认知硬盘读写和碎片产生原理

1、认知硬盘读写和碎片产生原理 作者：中关村新手学堂版主紫健 ps：本文内容部分参考 天空软件站，也可以说是转载。 电脑中的硬盘，就是用来储存日常数据资料或处理各电子信息 的硬件仓 库，操作原理等同人类的脑部一样是用来存 /取记忆。 硬盘内部由盘片、盘片主轴、磁头、磁头控制器、控制电机、数据转换 器、缓存、接口来实现构成。 分割线 构成篇： 硬盘读取原理差不多类似光驱，一个马达旋转cd/dvd光盘再以磁头读取 数据， 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

2、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。 不同的是，硬盘不像光驱可以替换碟片（即使划伤也能读片），它属于 高精密设备，其内部需要以 完全真空封密，要有一丝丝灰尘粒侵入，足 以让盘片刮伤产生坏点无法读取，损坏兼报销！ 分割线 操作原理篇： 硬盘在逻辑(logical)上被划分为磁道、柱面以及扇区。 A 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。 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

3、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

4、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0.1 um- 0.5 um现在的水平已经达到 0.005 口叶0.01 um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

5、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)。 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

6、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(Win Chester)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。 AS + 0.103 启診倨沪足 |jin 订护捕料足 分割线 扇区解说篇： 硬盘的读写和扇区有着紧密的关系。平时看到系统写着BAD SECTOR 字眼，就是这么解释 扇区损坏直接影响硬盘读取/存取数据 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（byte）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 。 扇区的第一个主要部分是

7、 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

8、虚拟信息字节相应的 ECC数字填入这个部 M&S8E 栄rt * 丁不F ps： ECC（ Error Checki ng and Correct in g）技术也有用在 内存条上，一般 是以服务器（server）类型为主。 分割线 读写原理篇： 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

9、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

10、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。 简单来说， 整个读写过程都是交由柱面、 磁头还有扇区三种元件同时负 责 ，它们扮演着非常重要的角色，缺一不可 至于如何看硬盘各元件属性状况， 可以参考本区版主 想你不是你的错 的 相关详细 hdtune 软件教程帖，当中有针对该元件进行解说： 点击我 分割线 碎片产生篇 ： 磁盘碎片也称为文件碎片。 碎片的产生， 因为文件 被分散保存 到整个磁盘的不同地方， 而不是连续 地保存在磁盘连续的簇中形成 的。 当应用程序所需的物理内存不足时， 一般操作系统会在硬盘中产生临时 交换文件， 用该文件所占用的硬盘空间 虚拟成内存 。虚拟内

11、存管理程序 会对硬盘频繁读写，产生大量的碎片，这是产生硬盘碎片的主要原因。 其他如 IE 浏览器浏览信息时生成的临时文件或临时文件目录的设置也 会造成系统中形成大量的碎片。文件 碎片一般不会在系统中引起问题 ， 但文件碎片过多会使系统在读文件的时候来回寻找，引起系统性能下 降，严重的还要缩短硬盘寿命。另外，过多的磁盘碎片还有可能导致存 储文件的丢失。 以鄙人的了解是，碎片归因硬盘数据出现不规律读写 /存取才造成，碎 片整理绝对需要在重装系统后执行一次， 随后特定半年或几个月再执行 一次。这么做除了可以加快硬盘读取数据时间外， 还能避免磁头寻道读 写加剧负担导致使用寿命大大减低。 为啥？因为储存

12、的文件如果没有破 碎的话 ,摇臂只需要寻找 1 次磁道并由磁头进行读取 ,仅需 1次就可以成 功读取。相对如果文件破碎成 11 处,摇臂则要来回寻找 11 次磁道磁头再 进行 11 次读取才能完整的读取这个文件 ,读取费时比没破碎的数据来得 冗长。 其原理类似：你试试分别在街上跑 1回和跑 11回，看会得出什 么结果 ？ 分割线 总结篇： 补充下： 简单说下关于 Solid-state drive（ SSD 固态式硬盘） 和 Hard-disk drive （ HDD 驱动式硬盘）的分别 - SSD 固态式硬盘 - 目前的硬盘（ ATA 或 SATA ）都是磁碟型的，数据就储存在磁碟扇区 里，

13、固态硬盘数据就储存在芯片里。 SSD 由控制单元和存储单元（ FLASH 芯片）组成，简单的说就是用固 态电子存储芯片阵列而制成的硬盘。 由于固态硬盘没有普通硬盘的旋转 介质，因而抗震性极佳，同时工作温度很宽。广泛应用于军事、车载、 工控、视频监控、网络监控、网络终端、电力、医疗、航空等、导航设 备等领域。 相对价钱是 HDD 的 n 倍 。 HDD 驱动式硬盘 - 最基本的电脑存储器，我们电脑中常说的电脑硬盘C盘、D盘等为磁盘 分区都属于硬盘驱动器。 目前硬盘一般常见的磁盘容量为 80G、 320G、 500G甚至1T等等，目前最高的桌面级硬盘为 2TB。硬盘按体积大小可 分为3.5寸、2.

14、5寸、1.8寸等，按接口可分为PATA（ ide接口式，旧型 硬盘使用）、 SATA （串口式，新款式硬盘，目前支持传输率有sata i、 sata ii、sata iii三种，还在主流/普及阶段的类型是sata ii）、SCSI （串口 式）等， PATA、 SATA 一般为桌面级应用，容量大， 价格相对较低 ， 适合家用；而 SCSI 一般为服务器、工作站等高端应用，容量相对较小， 价格较贵，但是性能较好，稳定性也较高。部分sata硬盘的驱动在特定 系统（os）下或许会被识别或变更为 scsi驱动。 简单来说，硬盘读取 /存取数据信息都是 由磁头 全程进行。 所有数据都是以信息方式存储在盘

15、面的 扇区磁道上，扇区损坏意味数据 无法读取/储存，就是所谓的坏点。 此外，硬盘读取是由摇臂控制磁头 先从盘面的外侧向内侧进行读写 的。 为此外侧的数据读取速度会比内侧的数据快很多。 分割线 附加（optional） 保养篇： 震动- 想硬盘早点挂的话，可以偶尔用香港脚去踢踢 机箱；用手大力按键盘（尤 其按回车键时）也能导致震动如果两者放在同一桌上；硬盘在机箱里头 装不稳或不固定好位置一样可以产生多余共振；还有，移动盘切勿在通 电期间拿来摇啊抱高高的，会把它的扇区吓到出坏点来 温度- 怕高温不再是 cpu 或 gpu 等的专利，硬盘如是也 一般硬盘的温度最好 维持介于 25-45 度，有从盘的童鞋建议别把硬盘全放置一起避免空间紧 闭恶化散热。机箱不允许就要追加风扇进行额外散热 电磁 - 磁石绝对不要靠近硬盘， 它的威力足以把整部硬盘给废掉。 相信一般童 鞋们都知道了，不多说 断电 /强行关闭 - 这个超频的童鞋很喜欢也是很无奈必须干的事情； 有部分童鞋因不能忍 受系统假死片刻卡住强硬关掉重启。这些问题绝对是人为造成，完全可 以避免。一次两次久久一次就不啥大碍，天天这么搞，不坏才怪！硬盘 灯狂亮期间切勿强行断电， 因为这么做物理性伤害绝对比平常还要高好 几倍 电源 - 确保硬盘在电源充足环境下使用， 电源线连接强烈建议不要和其它硬件 共用，可能硬盘