硬盘的组成和工作原理

 一、序 

      磁存储技术包含硬盘，软盘和磁带等。软盘基本上谈出人们的视野了，磁带只是在服务器存储备份上有所作用，平常最为常见的便是硬盘。不过硬盘和软盘的原理倒是比较相近的。

 

二、硬盘的简单分类 

 按 接口    PATA（IDE） SATA  SCSI

 按用途     PC硬盘，笔记本硬盘(移动硬盘)，服务器硬盘

 

三、硬盘的外部物理结构 

     硬盘主要由盘体、控制电路板和接口部件组成。

     盘体是一个密封的腔体。(后续将介绍硬盘的内部物理结构即是指盘体的内部结构)。

  控制电路板上主要有硬盘BIOS、硬盘缓存（Cache）和主控制芯片等单元。硬盘接口包括插座、数据接口和主、从跳线等。

 

四、硬盘的内部物理结构 

     硬盘盘体是完全密封的，里面主要有磁头、盘片等部件。 

     硬盘的盘片材料硬度和耐磨性要求很高，所以一般采用合金材料，多数为铝合金。(早期有塑料，陶瓷的，现在也出现了玻璃材料的)。盘基上涂上磁性材料。硬盘盘片厚一般在0.5mm左右，盘片的转速与盘片大小有关，考虑到惯性及盘片稳定性，盘片越大转速越低。 

    有些硬盘只装一张盘片，有此则有多张。硬盘盘片安装在主轴电机的转轴上，在主轴电机的带动下作高速旋转。每张盘片的容量称为单碟容量，而一块硬盘的总容量就是所有盘片容量的总和。早期硬盘由于单碟容量低，所以盘片较多。现代的硬盘盘片一般只有少数几片。一块硬盘内的所有盘片都是完全一样的，否则控制部分就太复杂了。

 

     盘片上的记录密度很大，而且盘片工作时会高速旋转，为保证其工作的稳定，数据保存的长久，所以硬片都是密封在硬盘内部的，内部并非真空。不可自行拆卸硬盘，在普通环境下空气中的灰尘，都会对硬盘造成永久损害。

    

 以上介绍的是盘片，一张单面的盘片需要一个磁头，双面的盘片则需要两个磁头。硬盘采用高精度、轻型磁头驱动和定位系统。这种系统能使磁头在盘面上快速移动，读写硬盘时，磁头依靠磁盘的高速旋转引起的空气动力效应悬浮在盘面上，与盘面的距离不到1微米(约为头发直径的百分之一)，可以在极短的时间内精确定位到计算机指令指定的磁道上。

      注意：由于磁盘是旋转的，则连续写入的数据是排列在一个圆周上的。我们称这样的圆周为一个磁道(Track)。

      

 由于定位系统限制，磁头臂只能在盘片的内外磁道之间移动。因此，不管开机还是关机，磁头总在盘片上。所不同的是，关机时磁头停留在盘片启停区，开机时磁头“飞行”在磁盘片上方。 

五、硬盘存储的逻辑结构 

      我们常说硬盘有面，柱面，磁道和扇区，这些只不过是虚拟的逻辑概念。

面(盘面)：

     上面已经了解，硬盘一般会有一个或多个盘片，每个盘片可以有两个面(Side)，依此可称为0面，1面等。每个面对应一个磁头，用于读写数据。

 

 磁道：

     盘片在中心轴带动下做高速旋转，磁头连续写入的数据是排列在一个圆周上的。我们称这样的圆周为一个磁道(Track)。可以假想有很多个同心圆，大小不同的磁道组成盘面。

     每个盘片的每个面都有一个读写磁头。磁道离主轴最近的，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。

     硬盘有一个“0”磁道检测器，由它来完成硬盘的初始定位。“0”磁道十分重要，很多硬盘仅仅因为“0”磁道损坏就报废了，十分可惜。

磁头：

    磁头用来读取或者修改盘片上磁性物质的状态，一般说来，每一个磁面都会有一个磁头，从最上面起由0开始编号。磁头在停止工作时与磁盘是接触的停放在启停区，但是在工作时呈飞行状态。启停区不存放任何数据，磁头在此区域启停，不会损害任何数据。读取数据时盘片高速旋转，对磁头运动采用的空气动力学设计。此时磁头离盘面数据区0.2到0.5微米高度进行飞行。这样既不与盘面接触，又能很好的读取数据。磁头之所以能够飞起来，完全是靠空气的“浮力”。如果没有空气的话磁头将与磁盘直接接触，除非能生产出无磨檫的光滑平面，否则在一瞬间就会使整个磁盘表面划伤。目前来看，绝对光滑的平面是不现实的。

柱面：

    我们认为离圆心最远的磁道为0磁道，依此往里为1磁道....。不同面上相同磁道编号则组成了一个圆柱面，即所称的柱面(Cylinder)。

    每个柱面上的磁头由上而下从“0”开始编号。数据读写按柱面进行，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，只有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。电子切换比从在机械上磁头向邻近磁道移动快得多。因此，数据的读写按柱面进行，而不按盘面进行。 读写数据都是按照这种方式进行，尽可能提高了硬盘读写效率。

