硬盤(pán)結(jié)構(gòu)給我們帶來(lái)的驚訝
硬盤(pán)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中用于存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)(文件)的部件。雖然現(xiàn)在基于半導(dǎo)體器件的固態(tài)硬盤(pán)(SSD)應(yīng)用數(shù)量逐步增加,但機(jī)械硬盤(pán)仍然保持在容量和應(yīng)用量方面的領(lǐng)先地位。
每一個(gè)動(dòng)手拆過(guò),或者在網(wǎng)絡(luò)上看到相關(guān)現(xiàn)代硬盤(pán)維修視頻的人都會(huì)驚訝于硬盤(pán)內(nèi)部那機(jī)電一體化的神奇構(gòu)造。光潔如鏡盤(pán)片由三相同步電機(jī)帶動(dòng)高速旋轉(zhuǎn),同時(shí)音頻線圈直接驅(qū)動(dòng)的懸臂帶著磁頭做弧線運(yùn)動(dòng),從而完成了在盤(pán)片表面數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)過(guò)程。
下面是一個(gè)容量為80G的報(bào)廢的機(jī)械硬盤(pán)簡(jiǎn)潔的內(nèi)部,拆開(kāi)之后可以看到其中包括有一個(gè)讀寫(xiě)磁頭,一個(gè)盤(pán)片。用于信號(hào)處理的電路附著在懸臂上的柔性電路板上。
很多計(jì)算機(jī)教科書(shū)都會(huì)介紹數(shù)據(jù)是如何在磁盤(pán)表面進(jìn)行存儲(chǔ)的。磁盤(pán)表面從內(nèi)到外分成若干個(gè)同心圓,成為磁道不同盤(pán)片上下表面中同一半徑的磁道組成磁道柱。每條磁道又分為若干扇區(qū),每個(gè)扇區(qū)存儲(chǔ)固定字節(jié)數(shù)(比如512,1024 等)數(shù)據(jù)。計(jì)算機(jī)對(duì)于磁盤(pán)數(shù)據(jù)讀寫(xiě)是以扇區(qū)(或者多個(gè)扇區(qū))為單位進(jìn)行讀寫(xiě)的。
硬盤(pán)容量大小(C)=磁頭數(shù)(N1)×柱面數(shù)(N2)×扇區(qū)數(shù)(N3)×每個(gè)扇區(qū)字節(jié)數(shù)(N4)
對(duì)于上面提到的80G硬盤(pán),磁頭數(shù)(N1)為1。對(duì)于扇區(qū)數(shù)(N3),每個(gè)扇區(qū)字節(jié)數(shù)(N4)都取常見(jiàn)到的數(shù)值(N3=1000,N4=512)。
如果按照上面磁盤(pán)的大小尺寸,可以計(jì)算出磁道與磁道之間的距離w的大小。
以上細(xì)節(jié)即使大家不拆硬盤(pán)來(lái)看,也能夠通過(guò)教科書(shū)或者網(wǎng)絡(luò)了解到,可以滿足計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生的理解需求。但當(dāng)一個(gè)自動(dòng)化系的同學(xué)拆開(kāi)硬盤(pán)之后,在欣賞完磁盤(pán)內(nèi)部結(jié)構(gòu)之后,就會(huì)產(chǎn)生諸多疑問(wèn)。比如:
- 問(wèn)題1:硬盤(pán)表面的磁道從內(nèi)到外的長(zhǎng)度隨著半徑增加而增加。最內(nèi)側(cè)與最外側(cè)的磁道長(zhǎng)度相差超過(guò)三倍。如果磁道上扇區(qū)個(gè)數(shù)相同的話,那么內(nèi)、外磁道上的扇區(qū)長(zhǎng)度也會(huì)相差三倍。顯然外圈的磁道上就會(huì)浪費(fèi)三倍的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)面積。
- 問(wèn)題2:對(duì)比過(guò)軟盤(pán)驅(qū)動(dòng)、光盤(pán)驅(qū)動(dòng)器,它們內(nèi)部的讀寫(xiě)頭都是在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的絲杠帶動(dòng)下做精密的滑動(dòng),來(lái)定位盤(pán)片上不同半徑的磁道。但機(jī)械硬盤(pán)的讀寫(xiě)懸臂,只是在一個(gè)音頻線圈驅(qū)動(dòng)下做往返運(yùn)動(dòng),天哪,簡(jiǎn)單的不能再簡(jiǎn)單了。那么磁頭如何能夠循跡定位那細(xì)密磁道呢?
- 問(wèn)題3:打開(kāi)懸臂電機(jī),可以看到懸臂上的音頻線圈固定在兩片永磁鐵中間縫隙中。如果兩個(gè)相互吸引的磁鐵中間是一個(gè)均勻磁場(chǎng),那么問(wèn)題又來(lái)了。這個(gè)線圈通電之后,為何能夠產(chǎn)生左右移動(dòng)的電磁力呢?
