机械HDD（英文名称Hard Disc Drive，简称HDD），驱动固定安装在主轴上的硬磁盘并实施数据存取的设备，又称硬盘驱动器，是一种计算机硬盘。

机械硬盘由磁头与碟片、电动机、主控芯片与排线等部件组成。当主电动机带动碟片旋转时，副电动机带动一组碰头到相对应的碟片上并确定读取正面或反面的碟面，磁头悬浮在碟面上画出一个与碟片同心的圆形轨道(磁轨或称柱面)，这时由磁头的磁感线圈感应碟面上的磁性与使用硬盘厂商指定的读取时间或数据间隔定位扇区，从而得到该扇区的数据内容。

机械硬盘成本低、容量大、可靠性高，主要用于数据备份、高性能计算、企业级存储、低成本存储与嵌入式系统。

1956年，美国IBM公司制造出世界上第一块容量为5MB的硬盘，在此后的40多年里HDD技术一直在不断地发展。

1956年9月，当时IBM公司的一个工程小组向全世界展示了第一台磁盘存储系统---IBM 350 RAMAC(Random Access Method of Accounting and ctrl)，它的磁头可以直接移动到盘片上的任何一块存储区城，从而成功地实现了随机存储。这套系统的总容量只有5MB，共使用了50个直径为24英寸的磁盘，这些盘片表面涂有一层磁性物质。它们被叠起来固定在一起，绕着同一个轴旋转。这款RAMAC 当时主要应用于飞机预约、自动银行、医学诊断及太空领城内。

由于RAMAC体积庞大，性能不高，使用和制造都非不方便，因此在1968 年IBM公司又提出了温彻斯特(Winchester)技术。温彻斯特技术的精髓是“密封、固定并高速旋转的镀磁盘片，磁头沿盘片径向移动，并且是悬浮在高速转动的盘片上方，而不与盘片直接接触”，这也是现代绝大多数HDD的原型。5后，即1973 年，IBM公司制出了第一台采用温彻斯特技术的硬盘，从此硬盘技术的发展有了正确的结构基础，现在使用的硬盘大多是此技术的延伸。

1979年IBM公司发明了薄膜磁头，为进一步减小硬盘体积、增大容量、提高读写速度提供了可能。

20 世纪 80年代末期，IBM公司发明了 MR(Magneto Resistive)磁阻。这种磁头在读取数据时对信号变化相当敏感，使得盘片的存储密度比以往提高了数十倍。

1991 年 IBM公司生产的3.5英寸的硬盘用了MR磁头，使硬盘的容量首次达到了 1GB，从此HDD容量开始进入了 GB 数量级。

1999年9月7日，迈拓公司 公司宣布了首块单碟容量高达10.2GB的ATA硬盘，树立了硬盘容量的新里程碑。

2000年2月23日，希捷公司发布了转速高达15000rpm(rpm，转/分)的Cheetah X15系列硬盘，其平均寻道时间只有3.9ms。此系列产品的内部数据传输率高达48MB/s，数据缓存为4-16MB，支持U1tra 160/m SCSI及Fibre Channel(光纤通道)，这将HDD外部数据传输率提高到了160-200MB/s。希捷的CheetahX15系列将硬盘的性能提高到了一个新阶段。

2000年3月16日，硬盘领域首款玻璃硬盘问世，IBM推出的Deskstar 75GXP及Deskstar 40GV。这两款硬盘均使用玻璃材质取代传统的铝作为盘片，这能为硬盘带来更大的平滑性及更高的坚固性。另外，璃材材料在高转速时具有更高的稳定性。

2000年9月，迈拓公司 公司5400转的80GB星钻一代硬盘，又成为IDEHDD市场的划时代容量领先者。它采用4碟片设计，每张碟片提供20GB 的储存容量，以100Mbit/s速率进行资料传输，配备2MB快取缓冲内存。

随着垂直存储技术(perpendicular recording)的出现，将平行于盘片的磁场方向改变为垂直方向(翻转 90度)，充分利用存储空间，以便提高存储容量。2005 年，日立制作所环储和希捷都宣布了开始采用磁盘垂直存储技术。

20世纪90年代伴随Flash SSD的诞生，固态硬盘 SSD 逐渐成为机械硬盘 HDD 的主要竞争对手，机械硬盘技术发展慢慢陷入停滞状态。

机械硬盘的基本物理结构主要包括磁头、磁道、扇区、柱面。

磁头是硬盘中最昂贵的部件，也是硬盘技术中最重要和最关键的一环。传统的磁头是读写合一的电磁感应式磁头，但硬盘的读、写却是两种截然不同的操作。为此，这种二合一磁头在设计时必须要同时兼顾到读、写两种特性，从而造成了硬盘设计上的局限。而磁阻磁头(magnetoresistive heads，MR heads) 采用的是分离式的磁头结构，即写入磁头仍采用传统的磁感应磁头(MR磁头不能进行写操作)，读取磁头则采用新型的MR磁头，即所的感应写、磁阻读。这样，在设计时就可以针对两者的不同特性分别进行优化，以得到最好的读写性能。

