星空体育app下载入口 硬盘读写数据的过程

硬盘发展历史

硬盘结构及工作原理 硬盘结构

经过封装后的硬盘，对我们一般呈现出如下的样子：

硬盘由盘体、控制电路板以及接口部件三部分构成。盘体是一个封闭的容器，其中封装了多个盘片；控制电路则包括硬盘BIOS、主控芯片和硬盘缓存等关键单元；而接口部件则涵盖了电源、数据接口以及主从跳线等部件。

电源插座负责连接电源，确保硬盘得以持续供电。硬盘与主板、内存间的数据交流，依赖于数据接口，该接口通过一根40针40线（早期型号）或40针80线（现行型号）的IDE接口电缆实现连接。其中新增的40线，即信号屏蔽线，其主要作用是在高速高频数据传输过程中，有效屏蔽可能出现的干扰。该插座位于中间，用于安装主从硬盘，从而确定硬盘驱动器的访问优先级。通常，这种设置方式会在硬盘外部的标签上找到说明，部分情况下，标注也可能出现在接口附近，而在早期硬盘上，相关信息甚至可能直接印制在电路板上。

此外，硬盘的表面设有通气孔，该孔的主要功能是确保硬盘内部与外界的气压相匹配。鉴于硬盘整体是封闭的，透气孔并非直接与内部空间相连，而是通过一个性能卓越的过滤器与盘体相连，以此确保内部环境的清洁无尘。在使用过程中，请注意不要将其遮挡。

硬盘的盘片通常选用合金材质，其中铝合金占多数。值得一提的是，IBM曾尝试研发玻璃材质的盘片，而目前市面上虽有部分厂商生产此类产品，但数量并不算多。盘片表面涂覆着磁性材料，其厚度大致在0.5毫米上下。至于直径，常见的有1.8英寸（1英寸等于25.4毫米）、2.5英寸、3.5英寸以及5.25英寸四种规格，其中2.5英寸和3.5英寸的盘片在应用上最为普遍。盘片的旋转速度受到其尺寸的影响，同时也要考虑到惯性和稳定性等因素，因此，在尺寸增大的情况下，其转速通常会相应降低。

某些硬盘仅包含一块盘片，而另一些硬盘则配备了多块盘片。这些盘片被安置在主轴电机的转轴上，并在主轴电机的驱动下进行高速转动。每块盘片的存储空间被称为单碟容量，而硬盘的总容量则是所有盘片容量之和。在早期，由于单碟容量较小，硬盘通常需要较多的盘片来构成，有些甚至超过了十片。然而，现代硬盘的盘片数量通常只有少数几片。硬盘内部的盘片彼此一致，否则控制部分将会变得极其繁杂。同一品牌下的某一型号通常采用统一的盘片类型，通过改变盘片数量，便能够制造出不同存储容量的硬盘产品。

硬盘内部的盘片记录信息密集，同时在工作过程中以高速转动，为确保其稳定运行和数据长期保存，硬片被严密封闭在硬盘内部。用户不得擅自拆卸硬盘，因为即使在普通环境中，空气中的尘埃、指纹、细小毛发等杂质都可能对硬盘造成不可逆的损害。若硬盘被拆解，其情形将如同被拆散一般：

硬盘使用了一种高精度且轻便的磁头驱动与定位装置。该装置使得磁头能够在盘片表面迅速穿梭，并且能够在极短的时间内，精准地找到计算机指令所指示的特定磁道位置。当前，磁道密度已突破5400Tpi（每英寸磁道数）的极限；同时，研究人员正在探索多种创新技术，例如在光盘表面进行图形挤压（或刻蚀）以形成图案、凹槽及斑点等，以此作为定位和追踪的标记。这些技术的应用旨在达到与光盘相同的磁道密度，进而实现在确保磁盘机保持高速、高密度和高度可靠性的同时，显著提升存储能力。

