硬盘存取数据过程是“揭秘硬盘存储数据过程”附件里的内容

lijinlei521 · 发表于 2011-10-17 23:52:50

硬盘的数据结构
硬盘内部结构由固定面板、控制电路板、盘头组件、接口及附件等几大部分组成，而盘头组件(HardDiskAssembly，HDA)是构成硬盘的核心，封装在硬盘的净化腔体内，包括浮动磁头组件、磁头驱动机构、盘片及主轴驱动机构、前置读写控制电路等。
1.浮动磁头组件　由读写磁头、传动手臂、传动轴三部分组成。磁头是硬盘技术最重要和关键的一环，实际上是集成工艺制成的多个磁头的组合，它采用了非接触式头、盘结构，加电后在高速旋转的磁盘表面飞行，飞高间隙只有0.1～0.3um，可以获得极高的数据传输率。现在转速5400rpm的硬盘飞高都低于0.3um，以利于读取较大的高信噪比信号，提供数据传输存储的可靠性。
2.磁头驱动机构　由音圈电机和磁头驱动小车组成，新型大容量硬盘还具有高效的防震动机构。高精度的轻型磁头驱动机构能够对磁头进行正确的驱动和定位，并在很短的时间内精确定位系统指令指定的磁道，保证数据读写的可靠性。
3.盘片和主轴组件　盘片是硬盘存储数据的载体，现在的盘片大都采用金属薄膜磁盘，这种金属薄膜较之软磁盘的不连续颗粒载体具有更高的记录密度，同时还具有高剩磁和高矫顽力的特点。主轴组件包括主轴部件如轴瓦和驱动电机等。随着硬盘容量的扩大和速度的提高，主轴电机的速度也在不断提升，有厂商开始采用精密机械工业的液态轴承电机技术。
4.前置控制电路　前置放大电路控制磁头感应的信号、主轴电机调速、磁头驱动和伺服定位等，由于磁头读取的信号微弱，将放大电路密封在腔体内可减少外来信号的干扰，提高操作指令的准确性。
硬盘是计算机中最重要的部件之一，按不同的接口和外形尺寸，其种类有很多，除了现在最常见的台式机中使用的3.5英寸EIDE和SATA接口的产品外，还有其他类型的硬盘。

----------------------------------------------
现代硬盘的工作原理：
　　现在的硬盘,无论是IDE还是SCSI,采用的都是"温彻思特“技术,都有以下特点：1。磁头，盘片及运动机构密封。2。固定并高速旋转的镀磁盘片表面平整光滑。3。磁头沿盘片径向移动。4。磁头对盘片接触式启停，但工作时呈飞行状态不与盘片直接接触。
　　盘片：硬盘盘片是将磁粉附着在铝合金（新材料也有用玻璃）圆盘片的表面上.这些磁粉被划分成称为磁道的若干个同心圆，在每个同心圆的磁道上就好像有无数的任意排列的小磁铁，它们分别代表着0和1的状态。当这些小磁铁受到来自磁头的磁力影响时，其排列的方向会随之改变。利用磁头的磁力控制指定的一些小磁铁方向，使每个小磁铁都可以用来储存信息。
　　盘体：硬盘的盘体由多个盘片组成，这些盘片重叠在一起放在一个密封的盒中，它们在主轴电机的带动下以很高的速度旋转，其每分钟转速达3600，4500，5400，7200甚至以上。
　　磁头：硬盘的磁头用来读取或者修改盘片上磁性物质的状态，一般说来，每一个磁面都会有一个磁头，从最上面开始，从0开始编号。磁头在停止工作时，与磁盘是接触的，但是在工作时呈飞行状态。磁头采取在盘片的着陆区接触式启停的方式，着陆区不存放任何数据，磁头在此区域启停，不存在损伤任何数据的问题。读取数据时，盘片高速旋转，由于对磁头运动采取了精巧的空气动力学设计，此时磁头处于离盘面数据区0.2---0.5微米高度的”飞行状态“。既不与盘面接触造成磨损，又能可靠的读取数据。
　　电机：硬盘内的电机都为无刷电机，在高速轴承支撑下机械磨损很小，可以长时间连续工作。高速旋转的盘体产生了明显的陀螺效应，所以工作中的硬盘不宜运动，否则将加重轴承的工作负荷。硬盘磁头的寻道饲服电机多采用音圈式旋转或者直线运动步进电机，在饲服跟踪的调节下精确地跟踪盘片的磁道，所以在硬盘工作时不要有冲击碰撞，搬动时要小心轻放。
