]-硬盘容量

硬盘容量的单位为兆字节（MB）或千兆字节（GB），主流硬盘容量为500G～2TB，影响硬盘容量的因素有单碟容量和碟片数量。许多人发现，计算机中显示出来的容量往往比硬盘容量的标称值要小，这是由于不同的单位转换关系造成的。我们知道，在计算机中1GB=1024MB，而硬盘厂家通常是按照1GB=1000MB进行换算的。 硬盘是个人电脑中存储数据的重要部件，其容量就决定着个人电脑的数据存储量大小的能力，这也就是用户购买硬盘所首先要注意的参数之一。

硬盘硬盘的基本结构主要包括：盘片、磁头、主轴电机、磁头定位机构、盘腔、空气净化器、接口电路和电源。盘片一般用铝合金或玻璃作为盘基，盘面涂有一层很薄的磁性材料。盘片安装在一个以恒定高速旋转的主轴上，转速通常为3600r/min，在每个盘面的上、下两面均配有一个读写磁头，这些磁头装在一个磁头定位机构上，载着磁头内向主轴或外向盘片的边缘移动。

硬盘是计算机内可以以磁的形式存储数十亿字节数据的一个重要器件。其内部实际上是一些由一根金属杆穿起来的圆形磁片，磁片可以在两面记录数据，每个磁片都可以被划分为半径不同的圆，这些同心圆被称为磁道。像录音机一样，读取磁片上的数据时也需要磁头，每个磁片都对应两个磁头，在磁片的两面，一上一下读写数据。磁片在一个真空的状态下高速转动，每分钟4500或7200转，磁头在需要读取数据的时候接近（注意，是接近而不是接触）磁片在磁道上读取数据。磁头寻找到磁道的时间称之为寻道时间。在读取和写入数据时， 一般需要知道要在哪个磁片上进行，在这个磁片的哪个磁道上进行，在这个磁道的哪个位置进行，知道了这三个量就可以精确地找到数据所在的位置了。

硬盘的主要优点：非常大的存储量，其容量已可达千万兆以上；采用随机存取方式，平均存取时间极短，实现了快速存取；由于记录密度高和磁盘转速快，硬盘的传输率很高；硬盘的结构设计保证了它有高的可靠性和工作稳定性，一般无故障时间可达8000～12000h，误码率低于磁带和软磁盘一个数量级。

单位硬盘的容量是以MB（兆）和GB（千兆）为单位的，早期的硬盘容量低下，大多以MB（兆）为单位，1956年9月IBM公司制造的世界上第一台磁盘存储系统只有区区的5MB，而现今硬盘技术飞速的发展，数百GB容量的硬盘也已进入到家庭用户的手中。硬盘的容量有8GB、16GB、32GB、40GB、60GB、64GB、80GB、100GB、120GB、160GB、200GB、240GB、250GB、300GB、320GB、400GB、480GB、500GB、512GB、640GB、750GB、800GB、880GB、960GB、1TB、1.5TB、2TB、3TB、4TB、5TB、6TB、8TB、10TB、12TB，硬盘技术还在继续向前发展，更大容量的硬盘还将不断推出。

计算方法在购买硬盘之后，细心的人会发现，在操作系统当中硬盘的容量与官方标称的容量不符，都要少于标称容量，容量越大则这个差异越大。标称8GB的硬盘，在操作系统中显示只有7.4GB；16GB的硬盘只有14.8GB；32GB的硬盘只有29.8GB；40GB的硬盘只有37.2GB；64GB的硬盘只有59GB；80GB的硬盘只有74.5GB；100GB的硬盘只有93.1GB；120GB的硬盘只有112GB；128GB的硬盘只有119GB；160GB的硬盘只有149GB；256GB的硬盘只有238GB；320GB的硬盘只有298GB；480GB的硬盘只有GB；500GB的硬盘只有465GB；512GB的硬盘只有476GB；750GB的硬盘只有699GB；960GB的硬盘只有894GB；1TB的硬盘只有931GB；1.5TB的硬盘只有1.3TB（1397GB）；2TB的硬盘只有1.8TB（1862GB）；3TB的硬盘只有2.7TB（2793GB）；4TB的硬盘只有3.6TB（3724GB）；5TB的硬盘只有4.6TB（4657GB）；6TB的硬盘只有5.5TB（5586GB）；8TB的硬盘只有7.4TB（7448GB）；10TB（GB）的硬盘只有9.3TB（9300GB）；而12TB的硬盘则只有10.9TB（11176GB）。

这并不是厂商或经销商以次充好欺骗消费者，而是硬盘厂商对容量的计算方法和操作系统的计算方法有不同而造成的，不同的单位转换关系造成的。

众所周知，在计算机中是采用二进制，在电脑世界里，以2的次方数为“批量”处理Byte会方便一些，整齐一些。每1024Byte为1KB，每1024KB为1MB，每1024MB为1GB，每1024GB为1TB，而在国际单位制中TB、GB、MB、KB是“1000进制”的计数单位，为此国际电工协会（IEC）拟定了"KiB"、“MiB”、“GiB"的二进制单位，专用来标示“1024进位”的数据大小；而硬盘厂商在计算容量方面是以每1000为一进制的，每1000字节为1KB，每1000KB为1MB，每1000MB为1GB，每1000GB为1TB，在操作系统中对容量的计算是以1024为进位的，并且并未改为"KiB"、“MiB”、“GiB"的二进制单位，这差异造成了硬盘容量“缩水”。

以120GB的硬盘为例：

厂商容量计算方法：120GB=120,000MB=120,000,000KB=120,000,000,000字节；换算成操作系统计算方法：120,000,000,000字节/1024=117,187,500KB/1024=114,440.9MB/1024=111.8GB。

