计算机磁盘存储实现原理

存储原理简述：

硬盘是在硬质盘片（一般是铝合金，以前 IBM 也尝试过使用玻璃）上涂敷薄薄的一层铁磁性材料。硬盘储存数据的原理和盒式磁带类似，只不过盒式磁带上存储是模拟格式的音乐，而硬盘上存储的是数字格式的数据。写入时，磁头线圈上加电，在周围产生磁场，磁化其下的磁性材料；电流的方向不同，所以磁场的方向也不同，可以表示 0 和 1 的区别。读取时，磁头线圈切割磁场线产生感应电流，磁性材料的磁场方向不同，所以产生的感应电流方向也不同。不论是什么计算机文件,歌曲,视频,图片,文档等等都是以一个二进制的序列存在的,也就是很多个"10010001110011......"这样的东西,硬盘上的存储的文件实际上就是存储着这些0和1的序列.硬盘的磁头能够按照指令读取相应位置的信号,并且能够改变指定位置的磁场方向,这就是数据的读和写。

硬盘结构：

硬盘内部结构由固定面板、控制电路板、盘头组件、接口及附件等极大部分组成，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。

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（微米），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。
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。
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。
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减少外来信号的干扰，提高操作指令的准确性。

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“温切斯特”技术，都有以下特点：

磁头，盘片及运动机构密封。
固定并高速旋转的镀磁盘表面平整光滑。
磁头沿盘片径向移动。
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诺干个同心圆，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存储信息。

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，他们主轴电机的带动下以很高的速度旋转，其每分钟可达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，盘片告诉旋转，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--0.4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，否则将家中轴承的工作负荷。硬盘磁头的寻道伺服电机多采用音圈式旋转或者直线运动步进电机，在私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。
其次，一开机硬盘就处于旋转状态，主轴电机的旋转可达到4500或者7200转每分钟，这个你是否使用flashget或者迅雷都没有关系，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，时左右来回移动的，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，所以它的磨损也可以忽略不计。

那么，热量的来源在哪里？
首先，是主轴电机和寻道伺服器电机的旋转，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。硬盘的读写发热量可以忽略不计！
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。
磁盘的写操作：正好相反，通过磁头的电流强度不断发生变化，影响到盘片的磁场，这一过程因为用到电磁感应，所以磁头发热量较大。但是盘片本省是不会发热的，因为盘片上的永磁体是冷性的，不会因为磁场变化而发热。
但总的来说，磁头的发热量和前面两个比起来是小巫见大巫。热量是可以辐射传导的，那么高人量对磁盘上的永磁是否会有伤害？其实伤害是很小的，永磁体消磁的温度，渊源高于硬盘正常情况下产生的温度。当然，要是你的迹象散热不好，那就不能怪别人了。

高温是影响到磁头电阻感应灵敏度，所以才会产生读写错误，和永磁体没有关系。
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。当然不排序大力打击硬盘产生的震动。
所谓寻道是指硬盘从初始位置移动到指定磁道。所谓重复动作，并不是经常发生的。因为磁道的物理位置是存放在cmos里，硬盘并不需要移动回0磁道再重新分出发。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。
IDE硬盘和SCSI硬盘的盘体结构是产不多的。只是SCSI硬盘的接口带宽比同时代IDE硬盘要大，而且往往SCSI卡都会有一个类似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。
硬盘的读写是以柱面的山区为单位的。柱面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，在一个柱面完全写面前，磁头是不会移动到别的磁道上的。所以文件在磁盘上的存储，并不是像一般人认为是连续存放在一起的（从使用者开来是一起的，但从操作系统底层来看，其存放不是连续的）。所以FLASHGET等开了再多的线程，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，谁也保证不了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，更不用说windows本身就需要频繁读写虚拟内存中的文件。所以，用FG下载也好用迅雷下载也好，对硬盘的磨损和平时想必不会太厉害。
再说说flashget为什么开太多线程会不好喝ed为什么硬盘读写频繁？
首先，线程一朵，cpu占用率就高，换页动作也就频繁，从而虚拟内存读写频繁。ED呢？同时从几个人哪里下载一个文件，还有几个人同时下载你的文件，这和FG开多线程是类似的。所以硬盘灯猛闪。但是，现在硬盘是有缓存的，数据不是马上就写到硬盘上，而是先写入缓存，然后到一定量后再一次性写入硬盘。在FG里面再怎么设置，其实是先写入缓存。但这个过程也是需要cpu干预的，所以设置时间太短，cpu占用率也高，所以硬盘灯还是猛闪的，因为虚拟文件在读写。
硬盘读写频繁，磁头臂在寻道伺服电机的驱动下移动频繁，但是对机械来说这单损耗其实不大。除非你的硬盘本身就有机械故障，比如力臂变形之类（水货最常见的故障）。真正损耗在于磁头，不断变化的电流会造成它的老化，但是和它的寿命想必应该也是合理范围内的。除非因为震动，磁头撞击到盘体。
受高温影响的最严重的是机械电路，特别是硬盘外面的那块电路板，上面的集成块会在高温下加速老化。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。也就是这个原因。
总之，硬盘会因为环境不好喝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，他们虽然对硬盘读写频繁，但是还不至于比你玩游戏听歌对硬盘伤害大。他们对硬盘的损耗是可以忽略不计的，不要因为看见硬盘灯猛闪就在哪里瞎担心，不然那些提供web服务和ftp服务的服务器他们的硬盘读写之大，可绝非玩游戏，下软件的硬盘科比。
硬盘还有一个参数焦作连续无故障时间。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，英文缩写是MTBF。一般硬盘的MTBF至少在30000或者40000个小时。这个连续无故障时间大家可以除一下看看是多少年？然后大家想想，自己的硬盘平时连续工作最久是多长时间。
首先，磁盘和数据区是不会有接触的，不存在磨损问题。