　　原理说到这里，大家都明白了吧？
　　首先，磁头和数据区是不会有接触的，所以不存在磨损的问题。
　　其次，一开机硬盘就处于旋转状态，主轴电机的旋转可以达到4500或者7200转每分钟，这和你是否使用FLASHGET或者ED都没有关系，只要一通电，它们就在转.它们的磨损也和软件无关。
　　再次，寻道电机控制下的磁头的运动，是左右来回移动的，而且幅度很小，从盘片的最内层（着陆区）启动，慢慢移动到最外层，再慢慢移动回来，一个磁道再到另一个磁道来寻找数据。不会有什么大规模跳跃的（又不是青蛙）。所以它的磨损也是可以忽略不记的。
那么，热量是怎么来的呢？
　　首先，是主轴电机和寻道饲服电机的旋转，硬盘的温度主要是因为这个。
　　其次，高速旋转的盘体和空气之间的摩擦。这个也是主要因素。而硬盘的读写？很遗憾，它的发热量可以忽略不记！
　　硬盘的读操作，是盘片上磁场的变化影响到磁头的电阻值,这个过程中盘片不会发热，磁头倒是因为电流发生变化，所以会有一点热量产生。写操作呢？正好反过来，通过磁头的电流强度不断发生变化，影响到盘片上的磁场，这一过程因为用到电磁感应，所以磁头发热量较大。但是盘片本身是不会发热的，因为盘片上的永磁体是冷性的，不会因为磁场变化而发热。
　　但是总的来说，磁头的发热量和前面两个比起来，是小巫见大巫了。热量是可以辐射传导的，那么高热量对盘片上的永磁体会不会有伤害呢？其实伤害是很小的，永磁体消磁的温度，远远高于硬盘正常情况下产生的温度。当然，要是你的机箱散热不好，那可就怪不了别人了。
这里不得不说一下某人的几个错误：
　　一、高温是影响到磁头的电阻感应灵敏度，所以才会产生读写错误，和永磁体没有关系。
　　二、所谓的热膨胀，不会拉近盘体和磁头的距离，因为磁头的飞行是空气动力学原理，在正常情况下始终和盘片保持一定距离。当然要是你大力打击硬盘，那么这个震动……
　　三、所谓寻道是指硬盘从初使位置移动到指定磁道。所谓的复位动作，并不是经常发生的。因为磁道的物理位置是存放在CMOS里面，硬盘并不需要移动回0磁道再重新出发。只要磁头一启动，所谓的复位动作就完成了，除非你重新启动电脑，不然复位动作就不会再发生。
　　四、IDE硬盘和SCSI硬盘的盘体结构是差不多的。只是SCSI硬盘的接口带宽比同时代的IDE硬盘要大，而且往往SCSI卡往往都会有一个类似CPU的东西来减缓主CPU的占用率。仅此而已，所以希捷才会把它的SCSI硬盘的技术用在IDE硬盘上。
　　五、硬盘的读写是以柱面的扇区为单位的。柱面也就是整个盘体中所有磁面的半径相同的同心磁道，而把每个磁道划分为若干个区就是所谓的扇区了。硬盘的写操作，是先写满一个扇区，再写同一柱面的下一个扇区的，在一个柱面完全写满前，磁头是不会移动到别的磁道上的。所以文件在硬盘上的存储，并不是像一般人的认为，是连续存放在一起的（从使用者来看是一起，但是从操作系统底层来看，其存放不是连续的）。所以FLASHGET或者ED开了再多的线程，磁头的寻道一般都不会比你一边玩游戏一边听歌大。当然，这种情况只是单纯的下载或者上传而已，但是其实在这个过程中，谁能保证自己不会启动其它需要读写硬盘的软件？可能很多人都喜欢一边下载一边玩游戏或者听歌吧？更不用说WINDOWS本身就需要频繁读写虚拟内存文件了。所以，用FG下载也好，ED也好，对硬盘的折磨和平时相比不会太厉害的。