当磁盘旋转时，磁头若保持在一个位置上，则每个磁头都会在磁盘表面划出一个圆形轨迹，这些圆形轨迹就叫作磁道，磁盘上的信息便是沿着这样的轨道存放的。相邻磁道之间并不是紧挨着的，这是因为磁化单元相隔太近时磁性会相互产生影响，同时也为磁头的读写带来困难。磁道的磁化方式一般由磁头迅速切换正负极改变磁道所代表的0和1来实现。

磁盘上的每个磁道被等分为若干个孤段，这些弧段便是磁盘的扇区，每个扇区可以存放512个字节的信息，磁盘驱动器在向磁盘读取和写入数据时，以扇区为单位。

硬盘通常由重叠的一组盘片构成，每个盘面都被划分为数目相等的磁道，并从外缘的0开始编号，具有相同编号的磁道形成一个圆柱，称之为磁盘的柱面，磁盘的柱面数与一个盘单面上的磁道数是相等的。无论是双盘面还是单盘面，由于每个盘面都只有自己独一无二的磁头，因此，盘面数等于总的磁头数。

硬盘驱动器是通过高新技术集成的高精度的机电一体化产品，主要由磁头、盘片组、主轴系统、磁头定位系统、读/写电路及控制电路等部分组成。其中，磁头、盘片组、主轴系统等与铝合金底座、顶盖等组成一个密封的整体结构。其中主轴驱动电机采用直流无刷电机，它直接带动主轴及连在主轴上的盘片做等速旋转。步进电机带动安装有磁头组件的磁头管沿导轨在磁盘的半径方向寻道，并进行读写操作。空气过滤器可使盘腔内部获得100级的洁净度，从而保证长时间、高可靠性的操作。

HDD驱动器工作时，控制电路驱动步进马达来执行磁盘定位，由主轴马达直接驱动磁盘高速旋转，利用高速旋转产生的空气悬浮力使磁头“飞行”在盘表面(与盘的距离以微米计)，在读写控制电路的控制下完成对磁盘信息的读写。

机械硬盘的主要性能指标包括：

1.容量

硬盘容量的单位为 GB 或TB。目前，硬盘容量一般为 250GB~5TB，多数硬盘由1~5 张碟片组成，所以又可以分为硬盘总容量和硬盘单碟容量。从数量上说，每张碟片的存储容量越高，达到相同容量所用的碟片数量就越少，系统的可靠性也就越高。同时，高密度盘片可使HDD在读取相同数据量时，磁头的寻道动作和移动距离减少，从而使平均寻道时间减少，加快硬盘的读写速度。因此，单碟容量成了减少碟片数量最直接的办法。目前，台式机硬盘的单碟容量有 250GB、500GB、1TB 等。

2.转速

硬盘的转速是指硬盘内电动机主轴的旋转速度，也就是硬盘盘片在一分钟内所能完成的最大转数，单位为 r/min。硬盘的转速越高，硬盘的寻道时间就越短，内部数据传输速率就越高，硬盘的性能就越好，转速的快慢是HDD档次的重要参数之一。

硬盘的转速与硬盘性能关系非常大，硬盘的主轴转速一般为 5400~10000r/min，主流硬盘的转速为 7200/min。由于受到制造技术的限制，硬盘转速的提升非常缓慢，这也是新的硬盘接口出现后性能仍不能提升的主要原因。另外，高转速也带来了高热量。

3.硬盘CPU缓存

硬盘缓存是指硬盘控制器上的一块存取速度极快的内存芯片，是硬盘与外部数据总线交换数据的场所，其容量通常用 KB 或 MB 来表示。硬缓存可以加快硬盘的读写速度，同时也可以在一定程度上保护硬盘。硬盘的缓存主要起三种作用:预读取、对写入动作进行缓存、临时存储最后访问过的数据，目的是解决硬盘与计算机其他部件速度不匹配的问题。目前，硬盘缓存的容量为 2MB、8MB、16MB、32MB、64MB 或更大。理论上，硬盘的缓存容量越大越好。

4.接口

HDD的数据接口主要有 ATA 和 SATA 两种标准。ATA-5 标准的数据传输速率为66.67MB/s;SATA1.0标准数据传输速率的有效带宽峰值为 150MB/s，SATA2.0 或2.5 标准的数据传输速率为300MB/s，SATA3.0标准的数据传输速率为600MB/s。

