认知硬盘读写和碎片产生原理14325.docx

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认知硬盘读写和碎片产生原理14325

【新手学硬件】认知硬盘读写和碎片产生原理

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。

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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！

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操作原理篇：

硬盘在逻辑（logical）上被划分为磁道、柱面以及扇区。

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，称为启停区或着陆区（LandingZone），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0.1μm～0.5μm，现在的水平已经达到0.005μm～0.01μm，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（Winchester）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。

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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BADSECTOR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）和与这些虚拟信息字节相应的ECC数字填入这个部分。

ps：

ECC（ErrorCheckingandCorrecting）技术也有用在内存条上，一般是以服务器（server）类型为主。

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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

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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？

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总结篇：

补充下：

简单说下关于Solid-statedrive（SSD固态式硬盘）和Hard-diskdrive（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，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、2.5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satai、sataii、sataiii三种，还在主流/普及阶段的类型是sataii）、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。

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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2