你了解硬盘怎样存储数据吗--深入理解硬盘结构

图1-1 硬盘的外观
图1-2 控制电路板
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图1-3 硬盘接口 电源插座连接电源，为硬盘工作提供电力保证。数据接口是硬盘与主板、内存之间进行 数据交换的通道，使用一根40针40线（早期）或40针80线（当前）的IDE 接口电缆进行连接 。 新增加的40线是信号屏蔽线，用于屏蔽高速高频数据传输过程中的串扰。中间的主、从盘跳 线插座，用以设置主、从硬盘，即设置硬盘驱动器的访问顺序。其设置方法一般标注在盘体 外的标签上，也有一些标注在接口处，早期的硬盘还可能印在电路板上。 此外，在硬盘表面有一个透气孔（见图1-1），它的作用是使硬盘内部气压与外部大气压 保持一致。由于盘体是密封的，所以，这个透气孔不直接和内部相通，而是经由一个高效过 滤器和盘体相通，用以保证盘体内部的洁净无尘，使用中注意不要将它盖住。
1.3.2、硬盘的术语解释
1.3.2.1、盘面号
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。玻璃基片更容易 达到所需的平面度和光洁度，且有很高的硬度。磁头传动装置是使磁头部件作径向移动的部 件，通常有两种类型的传动装置。一种是齿条传动的步进电机传动装置；另一种是音圈电机 传动装置。前者是固定推算的传动定位器，而后者则采用伺服反馈返回到正确的位置上。磁 头传动装置以很小的等距离使磁头部件做径向移动，用以变换磁道。
一般硬盘正面贴有产品标签，主要包括厂家信息和产品信息，如商标、型号、序列号、 生产日期、容量、参数和主从设置方法等。这些信息是正确使用硬盘的基本依据，下面将逐 步介绍它们的含义。
硬盘主要由盘体、控制电路板和接口部件等组成，如图1-1所示。盘体是一个密封的腔 体。硬盘的内部结构通常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 （即 CACHE）和主控制芯片等单元，如图1-2所示；硬盘接口包括电源插座、数据接口和主、 从跳线，如图1-3所示。
深入理解硬盘结构
原著：无名氏 编著：大脸猫
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1.3.2.3、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。 读数据也按照这种方式进行，这样就提高了硬盘的读/写效率。
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启停区，开机时磁头“飞行”在磁盘片上方。
1.3、硬盘的逻辑结构 1.3.1、硬盘的整体结构及运行方式
硬盘上的数据是如何组织与管理的呢？硬盘首先在逻辑上被划分为磁道、柱面以及扇 区，其结构关系如图1-6所示。
图1-6 磁头、柱面和扇区 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1-7所示。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，磁头是如何找到“0”磁道的位置的呢？ 从图1-5中可以看到，有一个“0”磁道检测器，由它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。这种故障的修 复技术在后面的章节中有详细的介绍。
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了。一个牌子的一个系列一般都用同一种盘片，使用不同数量的盘片，就出现了一个系列不 同容量的硬盘产品，当前市面（2000年以后）上的主要是两张盘片的。盘体的完整构造如图 1-5所示。
图1-5 盘体的完整结构 硬盘驱动器采用高精度、轻型磁头驱动/定位系统。这种系统能使磁头在盘面上快速移 动，可在极短的时间内精确地定位在由计算机指令指定的磁道上。目前，磁道密度已高达5 400Tpi（每英寸磁道数）或更高；人们还在研究各种新方法，如在盘上挤压（或刻蚀）图形 、 凹槽和斑点等作为定位和跟踪标记，以提高到和光盘相等的道密度，从而在保持磁盘机高速 度、高位密度和高可靠性的优势下，大幅度提高存储容量。 硬盘驱动器内的电机都是无刷电机，在高速轴承支持下机械磨损很小，可以长时间连续 工作。高速旋转的盘体产生明显的陀螺效应，所以，在硬盘工作时不宜搬动，否则，将增加 轴承的工作负荷。为了高速存储和读取信息，硬盘驱动器的磁头质量小，惯性也小，所以， 硬盘驱动器的寻道速度明显快于软驱和光驱。 硬盘驱动器磁头与磁头臂及伺服定位系统是一个整体。伺服定位系统由磁头臂后的线圈 和固定在底板上的电磁控制系统组成。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
有的硬盘只装一张盘片，有的硬盘则有多张盘片。这些盘片安装在主轴电机的转轴上， 在主轴电机的带动下高速旋转。每张盘片的容量称为单碟容量，而硬盘的容量就是所有盘片 容量的总和。早期硬盘由于单碟容量低，所以，盘片较多，有的甚至多达10余片，现代硬盘 的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，不然控制部分就太复杂
