星空·体育中国官方网 硬盘结构和原理

硬盘是计算机中存储数据的重要载体。我对硬盘的结构了解不多，但作为IT行业的人，磁盘、扇区、柱面等术语频繁出现在大家面前，今天我得弄清楚。在网上看了很多资料，但都不是很全面，有的只是泛泛而谈，所以我根据各种资料整理了一下总结如下：

硬盘主要部件

硬盘主要由盘体、控制电路板和接口部件组成。盘体为密封腔体。硬盘的内部结构通常是指盘体的内部结构；磁头、磁盘（磁盘、盘片）等部件密封在内部，如图1所示。

图1. Panxiu的结构

控制电路板主要包含硬盘BIOS、硬盘缓存（即CACHE）和主控芯片等单元，如图2所示；

图2. 控制电路板

硬盘接口包括电源插座、数据接口和主从跳线星空体育平台官网入口，如图1-3所示。电源插座连接电源，为硬盘工作提供电源。数据接口是硬盘、主板、内存之间进行数据交换的通道。它使用 40 针 40 线（早期）或 40 针 80 线（当前）IDE 接口电缆进行连接。新增的40根线为信号屏蔽线，用于屏蔽高速、高频数据传输时的串扰。中间的主从跳线插座用于设置主从硬盘，即设置硬盘的访问顺序。设置方法通常标在盘外的标签上，也有的标在接口上。早期的硬盘驱动器也可能被印刷在电路板上。

图 3. 界面组件

另外，硬盘表面还有一个通风孔（见图1-1）。它的作用是保持硬盘内部气压与外部大气压力一致。由于板体是密封的，所以这个通风孔并不直接与内部相通，而是通过高效过滤器与板体相通，以保证板体内部清洁无尘。使用时注意不要遮盖。

板材内部结构

从图1可以看出，盘体有两个主要运动部件；一是磁盘组件（disk assembly），二是磁头组件（head assembly）。磁盘组件由一个或多个盘片组成，它们围绕中心主轴（称为主轴）旋转。光盘的上下表面涂有一层薄薄的磁性材料，上面存储着二进制位。其中0和1在磁性材料中以不同的图案出现。尽管已经制造了直径从一英寸到几英尺的盘，但盘片的直径通常为 3.5 英寸。

硬盘驱动器由一个或多个盘片组成。这些圆盘安装在主轴电机的转轴上，并在主轴电机的带动下高速旋转。每个磁盘的容量称为单个磁盘的容量，硬盘的容量是所有磁盘容量的总和。由于单碟容量较小，早期的硬盘有很多盘片，有的甚至有10多个盘片。现代硬盘通常只有几个盘片。硬盘中的所有盘片都是完全相同的，否则控制部分就太复杂了。一个品牌的一个系列一般都使用同一类型的盘片，但使用不同数量的盘片，出现一系列不同容量的硬盘产品。

盘体完整结构如图4所示。

图4 盘体完整结构

硬盘驱动器在逻辑上分为磁道、柱面和扇区。硬盘每片盘片的每一面都有一个读写磁头，磁盘区域划分如图所示。

图 5. 磁头、柱面和扇区

磁头与主轴接触的表面，即线速度最小的地方，是一个不存储任何数据的特殊区域。它被称为起止区或着陆区（Landing Zone）。起止区之外是数据区，如图6所示。所以。在最外环中，距离主轴最远的地方是“0”磁道，硬盘数据的存储是从最外环开始的。那么，磁头是如何找到“0”磁道的位置的呢？硬盘中还有一个叫做“0”磁道检测器的部件，它是用来完成硬盘的初始定位的。 “0”磁道如此重要，以至于很多硬盘仅仅因为“0”磁道损坏就报废了，颇为可惜。

图 6. 磁盘盘片的启动区、停止区和数据区

早期的硬盘在每次关机前都需要运行一个名为Parking的程序，其功能是让磁头返回到开始和停止区域。现代硬盘驱动器旨在消除这种简单但令人不快的缺陷。当硬盘不工作时，磁头停留在启停区。当需要从硬盘读取和写入数据时，磁盘开始旋转。当转速达到额定高速时，磁头会被盘片旋转产生的气流抬起星空体育app下载入口，然后磁头移动到盘片存储数据的区域。

磁盘旋转产生的气流足够强大，可以抬起磁头并使其与磁盘表面保持稍远的距离。这个距离越小，磁头读写数据的灵敏度就越高，当然对硬盘各个部件的要求也就越高。磁盘驱动器的早期设计使磁头在磁盘表面上方飞行几微米。后来的一些设计将磁头在磁盘上的飞行高度降低到约0.1μm~0.5μm，目前的水平已达到0.005μm~0.01μm，仅为人类头发直径的千分之一。

气流不仅可以使磁头脱离盘面，而且可以使其保持足够接近盘面，非常紧密地跟随盘面的起伏运动，使磁头飞行处于严格受控状态。 。磁头必须飞行在磁盘表面之上，而不是接触磁盘表面。这个位置可以避免划伤磁性涂层，更重要的是可以防止磁性涂层损坏磁头。

