【实物图讲解】硬盘的工作原理笔记

前言本文材料来自b站UP : Redknot-乔红 的视频机械硬盘的原理创作目的是让自己有一个完整的计算机组成和工作原理框架以及方便未来复习一、硬盘的组成机械硬盘和固态硬盘的解释图)找了几张图...我们从机械硬盘的结构开始这是一块硬盘外面包着一层金属壳。硬盘的外壳保护着内部的组件并提供了一个防尘、防潮的环境。外壳通常由金属或塑料制成并设计有通风孔以帮助散热。二、硬盘的读写我们把这个拆开我们来看着里面最重要的两个部分盘片and摆臂我们往硬盘中写入所有的信息都会被存储到这张盘片上盘片一般用铝合金或者玻璃作为基底硬盘中最重要的部分就是磁盘它是由一个或多个金属盘片组成的。每个盘片上都有两个表面可以被读写头访问。磁盘在主轴电机的驱动下高速旋转旋转速度通常在每分钟5400到15000转之间在基底上面会附着一层由钴铬铂合金制成的磁性材料这层磁性材料可以被划分成一块一块的区域通过在外部施加磁场就可以将这些区域进行磁化使其具备磁性不同的磁化反向就可以表示不同的数据这就是盘片存储数据的基本原理了在现代硬盘中最基本的磁化方向主要有两种它们都基于垂直磁记录Perpendicular Magnetic Recording, PMR技术垂直向上垂直向下这两种方向是相反的分别垂直于盘片表面。您可以想象盘片表面有无数个微小的“小磁铁”即磁畴每个“小磁铁”的N极要么朝上要么朝下。这两种相反的磁化方向被用来表示二进制数据垂直向上的磁化方向可以代表数字“1”。垂直向下的磁化方向则代表数字“0”。当需要写入数据时硬盘的磁头会产生一个精确的、方向可控的磁场。这个磁场会改变盘片上特定区域即磁畴的磁化方向就像用一块小磁铁去吸另一个小磁铁让它翻转过来一样。通过这种方式硬盘就能将我们日常使用的文字、图片、视频等信息全部转换成一连串的“0”和“1”并以磁畴向上或向下的磁化方向“刻录”在盘片上。由于铁磁性材料具有剩磁特性即使断电这些磁化方向也能长期稳定保持从而实现数据的持久化存储。无刷电机主轴电机主轴电机是硬盘的核心组件之一它负责驱动磁盘高速旋转。主轴电机通常采用无刷直流电机BLDC或感应电机IM技术以确保高速旋转的稳定性和可靠性这个磁场会和两块强磁铁作用带动摆臂进行摆动这一圈圈的称为磁道磁道是由无数个扇区Sectors组成的摆臂可以将磁头精准定位到某一条磁道上面去磁头在读到这些信息之后就知道,我现在是在一个扇区的开始位置了这里存放了数据的校验信息磁头通过校验里面的信息就可以知道前面的数据区存放的信息是否正确下面我们来看磁头是如何对盘片进行读写的一个盘片上的扇区可以被划分成若干个通电2.1LMR技术此时就算断开电磁铁的电源这个单元中的磁性也不会消退如果调整电磁铁线圈中的电流的方向就可以调整磁场的方向进而可以调整单元的磁化方向这些单元的不同的磁极方向大佬补充ps:太硬核了)磁盘上写入的不是原始01而是个调制编码会把数据中可能出现的长串0和1打散成最多两三位以后就改变磁极防止长串数据信号不变磁头数丢了走了多少位失去时钟同步。磁感线作用到这个盘片上的时候是水平方向的所以这个单元的磁极方向就是水平的以上这种方式比较耗费空间是旧的技术现在已经被淘汰了2.2PMR技术而现在的机械硬盘里面作用到盘片上面磁力被分散就不会对盘片进行磁化这就是三、读写原理不过这种记录方式并不是N级朝上就代表1而是根据单元交界处的磁场的强弱为什么如果直接用“N极代表1S极代表0”当需要连续写入一长串0即一长串S极时磁头很难精确判断到底读过了多少个相同的磁畴很容易出现多读或少读的情况导致数据出错。