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。更深层的内容请参考 其他书籍，限于篇幅，这里不再深入介绍。
1.3.2.4、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， 如图1-9所示。
1.3.2.2、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）。磁道 从 外向 内从0开始顺序编号。硬盘的每一个盘面有300～1024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 3.5in 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。
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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抛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 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 0.1μm～ 0.5μm，现在的水平已经达到0.005μm～0.01μm，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）。
编著序：此文章是本人通过自己的理解和网上以及教科书上的内容，自己整理出来的，其中 可能语句不通顺，给你的理解造成困难，你可以通过网络直截向我咨询，如果你有好的建议 和修正，请也要联系我，谢谢大家的阅读。
虽然我很穷，也没有什么作为，但是我要把我知道的和大家分享，这是我最大的快 乐，也算是对社会的一点贡献吧！再一次，感谢大家支持。
1.2、硬盘的内部结构
硬盘的内部结构通常专指盘体的内部结构。盘体是一个密封的腔体，里面密封着磁头、 盘片（磁片、碟片）等部件，如图1-4所示。
图1-4 硬盘内部结构
硬盘 的 盘 片 是 硬 质 磁 性 合 金 盘 片 ， 片 厚 一 般 在 0.5mm 左右 ， 直 径 主 要 有 1.8in（1in=25.4mm）、 2.5in、3.5in 和5.25in 4种，其中2.5in 和3.5in 盘片应用最广。盘 片的转速与盘片大小有关，考虑到惯性及盘片的稳定性，盘片越大转速越低。一般来讲，2.5in 硬盘的转速在5 400 r/min～7 200 r/ min 之间；3.5in 硬盘的转速在4 500 r/min～5 400 r/min 之间；而5.25in 硬盘转速则在 3 600 r/min～4 500 r/min 之间。随着技术的进步， 现在2.5in 硬盘的转速最高已达15 000 r/min，3.5in 硬盘的转速最高已达12 000 r/min。
图1-8 盘片结构及磁头高度示意图
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。其结
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构特点如下。
Hale Waihona Puke Baidu① 磁头、盘片及运动机构密封在盘体内。 ② 磁头在启动、停止时与盘片接触，在工作时因盘片高速旋转，带动磁头“悬浮”在 盘片上面呈飞行状态（空气动力学原理），“悬浮”的高度约为0.1μm～0.3μm，这个高度非 常小，图1-8标出了这个高度与头发、烟尘和手指印的大小比较关系，从这里可以直观地“看” 出这个高度有多“高”。 ③ 磁头工作时与盘片不直接接触，所以，磁头的加载较小，磁头可以做得很精致，检 测磁道的能力很强，可大大提高位密度。 ④ 磁盘表面非常平整光滑，可以做镜面使用。
大脸猫 于沈阳、大连 二零零九年农历正月初三
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1.1、硬盘概述
本文以硬盘的结构进行举例说明，实质上软盘相当于硬盘结构中的一张盘片，软盘驱动 器相当于硬盘的内部电路及马达系统，它的驱动器加上盘片相当于一块硬盘，换句话说，可 以简单地理解为，软驱是可以随意换硬盘中盘片的设备。但是速度、存储量和性能远不如硬 盘。
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。在当前的硬盘中，大多数 个人电脑硬盘是两张盘片的，但是由于考虑到外界的干扰度，所以第一张盘的上盘面，也就 是挨着上金属顶的的盘面不用，最后一张盘的底盘面不用。所以两张盘片，也只用到两个盘 面。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2～14片不等，通常有2～3个盘片，故盘面号（磁头号）为0～1或0～3（切记，上下两 个面可能不用）。
图1-7 硬盘盘片的启停区和数据区 硬盘驱动器磁头的飞行悬浮高度低、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。