詳解硬盤(pán)讀寫(xiě)和碎片產(chǎn)生原理

1、一、硬盤(pán)的組成硬盤(pán)大家一定不會(huì)陌生，我們可以把它比喻成是我們電腦儲(chǔ)存數(shù)據(jù)和信息的大倉(cāng)庫(kù)。一般說(shuō)來(lái)，無(wú)論哪種硬盤(pán)，都是由盤(pán)片、磁頭、盤(pán)片主軸、控制電機(jī)、磁頭控制器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、接口、緩存等幾個(gè)部份組成。圖1 硬盤(pán)組成圖所有的盤(pán)片都固定在一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸上，這個(gè)軸即盤(pán)片主軸。而所有盤(pán)片之間是絕對(duì)平行的，在每個(gè)盤(pán)片的存儲(chǔ)面上都有一個(gè)磁頭，磁頭與盤(pán)片之間的距離比頭發(fā) 絲的直徑還小。所有的磁頭連在一個(gè)磁頭控制器上，由磁頭控制器負(fù)責(zé)各個(gè)磁頭的運(yùn)動(dòng)。磁頭可沿盤(pán)片的半徑方向動(dòng)作，而盤(pán)片以每分鐘數(shù)千轉(zhuǎn)到上萬(wàn)轉(zhuǎn)的速度在高速旋轉(zhuǎn)，這樣磁頭就能對(duì)盤(pán)片上的指定位置進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)操作。圖2 盤(pán)片組成圖由于硬盤(pán)是高精密設(shè)備，塵埃

2、是其大敵，所以必須完全密封。二、硬盤(pán)的工作原理硬盤(pán)在邏輯上被劃分為磁道、柱面以及扇區(qū)。圖3 磁道、柱面以及扇區(qū)硬盤(pán)的每個(gè)盤(pán)片的每個(gè)面都有一個(gè)讀寫(xiě)磁頭，磁盤(pán)盤(pán)面區(qū)域的劃分如圖所示。圖4 磁盤(pán)盤(pán)面區(qū)域的劃分磁頭靠近主軸接觸的表面，即線速度最小的地方，是一個(gè)特殊的區(qū)域，它不存放任何數(shù)據(jù)，稱為啟停區(qū)或著陸區(qū)（Landing Zone），啟停區(qū)外就是數(shù)據(jù)區(qū)。在最外圈，離主軸最遠(yuǎn)的地方是“0”磁道，硬盤(pán)數(shù)據(jù)的存放就是從最外圈開(kāi)始的。那么，磁頭是如何找到“0”磁道的位置的呢？在硬盤(pán)中還有一個(gè)叫“0”磁道檢測(cè)器的構(gòu)件，它是用來(lái)完成硬盤(pán)的初始定位。“0”磁道是如此的重要，以致很多硬盤(pán)僅僅因?yàn)椤?”磁道損壞就報(bào)廢

3、，這是非?？上У摹Ｔ缙诘挠脖P(pán)在每次關(guān)機(jī)之前需要運(yùn)行一個(gè)被稱為Parking的程序，其作用是讓磁頭回到啟停區(qū)?，F(xiàn)代硬盤(pán)在設(shè)計(jì)上已摒棄了這個(gè)雖不復(fù)雜卻很讓人不愉快的小缺陷。硬盤(pán)不工作時(shí)，磁頭停留在啟停區(qū)，當(dāng)需要從硬盤(pán)讀寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)，磁盤(pán)開(kāi)始旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)速度達(dá)到額定的高速時(shí)，磁頭就會(huì)因盤(pán)片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的氣流而抬起， 這時(shí)磁頭才向盤(pán)片存放數(shù)據(jù)的區(qū)域移動(dòng)。 盤(pán)片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的氣流相當(dāng)強(qiáng)，足以使磁頭托起，并與盤(pán)面保持一個(gè)微小的距離。這個(gè)距離越小，磁頭讀寫(xiě)數(shù)據(jù)的靈敏度就越高，當(dāng)然對(duì)硬盤(pán)各部件的要求也越高。早期設(shè)計(jì)的磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器使磁頭保持在盤(pán)面上方幾微米處飛行。稍后一些設(shè)計(jì)使磁頭在盤(pán)面上的飛行高度降到約0.1m0.5m，現(xiàn)在

