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硬碟救援技術分享
07.Jul.2017 / [2017-07-12~]

硬碟機的讀寫原理

1956年IBM的一個工程小組向世界展示第一台磁碟存儲系統Ramac,
1968年Winchester技術被提出,硬碟走過了50年的歷程,雖然硬碟技術上有很多的進步,
衍生出了SCSI、IDE、SATA等多種不同的形式,那只是為了適應新的應用需要開發的不同接口而已,
硬碟的結構依然沒有超越Wenchester技術的定義:
密封、固定並高速旋轉的鍍磁碟片,磁頭延碟片向徑移動,
磁頭懸浮在高速旋轉的碟片上方而不與碟片接觸。
硬碟的種類主要是SCSI 、IDE 、以及現在流行的SATA等;任何一種硬碟的生產都要一定的標準;
隨著相應的標準的升級,硬碟生產技術也在升級;
比如 SCSI標準已經經歷了SCSI-1 、SCSI-2、SCSI-3;
其中目前咱們經常在伺服器網站看到的 Ultral-160就是基於SCSI-3標準的;
IDE 遵循的是ATA標準,而目前流行的SATA,是ATA標準的升級版本;
IDE是並口設備,而SATA是串口,SATA的發展目的是替換IDE;
我們知道信息存儲在硬碟里,把它拆開也看不見裡面有任何東西,
只有些碟片。假設,你用顯微鏡把碟片放大,會看見碟片表面凹凸不平,凸起的地方被磁化,凹的地方是沒有被磁化;
凸起的地方代表數字1(磁化為1),凹的地方代表數字0。
因此硬碟可以以二進位來存儲表示文字、圖片等信息。

1、硬碟的組成
硬碟大家一定不會陌生,我們可以把它比喻成是我們電腦儲存數據和信息的大倉庫。
一般說來,無論哪種硬碟,都是由碟片、磁頭、碟片主軸、控制電機、磁頭控制器、數據轉換器、接口、緩存等幾個部份組成。
所有的碟片都固定在一個旋轉軸上,這個軸即碟片主軸。
而所有碟片之間是絕對平行的,在每個碟片的存儲面上都有一個磁頭,磁頭與碟片之間的距離比頭髮 絲的直徑還小。
所有的磁頭連在一個磁頭控制器上,由磁頭控制器負責各個磁頭的運動。
磁頭可沿碟片的半徑方向動作,(實際是斜切向運動),每個磁頭同一時刻也必須是同軸的,
即從正上方向下看,所有磁頭任何時候都是重疊的(不過目前已經有多磁頭獨立技術,可不受此限制)。
而碟片以每分鐘數千轉到上萬轉的速度在高速旋轉,這樣磁頭就能對碟片上的指定位置進行數據的讀寫操作。
由於硬碟是高精密設備,塵埃是其大敵,所以必須完全密封。

2、硬碟的工作原理
硬碟在邏輯上被劃分為磁軌、柱面以及扇區.
硬碟的每個碟片的每個面都有一個讀寫磁頭,磁碟盤面區域的劃分如圖所示。
磁頭靠近主軸接觸的表面,即線速度最小的地方,是一個特殊的區域,
它不存放任何數據,稱為啟停區或著陸區(LandingZone),啟停區外就是數據區。
在最外圈,離主軸最遠的地方是「0」磁軌,硬碟數據的存放就是從最外圈開始的。
那麼,磁頭是如何找到「0」磁軌的位置的 呢?
在硬碟中還有一個叫「0」磁軌檢測器的構件,它是用來完成硬碟的初始定位。
「0」磁軌是如此的重要,以致很多硬碟僅僅因為「0」磁軌損壞就報廢,這是 非常可惜的。

早期的硬碟在每次關機之前需要運行一個被稱為Parking的程序,其作用是讓磁頭回到啟停區。
現代硬碟在設計上已摒棄了這個雖不複雜卻很讓人不愉快的小缺陷。
硬碟不工作時,磁頭停留在啟停區,當需要從硬碟讀寫數據時,磁碟開始旋轉。
旋轉速度達到額定的高速時,磁頭就會因碟片旋轉產生的氣流而抬起, 這時磁頭才向碟片存放數據的區域移動。

碟片旋轉產生的氣流相當強,足以使磁頭托起,並與盤面保持一個微小的距離。
這個距離越小,磁頭讀寫數據的靈敏度就越高,當然對硬碟各部件的要求也越 高。
早期設計的磁碟驅動器使磁頭保持在盤面上方幾微米處飛行。
稍後一些設計使磁頭在盤面上的飛行高度降到約0.1μm~0.5μm,
現在的水平已經達到 0.005μm~0.01μm,這只是人類頭髮直徑的千分之一。

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碟表面呈起伏運動,
使磁頭飛行處於嚴格受控狀態。
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塗層,
而更重要的是不讓磁性塗層損傷磁頭。
但是,磁頭也不能離盤面太遠,
否則,就不能使盤面達到足夠強的磁化,
難以讀出盤上的磁化翻轉(磁極轉換形式,是磁碟上實際記錄數據的方式)。

硬碟驅動器磁頭的飛行懸浮高度低、速度快,一旦有小的塵埃進入硬碟密封腔內,
或者一旦磁頭與盤體發生碰撞,就可能造成數據丟失,
形成壞塊,甚至造成 磁頭和盤體的損壞。
所以,硬碟系統的密封一定要可靠,
在非專業條件下絕對不能開啟硬碟密封腔,否則,灰塵進入後會加速硬碟的損壞。
另外,硬碟驅動器磁頭的尋道伺服電機多採用音圈式旋轉或直線運動步進電機,
在伺服跟蹤的調節下精確地跟蹤碟片的磁軌,
所以,硬碟工作時不要有衝擊碰撞,搬動時要小心輕放。
這種硬碟就是採用溫徹斯特(Winchester)技術製造的硬碟,
所以也被稱為溫盤,目前絕大多數硬碟都採用此技術。

