1.机械硬盘的实物内部结构及原理




上图是一个2.5英寸的、消费级的机械硬盘,是SATA接口的。SATA接口有两个插口:数据插口和电源插口。


机械硬盘内部最主要的结构是机械臂和盘片。盘片从表面看好像是一个,实际上是两个盘片堆叠在一起的。磁盘通过磁臂不断的摆动来读取数据,这个摆动的过程就是一个寻道的过程。当加电后,磁盘的盘片旋转,且磁臂在不停的摆动。马达驱动机械臂进行摆动。


每个盘片上都会有一个磁臂,盘片上面是磁性介质,磁性介质就像是一个小型的磁铁一样,存储着0和1。每一个小型的磁铁存着1bit的数据,有南极和北极之分,根据极性方向的不同,存储着0或1。

写入数据时,实际上是对这些小型磁铁进行翻转的过程,磁头会将这些小型磁铁的磁极进行翻转,从而形成不同的数字,也就是0或1。

读取数据时,则是读取这些小型磁铁的方向,进行一个数字的转换。

磁头和盘片的距离很短,只有5nm。

2.机械硬盘的逻辑结构及访问特性


机械硬盘中存储数据的物理结构是盘片,盘片上由很多磁性介质构成,这些磁性介质是一环一环的在盘片上进行排布的,这些环称之为磁道。每个磁道可以被切割成若干部分,每一部分称为一个扇区。扇区通常是一个固定大小的区间,目前常规的机械磁盘扇区的大小为512字节。一个磁道内扇区的数量确定之后,就可以知道一个磁道内可以存储多少数据。

磁盘的数据需要通过机械臂上的磁头来读取,机械臂会根据指令在不同的磁道间进行摆动来读取数据。磁盘是由多个盘片构成的,可以由两个、三个或四个盘片来构成一个物理磁盘。使用多个盘片的目的是为了提高磁盘的整体容量,因为单个盘片可存储的数据是有限的,所以通过多个盘片来提高磁盘的整体容量。将多个盘片相同扇区连接起来可以构成一个圆柱体,这个圆柱体就称为柱面。

存储容量 = 磁头数 x 磁道(柱面)数 x 每道扇区数 x 每扇区字节数

磁盘读写数据耗时的相关概念:
1.寻道时间:下发的读写指令会带着一个偏移量,磁盘的驱动程序会计算要读写的数据在哪一个磁道上,驱动磁臂寻找相应的磁道。从原始磁道到目的磁道所需要耗费的时间称为寻道时间。
2.旋转时间:虽然磁头已经到达磁道,但是想读取的数据还没有到达磁头的位置,需要等待磁盘转到这个位置,整个转动的时间就是旋转时间。旋转时间与磁盘的转速相关,目前磁盘转速有7200转和15000转。
3.读写时间:当数据的开始位置到达磁头后,磁头开始读写数据,到读写的数据的结尾,需要花费时间,这个时间就是读写时间。对于读数据来说就是读时间,对于写数据来说就是写时间。

正是因为机械硬盘需要通过机械臂频繁摆动来寻找数据,所以机械磁盘的随机读写性能非常差。

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