4、的水平已經(jīng)達(dá)到 0.005m0.01m，這只是人類頭發(fā)直徑的千分之一。氣流既能使磁頭脫離開(kāi)盤(pán)面，又能使它保持在離盤(pán)面足夠近的地方，非常緊密地跟隨著磁盤(pán)表面呈起伏運(yùn)動(dòng)，使磁頭飛行處于嚴(yán)格受控狀態(tài)。磁頭必須飛行在盤(pán)面上方，而不是接觸盤(pán)面，這種位置可避免擦傷磁性涂層，而更重要的是不讓磁性涂層損傷磁頭。但是，磁頭也不能離盤(pán)面太遠(yuǎn)，否則，就不能使盤(pán)面達(dá)到足夠強(qiáng)的磁化，難以讀出盤(pán)上的磁化翻轉(zhuǎn)（磁極轉(zhuǎn)換形式，是磁盤(pán)上實(shí)際記錄數(shù)據(jù)的方式）。圖5 磁片原理硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器磁頭的飛行懸浮高度低、速度快，一旦有小的塵埃進(jìn)入硬盤(pán)密封腔內(nèi)，或者一旦磁頭與盤(pán)體發(fā)生碰撞，就可能造成數(shù)據(jù)丟失，形成壞塊，甚至造成 磁頭和盤(pán)體的損壞。

5、所以，硬盤(pán)系統(tǒng)的密封一定要可靠，在非專業(yè)條件下絕對(duì)不能開(kāi)啟硬盤(pán)密封腔，否則，灰塵進(jìn)入后會(huì)加速硬盤(pán)的損壞。另外，硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器磁頭的尋道伺服電機(jī)多采用音圈式旋轉(zhuǎn)或直線運(yùn)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，在伺服跟蹤的調(diào)節(jié)下精確地跟蹤盤(pán)片的磁道，所以，硬盤(pán)工作時(shí)不要有沖擊碰撞，搬動(dòng)時(shí)要小心輕放。這種硬盤(pán)就是采用溫徹斯特（Winchester）技術(shù)制造的硬盤(pán)，所以也被稱為溫盤(pán)，目前絕大多數(shù)硬盤(pán)都采用此技術(shù)。三、盤(pán)面、磁道、柱面和扇區(qū)硬盤(pán)的讀寫(xiě)是和扇區(qū)有著緊密關(guān)系的。在說(shuō)扇區(qū)和讀寫(xiě)原理之前先說(shuō)一下和扇區(qū)相關(guān)的”盤(pán)面”、“磁道”、和“柱面”。1.盤(pán)面硬盤(pán)的盤(pán)片一般用鋁合金材料做基片，高速硬盤(pán)也可能用玻璃做基片。硬盤(pán)的每一個(gè)盤(pán)片都有

6、兩個(gè)盤(pán)面（Side），即上、下盤(pán)面，一般每個(gè)盤(pán)面都會(huì)利用，都可以存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，成為有效盤(pán)片，也有極個(gè)別的硬盤(pán)盤(pán)面數(shù)為單數(shù)。每一個(gè)這樣的有效盤(pán)面都有一個(gè)盤(pán)面號(hào)，按順序從上至下從“0”開(kāi)始依次編號(hào)。在硬盤(pán)系統(tǒng)中，盤(pán)面號(hào)又叫磁頭號(hào)，因?yàn)槊恳粋€(gè)有效盤(pán)面都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的讀寫(xiě)磁頭。硬盤(pán)的盤(pán)片組在214片不等，通常有23個(gè)盤(pán)片，故盤(pán)面號(hào)（磁頭號(hào)）為03或 05。2.磁道磁盤(pán)在格式化時(shí)被劃分成許多同心圓，這些同心圓軌跡叫做磁道（Track）。磁道從外向內(nèi)從0開(kāi)始順序編號(hào)。硬盤(pán)的每一個(gè)盤(pán)面有3001024個(gè)磁道，新式大容量硬盤(pán)每面的磁道數(shù)更多。信息以脈沖串的形式記錄在這些軌跡中，這些同心圓不是連續(xù)記錄數(shù)據(jù)，而是被劃分