硬盘驱动器中的电机均采用无刷设计，得益于高速轴承的支撑，其机械磨损极低，从而能够实现长时间的连续运行。由于盘体高速旋转会产生显著的陀螺效应，因此在硬盘运行期间不宜进行移动，以免加重轴承的负荷。为了实现高速的信息存储与读取，硬盘驱动器的磁头设计轻巧，惯性较小，因此其寻道速度相较于软驱和光驱要快得多。

硬盘驱动器的磁头、磁头臂以及伺服定位系统构成一个统一的整体。伺服定位系统由位于磁头臂后部的线圈和安装在底板上的电磁控制装置所构成。受限于定位系统，磁头臂只能在磁盘的内外磁道之间进行移动。因此，无论是在开机还是关机状态下，磁头始终位于磁盘之上；区别在于，关机时磁头停留在启停区域，而开机时磁头则在磁盘上方进行“飞行”。

概念：盘面、柱面、磁道、扇区、簇 盘面

硬盘通常包含一个或数个盘片星空综合体育app下载，这些盘片每片都有两个面，分别称作0面和1面，以此类推；例如星空体育平台官网入口，第1个盘片的正面是0面，反面则是1面；第2个盘片的正面是2面，反面则是3面，依此类推。每个盘面都配备了一个磁头，专门负责数据的读写操作。0磁头位于第一个盘面的正面，而1磁头则位于其背面；对于第二个盘片，正面的磁头被称作2磁头，相应的背面磁头则标记为3磁头，这样的命名规律持续下去。每个盘面都对应一个磁头，盘面的数量与磁头的数量保持一致。

单面盘片的使用要求一个磁头，而双面盘片则需要两个。硬盘装备了高精度和轻量级的磁头驱动及定位装置。该装置使得磁头能在盘片上迅速移动，在读写过程中，磁头借助磁盘高速旋转产生的空气动力效应悬浮于盘面之上，与盘面的距离仅有不到1微米（相当于头发直径的百分之一），从而能在极短的时间内精准地定位至计算机指令所指定的磁道。

在早期，受限于定位系统的性能，磁头的传动臂只能在磁盘的内外磁道区域进行移动。无论是开启还是关闭设备，磁头始终位于磁盘表面。区别在于，关闭设备时，磁头会停留在启停区域，而开启设备时，磁头则会在磁盘上方进行“飞行”。

磁道

每个磁盘的每个面都被细分为若干条细长的同心圆环星空体育官方网站，信息正是存储在这些圆环之中。我们把这些圆环称作磁道。每个磁盘面可以进一步细分为多个磁道。在系统关闭状态下，磁头会停留在硬盘的着陆区，该区域原本位于距离磁盘中心最近的地方，并不存储任何数据。在硬盘技术的后期发展阶段，部分硬盘制造商选择将这一区域迁移至盘片的外围，具体情形如下所示：

在磁盘表面的最外围，距离中心最远的区域标记为“0”磁道，沿着向中心的方向，磁道编号依次递增，依次为1磁道、2磁道，如此类推。硬盘中的数据存储是从最外围的磁道开始的。

扇区

每个磁道被细分为若干个弧形部分，这些部分被称为扇区。扇区构成了硬盘上物理存储的基本单元，其中每个扇区能够容纳128乘以2的N次方（N取值为0,1,2,3）字节的信息。自DOS时代以来，每个扇区的大小固定为128乘以2的2次方，即512字节，这一规定已成为行业内的默契，且没有任何硬盘制造商尝试对其进行调整。也就是说，即便计算机仅需硬盘上特定字节的数据，也必须将包含该字节的整个扇区，即512个字节，一次性加载到内存中，然后从中提取所需的那一个字节。扇区的计数是从1开始的，而非从0。此外，在硬盘对扇区进行划分的过程中，扇区的编号在磁道上是按照一定的间隔进行跳跃式编排的。2号扇区并非紧随1号扇区之后的顺位第一，而是位于第八位；3号扇区继2号扇区之后，同样排在第八位，以此类推，这个数字“八”被称作交叉因子。