磁盘

硬盘的每个盘片都有两个面，即上面和下面。一般情况下，每一面都被使用，都可以存储数据，成为有效的盘片。面数为奇数的硬盘也很少。每个这样的有效盘都有一个盘号，盘号从“0”开始从上到下依次编号。在硬盘系统中星空体育app官方下载，盘面号又称为磁头号，因为每个有效的盘面都有一个对应的读写头。硬盘的盘片组为2～14片，通常有2～3片盘片，因此盘片数（磁头数）为0～3或0～5。

追踪

格式化时磁盘被分成许多同心圆。这些同心圆称为磁道，如图7所示。磁道从0开始从外到内依次编号。每个硬盘有300到1024个磁道，较新的大容量硬盘每面有更多磁道。信息以脉冲串的形式记录在这些轨迹中。这些同心圆并不是连续记录数据，而是被分成一段段的圆弧。这些弧的角速度是相同的。由于径向长度不同，线速度也不同。外圈的线速度大于内圈的线速度。即在相同转速下，同一时间段内外圈划出的圆弧长度比内圈长。圆画出的弧线长度很大。每条弧称为一个扇区，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取或写入。标准的 3.5 英寸硬盘通常有数百到数千个磁道。磁道并不是“可见的”，它们只是磁盘上的一些磁化区域，这些区域以特殊形式磁化，并且在磁盘格式化时就已经规划好了。

图 7. 磁盘的顶视图

圆柱

所有磁盘上相同的磁道形成一个柱面，通常称为柱面。每个柱面上的磁头从“0”开始从上到下编号，如图5和图8所示。数据按照柱面进行读/写，即磁头读/写数据时，先读/写数据。从同一柱面的“0”磁头开始，然后向下对同一柱面的不同盘面即磁头进行操作，仅对磁头进行操作。只有在同一柱面的所有磁头读/写完成后，磁头才会转移到下一个柱面，因为选择磁头只需电子切换，而选择柱面则必须机械切换。电子切换速度相当快，比机械磁头移动到相邻磁道快得多，因此数据是在柱面而不是光盘表面上读取/写入的。也就是说，一个磁道写满数据后，再写入同一柱面的下一个盘面。当一个柱面写满后，移动到下一个扇区并开始写入数据。读取数据也是这样进行的，提高了硬盘的读写效率。

图 8. 圆柱体

部门

操作系统以扇区的形式将信息存储在硬盘上。每个扇区包含 512 字节的数据和一些其他信息。扇区主要有两个部分：存储数据的位置标识符和存储数据的数据段，如图7所示。

标识符就是扇区头，它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）、扇区的位置磁道上，这是扇区号。标头还包括一个带有标志的字段，该标志指示该扇区是否可以可靠地存储数据，或者是否发现了导致其不适合使用的故障。有些硬盘控制器还在扇区头中记录了指针，当原始扇区出现故障时，可以引导磁盘更换扇区或磁道。最后，扇区头以循环冗余校验（CRC）值结束，供控制器验证扇区头的读取以确保准确性。

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，计算机用512字节的虚拟信息（存储实际数据的地方）以及与这些虚拟信息字节对应的ECC号填充该部分。

扇区头包含标识磁道上扇区的扇区号，但这些扇区号在物理上不是连续编号的，并且不必以任何特定顺序指定。即，扇区不是按顺序编号的，而是使用交叉因子(interleave)来编号。交叉因子以比率表示。例如，3:1表示磁道上的第一个扇区是扇区1，跳过两个扇区，即第四个扇区是扇区2。这个过程继续进行。直到每个物理扇区都被分配了一个逻辑编号。例如，每磁道有 17 个扇区的磁盘采用交叉因子 2:1 进行编号：l、10、2、11、3、12、4、13、5、14、6、15、7、16、8 , 17, 9，按照3:1交叉因子数为：l, 7, 13, 2, 8, 14, 3、9、15、4、10、16、5、11、17、6、12 。当交叉因子设置为1:1时，如果硬盘控制器处理信息的速度足够快，那么只需要旋转一圈就可以读出磁道上的所有扇区；但如果硬盘控制器的后处理动作没有那么快的话，磁盘转动的圈数就等于一个磁道上的扇区数，这样就可以读取每个磁道上的所有数据。当交叉系数设置为2:1时，磁头需要读取磁道上的所有数据，磁盘只需要旋转两次。如果2:1的交叉系数仍然不够慢，并且磁盘旋转数大约是磁道的扇区数，那么可以将交叉系数调整为3:1，如图9所示。

图9 不同交叉因素的影响示例

图9示出了典型的MFM（ModifiedFrequencyModulation，改进的调频编码）硬盘，每个磁道有17个扇区，画出了使用三个不同扇区交叉因子数的情况。最外层磁道（柱面 0）上的扇区以简单的顺序连续编号，相当于扇区交叉系数为 1:1。 1号磁道（柱面）上的扇区按照2:1的交叉因子编号，2号磁道按照3:1的扇区交叉因子编号。

参考：