硬盘的工作原理

0.背景

近期（201804）接手个项目，是做一个语音播放器，读取SD卡里的文件，涉及到了文件系统及播放的技术，项目搞完了，但是对文件系统的了解也仅限于应用水平。想进一步学习下，但是看了几天资料总是思路不够连贯，知识还是一片一片的，不系统。所以来写此博文。我以下说的大多为问号并非句号，有异议的大牛们可以提出，希望共同成长。

本文主要介绍硬盘的组成及工作原理。

1.硬盘组成

1.1先来个导入：

传统硬盘： 所有机械硬盘的原理相同。盘片被磁性材料覆盖，盘片上的磁性粒子被极化以表示一个二进制信息单元（或比特）。这种方式相对便宜，因此相对于其它存储技术而言，这是一种很受欢迎的存储大量数据的方式，软盘和磁带也是使用的这种方式。

固态硬盘： SSD盘并不像传统硬盘那样采用磁性材料来存储数据，而是采用基础单位被称为cell（存储单元）的NAND flash来存储数据。NAND Flash是一种非易失性随机访问存储介质。

1.2再来个组成：

硬盘主要由盘体、控制电路板和接口部件组成。盘体就是一个密封，封装了多个盘片的腔体；控制电路包含硬盘BIOS，主控芯片和硬盘缓存等单元；接口部件包含电源、数据接口主从跳线等。

1.3再再来说工作过程：

硬件存储原理：

硬盘存储数据是根据电、磁转换原理实现的。硬盘由一个或几个表面镀有磁性物质的金属或玻璃等物质盘片以及盘片两面所安装的磁头和相应的控制电路组成，其中盘片和磁头密封在无尘的金属壳中。

硬盘工作时，盘片以设计转速高速旋转，设置在盘片表面的磁头则在电路控制下径向移动到指定位置然后将数据存储或读取出来。

写数据：系统向硬盘写入数据时，磁头中“写数据”电流产生磁场使盘片表面磁性物质状态发生改变，并在写电流磁场消失后仍能保持，这样数据就存储下来了；

读数据：系统从硬盘中读数据时，磁头经过盘片指定区域，盘片表面磁场使磁头产生感应电流或线圈阻抗产生变化，经相关电路处理后还原成数据。

上电启动过程：

计算机在按下power键以后，开始执行主板bios程序。进行完一系列检测和配置以后。开始按bios中设定的系统引导顺序引导系统。假定现在是硬盘。Bios执行完自己的程序后如何把执行权交给硬盘呢？交给硬盘后又执行存储在哪里的程序呢？

MBR位于整个硬盘的 0 柱面 0磁头 1 扇区(可以看作是硬盘的第一个扇区)，bios在执行自己固有的程序以后就会jump到mbr中的第一条指令。将系统的控制权交由mbr来执行。

磁盘的读写过程：

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。

步骤一、系统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。

步骤二、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。

步骤三、在扇区到来时，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。

步骤四、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。

步骤五、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。
断电过程：

在断电的时候由于电源的不稳定，读写磁头会不会不稳定，造成数据的混乱呢？答案是会的。

但是为什么我们在遇到蓝屏或紧急情况下直接断电没问题呢？

根据目前在网上胡乱找的资料来看，有两种解释具体的操作可能是需要根据具体厂家来定了。（非专业，仅供参考，求专家说明）

1）、当系统检测到电源送给系统的电压下降信号时，立刻向硬盘发送指令，使磁头返回，良好的电源可保证这一过程完成，在几十毫秒后才使整机断电。

2）、正常操作时磁头悬浮在盘面上，如果突然断电，控制磁头的音圈马达就会以为突然失电而失去动力，磁头就会在极短的时间内由于一个永磁铁的作用力而回到磁头托架上面去，这就是为什么硬盘在经受数次断电而没有损坏的原因。

但是这种结构不能绝对保证安全性，如果在断电的瞬间，磁头正在读写数据，尤其是写入的时候磁头离盘片非常近，突然断电，根据空气动力学，盘片转速下降，悬浮力减小，磁头就有可能摩擦到盘片，造成盘片划伤，盘片划伤严重的话硬盘就会报废。

参考资料：