基础知识-硬盘的读写原理

L3777 · 发表于 2017-11-20 13:25:44

本帖最后由 L3777 于 2017-11-20 13:27 编辑

基础知识-硬盘的读写原理

硬盘的种类主要是SCSI 、IDE 、以及现在流行的SATA等；任何一种硬盘的生产都要一定的标准；随着相应的标准的升级，硬盘生产技术也在升级；比如 SCSI标准已经经历了SCSI-1 、SCSI-2、SCSI-3；其中目前咱们经常在服务器网站看到的 Ultral-160就是基于SCSI-3标准的；IDE 遵循的是ATA标准，而目前流行的SATA，是ATA标准的升级版本；IDE是并口设备，而SATA是串口，SATA的发展目的是替换IDE；

我们知道信息存储在硬盘里，把它拆开也看不见里面有任何东西，只有些盘片。假设，你用显微镜把盘片放大，会看见盘片表面凹凸不平，凸起的地方被磁化，凹的地方是没有被磁化；

凸起的地方代表数字1（磁化为1），凹的地方代表数字0。因此硬盘可以以二进制来存储表示文字、图片等信息。

1、硬盘的组成

一般说来，无论哪种机械硬盘，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。

平面图：

立体图：

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，（实际是斜切向运动），每个磁头同一时刻也必须是同轴的，即从正上方向下看，所有磁头任何时候都是重叠的（不过目前已经有多磁头独立技术，可不受此限制）。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。

2、硬盘的工作原理

想要学习数据恢复的知识除了需要掌握硬盘的物理结构，也需要了解硬盘的逻辑结构。

当我们通过操作系统访问文件时，操作系统需要读取硬盘相对应的位置来调用我们访问的文件，那么这些文件是在盘片上如何分布的呢？这就是由盘片上相关的一些逻辑参数所决定的。

硬盘的盘片都具有类型的格式，划分为几个区域，这些区域称为磁道、扇区、柱面，硬盘就是利用这几个参数对数据进行寻址的。

硬盘的每个盘片的每个面都有一个读写磁头。
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（LandingZone），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）。

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。

硬盘的逻辑磁道

磁道（Track）：以盘片中心为圆心，把盘片分成若干个同心圆，那每一个划分圆的“线条”，就称为磁道。

如图：

现在的大硬盘每一个盘面上都有上万个磁道，为了方便管理，这些磁道都有一个编号，在逻辑上磁道从外向内自0开始顺序编号。

盘片上的这些磁道是看不见的，它们只是盘面上以特殊形式磁化了的一些区域。

硬盘的逻辑扇区

扇区（Sector）：将圆形的盘片划分成若干个扇形区域，这就是扇区。若干个扇区就组成整个盘片。扇区是硬盘存储的最小单位，扇区中的数据是作为一个单元同时读出或写入的，逻辑每个扇区包括512字节的数据和一些其他信息。

硬盘的逻辑柱面

柱面：上下一串盘片中，相同半径的磁道所组成的一个圆柱型的环壁，就称为柱面。也就是多盘片中相同位置的磁道，就组成一个“柱面”，盘片中有多少个磁道，就有多少个柱面。

从这意义上说，柱面，其实是个“虚”的东西！它是分开的。物理上不是一体的。只是在空间上，它类似于一个桶的桶壁一样。

如图：

3、磁盘的读写原理

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。

（文件的记录在同一盘组上存放是，应先集中放在一个柱面上，然后再顺序存放在相邻的柱面上，对应同一柱面，则应该按盘面的次序顺序存放。）

（从上到下，然后从外到内。数据的读/写按柱面进行，而不按盘面进行，先）

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。在扇区到来时，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。