深入了解机械硬盘的读写原理和碎片的产生

　一、硬盘的组成

　　硬盘大家一定不会陌生，我们可以把它比喻成是我们电脑储存数据和信息的大仓库。一般说来，无论哪种硬盘，都是由盘片、磁头、盘片主轴、控制电机、磁头控制器、数据转换器、接口、缓存等几个部份组成。

图1 硬盘组成图

　　所有的盘片都固定在一个旋转轴上，这个轴即盘片主轴。而所有盘片之间是绝对平行的，在每个盘片的存储面上都有一个磁头，磁头与盘片之间的距离比头发 丝的直径还小。所有的磁头连在一个磁头控制器上，由磁头控制器负责各个磁头的运动。磁头可沿盘片的半径方向动作，而盘片以每分钟数千转到上万转的速度在高 速旋转，这样磁头就能对盘片上的指定位置进行数据的读写操作。

图2 盘片组成图

　　由于硬盘是高精密设备，尘埃是其大敌，所以必须完全密封。

　　二、硬盘的工作原理

　　硬盘在逻辑上被划分为磁道、柱面以及扇区。

图3 磁道、柱面以及扇区

　　硬盘的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所示。

图4 磁盘盘面区域的划分

　　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？在硬盘中还有一个叫“0”磁道检测器的构件，它是用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。

　　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摒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）。

图5 磁片原理

　　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。

　　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，目前绝大多数硬盘都采用此技术。

　　三、盘面、磁道、柱面和扇区

　　硬盘的读写是和扇区有着紧密关系的。在说扇区和读写原理之前先说一下和扇区相关的”盘面”、“磁道”、和“柱面”。

　　1.盘面

　　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。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。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0～3或 0～5。

　　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300～1 024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。5寸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。

　　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。

　　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。

　　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。

图6 扇区工作原理

　　扇区的第一个主要部分是标识符。标识符，就是扇区头标，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 道上的位置即扇区号。头标中还包括一个字段，其中有显示扇区是否能可靠存储数据，或者是否已发现某个故障因而不宜使用的标记。有些硬盘控制器在扇区头标中 还记录有指示字，可在原扇区出错时指引磁盘转到替换扇区或磁道。最后，扇区头标以循环冗余校验（CRC）值作为结束，以供控制器检验扇区头标的读出情况， 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）。在初始准备期间，计算机用512个虚拟信息字节（实际数据的存放地）和与这些虚拟信息字节相应的ECC数字填入这个部分。

 

关于硬盘扇区的基本知识

整个硬盘上一般有很多的盘片组成，每个盘片如同切西瓜一样被“切”成一块一块的扇面，同时沿着半径的方向被划分成了很多同心圆，就是传说中的磁道，每条磁道被扇面切成很多的扇形区域叫做扇区（扇区是从磁盘读出和写入信息的最小单位，通常大小为512字节），不同盘片上的同半径磁道组成了柱面，这些都是磁盘物理上的概念，知道便可。有了这些概念，便可以计算磁盘的容量：

磁头数 × 磁道(柱面)数 × 每道扇区数 × 每扇区字节数

l 磁头（head）数：每个盘片一般有上下两面，分别对应1个磁头，共2个磁头； 
l 磁道（track）数：磁道是从盘片外圈往内圈编号0磁道，1磁道…，靠近主轴的同心圆用于停靠磁头，不存储数据； 
l 柱面（cylinder）数：同磁道数量； 
l 扇区（sector）数：每个磁道都别切分成很多扇形区域，每道的扇区数量相同； 
l 圆盘（platter）数：就是盘片的数量。 
如图： 

硬盘上的数据定位

每个扇区可存储128×2的N次方（N＝0.1.2.3）字节的数据（一般为512B），扇区为数据存储的最小单元，从上图可知，外圈的扇区面积比内圈大，为何存储的数据量相同，这是因为内外圈使用的磁物质密度不同，但现在的硬盘已经采用内外圈同密度物质来存储数据了，以减少类似“大面积小数据”的浪费情况。（此时的内外磁道的扇区数量将不同，具体细节省略）

有了扇区（sector），有了柱面（cylinder），有了磁头（head），显然可以定位数据了，这就是数据定位(寻址)方式之一，CHS（也称3D），对早期的磁盘（上图所示）非常有效，知道用哪个磁头，读取哪个柱面上的第几扇区就OK了。CHS模式支持的硬盘容量有限，用8bit来存储磁头地址，用10bit来存储柱面地址，用6bit来存储扇区地址，而一个扇区共有512Byte，这样使用CHS寻址一块硬盘最大容量为256 * 1024 * 63 * 512B = 8064 MB(1MB = 1048576B)（若按1MB=1000000B来算就是8.4GB）

但现在很多硬盘采用同密度盘片，意味着内外磁道上的扇区数量不同，扇区数量增加，容量增加，3D很难定位寻址，新的寻址模式：LBA(Logical Block Addressing)。在LBA地址中，地址不再表示实际硬盘的实际物理地址（柱面、磁头和扇区）。LBA编址方式将CHS这种三维寻址方式转变为一维的线性寻址，它把硬盘所有的物理扇区的C/H/S编号通过一定的规则转变为一线性的编号，系统效率得到大大提高，避免了烦琐的磁头/柱面/扇区的寻址方式。在访问硬盘时，由硬盘控制器再将这种逻辑地址转换为实际硬盘的物理地址。

