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1、硬盘原理的详细解读（一）一、硬盘原理之硬盘的组成硬盘大家一定不会陌生，我们可以把它比喻成是我们电脑储存数据和信息的大仓库。一 般说来，无论哪种硬盘，都是由盘片、磁头、盘片主轴、控制电机、磁头控制器、数据转换 器、接口、缓存等几个部份组成。图1硬盘组成图所有的盘片都固定在一个旋转轴上，这个轴即盘片主轴。而所有盘片之间是绝对平行的, 在每个盘片的存储面上都有一个磁头，磁头与盘片之间的距离比头发丝的直径还小。所有的 磁头连在一个磁头控制器上，由磁头控制器负责各个磁头的运动。磁头可沿盘片的半径方向 动作，而盘片以每分钟数千转到上万转的速度在高速旋转，这样磁头就能对盘片上的指定位 置进行数据的读写操作。
2、图2盘片组成图由于硬盘是高精密设备，尘埃是其大敌，所以必须完全密封。、硬盘原理之硬盘的工作原理硬盘在逻辑上被划分为磁道、柱面以及扇区。gs.winQ T亠皐存，卅事厲$图3磁道、柱面以及扇区硬盘的每个盘片的每个面都有一个读写磁头，磁盘盘面区域的划分如图所示。图4磁盘盘面区域的划分磁头靠近主轴接触的表面，即线速度最小的地方，是一个特殊的区域，它不存放任何数 据，称为启停区或着陆区(Landing Zone)，启停区外就是数据区。在最外圈，离主轴最远 的地方是“0 ”磁道，硬盘数据的存放就是从最外圈开始的。那么，磁头是如何找至“0”磁道的 位置的呢？在硬盘中还有一个叫“0”磁道检测器的构件，它是用
3、来完成硬盘的初始定位。“0” 磁道是如此的重要，以致很多硬盘仅仅因为0”磁道损坏就报废，这是非常可惜的。早期的硬盘在每次关机之前需要运行一个被称为Parking的程序，其作用是让磁头回到 启停区。现代硬盘在设计上已摒弃了这个虽不复杂却很让人不愉快的小缺陷。硬盘不工作时， 磁头停留在启停区，当需要从硬盘读写数据时，磁盘开始旋转。旋转速度达到额定的高速时， 磁头就会因盘片旋转产生的气流而抬起，这时磁头才向盘片存放数据的区域移动。盘片旋转产生的气流相当强，足以使磁头托起，并与盘面保持一个微小的距离。这个距 离越小，磁头读写数据的灵敏度就越高，当然对硬盘各部件的要求也越高。早期设计的磁 盘驱动器使磁头
4、保持在盘面上方几微米处飞行。稍后一些设计使磁头在盘面上的飞行高度 降到约0.1卩m0.5ym，现在的水平已经达到0.005卩m0.01ym，这只是人类头发直径的千 分之一。气流既能使磁头脱离开盘面，又能使它保持在离盘面足够近的地方，非常紧密地跟随着 磁盘表面呈起伏运动，使磁头飞行处于严格受控状态。磁头必须飞行在盘面上方，而不是接 触盘面，这种位置可避免擦伤磁性涂层，而更重要的是不让磁性涂层损伤磁头。但是，磁头也不能离盘面太远，否则，就不能使盘面达到足够强的磁化，难以读出盘上 的磁化翻转(磁极转换形式，是磁盘上实际记录数据的方式)。密u.i-0.3|IEr窮底宏死庖图5磁片原理硬盘驱动器磁头的飞
5、行悬浮高度低、速度快，一旦有小的尘埃进入硬盘密封腔内，或 者一旦磁头与盘体发生碰撞，就可能造成数据丢失，形成坏块，甚至造成磁头和盘体的损 坏。所以，硬盘系统的密封一定要可靠，在非专业条件下绝对不能开启硬盘密封腔，否则， 灰尘进入后会加速硬盘的损坏。另外，硬盘驱动器磁头的寻道伺服电机多采用音圈式旋转或直线运动步进电机，在伺 服跟踪的调节下精确地跟踪盘片的磁道，所以，硬盘工作时不要有冲击碰撞，搬动时要小心 轻放。这种硬盘就是采用温彻斯特(Winchester )技术制造的硬盘，所以也被称为温盘，目前 绝大多数硬盘都采用此技术。三、硬盘原理之盘面、磁道、柱面和扇区硬盘的读写是和扇区有着紧密关系的。在
6、说扇区和读写原理之前先说一下和扇区相关的” 盘面”、“磁道”、和“柱面”。1. 盘面硬盘的盘片一般用铝合金材料做基片，高速硬盘也可能用玻璃做基片。硬盘的每一个盘 片都有两个盘面(Side)，即上、下盘面，一般每个盘面都会利用，都可以存储数据，成为 有效盘片，也有极个别的硬盘盘面数为单数。每一个这样的有效盘面都有一个盘面号，按顺 序从上至下从“0”开始依次编号。在硬盘系统中，盘面号又叫磁头号，因为每一个有效盘面 都有一个对应的读写磁头。硬盘的盘片组在214片不等，通常有23个盘片，故盘面号 (磁头号)为03或05。2. 磁道磁盘在格式化时被划分成许多同心圆，这些同心圆轨迹叫做磁道(Track)。
7、磁道从外 向内从0开始顺序编号。硬盘的每一个盘面有3001 024个磁道，新式大容量硬盘每面的磁道数更多。信息以脉冲串的形式记录在这些轨迹中，这些同心圆不是连续记录数据，而是 被划分成一段段的圆弧，这些圆弧的角速度一样。由于径向长度不一样。所以，线速度也不一样，外圈的线速度较内圈的线速度大，即同样的转速下，外圈在同 样时间段里，划过的圆弧长度要比内圈划过的圆弧长度大。每段圆弧叫做一个扇区，扇区从 “1”开始编号，每个扇区中的数据作为一个单元同时读出或写入。一个标准的3。5寸硬盘盘 面通常有几百到几千条磁道。磁道是“看”不见的，只是盘面上以特殊形式磁化了的一些磁化 区，在磁盘格式化时就已规划完毕
