硬盘数据存储原理

4.1.1　硬盘数据存储原理

硬盘具有高速分析处理数据的能力，而这些数据都被以文件的形式存储在硬盘里，计算机并不像人那么聪明，在读取相应的文件时，必须要给出它相应的规则，这就是分区。分区从实质上说就是对硬盘的一种格式化，当创建分区时，就已经设置好了硬盘的各项物理参数，指定了硬盘主引导记录（即Master BootRecord，缩写为MBR）和引导记录备份的存放位置。而对于文件系统以及其他操作系统管理硬盘所需要的信息则是通过高级格式化，即FORMAT命令和工具软件来实现。

硬件分区后，被划分为面（磁面）、磁道和扇区，这些并不是真正在硬盘盘片上划分。先从面说起，硬盘一般是由一片或几片圆形薄膜叠加而成，每个圆形薄膜都有两个“面”，这两个面都是用来存储数据的，按照面的多少，依次称为0面、1面、2面……由于每个面都有一个读/写磁头，也常用0头（Head）、1头……表示。按照硬盘容量和规格的不同，硬盘盘片面数（或头数）也不相同，少的只有2面，多的可达数10面，各面上磁道号相同的磁道合起来，看到的就像一个圆柱，称为一个柱面，如图4-1所示。

上述提到了磁道的概念，读/写硬盘时，磁头依靠磁盘的高速旋转引起的空气动力效应悬浮在盘面上，与盘面的距离不到1μm（约为头发直径的百分之一）。由于磁盘是旋转的，则连续写入的数据是排列在一个圆周上的。我们称这样的圆周为一个磁道，如图4-2所示。如果读/写磁头沿着圆形薄膜的半径方向移动一段距离，以后写入的数据又排列在另外一个磁道上。

图4-1　柱面示意图

图4-2　磁道示意图

根据硬盘规格的不同，磁道数从几百到数千不等；一个磁道上可以容纳数千字节的数据，而主机读/写时往往不需要一次读/写那么多，于是，磁道又被划分成若干段，每段就像一个扇面，所以称为一个扇区。一个扇区一般存放512B的数据。扇区也需要编号，同一磁道中的扇区，分别称为1扇区、2扇区……以此类推。这里需要注意的是，硬盘在划分扇区时，和一般的软盘有一定的区别。软盘的一个磁道中，扇区号依次编排，即2号与1号相邻，3号与2号相邻，以此类推。而在硬盘的一个磁道中，扇区号是按照某个间隔跳跃着编排的，如在某个硬盘上，以实际存储位置而论，2号扇区并不是1号扇区后的第一个，而是第5个，3号扇区又是2号扇区后的第5个，以此类推。这个“5”就是我们说的交叉因子。图4-3所示是扇区的示意图。交叉因子的设定并不是绝对的，每一个种类的硬盘根据自身的情况加以变化。选择适当的交叉因子，可使硬盘驱动器读/写扇区的速度与硬盘的旋转速度相匹配，提高存储数据的速度。

计算机对硬盘的读/写，是以扇区为基本单位的，即使计算机只需要硬盘上存储的某个字节，也必须一次把这个字节所在的扇区中的512B全部读入内存，再使用所需的那个字节。虽然磁头可以根据某个磁道的应有半径来对准这个磁道，每个扇区并不仅仅是由512个字节组成的，在这些由计算机存取数据的前、后两端，都另有一些特定的数据，这些数据构成了扇区的界限标志，标志中含有扇区的编号和其他信息。计算机就凭借着这些标志来识别扇区，如图4-4所示。

图4-3　扇区示意图

图4-4　扇区的识别示意图