一、磁盤的電磁原理：

1.1 電磁效應：

電流通過導體時，會在導體的周圍會產生感應磁場。感應磁場的磁極隨電流方向的改變而改變。

電磁效應.png

1.2 電磁感應：

當閉合電路內的磁場發(fā)生變化（磁通量變化）時，閉合電路內會產生感應電動勢。即閉合電路內磁場的變化會使電路內產生感應電流。 電流的方向與磁極方向有關。

電磁感應.jpg

1.3 磁頭的結構：

磁頭.png

磁頭是一個外面被線圈纏繞著的U型磁芯，可以看出當磁頭通電時便會產生磁場，磁場的方向隨電流方向的變化而變化。

1.4 磁盤的結構：

磁盤的表面涂有一層磁性物質，在未沒有外部磁場影響的情況下，磁盤表面的磁性粒子的磁極方向是不會改變的。一般從未受到外部干擾的磁性粒子磁極方向是隨機的，于是出現(xiàn)互相抵消的情況，這時磁盤的表現(xiàn)出無磁極顯現(xiàn)。

1.5 磁盤的寫過程：

寫數(shù)據(jù)時磁頭移到到磁盤要寫入的位置，輸入電流產生感應磁場。受磁場的影響，磁頭下磁性粒子的磁極方向變?yōu)榕c磁場同向。如此通過給磁頭不同的電流方向，使得磁盤局部產生不同的磁極，產生的磁極在未受到外部磁場干擾下是不會改變的。如此便將電信號持久化到磁盤上（當然并不是一個磁極方向代表1另一個代表0）.

1.6 磁盤的讀?。?/h4>

磁盤2.png

讀取磁盤信息時，不通電的磁頭在寫入數(shù)據(jù)的位置上移動，上面可知數(shù)據(jù)在磁盤上就是一些磁極方向不同的微小局部區(qū)域，由于各個域的磁極方向不完全同，所以磁頭在通過這些不同方向的區(qū)域時會產生不同方向的感應電流，這些微弱正負脈沖經過驅動的去噪擴大成為內存中的二進制數(shù)據(jù)。

在硬盤讀寫時，讀操作是遠快于寫操作的，而且讀/寫操作具有完全不同的特性，所以目前的硬盤一般都分離出讀和寫兩個磁頭，但原理還是不變的。

絕命毒師第五季第一季中，記錄著老白制毒過程的筆記本電腦被警方獲得并放到了物證室里。老白利用電磁效應，在物證室外弄了一個大‘磁鐵’破壞了筆記本里面的數(shù)據(jù)，就是上面的原理。

二、磁盤結構

磁盤.png

硬盤主要由碟片、磁頭、電機馬達、接口和控制電路控制芯片組成。

2.1 碟片與磁頭：

碟片的表面涂有磁性材料，厚度一般在0.5mm左右。碟片安裝在主軸馬達的轉軸上，工作時所有碟片在主軸馬達的帶動下高速旋轉。
每個碟片都有正反兩面，稱為盤面。第1個碟片的正面稱為0面，反面稱為1面，第2個碟片的正面稱為2面，反面稱為3面...依次類推。每個盤面都有一個對應磁頭負責讀寫該該盤面上的數(shù)據(jù)。盤面數(shù)和磁頭數(shù)是相等的。

磁頭.jpg

關機時，磁頭停留在硬盤的停泊區(qū)。當磁盤工作時，磁頭移動到盤面上分，依靠磁盤的高速旋轉引起的空氣動力效應懸浮在盤面上，與盤面的距離不到1微米。磁頭在副軸馬達的帶動下可以在極短的時間內精確的切換到數(shù)據(jù)所在的磁道。