8、。3柱面所有盘面上的同一磁道构成一个圆柱，通常称做柱面（Cylinder），每个圆柱上的磁头 由上而下从“0”开始编号。数据的读/写按柱面进行，即磁头读/写数据时首先在同一柱面内从 “0”磁头开始进行操作，依次向下在同一柱面的不同盘面即磁头上进行操作，只在同一柱面 所有的磁头全部读/写完毕后磁头才转移到下一柱面，因为选取磁头只需通过电子切换即可， 而选取柱面则必须通过机械切换。电子切换相当快，比在机械上磁头向邻近磁道移动快得多，所以，数据的读/写按柱面 进行，而不按盘面进行。也就是说，一个磁道写满数据后，就在同一柱面的下一个盘面来写， 一个柱面写满后，才移到下一个扇区开始写数据。读数据也按照这
9、种方式进行，这样就提 高了硬盘的读/写效率。一块硬盘驱动器的圆柱数（或每个盘面的磁道数）既取决于每条磁道的宽窄（同样， 也与磁头的大小有关），也取决于定位机构所决定的磁道间步距的大小。4.扇区操作系统以扇区（Sector）形式将信息存储在硬盘上，每个扇区包括512个字节的数 据和一些其他信息。一个扇区有两个主要部分:存储数据地点的标识符和存储数据的数据段。厨区34包扭躯的三瞇址闯 蛀、處我躯）和牲1届叵（它包 可箍和馅种內志 囱罚牛骸 庸卑踰祁爭、 艇则段一个07购呃-用来履定触跚歸皿盘出倫區矯輛叵粼幄询外之幽冋隔（为葩头堀対时1酎！柞的腔毡雷疽刖同 脂庚間倫怕j椒池氏读却作海四归目汕汕隔码（
10、ECC*T&naK 盘片囲府 移就加斤駅图6扇区工作原理扇区的第一个主要部分是标识符。标识符，就是扇区头标，包括组成扇区三维地址的三 个数字：扇区所在的磁头（或盘面）、磁道（或柱面号）以及扇区在磁道上的位置即扇区号。 头标中还包括一个字段，其中有显示扇区是否能可靠存储数据，或者是否已发现某个故障因 而不宜使用的标记。有些硬盘控制器在扇区头标中还记录有指示字，可在原扇区出错时指引 磁盘转到替换扇区或磁道。最后，扇区头标以循环冗余校验CRC）值作为结束，以供控制 器检验扇区头标的读出情况，确保准确无误。扇区的第二个主要部分是存储数据的数据段，可分为数据和保护数据的纠错码（ECC）。 在初始准备期间
11、，计算机用512个虚拟信息字节（实际数据的存放地）和与这些虚拟信息字 节相应的ECC数字填入这个部分。四、硬盘原理之硬盘的读写原理系统将文件存储到磁盘上时，按柱面、磁头、扇区的方式进行，即最先是第1磁道的第 一磁头下（也就是第1盘面的第一磁道）的所有扇区，然后，是同一柱面的下一磁头， 一个柱面存储满后就推进到下一个柱面，直到把文件内容全部写入磁盘。系统也以相同的顺序读出数据。读出数据时通过告诉磁盘控制器要读出扇区所在的柱面 号、磁头号和扇区号（物理地址的三个组成部分）进行。磁盘控制器则直接使磁头部件步 进到相应的柱面，选通相应的磁头，等待要求的扇区移动到磁头下。扇区到来时，磁盘控制器读出每个扇
12、区的头标，把这些头标中的地址信息与期待检出 的磁头和柱面号做比较（即寻道），然后，寻找要求的扇区号。待磁盘控制器找到该扇区头 标时，根据其任务是写扇区还是读扇区，来决定是转换写电路，还是读出数据和尾部记录。找到扇区后，磁盘控制器必须在继续寻找下一个扇区之前对该扇区的信息进行后处理。 如果是读数据，控制器计算此数据的ECC码，然后，把ECC码与已记录的ECC码相比较。 如果是写数据，控制器计算出此数据的ECC码，与数据一起存储。在控制器对此扇区中的 数据进行必要处理期间，磁盘继续旋转。五、硬盘原理之磁盘碎片的产生俗话说一图胜千言，先用一张ACS II码图来解释为什么会产生磁盘碎片。匕亡d ef
13、g h1 k1 nt uwK聖sa 000 00 6 0 (30 Q S a Q 00 0的GOOC U0 0 00 00a o0 0 0 0-0 00 0 0090 00 0 0E 90 0 00 000 0口口 0 Ch 0 Q0 0 0打a0 0do aC )0 0 D 00 00- d a 0d a0 0 0a 09 97 00 0 09 fl0(? flij 9 9 ? o gfl 0 9VQ9 Qt& 0 0c a0 0 00 cD0 0000-000 0 0cq0 0g0 0 00 0 Qo d0 0G 0 0 0 0 0Cl 0a0 0qQ P 0fl 90 0 0Q flP9 fl9 P Q P 0Q 0 0?qQ QrGOOo a0 0 00 00 00 0 0 Q 0 00 01300 0