简单算法：硬盘容量 /（1024*1024*1024）

80,000,000,000/(1024*1024*1024)=74.5GB

40,000,000,000/(1024*1024*1024)=37.25GB

硬盘需要分区和格式化，操作系统之间存在着差异，再加上安装操作系统时的复制文件的行为，硬盘会被占用更多空间，所以在操作系统中显示的硬盘容量和标称容量会存在差异，而硬盘的两类容量差值在5%-10%左右应该是正常的1。

计算公式作为计算机系统的数据存储器，容量是硬盘最主要的参数。硬盘容量 = 柱面数(表示每面盘面上有几条磁道，一般总数是1024) × 磁头数(表示盘面数) × 扇区数（表示每条磁道有几个扇区，一般总数是64）× 扇区(存储基本单元，大小一般为512B/4KB)2。

（单碟1TB硬盘的扇区数可能是4K） 高级格式是一项界定4K扇区硬盘格式的全新标准，传统的硬盘在格式化后，每一个扇区的大小都是512B字节，而4K扇区硬盘的高级格式就是将其扇区划分为4KB。这也是今后所有硬盘厂商都将采用的标准，IDEMA（国际磁盘驱动器设备与材料协会）的各主要硬盘制造商已经达成一致：2011年1月1日起，出货的所有台式机和笔记本新产品硬盘都将采用这种高级格式标准。

在CHS规范中，磁头的最大数就是16，扇区数是63。现今的硬盘为了突破528.4M的寻址限制，都是使用模拟方式表示磁头数、扇区数。常用的 LBA 寻址就是将磁头与扇区都假设为CHS的最大值来进行转换并计算出总的扇区数。

LBA(Logical Block Addressing)逻辑块寻址。在 LBA 模式下，我们知道硬盘上的一个数据区域由它所在的磁头、柱面（也就是磁道）和扇区所唯一确定。早期系统就是直接使用磁头柱面和扇区来对硬盘进行寻址（这称为CHS寻址），这需要分别存储每个区域的三个参数（这称为3D参数），使用时再分别读取三个参数，然后再送到磁盘控制器去执行。由于系统用8b来存储磁头地址，用10b来存储柱面地址，用6b来存储扇区地址，而一个扇区共有512B，这样使用CHS寻址一块硬盘最大容量为256 * 1024 * 63 * 512B = 8064 MB(1MB = 1048576B)（若按1MB=1000000B来算就是8.4GB）。随着硬盘技术的进步，硬盘容量越来越大，CHS模式无法管理超过8064 MB的硬盘，因此工程师们发明了更加简便的LBA寻址方式。在LBA地址中，地址不再表示实际硬盘的实际物理地址（柱面、磁头和扇区）。LBA编址方式将CHS这种三维寻址方式转变为一维的线性寻址，它把硬盘所有的物理扇区的C/H/S编号通过一定的规则转变为一线性的编号，系统效率得到大大提高，避免了烦琐的磁头/柱面/扇区的寻址方式。在访问硬盘时，由硬盘控制器再将这种逻辑地址转换为实际硬盘的物理地址。在这三种硬盘模式中，LBA 模式使用最多。

LBA与C/H/S 之间的转换: 设NS为每磁道扇区数，NH为磁头数，C、H、S分别表示磁盘的柱面、磁头和扇区编号，LBA表示逻辑扇区号，div为整除计算，mod为求余计算，则： LBA=NH×NS×C+NS×H+S-1； C=(LBA div NS)div NH； H=(LBA div NS)mod NH； S=(LBA mod NS)+1 例如 LBA = 0 则 CHS = 0/0/1 从C/H/S到LBA的计算公式： LBA=（C-CS）*PH*PS+（H-HS）*PS+(S-SS)

厂家计算公式：

320G硬盘：320,000,000,000 /1024/1024/1024 = 298G 实际只有298G

300G硬盘：300,000,000,000 /1024/1024/1024 = 279G 实际只有279G

容量关系计算机硬盘存储容量通常使用字节（B，Byte）、千字节（KB，KiloByte）、兆字节（MB，MegaByte）、吉字节（GB，Gigabyte）、太字节（TB，TeraByte）、拍字节(PB，PetaByte)、艾字节(EB，ExaByte)、泽字节(ZB，ZettaByte)、尧字节 (YB，YottaByte)和BB（BrontoByte）、NB(NonaByte）、 DB(DoggaByte)等来衡量。

计算方式：

1DB=1024NB；

1NB=1024BB，

1BB=1024YB；

1YB=1024ZB；

1ZB=1024EB；

1EB=1024PB；

1PB=1024TB；

1TB=1024GB；

1GB=1024MB；

1MB=1024KB；

1KB=1024B

技术挑战在数据量不断增长的前提下，硬盘存储容量已经发展到了最高12TB的阶段，而且，其还会继续增长下去。对于此，我们完全可以将其比喻成一场“永不休止的战争”。不过，恰恰就在此时，在容量扩充上的技术局限也越来越多的被突显了出来。

尽管我们已经能够见到很多不同的存储介质，最为成熟的技术依然是常见的机械磁盘。因此，在对最高容量的超越方面，其也就被寄予了更多期望。不过，在不断增长的容量扩充下，机械旋转磁盘也在这方面遭遇了瓶颈。

其实，增加磁盘容量的方法说起来非常简单，这无外乎提升碟片密度和增加碟片数量两种方式。增加碟片密度的方式很好理解。比如说，3TB希捷外置式硬盘产品FreeAgent GoFlex Desk drive就采取了五碟片的设计。在此之前，日立也曾经推出过五碟片的产品。实际上，五碟片也是我们能够见到的单盘碟数最多的设计。

本词条内容贡献者为:

苏智勇 - 副教授 - 南京理工大学自动化学院