可以看出磁盤工作是一個極其細致活，哪怕一個灰塵都會造成磁盤的損壞，所以磁盤都是密封的，我們最好不要自行拆裝硬盤。也盡量不要再磁盤工作時劇烈的晃動磁盤。

2.2 磁道：

在碟片高速旋轉時磁頭保持不變，那么就會形成一個圓形的軌跡，這些同心的圓行軌跡就是磁道(Track)。數(shù)據(jù)保存在磁道上面。每個盤面上有多個磁道，但磁道之間并不是緊挨著的，因為磁化的單元挨的太近會互相影響。

磁道.jpg

在每個盤面的最外圈的磁道是“0”磁道，向盤心方向依次增長為1磁道，2磁...。數(shù)據(jù)從最外面的磁道開始存放。

2.3 扇區(qū)：

盤面上可以劃分出很多的磁道，每條磁道容量從100多到300多kb不等，但我們讀寫并不需要每次都讀寫這么多數(shù)據(jù)，所以又將磁道劃分為若干更小的弧段，每段稱為一個扇區(qū)(Sector)。扇區(qū)是磁盤進行讀寫操作的最小單位。
一般磁盤的一個扇區(qū)大小為512字節(jié)，這也就意味著哪怕我們只存放1字節(jié)的數(shù)據(jù)也會占用磁盤的一個扇區(qū)512個字節(jié)，讀取時也會讀取整個扇區(qū)的512個字節(jié)然后選擇需要的哪個字節(jié)。

2010年為了提升磁盤的效率和使用率又推出了4k大小的的扇區(qū)標準，這樣又出現(xiàn)了一個4k對齊問題，后面再講。

查看磁盤扇區(qū)大小：

cat /sys/block/sda/queue/physical_block_size
512

扇區(qū)是硬盤的最小操作單位，但扇區(qū)對于操作系統(tǒng)來說還是太小了，一般操作系統(tǒng)有自己的硬盤操作最小單位，在linux下一般為4k

查看操作系統(tǒng)IO大小：

tune2fs -l /dev/sda1|grep "Block size"
Block size:               4096

交叉因子
扇區(qū)是從1開始編號的而不是0，且扇區(qū)號是按照某個間隔交叉著編排，1扇區(qū)的后面并不是2號扇區(qū)。若1號扇區(qū)后面第八個扇區(qū)為2號扇區(qū)，這個“八”就稱為交叉因子。
數(shù)據(jù)是存放在連續(xù)的扇區(qū)里（編號連續(xù)），系統(tǒng)對磁盤的io操作往往也是落在在連續(xù)的扇區(qū)。磁盤的旋轉速度非?？?，如果扇區(qū)按物理順序進行編號，那么當磁頭讀取完一個扇區(qū)后完全來不及定位到下一個連續(xù)的下扇區(qū)，盤面就已經旋轉過了，這時只能等盤片旋轉完一圈，這極大浪費了時間，所以用交叉編排來解決這個問題。

交叉因子為1的扇區(qū)劃分:

扇區(qū).jpg

2.4 柱面：

柱面是抽象出來的一個邏輯概念，盤面被劃分為1磁道，2磁道，3磁道....，不同盤面上相同編號的磁道組成了一個圓柱面，即柱面(Cylinder)。

柱面.jpg

磁盤讀寫數(shù)據(jù)是按柱面進行，即在讀寫時磁頭先尋找到數(shù)據(jù)所在的柱面（尋找磁道），然后再判斷數(shù)據(jù)所在的盤面。這樣大大提升了磁盤的讀寫效率，因為盤面的確定是電子操作速度非?？欤诺赖膶ふ倚枰妱玉R達帶動磁頭移到到指定磁道上，是機械操作。

2.5 磁盤讀寫耗時：

磁盤讀寫時耗 = 尋道時間 + 旋轉延遲時間 + 操作時耗

尋道時間：讀寫數(shù)據(jù)時磁頭首先要移到到指定磁道（柱面），這段時間稱為尋道時間

旋轉延遲時間：當磁頭移動到指定磁道后，需要等待要操作的扇區(qū)旋轉到磁頭的下方，這段時間稱為轉延遲時間

操作時耗：磁頭進行讀寫操作花費的時間