机械硬盘知识简介

以你之姓@ 2022-02-09 10:31 691阅读 0赞

### 目录 ###

*   *  硬盘发展历史
     *  硬盘结构及工作原理
     *   *  硬盘结构
         *  概念：盘面、柱面、磁道、扇区、簇
         *   *  盘面
             *  磁道
             *  扇区
             *  柱面
             *  簇
         *  硬盘读写数据的过程
     *  SMR叠瓦式硬盘
     *  其他硬盘知识

## 硬盘发展历史 ##

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![在这里插入图片描述][20190522212014790.png_pic_center]

## 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：  
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![Alt][Alt 2]  
![Alt][Alt 3]  
**硬盘主要由盘体、控制电路板和接口部件组成。** 盘体就是一个密封，封装了多个盘片的腔体；控制电路包含硬盘BIOS，主控芯片和硬盘缓存等单元；接口部件包含电源、数据接口主从跳线等。  
![在这里插入图片描述][20190503154531391.png_pic_center]  
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**，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。

硬盘的**盘片**一般采用合金材料，多数为铝合金(IBM曾经开发过玻璃材质的盘片，好像现在有些厂家也生产玻璃材质的盘片，但不多见)，盘面上涂着磁性材料，厚度一般在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。

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。  
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。不可自行拆卸硬盘，在普通环境下空气中的灰尘、指纹、头发丝等细小杂质都会对硬盘造成永久损害。一个被大卸八块的硬盘如下：

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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启停区，开机时磁头“飞行”在磁盘片上方。

### 概念：盘面、柱面、磁道、扇区、簇 ###

#### 盘面 ####

**硬盘一般会有一个或多个盘片，每个盘片可以有两个面**(Side)，即第1个盘片的正面称为0面，反面称为1面；第2个盘片的正面称为2面，反面称为3面…依次类推。**每个盘面对应一个磁头(head)用于读写数据**。第一个盘面的正面的磁头称为0磁头，背面称为1磁头；第二个盘片正面的磁头称为2磁头，背面称为3磁头，以此类推。盘面数和磁头数是相等的。  
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。  
早期由于定位系统限制，磁头传动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。 ![Alt][Alt 4]

#### 磁道 ####

**每个盘片的每个盘面被划分成多个狭窄的同心圆环**，数据就是存储在这样的同心圆环上，我们将这样的圆环称为磁道(Track)，每个盘面可以划分多个磁道。关机时磁头停留在硬盘的着陆区(Landing Zone)，这个着陆区以前是位于离盘心最近的区域，不存放任何数据。在后期的硬盘工艺中有些硬盘生产厂商将这个区域被移动到了盘片的外面，如下所示：  
![在这里插入图片描述][20190522111237396.png_pic_center]  
**在每个盘面的最外圈，离盘心最远的地方是“0”磁道**，向盘心方向依次增长为1磁道，2磁道，等等。硬盘数据的存放就是从最外圈开始。

#### 扇区 ####

**把每个磁道划分成若干弧段，每段称为一个扇区**(Sector)。**扇区是硬盘上存储的物理单位**，每个扇区可存储128×2N次方（N＝0,1,2,3）字节的数据。从DOS时代起，**每扇区是128×22＝512字节**，现在已经成了业界不成文的规定，也没有哪个硬盘厂商试图去改变这种约定。也就是说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。扇区的编号是从1开始，而不是0。另外，硬盘在划分扇区时,在硬盘磁道中，扇区号是按照某个间隔跳跃着编排。比如，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。所以就用交叉来解决这个问题。增加了交叉因子后的扇区编号一般是下面这个样子：  
> ![Alt][Alt 5]

#### 柱面 ####

柱面其实是我们抽象出来的一个逻辑概念，前面说过，离盘心最远的磁道为0磁道，依此往里为1磁道，2磁道，3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)。这里要注意，硬盘数据的读写是按柱面进行，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。  
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![Alt][Alt 7]

#### 簇 ####

将**物理相邻的若干个扇区称为了一个簇**。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Windows下，随便找个几字节的文件，在其上面点击鼠标右键选择属性，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：4.00 KB (4，096 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4K，所以都会占用4K。 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。NTFS格式的文件系统簇的大小为4K。

### 硬盘读写数据的过程 ###

现代硬盘寻道都是采用CHS(Cylinder Head Sector)的方式，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 latencytime)。

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）。平均寻道时间和平均选装延迟称为**平均存取时间**。

所以，最后看一下硬盘的容量计算公式： **硬盘容量=盘面数×柱面数×扇区数×512字节**

## SMR叠瓦式硬盘 ##

磁道间的距离缩短，写入时影响了相邻磁道，不该被提取的磁道也被提取。  
产品：希捷酷鱼2TDM008，256MB缓存  
叠瓦式硬盘最佳应用场景：1低成本在线归档；2对象存储（读取为主）；3大数据的长期保存；4云平台在线归档

## 其他硬盘知识 ##

*  无尘工作
 *  盘片、磁头永不接触
 *  内外圈线速度不一致，磁盘用的越多速度越慢
 *  缓存不是越大越好，命中率才是关键，叠瓦式硬盘配备了大缓存
 *  寻道时间越短越好，IOPS企业级关注

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参考文献

1.  [硬盘内部硬件结构和工作原理详解][Link 1]
2.  [硬盘的存储原理和内部架构][Link 2]
3.  [硬盘 簇][Link 3]
4.  [B站视频][B]

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[Link 1]: https://blog.csdn.net/tianxueer/article/details/2689117
[Link 2]: http://blog.chinaunix.net/uid-23069658-id-3413957.html
[Link 3]: https://blog.csdn.net/dongpanshan/article/details/7860308
[B]: https://www.bilibili.com/video/av48578333