是使用磁极的变化所产生的磁场强弱来表示数据。比如这一组他俩之间的磁化方向是相反的就会形成一个比较强的磁场如果相邻的两个单元的磁极方向是相同的那么这两个单元交界处的磁场就会弱很多我们可以根据单元交界处磁场的强弱来进行数据的存储这样当我想读取数据的时候我所要检测的就并非是磁极的方向而是磁场的强弱这样就简单多了现代硬盘普遍采用读写分离的结构即读取和写入由不同的磁头部件完成。读取数据时磁头利用磁阻效应如GMR、TMR将盘片上的磁信号转换为电信号。它采用非接触式结构在盘片高速旋转产生的气流托举下悬浮于盘片表面极小的间隙约5–10纳米进行读写操作读写头位于磁盘上方由一个或多个磁头组成。每个磁头都有一个写入线圈和一个读取线圈它们可以感应和改变磁盘表面的磁场。读写头通过悬浮在磁盘表面上的气垫来保持与磁盘之间的微小距离以避免接触和损坏磁盘表面。读取数据所利用的原理叫做磁电阻效应不同的材料在不同的磁场中会呈现不同的电阻值使用这种材料作为读取头只需要测量读取头的电阻的大小就可以知道当前位置的磁场强度磁场强的就代表1磁场弱的就代表0就这样实现了01的读取。写入时只需要改变一个单元中的磁性即可写入下面来看一下硬盘是怎么写入和读取的假设我们要写入二进制序列01101001。起始状态假设盘片上某个位置的磁畴方向是 ↑。写入0规则是“无变化代表0”。所以磁头不改变磁场方向下一个磁畴依然是 ↑。写入1规则是“有变化代表1”。磁头翻转磁场方向下一个磁畴变成 ↓。写入1再次翻转下一个磁畴变回 ↑。写入0不变化保持 ↑。写入1翻转变成 ↓。写入0不变化保持 ↓。写入0不变化保持 ↓。写入1翻转变成 ↑。最终盘片上记录下的物理磁畴序列是↑ ↑ ↓ ↑ ↑ ↓ ↓ ↓ ↑。当磁头读取时它会检测这个序列↑到↑无变化 → 读出0↑到↓有变化 → 读出1↓到↑有变化 → 读出1...以此类推最终完美还原出01101001。作为一篇笔记形式的文章笔记内容就到这里了但如果想真的了解硬盘推荐一下文章参考推荐文章一推荐文章二四、总结 一、文章基本信息文章类型学习笔记/科普文章核心主题硬盘重点为机械硬盘的物理结构与数据存储原理参考来源B站UP主 Redknot-乔红 的视频教程⚙️ 二、机械硬盘的物理结构文章首先拆解了硬盘的外部与内部构造外壳由金属或塑料制成提供防尘、防潮环境并设有通风孔散热。核心组件盘片Platters由铝合金或玻璃基底加钴铬铂合金磁性材料制成。这是存储数据的介质。主轴电机驱动盘片高速旋转通常采用无刷直流电机BLDC转速在5400至15000 RPM之间。摆臂与磁头磁头负责读写悬浮在盘片表面极小的间隙约5-10纳米中不与盘片直接接触。 三、数据存储原理写入过程文章详细解释了数据如何以二进制形式存储在盘片上磁化原理利用磁性材料的剩磁特性。通过磁头线圈产生磁场改变盘片表面微小区域磁畴的磁化方向。二进制表示检查读取头的电阻的大小就可以知道当前位置的磁场强度磁场强的就代表1磁场弱的就代表0技术演进旧技术为水平磁记录较耗费空间。现代硬盘普遍采用垂直磁记录PMR技术。大佬补充实际写入并非原始的0和1而是经过调制编码将长串0或1打散防止信号丢失导致时钟不同步。 四、数据读取原理读取过程文章介绍了磁头如何从盘片获取数据读写分离现代硬盘读取和写入由不同的磁头部件完成。磁阻效应读取时利用GMR巨磁电阻或TMR等效应。磁头检测磁场的强弱而非单纯的磁极方向将其转换为电阻值的变化进而转化为电信号。非接触式悬浮依靠盘片高速旋转产生的气流托举磁头避免磨损。