7、成一段段的圓弧，這些圓弧的角速度一樣。由于徑向長(zhǎng)度不一樣。所以，線速度也不一樣，外圈的線速度較內(nèi)圈的線速度大，即同樣的轉(zhuǎn)速下，外圈在同樣時(shí)間段里，劃過(guò)的圓弧長(zhǎng)度要比內(nèi)圈劃過(guò)的圓弧長(zhǎng)度大。每段圓弧叫做一個(gè)扇區(qū)，扇區(qū)從“1”開(kāi)始編號(hào)，每個(gè)扇區(qū)中的數(shù)據(jù)作為一個(gè)單元同時(shí)讀出或?qū)懭?。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的3.5寸硬盤(pán)盤(pán)面通常有幾百到幾千條磁道。磁道是“看”不見(jiàn)的，只是盤(pán)面上以特殊形式磁化了的一些磁化區(qū)，在磁盤(pán)格式化時(shí)就已規(guī)劃完畢。3.柱面所有盤(pán)面上的同一磁道構(gòu)成一個(gè)圓柱，通常稱做柱面（Cylinder），每個(gè)圓柱上的磁頭由上而下從“0”開(kāi)始編號(hào)。數(shù)據(jù)的讀/寫(xiě)按柱面進(jìn)行，即磁頭讀/寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)首先在同一柱面內(nèi)從“0”磁頭

8、開(kāi)始進(jìn)行操作，依次向下在同一柱面的不同盤(pán)面即磁頭上進(jìn)行操作，只在同一柱面所有的磁頭全部讀/寫(xiě)完畢后磁頭才轉(zhuǎn)移到下一柱面，因?yàn)檫x取磁頭只需通過(guò)電子切換即可，而選取柱面則必須通過(guò)機(jī)械切換。電子切換相當(dāng)快，比在機(jī)械上磁頭向鄰近磁道移動(dòng)快得多，所以，數(shù)據(jù) 的讀/寫(xiě)按柱面進(jìn)行，而不按盤(pán)面進(jìn)行。也就是說(shuō)，一個(gè)磁道寫(xiě)滿數(shù)據(jù)后，就在同一柱面的下一個(gè)盤(pán)面來(lái)寫(xiě)，一個(gè)柱面寫(xiě)滿后，才移到下一個(gè)扇區(qū)開(kāi)始寫(xiě)數(shù)據(jù)。讀數(shù)據(jù)也按照這種方式進(jìn)行，這樣就提高了硬盤(pán)的讀/寫(xiě)效率。一塊硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的圓柱數(shù)（或每個(gè)盤(pán)面的磁道數(shù)）既取決于每條磁道的寬窄（同樣，也與磁頭的大小有關(guān)），也取決于定位機(jī)構(gòu)所決定的磁道間步距的大小。4.扇區(qū)操作系統(tǒng)以