LBA下的编号，扇区编号是从0开始。 

逻辑扇区号LBA的公式： 

LBA(逻辑扇区号)=磁头数 × 每磁道扇区数 × 当前所在柱面号 + 每磁道扇区数 × 当前所在磁头号 + 当前所在扇区号 – 1 

例如：CHS=0/0/1，则根据公式LBA=255 × 63 × 0 + 63 × 0 + 1 – 1= 0 
也就是说物理0柱面0磁头1扇区，是逻辑0扇区。

 

　　四、硬盘的读写原理

　　系统将文件存储到磁盘上时，按柱面、磁头、扇区的方式进行，即最先是第1磁道的第一磁头下（也就是第1盘面的第一磁道）的所有扇区，然后，是同一柱面的下一磁头，……，一个柱面存储满后就推进到下一个柱面，直到把文件内容全部写入磁盘。

　　系统也以相同的顺序读出数据。读出数据时通过告诉磁盘控制器要读出扇区所在的柱面号、磁头号和扇区号（物理地址的三个组成部分）进行。磁盘控制器则 直接使磁头部件步进到相应的柱面，选通相应的磁头，等待要求的扇区移动到磁头下。

　　扇区到来时，磁盘控制器读出每个扇区的头标，把这些头标中的地址信息与 期待检出的磁头和柱面号做比较（即寻道），然后，寻找要求的扇区号。待磁盘控制器找到该扇区头标时，根据其任务是写扇区还是读扇区，来决定是转换写电路， 还是读出数据和尾部记录。

　　找到扇区后，磁盘控制器必须在继续寻找下一个扇区之前对该扇区的信息进行后处理。如果是读数据，控制器计算此数据的ECC码，然后，把ECC码与已记录的ECC码相比较。如果是写数据，控制器计算出此数据的ECC码，与数据一起存储。在控制器对此扇区中的数据进行必要处理期间，磁 盘继续旋转。

 　　五、磁盘碎片的产生

　　俗话说一图胜千言，先用一张ACSII码图来解释为什么会产生磁盘碎片。

图7 ASCII图

　　上面的ASCII图表示磁盘文件系统，由于目前上面没有任何数据文件，所以我把他表示成0。

　　在图的最上侧和左侧各有a-z 26个字母，这是用来定位每个数据字节的具体位置，如第1行1列是aa,26行26列是zz。

　　我们创建一个新文件，理所当然的，我们的文件系统就产生了变化，现在是

图8 ASCII图

　　如图所示：”内容表”(TOC)占据了前四行,在TOC里存贮着每件文件在系统里所在的位置。

　　在上图，TOC包括了一个名字叫hello.txt的文件，其具体内容是”Hello, world”，在系统里的位置是ae到le。

　　接下来再新建一个文件

图9 ASCII图

　　如图，我们新建的文件bye。txt紧贴着第一个文件hello.txt。

　　其实这是最理想的系统结构，如果你将你的文件都按照上图所表示的那样一个挨着一个，紧紧的贴放在一起的话，那么读取他们将会非常的容易和迅速，这是因为在硬盘里动得最慢的(相对来说)就是传动手臂，少位移一些，读取文件数据的时间就会快一些。

　　然而恰恰这就是问题的所在。现在我想在”Hello, World”后加上些感叹号来表达我强烈的感情，现在的问题是：在这样的系统上，文件所在的行就没有地方让我放这些感叹号了，因为bye.txt占据了剩下的位置。

 

　　现在有俩个方法可以选择，但是没有一个是完美的

　　1.我们从原位置删除文件，重新建个文件重新写上”Hello, World!!”。 –这就无意中延长了文件系统的读和写的时间。

　　2.打碎文件，就是在别的空的地方写上感叹号，也就是”身首异处”–这个点子不错，速度很快，而且方便，但是，这就同时意味着大大的减慢了读取下一个新文件的时间。

　　如果你对上面的文字没概念,上图

图10 ASCII图

　　这里所说的方法二就像是我们的windows系统的存储方式，每个文件都是紧挨着的，但如果其中某个文件要更改的话，那么就意味着接下来的数据将会被放在磁盘其他的空余的地方。

　　如果这个文件被删除了，那么就会在系统中留下空格，久而久之，我们的文件系统就会变得支离破碎，碎片就是这么产生的。

　　试着简单点，讲给mm听的硬盘读写原理简化版

图11 硬盘原理简化图

　　硬盘的结构就不多说了,我们平常电脑的数据都是存在磁道上的,大致上和光盘差不多。读取都是靠磁头来进行。

图12 硬盘原理简化图

　　我们都知道,我们的数据资料都是以信息的方式存储在盘面的扇区的磁道上,硬盘读取是由摇臂控制磁头从盘面的外侧向内侧进行读写的。所以外侧的数据读取速度会比内侧的数据快很多。

图13 破碎的磁盘

　　其实我们的文件大多数的时候都是破碎的，在文件没有破碎的时候,摇臂只需要寻找1次磁道并由磁头进行读取,只需要1次就可以成功读取;但是如果文件破碎成11处,那么摇臂要来回寻找11次磁道磁头进行11次读取才能完整的读取这个文件,读取时间相对没有破碎的时候就变得冗长。