这个交叉因子的来源值得详细阐述，众所周知，在数据读取过程中，我们常常需要依次访问一系列紧邻的扇区（这些扇区在逻辑上是连续的）。若磁道扇区按照物理顺序进行编号，那么在磁头完成对第一个扇区的读取后，可能会因为盘片转速过快而无法及时读取紧随其后的扇区（需注意的是，物理上相邻的扇区在位置上相隔极近），此时，磁头必须等待整个盘片转动一周，这种等待无疑会造成极大的时间浪费。因此，我们采用交错的方法来应对这一问题。在引入交叉因子之后，扇区的标识通常呈现如下形式：

柱面

柱面实际上是一种我们提炼出的抽象逻辑观念。正如之前所述，距离盘心最远的磁道被称为0磁道，往内依次为1磁道、2磁道、3磁道……，而在不同磁面上，编号相同的磁道组合在一起，便形成了圆柱面，也就是我们所说的柱面（Cylinder）。在此需留意，硬盘数据的读写过程是依照柱面来进行的，这意味着磁头在读写数据时，会先在同一柱面内从0号磁头开始执行操作，然后依次向下一级在同一柱面的不同盘面（即磁头所在位置）进行读写。只有当同一柱面内的所有磁头都完成了读写任务，磁头才会移动到下一个柱面。这是因为磁头的选择只需通过电子方式切换，而柱面的选择则必须借助机械方式来实现。电子切换的速度远超机械磁头在磁道间移动的速度。由此，数据的读取与写入是沿柱面而非盘面进行的。读写操作均遵循此法，从而极大提升了硬盘的读写效率。

将物理上紧密相连的数个扇区组合成一个簇。在操作系统中，读写磁盘的基本操作单元是扇区，而在文件系统中，簇则是构成文件的基本单元。在Windows操作系统中，选取任意一个体积仅有几字节的文件，对该文件执行鼠标右键点击操作，选择“属性”选项，仔细观察“实际大小”与“占用空间”两项数据。例如，文件大小显示为15字节（即15字节），而占用空间则标注为4.00 KB（等同于4,096字节）。实际上，这里的“占用空间”指的是电脑硬盘分区中的簇大小。即便是体积极小的文件，也会占据一定的空间。在逻辑上，最小的存储单位是4K，因此所有文件至少会占用4K的空间。簇的大小通常分为几档，包括4K、8K、16K、32K、64K等不同级别。簇的尺寸越大，其存储性能越佳，然而却伴随着较大的空间浪费问题。反之，簇的尺寸越小，虽然性能相对较低，但空间利用率却较高。在NTFS文件系统中，簇的大小标准为4K。

硬盘读写数据的过程

现代硬盘在寻道过程中普遍采用CHS（柱面-磁头-扇区）模式，当进行数据读取时，读写磁头会沿着径向进行移动，直至到达目标扇区所在的磁道之上，这一过程所需的时间被称为寻道时间。由于读写磁头的起始点和目标点之间的距离各异，因此寻道时间也有所不同。目前市面上的硬盘寻道时间大致介于2至30毫秒之间，平均数值大约为9毫秒。当磁头抵达预定磁道位置，随之借助盘片的转动，目标扇区被移动至读写磁头正下方，这一过程所需的时间被称为旋转等待期。

7200转/分钟的硬盘，每转一圈耗时为60×1000÷7200，即8.33毫秒。因此，平均旋转延迟时间为8.33毫秒的一半，也就是4.17毫秒（通常情况下，只需旋转半圈）。平均寻道时间和平均选装延迟合称为平均存取时间。

因此，我们需审视硬盘存储量的计算公式：硬盘的存储量等于盘面数量乘以柱面数量，再乘以扇区数量，最后乘以512字节。

SMR叠瓦式硬盘

磁道间距减小，导致写入操作对邻近磁道产生了干扰，甚至错误地提取了本不应被读取的磁道信息。

产品：希捷酷鱼2TDM008，256MB缓存

叠瓦式硬盘的适用领域包括：首先，实现低成本的网络归档；其次，适用于以读取为主的对象存储；再者，适合于大数据的长期存储需求；最后，可用于云平台的在线归档服务。

其他硬盘知识