9、扇區(qū)（Sector）形式將信息存儲(chǔ)在硬盤(pán)上，每個(gè)扇區(qū)包括512個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)和一些其他信息。一個(gè)扇區(qū)有兩個(gè)主要部分：存儲(chǔ)數(shù)據(jù)地點(diǎn)的標(biāo)識(shí)符和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)段。圖6 扇區(qū)工作原理扇區(qū)的第一個(gè)主要部分是標(biāo)識(shí)符。標(biāo)識(shí)符，就是扇區(qū)頭標(biāo)，包括組成扇區(qū)三維地址的三個(gè)數(shù)字：扇區(qū)所在的磁頭（或盤(pán)面）、磁道（或柱面號(hào)）以及扇區(qū)在磁道上的位置即扇區(qū)號(hào)。頭標(biāo)中還包括一個(gè)字段，其中有顯示扇區(qū)是否能可靠存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，或者是否已發(fā)現(xiàn)某個(gè)故障因而不宜使用的標(biāo)記。有些硬盤(pán)控制器在扇區(qū)頭標(biāo)中還記錄有指示字，可在原扇區(qū)出錯(cuò)時(shí)指引磁盤(pán)轉(zhuǎn)到替換扇區(qū)或磁道。最后，扇區(qū)頭標(biāo)以循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）值作為結(jié)束，以供控制器檢驗(yàn)扇區(qū)頭標(biāo)的讀出情況，

10、確保準(zhǔn)確無(wú)誤。扇區(qū)的第二個(gè)主要部分是存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)段，可分為數(shù)據(jù)和保護(hù)數(shù)據(jù)的糾錯(cuò)碼（ECC）。在初始準(zhǔn)備期間，計(jì)算機(jī)用512個(gè)虛擬信息字節(jié)（實(shí)際數(shù)據(jù)的存放地）和與這些虛擬信息字節(jié)相應(yīng)的ECC數(shù)字填入這個(gè)部分。四、硬盤(pán)的讀寫(xiě)原理系統(tǒng)將文件存儲(chǔ)到磁盤(pán)上時(shí)，按柱面、磁頭、扇區(qū)的方式進(jìn)行，即最先是第1磁道的第一磁頭下（也就是第1盤(pán)面的第一磁道）的所有扇區(qū)，然后，是同一柱面的下一磁頭，一個(gè)柱面存儲(chǔ)滿后就推進(jìn)到下一個(gè)柱面，直到把文件內(nèi)容全部寫(xiě)入磁盤(pán)。系統(tǒng)也以相同的順序讀出數(shù)據(jù)。讀出數(shù)據(jù)時(shí)通過(guò)告訴磁盤(pán)控制器要讀出扇區(qū)所在的柱面號(hào)、磁頭號(hào)和扇區(qū)號(hào)（物理地址的三個(gè)組成部分）進(jìn)行。磁盤(pán)控制器則直接使磁頭部件步進(jìn)到

11、相應(yīng)的柱面，選通相應(yīng)的磁頭，等待要求的扇區(qū)移動(dòng)到磁頭下。扇區(qū)到來(lái)時(shí)，磁盤(pán)控制器讀出每個(gè)扇區(qū)的頭標(biāo)，把這些頭標(biāo)中的地址信息與期待檢出的磁頭和柱面號(hào)做比較（即尋道），然后，尋找要求的扇區(qū)號(hào)。待磁盤(pán)控制器找到該扇區(qū)頭標(biāo)時(shí)，根據(jù)其任務(wù)是寫(xiě)扇區(qū)還是讀扇區(qū)，來(lái)決定是轉(zhuǎn)換寫(xiě)電路， 還是讀出數(shù)據(jù)和尾部記錄。找到扇區(qū)后，磁盤(pán)控制器必須在繼續(xù)尋找下一個(gè)扇區(qū)之前對(duì)該扇區(qū)的信息進(jìn)行后處理。如果是讀數(shù)據(jù)，控制器計(jì)算此數(shù)據(jù)的ECC碼，然后，把ECC碼與已記錄的ECC碼相比較。如果是寫(xiě)數(shù)據(jù)，控制器計(jì)算出此數(shù)據(jù)的ECC碼，與數(shù)據(jù)一起存儲(chǔ)。在控制器對(duì)此扇區(qū)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行必要處理期間，磁盤(pán)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。五、磁盤(pán)碎片的產(chǎn)生俗話說(shuō)一圖勝千

