詳解硬盤讀寫和碎片產(chǎn)生原理

1、一、硬盤的組成硬盤大家一定不會陌生，我們可以把它比喻成是我們電腦儲存數(shù)據(jù)和信息的大倉庫。一般說來，無論哪種硬盤，都是由盤片、磁頭、盤片主軸、控制電機(jī)、磁頭控制器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、接口、緩存等幾個部份組成。圖1 硬盤組成圖所有的盤片都固定在一個旋轉(zhuǎn)軸上，這個軸即盤片主軸。而所有盤片之間是絕對平行的，在每個盤片的存儲面上都有一個磁頭，磁頭與盤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磁頭控制器上，由磁頭控制器負(fù)責(zé)各個磁頭的運(yùn)動。磁頭可沿盤片的半徑方向動作，而盤片以每分鐘數(shù)千轉(zhuǎn)到上萬轉(zhuǎn)的速度在高速旋轉(zhuǎn)，這樣磁頭就能對盤片上的指定位置進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫操作。圖2 盤片組成圖由于硬盤是高精密設(shè)備，塵埃

2、是其大敵，所以必須完全密封。二、硬盤的工作原理硬盤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)硬盤的每個盤片的每個面都有一個讀寫磁頭，磁盤盤面區(qū)域的劃分如圖所示。圖4 磁盤盤面區(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，硬盤數(shù)據(jù)的存放就是從最外圈開始的。那么，磁頭是如何找到“0”磁道的位置的呢？在硬盤中還有一個叫“0”磁道檢測器的構(gòu)件，它是用來完成硬盤的初始定位?！?”磁道是如此的重要，以致很多硬盤僅僅因?yàn)椤?”磁道損壞就報(bào)廢

3、，這是非?？上У摹Ｔ缙诘挠脖P在每次關(guān)機(jī)之前需要運(yùn)行一個被稱為Parking的程序，其作用是讓磁頭回到啟停區(qū)?，F(xiàn)代硬盤在設(shè)計(jì)上已摒棄了這個雖不復(fù)雜卻很讓人不愉快的小缺陷。硬盤不工作時，磁頭停留在啟停區(qū)，當(dāng)需要從硬盤讀寫數(shù)據(jù)時，磁盤開始旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)速度達(dá)到額定的高速時，磁頭就會因盤片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的氣流而抬起， 這時磁頭才向盤片存放數(shù)據(jù)的區(qū)域移動。 盤片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的氣流相當(dāng)強(qiáng)，足以使磁頭托起，并與盤面保持一個微小的距離。這個距離越小，磁頭讀寫數(shù)據(jù)的靈敏度就越高，當(dāng)然對硬盤各部件的要求也越高。早期設(shè)計(jì)的磁盤驅(qū)動器使磁頭保持在盤面上方幾微米處飛行。稍后一些設(shè)計(jì)使磁頭在盤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盤面，又能使它保持在離盤面足夠近的地方，非常緊密地跟隨著磁盤表面呈起伏運(yùn)動，使磁頭飛行處于嚴(yán)格受控狀態(tài)。磁頭必須飛行在盤面上方，而不是接觸盤面，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，磁頭也不能離盤面太遠(yuǎn)，否則，就不能使盤面達(dá)到足夠強(qiáng)的磁化，難以讀出盤上的磁化翻轉(zhuǎn)（磁極轉(zhuǎn)換形式，是磁盤上實(shí)際記錄數(shù)據(jù)的方式）。圖5 磁片原理硬盤驅(qū)動器磁頭的飛行懸浮高度低、速度快，一旦有小的塵埃進(jìn)入硬盤密封腔內(nèi)，或者一旦磁頭與盤體發(fā)生碰撞，就可能造成數(shù)據(jù)丟失，形成壞塊，甚至造成 磁頭和盤體的損壞。

5、所以，硬盤系統(tǒng)的密封一定要可靠，在非專業(yè)條件下絕對不能開啟硬盤密封腔，否則，灰塵進(jìn)入后會加速硬盤的損壞。另外，硬盤驅(qū)動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)動步進(jìn)電機(jī)，在伺服跟蹤的調(diào)節(jié)下精確地跟蹤盤片的磁道，所以，硬盤工作時不要有沖擊碰撞，搬動時要小心輕放。這種硬盤就是采用溫徹斯特（Winchester）技術(shù)制造的硬盤，所以也被稱為溫盤，目前絕大多數(shù)硬盤都采用此技術(shù)。三、盤面、磁道、柱面和扇區(qū)硬盤的讀寫是和扇區(qū)有著緊密關(guān)系的。在說扇區(qū)和讀寫原理之前先說一下和扇區(qū)相關(guān)的”盤面”、“磁道”、和“柱面”。1.盤面硬盤的盤片一般用鋁合金材料做基片，高速硬盤也可能用玻璃做基片。硬盤的每一個盤片都有

