文件系统笔记一、磁盘物理结构

文件系统笔记一、磁盘物理结构

引言：文件系统从根本上说，就是操作系统对磁盘进行的抽象和装扮。故了解磁盘的物理结构，是我们学习文件系统的基础。

文件系统笔记一、磁盘物理结构
一、磁盘概念引入

二、磁盘定义

三、磁盘结构
3.1、外部结构

3.2、内部结构

3.3、盘面结构

一、磁盘概念引入

  计算机运行时需要的数据和代码来自主存储器（内存）。如果计算机不在运行状态，这些数据和代码保存在哪呢？内存不是持久性的存储介质，它是进程运行过程中临时分配的存储空间。一旦进程运行结束，其所占的内存空间就被释放，存放在里面的代码和数据也将丢失。因此，数据和代码要想长久保存，就需要一个更为持久的地方来存放，这个存放的地方就是磁盘。

  对于大多数计算机领域的人来说，磁盘通常被看作一个外部设备。可对于现代操作系统来讲，磁盘是不可或缺的。早期的操作系统可以基于磁带，随着操作系统复杂性和性能不断提升，用磁带作为操作系统的载体已不合时宜，取而代之的是磁盘。由于操作系统需要存放在磁盘上，且操作系统内的文件也主要基于磁盘。因此，磁盘是操作系统不可分割的一部分。

二、磁盘定义

  通俗来讲，磁盘就是形状像盘子的磁性存储介质，这种存储介质的特性是持久，正常情况下数据存在上面不会消失；磁性、圆形是它的显著特征，所以称为磁盘；其成本低廉，可大量使用。对于现代计算机来说，磁盘已经成为不可或缺的一个组件。

硬盘（英语：Hard Disk Drive，简称HDD）是电脑上使用坚硬的旋转盘片为基础的非挥发性存储设备，它在平整的磁性表面存储和检索数字数据，信息通过离磁性表面很近的磁头，由电磁流来改变极性方式被电磁流写到磁盘上，信息可以通过相反的方式读取。硬盘包括一至
4000
数片高速转动的磁盘以及放在执行器悬臂上的磁头。 –维基百科

三、磁盘结构

3.1、外部结构

  了解了磁盘的定义，现在我们要由外向里，简单了解磁盘的结构及其工作原理。从外部看，磁盘的结构主要包括金属固定面板、控制电动板和接口三部分。



[align=center] 图1、磁盘的外观[/align]

金属固定面板 ：磁盘外部总会有一个金属的面板，用于保护整个硬盘，一般其正面贴有产品标签，标注产品的型号、产地、参数等，这些信息是正确使用磁盘的基本依据。金属面板和底板结合成一个密封的整体，保证磁盘稳定运行。

控制电路板 ：在磁盘的金属盖上会固定有一个电路板，这个电路板就是磁盘的驱动电路板。为节省空间，一般采用贴片式元件焊接，这些电子元器件组成了功能不同的电子电路，这些电路包括主轴调速电路、磁头驱动、伺服电机定位、读写电路、控制和接口电路等。在电路板上有几个主要的芯片：主控芯片、BIOS芯片、缓存芯片、电机驱动芯片。

接口 ：在硬盘的顶端会有几个不同的硬盘接口，这些接口主要包括电源插座接口、数据接口、主从跳线接口。其中电源插口和主机电源相连，为硬盘工作提供电力保证。数据接口则是硬盘数据和主板控制电路质检进行传输交换的纽带。中间的主、从盘跳线接口，用以设置主从硬盘，即设置硬盘驱动器的访问顺序。

3.2、内部结构

  打开磁盘的外壳，其内部结构一览无余。磁盘内部结构主要包括磁头组件、磁头驱动组件、盘片与主轴组件和前置控制电路。

磁头组件 ：磁头组件包括读写磁头、传动手臂、传动轴三部分组成。其中最主要的部分是磁头，另外两部分可以看作是磁头的辅助装置。传动轴带动传动手臂，使磁头到达制定位置。磁盘在工作时，磁头通过感应旋转的盘片上磁场的变化来读取数据，通过改变盘片上的磁场来写入数据。为避免磁头和盘片的磨损，在工作状态时，磁头悬浮在盘片上方，间隙仅有0.1 -0.3um。

磁头驱动组件 ：磁头的移动是靠驱动组件实现的，磁盘的寻到时间 长短与磁头驱动组件关系密切。高精度的磁头驱动机构能够对磁头进行正确的驱动和定位，并能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。

盘片与主轴组件 ：盘片是硬盘存储数据的载体，将在下段重点表述。主轴组件包括主轴部件轴瓦和驱动电机等。随着硬盘容量的扩大和速度提高，主轴电机的速度也在不断提高。

前置控制电路 ：前置控制电路放大磁头感应的信号、主轴电机调速、磁头定位和伺服定位等，由于磁头读取的信号微弱，将放大电路密封在腔体内可减少外来信号的干扰，提高操作指令的准确性。

3.3、盘面结构

[align=center]图2、磁盘盘面的物理构造[/align]

  盘片是硬盘存储数据的载体。一块磁盘实际上并不是只有一块盘片，而是由多块盘片组成，每块盘片的正反两面皆可以存放数据。每个盘面上都配有一个读写磁头，而所有的读写磁头连在一根共享的磁臂上。当磁臂运动时，所有的磁头均做相同的运动。盘片则以常速不停地旋转。这个旋转速度通常为每分钟3500 至 10000转，即大约每6ms到17ms旋转一圈。（以10000为例， 10000转 / min, 即10000转耗费1 * 60 * 1000 = 60000ms ）

  为方便存储数据，人们将每块盘面分为磁道和扇面。

磁道 ：磁道是一个个的同心圆。当磁盘旋转时，磁头若保存在一个位置上，则每个磁头都会在磁盘表面划出一个圆形轨迹，这些圆形轨迹就叫做磁道。通常盘片的一面有成千上万个磁道，磁盘上面的信息是沿轨道存放的，但相邻的磁道间保持一定距离，避免磁化单元相近时磁性相互影响。

扇区 ：每个盘片的每一面都会划分很多同心圆的磁道，而且还会将每个同心圆进一步分割为多个相等的圆弧，这些圆弧就是扇区（也称扇面）。数据则以扇区进行存储，扇区也是磁盘I/O操作的最小单位。扇区通常包含标题、数据、ECC纠错信息，其中标题包含同步和位置信息，ECC功用是对数据段提供错误侦测和纠正。

柱面 ：硬盘通常由多个盘片构成，而且每个面都被划分为数目相等的磁道，并从外边缘开始编号（即最边缘的磁道为0磁道，往里面依次累加）。如此磁道中具有相同编号的磁道会形成一个圆柱，此圆柱称为柱面。磁盘的柱面数与一个盘面上的磁道数是相等的。

小结：磁盘是不易挥发的持久性存储介质，特点是圆形、磁性。了解其物理结构，有助于我们学习文件系统的相关内容。

参考资料：

《操作系统之哲学原理》 邹恒明著

维基百科 磁盘的物理结构

百度-硬盘物理结构及其工作原理

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