也許不同的人還會(huì)有其他的問(wèn)題,但上述問(wèn)題的確困擾了我很多很長(zhǎng)的時(shí)間。
近期在Artem Rubtsov所寫(xiě)的博文 HDD Inside: Tracks and Zones[1] 看到了問(wèn)題的詳細(xì)解答。
對(duì)于第一個(gè)問(wèn)題,為了有效利用磁盤(pán)表面來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù),實(shí)際磁盤(pán)盤(pán)片按照半徑不同,從內(nèi)到外分成不同的區(qū)(Zone)。每一區(qū)內(nèi)所有磁道上的扇區(qū)個(gè)數(shù)相同,從內(nèi)到外不同區(qū)的扇區(qū)個(gè)數(shù)逐步增加。
比如左邊是使用了一個(gè)區(qū),即所有的磁道上的扇區(qū)個(gè)數(shù)相同。右邊分成了兩個(gè)區(qū),外部的區(qū)中的扇區(qū)個(gè)數(shù)比內(nèi)部多。顯然,右邊的方式對(duì)于磁盤(pán)表面利用效率高于左邊的方式。
如果磁盤(pán)表面的區(qū)(Zoon)劃分的越多,對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)記錄密度就會(huì)越均勻。實(shí)際磁盤(pán)劃分了14個(gè)區(qū)之后,磁盤(pán)表面數(shù)據(jù)記錄密度的情況。
之所以不同區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)記錄密度平均值不太一樣,這與磁頭在不同區(qū)內(nèi)與磁道的夾角不同有關(guān)系。在最內(nèi)側(cè)磁頭與磁道夾角最大,使得有效的磁跡寬度減小,所以需要通過(guò)降低數(shù)據(jù)記錄密度來(lái)彌補(bǔ)。
第二個(gè)問(wèn)題:磁頭是如何精確定位磁道,最為復(fù)雜,也是自動(dòng)化領(lǐng)域的人最為關(guān)心的。Artem Rubtsov在其博文 HDD Inside: Tracks and Zones[1] 也是花了大量的篇幅進(jìn)行講解。雖然他已經(jīng)使用了非常直白簡(jiǎn)略的語(yǔ)言進(jìn)行說(shuō)明,但全部引用到這兒還是會(huì)使得推文很長(zhǎng),建議大家去看一下原文。這里只將要點(diǎn)引述:
硬盤(pán)中定位磁頭到所需要的磁道使用了一種稱為嵌入式伺服系統(tǒng)(Embedded Servo System)技術(shù):磁頭在運(yùn)動(dòng)同時(shí)讀取磁盤(pán)上的信息,根據(jù)讀取的信息來(lái)獲取所在的磁道以及偏移量。所以磁頭只要能夠劃過(guò)某些磁道,就可以完成對(duì)該磁道內(nèi)容的讀寫(xiě)。盤(pán)片本身就是磁頭位置的傳感器,磁盤(pán)中的懸臂只要能夠保證往復(fù)運(yùn)動(dòng)即可。
Artem Rubtsov在博文中詳細(xì)描述了磁道上的信號(hào)結(jié)構(gòu),以及如何標(biāo)志磁道的編碼和指示磁頭位置的偏差。這部分反智工程語(yǔ)言描述的內(nèi)容足以讓那些急于想弄清技術(shù)細(xì)節(jié)的人感到暢快淋漓,驚嘆于磁盤(pán)中所蘊(yùn)含的高超控制技術(shù)。
那么問(wèn)題來(lái)了,既然盤(pán)片上的磁道用來(lái)定位磁頭,那么磁道信息是如何寫(xiě)上去的呢?
最初磁道定位信息是在硬盤(pán)裝配完成之后,在特殊的精密外部引導(dǎo)機(jī)械機(jī)構(gòu)幫助下寫(xiě)入的。這部分信息只需要寫(xiě)入一次,因此硬盤(pán)中就不需要保留這部分的結(jié)構(gòu),這也是讓我們對(duì)如此簡(jiǎn)潔的硬盤(pán)磁頭驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)感到驚訝的原因。
最后一個(gè)問(wèn)題,即懸臂上音頻線圈左右運(yùn)動(dòng)的原理是什么?原來(lái)是兩個(gè)永磁鐵組成的磁極縫隙內(nèi)的磁場(chǎng)并不是均勻磁場(chǎng),而是從左到右,磁場(chǎng)的極性逐步改變的磁場(chǎng)。因此,在線圈通入電流之后,就會(huì)產(chǎn)生左右推動(dòng)力。
將其中一個(gè)電機(jī)磁極拆下之后,使用外部一個(gè)小型磁鐵測(cè)試其表面的極性,可以看到磁極從左到右,極性變化。也就是說(shuō)磁極的N-S是沿著磁鐵左右改變的,而不是上下改變。
參考資料
[1]HDD Inside: Tracks and Zones: https://hddscan.com/doc/HDD_Tracks_and_Zones.html
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