5.平均寻道时间 (平均数 Seek 时间)

平均寻道时间指硬盘磁头移动到数据所在磁道时所用的时间，单位为 ms。注意它与平均访问时间的差别，平均寻道时间越小越好，现在选购HDD时应该选择平均寻道时间低于9ms的产品。

6.平均潜伏期 (Average Latency)

平均潜伏期指当碰头移动到数据所在的磁道后，等待所要的数据块继续转动(半圈或多些、少些)到磁头下的时间，单位为 ms。

7.单磁道时间(Single Track Seek)

单磁道时间指磁头从一磁道转移至另一磁道的时间，单位为 ms。

8.全程访问时间(Max Full Seek)

全程访问时间指磁头开始移动直到最后找到所需要的数据块所用的全部时间，单位为mm。

9.平均访问时间 (Average Access)

平均访问时间指磁头找到指定数据的平均时间，通常是平均寻道时间和平均潜伏期之和，单位为 ms。注意，现在一些HDD广告中所说的平均访问时间大部分都是用平均寻道时间来代替的。

10.最大内部数据传输速率(Maximum internal Data Transfer Rate)

最大内部数据传输速率也叫持续数据传输速率(Sustained Transfer Rate)，单位为 Mbit/s。它指磁头至硬盘缓存间的最大数据传输速率，一般取决于硬盘的盘片转速和盘片数据线密度(指同一磁道上的数据间隔度)。

11.外部数据传输速率(External Transfer Rate)

通常称为突发数据传输速率(Burst Data Transfer Rate)，指从硬盘缓冲区读取数据的速率。在广告或硬盘特性表中常以数据接口速率代替，单位为 MB/s。

12.单碟容量

HDD中的存储盘片一般有 1~4 片。每张片的存储密度越高，其达到相同容量所用的盘片就越少，其系统可靠性也就越好。同时，高密度片可使硬盘在读取相同数据量时，磁头的寻道动作和移动距离减少，从而使平均寻道时间减少，加快硬盘读写速度。

13.数据保护技术

数据保护技术是硬盘的一项重要附加技术指标，现在的硬盘除了有自监测、分析和报告技术(Self-Monitoring、Analysis and Reporting Technology，S.MART)外，一般还拥有各自的一套数据保护系统，如迈拓公司 (Maxtor)公司的 ShockBlock 防振保护和 MaxSafe 技术，威腾电子公司的数据卫士，希捷的 3D Defense 等。

14.NCQ 技术

从英特尔 ICH6R南桥芯片开始，引入了本机命令排序(Native Command Queuing，NCQ)技术。这些技术的引入使HDD工作提速，并提高了硬盘工作时的可靠性。SCSI技术超越普通硬盘及SATA 硬盘的一个重要原因就是 NCQ。通过NCQ 技术，寻道顺序可以被有效地重新排列，将位于外围的全部需求数据块读取完毕之后，再读取内部磁道的数据，通过这种方式可以大大提高寻道的速度。目前，硬盘厂商都已开始在其生产的硬盘中加入对NCQ 技术的支持。

15.Green Power 技术

Green Power 技术是西部数据硬盘的一项技术，具有3 大特色功能：优化降低寻道功耗(IntelliSeek)、闲置时将磁头撤出降低功耗 (IntelliPark)和工作负裁、智能调节硬盘转速(IntelliPower)。这种技术被称为绿色环保节能技术，有这种技术的硬盘被称为绿盘。

以上参考来源：

机械硬盘 HDD 与固态硬盘 SSD 相比，有以下显著特点：

以上参考资料来源：

根据机械硬盘较高的存储容量和成本效益，常常被用作以下场景:

1.数据备份：机械硬盘可用于存储大量数据，如备份、数据仓库等。

2.高性能计算(HPC)：机械硬盘可以作为高性能计算集群的存储设备，为大规模数据处理和分析提供支持。

3.企业级存储：企业级存储系统通常需要较大的存储容量和较低的成本，机械硬盘能够满足这些需求。

4.低成本存储：对于预算有限的用户，机械硬盘可以提供较大的存储容量，同时价格相对较低。

5.嵌入式系统：机械硬盘在嵌入式系统中广泛应用，如汽车电子、工业控制等。

随着固态硬盘技术的不断迭代发展，固态硬盘的制造成本逐渐下降，性能已经被固态硬盘超越的机械硬盘，销售量处于不断萎缩中。2022年第三季度全球机械硬盘出货量为3839万块，环比下降14.0%。2023年二季度机械硬盘销售报告，当季总量为3080万~3220万块之间，比去年同期下滑了20.2%。