機械硬盤是如何存儲數據的

打開一塊機械硬盤,它的內部其實並不複雜,我們的數據其實就存儲在這塊磁盤中,根據硬盤的容量,可以有多塊盤片,磁盤安裝在主軸上,主軸上的無刷電機會以7200轉每分鐘的速度,帶動磁盤轉動,這是一個磁頭臂組件,上下各有一個臂,在磁頭臂的末端是一個滑塊和讀寫頭,滑塊通過特殊設計,可以捕獲高速旋轉的磁盤產生的氣流, 並利用氣流將讀寫頭懸浮在離磁盤表面只有15納米的地方,硬盤在工作時,磁頭臂會一直位於磁盤的表面,停止工作時,磁頭臂就會收回,與磁頭臂相連的還有一個線圈,線圈上下還有兩塊強力磁鐵,當電流經過線圈時,會產生一個電磁場, 此時上下兩塊磁鐵就會受到一個作用力,使得磁頭臂在磁盤上移動,當音圈通入反向電流時,這時磁頭臂會受到一個相反的作用力,從而反向進行移動,音圈能夠將讀寫頭的移動位置精確地控制在30納米左右,從而快速找到需要讀取的數據,磁頭每秒能在不同的磁道上來回移動20多次,並可以進行非常微小的調整,爲了能讓磁頭臂正常工作, 磁頭臂是通過一條柔性電線向下連接到一個連接器的,連接器能將信號傳輸到硬盤驅動以及PCB電路板上,PCB上有一個主處理器和一個DRAM芯片,該芯片主要作爲暫存器,以及輸入輸出的緩衝區使用,在這邊還有一個小芯片,主要用於控制音圈和無刷直流電機,PCB的側邊是硬盤的SATA連接口,然後所有的這些部件全部被一個外殼密封了起來,硬盤的密封非常重要, 如果進入任何灰塵顆粒,磁盤都會造成重大損壞,因爲讀寫頭與磁盤間隔只有15納米,而大的灰塵可達1萬納米,說完硬盤的構造後,那硬盤是如何讀取數據的呢?硬盤的數據就存儲在這塊磁盤中,磁盤被分成非常多的同心圓磁道,磁道數量達到50萬多個,然後這些磁盤又被分爲多個扇區, 我們單獨看其中的一個扇區,扇區的前一部分是同步碼,用於記錄每個數據的長度,接着是一個地址碼,用於告訴讀寫頭,數據位於哪個磁道,哪個扇區,接着就是用於存儲真實數據的區域,每個扇區存儲4KB數據,最後面的是糾錯碼,用於驗證存儲在塊中的數據是否被正確讀寫出來。 現在我們放大磁盤進入微觀世界,看一下磁頭究竟是如何讀寫數據的,將數據寫入磁盤,是通過磁頭磁化磁盤單元來實現的,一個磁盤單元只有90乘以100乘以125納米大小,當磁盤單元被磁化時,磁盤單元內的所有原子的南北極都會指向同一方向,爲了能實現磁化,在寫入頭的後面有一個通電線圈,線圈通電會產生強磁場, 磁場通過寫入頭聚焦到尖端的一個小點上,然後穿過15納米的空隙,進入到磁盤單元,在磁場的作用下,磁盤單元的磁場方向發生改變,從而實現磁化,需要注意的是,這種磁化是持久的,即使磁頭移開了,磁盤單元的磁化依舊可以保持很多年。 當改變電流方向,磁盤的磁盤單元方向也會跟着改變,有了這些磁化的磁盤單元,我們就可以這樣定義,箭頭朝上的磁盤單元等於1,箭頭朝下的磁盤單元等於0,這種定義看起來很簡單,但是實際情況並不是這樣定義的,磁頭是通過檢測相鄰的兩個磁盤單元的磁場方向,來定義0和1的,相鄰的兩個磁盤單元的磁場方向如果相反,那麼就定義爲1, 如果兩個磁盤單元的磁場方向一樣,那就定義爲0,所以當磁盤寫入數據時,寫入頭就會根據數據是0或者1,來磁化相應的磁盤單元,讀取數據也一樣,讀取數據是通過讀取頭來操作的,讀取頭的內部是多層的導電材料,由磁性材料和非磁性材料交替組合而成,這種材料很特殊,它可以根據磁盤單元的磁場強度來改變電阻率, 如果電阻率較低,表示下方的磁場比較強,那結果就讀取爲1,如果電阻率比較高,表示下方的磁場比較弱,那結果就讀取爲0,從而將最終的磁盤數據讀取出來。