硬盘工作原理.doc

今天几乎所有的台式电脑和服务器都配有一个或多个硬盘驱动器，而每台大型主机和超级计算机则一般连接几百个硬盘驱动器。您甚至会发现有些摄像机和录像机之类的设备也用硬盘代替了磁带。这些不计其数的硬盘专门负责以相对固定的形式保存变化的数字信息，它们使计算机即使在断电情况下，也具有记忆能力。硬盘工作原理本文中，我们将拆解一个硬盘驱动器以了解其内部构造，并讨论它们是如何将成吉字节的信息组织到文件之中的。 硬盘发明于20世纪50年代。最初这些直径达20英寸的宽大磁盘只能保存几兆的数据。它们先是被称为“固定磁盘”或“温彻斯特盘”（IBM公司一种流行产品的代号），后来又被称为“硬盘”以区别于“软盘”。硬盘使用附有磁性介质的硬质盘片，而磁带和软盘使用的是柔软的塑料薄片。 在最为基本的层面上看，硬盘与卡式磁带并无太大不同。它们都使用磁带录音机工作原理一文中介绍的磁记录技术。硬盘与卡式磁带共享磁存储带来的最大好处在于：磁介质很容易被擦除和重写，并可将存于其上的磁通模式“记忆”许多年。 下一节我们要谈谈卡式磁带和硬盘的主要差异。 下面让我们看看卡式磁带与硬盘的主要区别： 对于卡式磁带，磁记录材料被涂于塑料薄带之上；对于硬盘，磁记录材料先被层积在高精度的铝制或玻璃基片上，然后再将盘片打磨成如镜面一样平滑。 对于磁带，要跳到特定位置需快进或快退，若磁带很长则可能花费数分钟的时间；对于硬盘，可几乎立刻移至磁盘表面的任一点。 卡带仓中的读写头直接接触磁带。而硬盘的读写头“悬浮”在磁盘上，从不会有真正的接触。 卡带仓中的磁带以每秒约5厘米的速度移过磁头。而硬盘的盘体在磁头下的旋转速度可达每秒76米（约为每小时272公里）！ 与卡式磁带相比，硬盘信息被存储于极小的磁畴中。盘片的精度和介质的速度使这样小的磁畴成为可能。 由于以上的差异，一个硬盘驱动器可以在很小的空间中存储数量惊人的信息，并能在一眨眼的时间里访问信息的任何部分。典型台式电脑的硬盘容量在10-40G之间。数据以文件的形式保存在磁盘上。一个文件不过是一组命名的字节。这些字节可能是某个文本文件中字符的ASCII码，也可能是供计算机执行的某个应用软件的指令，或者是某个数据库的记录，还可能是某个GIF图像的像素颜色。无论文件包含了什么内容，它只是一个字节流罢了。当在计算机上运行的程序请求使用某个文件时，硬盘将取得文件的字节并依次发送给CPU。 衡量硬盘驱动器的性能有两个指标： 数据传输率数据传输率是硬盘每秒钟可以传送给CPU的字节数。常见的数据传输率在每秒5-40M之间。 寻道时间寻道时间是从CPU向硬盘请求某个文件开始到该文件的第一个字节送至CPU结束两个时刻之间的间隔。寻道时间通常在10-20毫秒之间。 还有一个重要参数就是硬盘的容量，即可以容纳的总字节数。了解硬盘原理的最好方法就是观察一下硬盘内部的样子。（注意硬盘开启后即被损毁，所以除非您有一块废硬盘，否则请勿尝试。） 这是一个典型的硬盘驱动器： 控制电路附于密封铝制外壳的一侧，用于控制读写机构和驱动盘片旋转的马达。此电路还负责将驱动器中的磁畴信号组装成字节（读）以及将字节转变为磁畴（写）。所有电路都集中在一小块板子上，和驱动器的其余部分分离： 电路板下面是旋转盘片的马达接合处，以及一个用于维持内外气压平衡的高度过滤的通风孔： 除去驱动器的壳盖后，一个极其简单但十分精确的内部结构就显露出来了： 在这张图片中，您可以看到： 盘片驱动器工作时，它们的旋转速度通常为每分钟3,600或7,200转。这些盘片被制造成如镜面一般平滑，其表面偏差之小令人惊叹！ 旋臂旋臂装有读写磁头，受位于左上角的机构控制。它可将磁头从盘片轴心处移至边缘。旋臂和它的运动机构极其轻巧迅速。一个普通硬盘的旋臂能够每秒从轴心到边缘往返移动多达50次，真令人叹为观止！ 为了增加信息容量，大多数磁盘都包含多个盘片，这个磁盘包含了三个盘片和六个读写磁头： 硬盘的旋臂运动机构必须极其迅速而且精确，这可以使用高速线性马达来建造。 许多硬盘采用“音圈”技术驱动旋臂相同的技术也用于驱动立体音响扬声器的锥形振膜。 数据保存于盘片表面的扇区和磁道上。磁道是一些同心圆环，扇区是磁道上的扇形区段，如下所示： 图中用黄色显示一个典型磁道，用蓝色显示一个典型扇区。一个扇区包含固定数目的字节，如256或512个。无论是在驱动器还是操作系统级，扇区往往集合在一起形成簇。 驱动器使用低级格式化在盘片上