     当然现今硬盘多半只有一个盘片两个盘面。

 扇区：

     

根据硬盘规格的不同，磁道数可以从几百到成千上万不等。一个磁道上可以容纳数KB的数据，但计算机并不需要一次读写这么多数据。这这基础上，又把磁道划分成若干段，每段称为一个扇区(Sector)。扇区是硬盘上存储的物理单位，包括512个字节的数据和一些其他信息。即使计算机只需要硬盘上存储的某个字节，也须一次把这个字节所在的扇区中的全部512字节读入内存，再选择所需的那个字节。

      扇区数据主要有两个部分：存储数据的标识符和存储数据的数据段。

     

 标识符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)以及扇区在磁道上位置(即扇区编号)。标识符还包括一个字段，显示扇区是否可以存储数据或者已有故障不宜使用的标记。有些硬盘控制器在扇区标志符中还记录提示信息，可在原扇区出错时指引磁盘转到对应替换扇区或磁道。最后，标识符以循环冗余校验(CRC)值作为结束，以供控制器检验扇区标识符读出情况，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)。

 

       要注意硬盘在划分扇区时，和软盘是有一定区别的。软盘的一个磁道中，扇区号一般依次编排，如挨着来是1号，2号，3号...以此类推。但在硬盘磁道中，扇区号是按照某个间隔跳跃着编排。如，2号扇区并不是1号扇区后的按顺序的第一个而是第八个，3号扇区又是2号扇区后的按顺序的第八个，依此类推，这个“八”称为交叉因子。 

    这个交叉因子的来历有必要详述一下，我们知道，数据读取经常需要按顺序读取一系列相邻的扇区(逻辑数据相邻)。如对磁道扇区按物理顺序进行编号，很有可能出现当磁头读取完第一个扇区后，由于盘片转速过快来不及读取下一个扇区，(要知道物理相邻扇区位置距离是极小的)，必须等待转完一圈，这极大浪费了时间。在N年前，就有工程师想到用交叉因子这个办法来解决这个问题。一个特定硬盘驱动器的交叉因子取决于：磁盘控制器的速度、主板的时钟速度、与控制器相连的输出总线的操作速度等。如果磁盘的交叉因子值太高，就需多花一些时间等待数据在磁盘上存入和读出。而如果交叉因子值太低，就会大大降低磁盘性能。

       早期的硬盘管理工作中，设置交叉因子需要用户自己完成。有时还需要设置几种不同的值来比较其性能。现在的硬盘BIOS已经解决这个问题，一般低级格式化程序不再提供这一选项设置。

      

 前面已经提及，系统在磁盘上写入读取数据时，写满一磁道后转向同一柱面的下一个磁头，当柱面写满时，再转向下一柱面。这些转换都需要时间，而在此期间磁盘始终保持高速旋转，这就会带来又一个问题。 假定系统刚刚结束对一个磁道最后一个扇区的写入，并且已经设置了最佳交叉因子值，现在准备在下一磁道的第一个扇区写入，这时就要等到磁头部件重新准备定位并按径向方向到达下一磁道。如果这个操作占用时间超过了一点点，尽管有交叉存取，磁头仍会延迟到达?办法是以原先磁道所在位置为基准，把新磁道(下一磁道)上全部扇区号移动约一个或几个扇区位置，这就是磁头扭斜。磁头扭斜可以理解为柱面与柱面之间的交叉因子，硬盘出厂便设置好，用户一般不用去改变它。磁头扭斜只在文件较长超过磁道结尾进行读出和写入时才发挥作用。所以，扭斜设置不正确所带来的时间损失比交叉因子小得多。

 

 簇：

      我们上边已经了解扇区是实际物理单位，簇就是硬盘上存储文件的一个逻辑单位。物理相邻的若干个扇区其实就组成了一个簇。操作系统读写磁盘的基本单位是扇区，而文件系统的基本单位是簇(Cluster)。

       在你的Windows下，随便找个几十字节的文件，右键属性，看看实际大小与占用空间两项内容，如大小：15 字节 (15 字节) 占用空间：8.00 KB (8,192 字节)。这里的占用空间就是你机器分区的簇大小，因为再小的文件都会占用空间，逻辑基本单位是8K，所以都会占用8K。

       簇一般有这几类大小 4K，8K，16K，32K，64K等。

      簇越大存储性能越好，但空间浪费严重。簇越小性能相对越低，但空间利用率高。

      注意：这里引入一个概念文件系统，稍后的文章会详细说明。

 

六、硬盘读写数据的过程

 

　硬盘读取数据时，读写磁头沿径向移动，移到要读取的扇区所在磁道的上方，这段时间称为寻道时间(seek time)。因读写磁头的起始位置与目标位置之间的距离不同，寻道时间也不同。目前硬盘一般为2到30毫秒，平均约为9毫秒。

      磁头到达指定磁道后，然后通过盘片的旋转，使得要读取的扇区转到读写磁头的下方，这段时间称为旋转延迟时间(rotational latency time)。一个7200（转/每分钟）的硬盘，每旋转一周所需时间为60×1000÷7200=8.33毫秒，则平均旋转延迟时间为8.33÷2=4.17毫秒（平均情况下，需要旋转半圈）。