　　六、再说说FLASHGET为什么开太多线程会不好和ED为什么硬盘读写频繁。首先，线程一多，cpu的占用率就高，换页动作也就频繁，从而虚拟内存读写频繁，至于为什么，学过操作系统原理的应该都知道，我这里就不说了。ED呢？同时从几个人那里下载一个文件，还有几个人同时在下载你的文件，这和FG开多线程是类似的。所以硬盘灯猛闪。但是，现在的硬盘是有缓存的，数据不是马上就写到硬盘上，而是先存放在缓存里面,，然后到一定量了再一次性写入硬盘。在FG里面再怎么设置都好，其实是先写到缓存里面的。但是这个过程也是需要CPU干预的，所以设置时间太短，CPU占用率也高，所以硬盘灯也还是猛闪的，因为虚拟文件在读写。
　　七、硬盘读写频繁，磁头臂在寻道伺服电机的驱动下移动频繁，但是对机械来说这点耗损虽有，其实不大。除非你的硬盘本身就有机械故障比如力臂变形之类的（水货最常见的故障）。真正耗损在于磁头，不断变化的电流会造成它的老化，但是和它的寿命相比。。。。。应该也是在合理范围内的。除非因为震动，磁头撞击到了盘体。
　　八、受高温影响的最严重的是机械的电路，特别是硬盘外面的那块电路板，上面的集成块在高温下会加速老化的。所以IBM的某款玻璃硬盘，虽然有坏道，但是一用某个软件，马上就不见了。再严重点的，换块线路板，也就正常了。就是这个原因。
　　总之，硬盘会因为环境不好和保养不当而影响寿命，但是这绝对不是软件的错。FLASHGET也好,ED也好,FTP也好,它们虽然对硬盘的读写频繁,但是还不至于比你一般玩游戏一般听歌对硬盘伤害大.说得更加明白的话,它们对硬盘的所谓耗损,其实可以忽略不记.不要因为看见硬盘灯猛闪,就在那里瞎担心.不然那些提供WEB服务和FTP服务的服务器，它们的硬盘读写之大，可绝非平常玩游戏，下软件的硬盘可比的。
　　硬盘有一个参数叫做连续无故障时间。它是指硬盘从开始运行到出现故障的最长时间，单位是小时，英文简写是MTBF。一般硬盘的MTBF至少在30000或40000小时。具体情况可以看硬盘厂商的参数说明。这个连续无故障时间，大家可以自己除一下，看看是多少年。然后大家自己想想，自己的硬盘平时连续工作最久是多长时间。
　　目前我使用的机器，已经连续开机1年了，除了中途有几次关机十几分钟来清理灰尘外，从来没有停过（使用金转6代40G）。另外还有三台使用SCSI硬盘的服务器，是连续两年没有停过了，硬盘的发热量绝非平常IDE硬盘可比（1万转的硬盘啊）。在这方面，我想我是有发言权的。
最后补充一下若干点：
　　一、硬盘最好不要买水货或者返修货。水货在运输过程中是非常不安全的，虽然从表面上看来似乎无损伤，但是有可能在运输过程中因为各种因素而对机械体造成损伤。返修货就更加不用说了。老实说，那些埋怨硬盘容易损坏的人，你们应该自己先看看，自己的硬盘是否就是这些货色。
　　二、硬盘的工作环境是需要整洁的，特别是注意不要在频繁断电和灰尘很多的环境下使用硬盘。机箱要每隔一两个月清理一下灰尘。
　　三、硬盘的机械最怕震动和高温。所以环境要好，特别是机箱要牢固，以免共震太大。电脑桌也不要摇摇晃晃的。
　　四、要经常整理硬盘碎片。这里有一个大多数人的误解，一般人都以为硬盘碎片会加大硬盘耗损，其实不是这样的。硬盘碎片的增多本身只是会让硬盘读写所花时间比碎片少的时候多而已，对硬盘的耗损是可以忽略的（我在这里只说一个事实，目前网络上的服务器，它们用得最多的操作系统是UNIX，但是在UNIX下面是没有磁盘碎片整理软件的。就连微软的NT4,本身也是没有的）。不过，因为磁头频繁的移动，造成读写时间的加大，所以CPU的换页动作也就频繁了，而造成虚拟文件（在这里其实准确的说法是换页文件）读写频繁，从而加重硬盘磁头寻道的负荷。这才是硬盘碎片的坏处。

　　五、在硬盘读写时尽量避免忽然断电，冷启动和做其他加重CPU负荷的事情（比如在玩游戏时听歌，或者在下载时玩大型3D游戏），这些对硬盘的伤害比一般人想象中还要大。
　　总之，只要平常注意使用硬盘，硬盘是不会那么快就和我们说BYEBYE的。当然，如果是硬盘本身的质量就不行，那我就无话可说了。