12、言，先用一張ACSII碼圖來(lái)解釋為什么會(huì)產(chǎn)生磁盤(pán)碎片。圖7 ASCII圖上面的ASCII圖表示磁盤(pán)文件系統(tǒng)，由于目前上面沒(méi)有任何數(shù)據(jù)文件，所以我把他表示成0。在圖的最上側(cè)和左側(cè)各有a-z 26個(gè)字母，這是用來(lái)定位每個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)的具體位置，如第1行1列是aa,26行26列是zz。 我們創(chuàng)建一個(gè)新文件，理所當(dāng)然的，我們的文件系統(tǒng)就產(chǎn)生了變化，現(xiàn)在是圖8 ASCII圖如圖所示：”內(nèi)容表”(TOC)占據(jù)了前四行,在TOC里存貯著每件文件在系統(tǒng)里所在的位置。在上圖，TOC包括了一個(gè)名字叫hello.txt的文件，其具體內(nèi)容是”Hello, world”，在系統(tǒng)里的位置是ae到le。 接下來(lái)再新建一個(gè)文件圖

13、9 ASCII圖如圖，我們新建的文件bye。txt緊貼著第一個(gè)文件hello.txt。其實(shí)這是最理想的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如果你將你的文件都按照上圖所表示的那樣一個(gè)挨著一個(gè)，緊緊的貼放在一起的話，那么讀取他們將會(huì)非常的容易和迅速，這是因?yàn)樵谟脖P(pán)里動(dòng)得最慢的(相對(duì)來(lái)說(shuō))就是傳動(dòng)手臂，少位移一些，讀取文件數(shù)據(jù)的時(shí)間就會(huì)快一些。然而恰恰這就是問(wèn)題的所在?，F(xiàn)在我想在”Hello, World”后加上些感嘆號(hào)來(lái)表達(dá)我強(qiáng)烈的感情，現(xiàn)在的問(wèn)題是：在這樣的系統(tǒng)上，文件所在的行就沒(méi)有地方讓我放這些感嘆號(hào)了，因?yàn)閎ye.txt占據(jù)了剩下的位置。現(xiàn)在有倆個(gè)方法可以選擇，但是沒(méi)有一個(gè)是完美的1.我們從原位置刪除文件，重新建個(gè)文

14、件重新寫(xiě)上”Hello, World!”。 這就無(wú)意中延長(zhǎng)了文件系統(tǒng)的讀和寫(xiě)的時(shí)間。2.打碎文件，就是在別的空的地方寫(xiě)上感嘆號(hào)，也就是”身首異處”這個(gè)點(diǎn)子不錯(cuò)，速度很快，而且方便，但是，這就同時(shí)意味著大大的減慢了讀取下一個(gè)新文件的時(shí)間。如果你對(duì)上面的文字沒(méi)概念,上圖圖10 ASCII圖這里所說(shuō)的方法二就像是我們的Windows系統(tǒng)的存儲(chǔ)方式，每個(gè)文件都是緊挨著的，但如果其中某個(gè)文件要更改的話，那么就意味著接下來(lái)的數(shù)據(jù)將會(huì)被放在磁盤(pán)其他的空余的地方。如果這個(gè)文件被刪除了，那么就會(huì)在系統(tǒng)中留下空格，久而久之，我們的文件系統(tǒng)就會(huì)變得支離破碎，碎片就是這么產(chǎn)生的。試著簡(jiǎn)單點(diǎn)，講給mm聽(tīng)的硬盤(pán)讀寫(xiě)原理簡(jiǎn)化版圖11 硬盤(pán)原理簡(jiǎn)化圖硬盤(pán)的結(jié)構(gòu)就不多說(shuō)了,我們平常電腦的數(shù)據(jù)都是存在磁道上的,大致上和光盤(pán)差不多。讀取都是靠磁頭來(lái)進(jìn)行。圖12 硬盤(pán)原理簡(jiǎn)