一、磁盤的電磁原理：
1.1 電磁效應(yīng)：
電流通過導(dǎo)體時(shí)，會(huì)在導(dǎo)體的周圍會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)。感應(yīng)磁場(chǎng)的磁極隨電流方向的改變而改變。
1.2 電磁感應(yīng)：
當(dāng)閉合電路內(nèi)的磁場(chǎng)發(fā)生變化（磁通量變化）時(shí)，閉合電路內(nèi)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。即閉合電路內(nèi)磁場(chǎng)的變化會(huì)使電路內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流。 電流的方向與磁極方向有關(guān)。
1.3 磁頭的結(jié)構(gòu)：
磁頭是一個(gè)外面被線圈纏繞著的U型磁芯，可以看出當(dāng)磁頭通電時(shí)便會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)的方向隨電流方向的變化而變化。
1.4 磁盤的結(jié)構(gòu)：
磁盤的表面涂有一層磁性物質(zhì)，在未沒有外部磁場(chǎng)影響的情況下，磁盤表面的磁性粒子的磁極方向是不會(huì)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(jī)的，于是出現(xiàn)互相抵消的情況，這時(shí)磁盤的表現(xiàn)出無(wú)磁極顯現(xiàn)。
1.5 磁盤的寫過程：
寫數(shù)據(jù)時(shí)磁頭移到到磁盤要寫入的位置，輸入電流產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)。受磁場(chǎng)的影響，磁頭下磁性粒子的磁極方向變?yōu)榕c磁場(chǎng)同向。如此通過給磁頭不同的電流方向，使得磁盤局部產(chǎn)生不同的磁極，產(chǎn)生的磁極在未受到外部磁場(chǎng)干擾下是不會(huì)改變的。如此便將電信號(hào)持久化到磁盤上（當(dāng)然并不是一個(gè)磁極方向代表1另一個(gè)代表0）.
1.6 磁盤的讀?。?/h4>
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磁盤2.png
讀取磁盤信息時(shí)，不通電的磁頭在寫入數(shù)據(jù)的位置上移動(dòng)，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(gè)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(shí)會(huì)產(chǎn)生不同方向的感應(yīng)電流，這些微弱正負(fù)脈沖經(jīng)過驅(qū)動(dòng)的去噪擴(kuò)大成為內(nèi)存中的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。
在硬盤讀寫時(shí)，讀操作是遠(yuǎn)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(gè)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(yīng)，在物證室外弄了一個(gè)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(jié)構(gòu)
硬盤主要由碟片、磁頭、電機(jī)馬達(dá)、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(dá)的轉(zhuǎn)軸上，工作時(shí)所有碟片在主軸馬達(dá)的帶動(dòng)下高速旋轉(zhuǎn)。
每個(gè)碟片都有正反兩面，稱為盤面。第1個(gè)碟片的正面稱為0面，反面稱為1面，第2個(gè)碟片的正面稱為2面，反面稱為3面...依次類推。每個(gè)盤面都有一個(gè)對(duì)應(yīng)磁頭負(fù)責(zé)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。
關(guān)機(jī)時(shí)，磁頭停留在硬盤的停泊區(qū)。當(dāng)磁盤工作時(shí)，磁頭移動(dòng)到盤面上分，依靠磁盤的高速旋轉(zhuǎn)引起的空氣動(dòng)力效應(yīng)懸浮在盤面上，與盤面的距離不到1微米。磁頭在副軸馬達(dá)的帶動(dòng)下可以在極短的時(shí)間內(nèi)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(gè)極其細(xì)致活，哪怕一個(gè)灰塵都會(huì)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(shí)劇烈的晃動(dòng)磁盤。
2.2 磁道：
在碟片高速旋轉(zhuǎn)時(shí)磁頭保持不變，那么就會(huì)形成一個(gè)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(gè)盤面上有多個(gè)磁道，但磁道之間并不是緊挨著的，因?yàn)榇呕膯卧さ奶鼤?huì)互相影響。
在每個(gè)盤面的最外圈的磁道是“0”磁道，向盤心方向依次增長(zhǎng)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(gè)扇區(qū)(Sector)。扇區(qū)是磁盤進(jìn)行讀寫操作的最小單位。
一般磁盤的一個(gè)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(huì)占用磁盤的一個(gè)扇區(qū)512個(gè)字節(jié)，讀取時(shí)也會(huì)讀取整個(gè)扇區(qū)的512個(gè)字節(jié)然后選擇需要的哪個(gè)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(biāo)準(zhǔn)，這樣又出現(xiàn)了一個(gè)4k對(duì)齊問題，后面再講。
查看磁盤扇區(qū)大?。?/em>
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(duì)于操作系統(tǒng)來(lái)說(shuō)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?。?/em>
tune2fs -l /dev/sda1|grep "Block size"
Block size: 4096
交叉因子
扇區(qū)是從1開始編號(hào)的而不是0，且扇區(qū)號(hào)是按照某個(gè)間隔交叉著編排，1扇區(qū)的后面并不是2號(hào)扇區(qū)。若1號(hào)扇區(qū)后面第八個(gè)扇區(qū)為2號(hào)扇區(qū)，這個(gè)“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(hào)連續(xù)），系統(tǒng)對(duì)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(zhuǎn)速度非常快，如果扇區(qū)按物理順序進(jìn)行編號(hào)，那么當(dāng)磁頭讀取完一個(gè)扇區(qū)后完全來(lái)不及定位到下一個(gè)連續(xù)的下扇區(qū)，盤面就已經(jīng)旋轉(zhuǎn)過了，這時(shí)只能等盤片旋轉(zhuǎn)完一圈，這極大浪費(fèi)了時(shí)間，所以用交叉編排來(lái)解決這個(gè)問題。
交叉因子為1的扇區(qū)劃分:
2.4 柱面：
柱面是抽象出來(lái)的一個(gè)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(hào)的磁道組成了一個(gè)圓柱面，即柱面(Cylinder)。
磁盤讀寫數(shù)據(jù)是按柱面進(jìn)行，即在讀寫時(shí)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?yàn)楸P面的確定是電子操作速度非?？?，但磁道的尋找需要電動(dòng)馬達(dá)帶動(dòng)磁頭移到到指定磁道上，是機(jī)械操作。
2.5 磁盤讀寫耗時(shí)：
磁盤讀寫時(shí)耗 = 尋道時(shí)間 + 旋轉(zhuǎn)延遲時(shí)間 + 操作時(shí)耗
尋道時(shí)間：讀寫數(shù)據(jù)時(shí)磁頭首先要移到到指定磁道（柱面），這段時(shí)間稱為尋道時(shí)間
旋轉(zhuǎn)延遲時(shí)間：當(dāng)磁頭移動(dòng)到指定磁道后，需要等待要操作的扇區(qū)旋轉(zhuǎn)到磁頭的下方，這段時(shí)間稱為轉(zhuǎn)延遲時(shí)間
操作時(shí)耗：磁頭進(jìn)行讀寫操作花費(fèi)的時(shí)間