3、盤面、磁軌、柱面和扇區硬碟的讀寫是和扇區有著緊密關係的
在說扇區和讀寫原理之前先說一下和扇區相關的「盤面」、「磁軌」、和「柱面」。
  • 盤面
    硬碟的碟片一般用鋁合金材料做基片,高速硬碟也可能用玻璃做基片。
    硬碟的每一個碟片都有兩個盤面(Side),即上、下盤面,一般每個盤面都會利用,
    都可以存儲數據,成為有效碟片,也有極個別的硬碟盤面數為單數。
    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。
    在硬碟系統中,盤面號又叫磁頭號,因為每一個有效盤面都有一個對應的讀寫磁頭。
     硬碟的碟片組在2~14片不等,通常有2~3個碟片,故盤面號(磁頭號)為0~3或 0~5。
  •  磁軌
    磁碟在格式化時被劃分成許多同心圓,這些同心圓軌跡叫做磁軌(Track)。磁軌從外向內從0開始順序編號。硬碟的每一個盤面有300~1 024個磁軌,新式大容量硬碟每面的磁軌數更多。信息以脈衝串的形式記錄在這些軌跡中,這些同心圓不是連續記錄數據,而是被劃分成一段段的圓弧,這些圓弧的角速度一樣。由於徑向長度不一樣,所以,線速度也不一樣,外圈的線速度較內圈的線速度大,即同樣的轉速下,外圈在同樣時間段里,划過的圓弧長度要比內圈 划過的圓弧長度大。每段圓弧叫做一個扇區,扇區從「1」開始編號,每個扇區中的數據作為一個單元同時讀出或寫入。一個標準的3.5寸硬碟盤面通常有幾百到幾千條磁軌。磁軌是「看」不見的,只是盤面上以特殊形式磁化了的一些磁化區,在磁碟格式化時就已規劃完畢。
     
  • 柱面
    所有盤面上的同一磁軌構成一個圓柱,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。數據的讀/寫按柱面進行,
    即磁頭讀/寫數據時首先在同一柱面內從「0」磁頭開始進行操作,
    依次向下在同一柱面的不同盤面即磁頭上進行操作,
    只在同一柱面所有的磁頭全部讀/寫完畢後磁頭 才轉移到下一柱面(同心圓的再往裡的柱面),
    因為選取磁頭只需通過電子切換即可,而選取柱面則必須通過機械切換。
    電子切換相當快,比在機械上磁頭向鄰近磁軌移動快得多,
    所以,數據的讀/寫按柱面進行,而不按盤面進行。
    也就是說,一個磁軌寫滿數據後,就在同一柱面的下一個盤面來寫,
    一個柱面寫滿後,才移到下一個扇區開始寫數據。
    讀數據也按照這種方式進行,這樣就提高了硬碟的讀/寫效率。
    一塊硬碟驅動器的圓柱數(或每個盤面的磁軌數)既取決於每條磁軌的寬窄(同樣,也與磁頭的大小有關),
    也取決於定位機構所決定的磁軌間步距的大小。
     
  • 4.扇區
    作業系統以扇區(Sector)形式將信息存儲在硬碟上,
    每個扇區包括512個字節的數據和一些其他信息。
    一個扇區有兩個主要部分:存儲數據地點的標識符和存儲數據的數據段。
    扇區的第一個主要部分是標識符。
    標識符,就是扇區頭標,
    包括組成扇區三維地址的三個數字:
    盤面號:扇區所在的磁頭(或盤面)
    柱面號:磁軌,確定磁頭的徑向方向。
    扇區號:在磁軌上的位置。也叫塊號。
    確定了數據在碟片圓圈上的位置。
    頭標中還包括一個欄位,其中有顯示扇區是否能可靠存儲數據,或者是否已發現某個故障因而不宜使用的標記。有些硬碟控制器在扇區頭標中還記錄有指示字,可在原扇區出錯時指引磁碟轉到替換扇區或磁軌。
    最後,扇區頭標以循環冗餘校驗(CRC)值作為結束,以供控制器檢驗扇區頭標的讀出情況,確保準確無誤。
    扇區的第二個主要部分是存儲數據的數據段,可分為數據和保護數據的糾錯碼(ECC)。
    在初始準備期間,計算機用512個虛擬信息字節(實際數據的存放地)和與這些虛擬信息字節相應的ECC數字填入這個部分。
     
  • 訪盤請求完成過程 :確定磁碟地址(柱面號,磁頭號,扇區號),
    內存地址(源/目):當需要從磁碟讀取數據時,系統會將數據邏輯地址傳給磁碟,磁碟的控制電路按照尋址邏輯將邏輯地址翻譯成物理地址,即確定要讀的數據在哪個磁軌,哪個扇區。
    為了讀取這個扇區的數據,需要將磁頭放到這個扇區上方,
    為了實現這一點:
    1.首先必須找到柱面,即磁頭需要移動對準相應磁軌,這個過程叫做尋道,所耗費時間叫做尋道時間,
    2.然後目標扇區旋轉到磁頭下,即磁碟旋轉將目標扇區旋轉到磁頭下。
     這個過程耗費的時間叫做旋轉時間。tseek 為尋道時間tla為旋轉時間
     
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