6、兩個盤面（Side），即上、下盤面，一般每個盤面都會利用，都可以存儲數(shù)據(jù)，成為有效盤片，也有極個別的硬盤盤面數(shù)為單數(shù)。每一個這樣的有效盤面都有一個盤面號，按順序從上至下從“0”開始依次編號。在硬盤系統(tǒng)中，盤面號又叫磁頭號，因?yàn)槊恳粋€有效盤面都有一個對應(yīng)的讀寫磁頭。硬盤的盤片組在214片不等，通常有23個盤片，故盤面號（磁頭號）為03或 05。2.磁道磁盤在格式化時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開始順序編號。硬盤的每一個盤面有3001024個磁道，新式大容量硬盤每面的磁道數(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，外圈在同樣時間段里，劃過的圓弧長度要比內(nèi)圈劃過的圓弧長度大。每段圓弧叫做一個扇區(qū)，扇區(qū)從“1”開始編號，每個扇區(qū)中的數(shù)據(jù)作為一個單元同時讀出或?qū)懭?。一個標(biāo)準(zhǔn)的3.5寸硬盤盤面通常有幾百到幾千條磁道。磁道是“看”不見的，只是盤面上以特殊形式磁化了的一些磁化區(qū)，在磁盤格式化時就已規(guī)劃完畢。3.柱面所有盤面上的同一磁道構(gòu)成一個圓柱，通常稱做柱面（Cylinder），每個圓柱上的磁頭由上而下從“0”開始編號。數(shù)據(jù)的讀/寫按柱面進(jìn)行，即磁頭讀/寫數(shù)據(jù)時首先在同一柱面內(nèi)從“0”磁頭

8、開始進(jìn)行操作，依次向下在同一柱面的不同盤面即磁頭上進(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取磁頭只需通過電子切換即可，而選取柱面則必須通過機(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快得多，所以，數(shù)據(jù) 的讀/寫按柱面進(jìn)行，而不按盤面進(jìn)行。也就是說，一個磁道寫滿數(shù)據(jù)后，就在同一柱面的下一個盤面來寫，一個柱面寫滿后，才移到下一個扇區(qū)開始寫數(shù)據(jù)。讀數(shù)據(jù)也按照這種方式進(jìn)行，這樣就提高了硬盤的讀/寫效率。一塊硬盤驅(qū)動器的圓柱數(shù)（或每個盤面的磁道數(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）形式將信息存儲在硬盤上，每個扇區(qū)包括512個字節(jié)的數(shù)據(jù)和一些其他信息。一個扇區(qū)有兩個主要部分：存儲數(shù)據(jù)地點(diǎn)的標(biāo)識符和存儲數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)段。圖6 扇區(qū)工作原理扇區(qū)的第一個主要部分是標(biāo)識符。標(biāo)識符，就是扇區(qū)頭標(biāo)，包括組成扇區(qū)三維地址的三個數(shù)字：扇區(qū)所在的磁頭（或盤面）、磁道（或柱面號）以及扇區(qū)在磁道上的位置即扇區(qū)號。頭標(biāo)中還包括一個字段，其中有顯示扇區(qū)是否能可靠存儲數(shù)據(jù)，或者是否已發(fā)現(xiàn)某個故障因而不宜使用的標(biāo)記。有些硬盤控制器在扇區(qū)頭標(biāo)中還記錄有指示字，可在原扇區(qū)出錯時指引磁盤轉(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)確無誤。扇區(qū)的第二個主要部分是存儲數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)段，可分為數(shù)據(jù)和保護(hù)數(shù)據(jù)的糾錯碼（ECC）。在初始準(zhǔn)備期間，計(jì)算機(jī)用512個虛擬信息字節(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)字填入這個部分。四、硬盤的讀寫原理系統(tǒng)將文件存儲到磁盤上時，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，一個柱面存儲滿后就推進(jìn)到下一個柱面，直到把文件內(nèi)容全部寫入磁盤。系統(tǒng)也以相同的順序讀出數(shù)據(jù)。讀出數(shù)據(jù)時通過告訴磁盤控制器要讀出扇區(qū)所在的柱面號、磁頭號和扇區(qū)號（物理地址的三個組成部分）進(jìn)行。磁盤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)移動到磁頭下。扇區(qū)到來時，磁盤控制器讀出每個扇區(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做比較（即尋道），然后，尋找要求的扇區(qū)號。待磁盤控制器找到該扇區(qū)頭標(biāo)時，根據(jù)其任務(wù)是寫扇區(qū)還是讀扇區(qū)，來決定是轉(zhuǎn)換寫電路， 還是讀出數(shù)據(jù)和尾部記錄。找到扇區(qū)后，磁盤控制器必須在繼續(xù)尋找下一個扇區(qū)之前對該扇區(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。在控制器對此扇區(qū)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行必要處理期間，磁盤繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。五、磁盤碎片的產(chǎn)生俗話說一圖勝千

12、言，先用一張ACSII碼圖來解釋為什么會產(chǎn)生磁盤碎片。圖7 ASCII圖上面的ASCII圖表示磁盤文件系統(tǒng)，由于目前上面沒有任何數(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個字母，這是用來定位每個數(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。 接下來再新建一個文件圖

13、9 ASCII圖如圖，我們新建的文件bye。txt緊貼著第一個文件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挨著一個，緊緊的貼放在一起的話，那么讀取他們將會非常的容易和迅速，這是因?yàn)樵谟脖P里動得最慢的(相對來說)就是傳動手臂，少位移一些，讀取文件數(shù)據(jù)的時間就會快一些。然而恰恰這就是問題的所在。現(xiàn)在我想在”Hello, World”后加上些感嘆號來表達(dá)我強(qiáng)烈的感情，現(xiàn)在的問題是：在這樣的系統(tǒng)上，文件所在的行就沒有地方讓我放這些感嘆號了，因?yàn)閎ye.txt占據(jù)了剩下的位置?，F(xiàn)在有倆個方法可以選擇，但是沒有一個是完美的1.我們從原位置刪除文件，重新建個文

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