HDD工作原理：旋转硬盘内部结构与工作原理的动画展示

HDD工作原理：旋转硬盘内部结构与工作原理的动画展示

硬盘（HDD）作为计算机的重要存储设备，其内部结构和工作原理一直备受关注。本文将通过图文结合的方式，深入浅出地介绍HDD的硬件组成、数据存储机制以及读写过程，帮助读者全面了解这一复杂而精妙的设备。

本文翻译自2022年Branch Education的一个科普视频《How do Hard Disk Drives Work?》（YouTube），强烈推荐观看原视频（上不了油管的，B站也有搬运）。本文整理个图文版方便查阅与思考，

水平及维护精力所限，译文不免存在错误或过时之处，如有疑问，请查阅原视频。传播知识，尊重劳动，年满十八周岁，转载请注明出处。

原视频由PCBWay赞助，感谢赞助商。

1 硬盘拆解

1.1 盘片（platter）

盘片是存储数据的地方，

• 根据存储容量的不同，硬盘可能会有多个盘片堆叠，如上面右图所示；
• 磁盘由铝镁合金（aluminum magnesium alloy）和其他合金的多个涂层组成，
• 磁性功能层是120nm的钴铬钽合金薄层（cobalt chromium tantalum alloy），它由磁性微块组成，磁极方向能变，

• 盘片安装在主轴上，主轴使用中心的无刷直流电机（brushless DC motor）以7200rpm的等速度旋转。

1.2 机械臂装置

机械臂装置包括好几个组成部分，分别来看下。

1.2.1 机械臂（arm）

每个盘（platter）上下各有一个臂（arm），

1.2.2 滑橇（slider）和读写头（read/write head）

每个臂的末端有一个称为slider（滑橇、滑块）的模块，它里面又包括了一个读/写头（注意，读头和写头是分开的两个部件，后面会详细介绍），

磁盘高速旋转产生的气流能使这个滑块（和读写头）浮起来，稳定运行在离磁盘表面15nm（约100个原子）的地方，如下面的动图所示，

1.2.3 读写头停靠装置

只有当盘片全速旋转时（有数据读写任务），机械臂才会转到磁盘表面上。平时盘片不旋转时（没有读写任务），机械臂会停在磁盘边上的一个小塑料装置上。

1.2.4 尾部音圈电机（马达）

机械臂的尾部有一个音圈电机（voice coil motor），或称音圈马达，它由线圈（coil of wire）和上下两个强钕磁铁（strong neodymium magnets）组成，

VCM（Voice Coil Motor）一种特殊形式的直接驱动电机，原理和扬声器类似，固得名。通电线圈在磁场内就会产生力，力的大小与施加在线圈上的电流成比例，运动轨迹可以是直线也可以是弧线。具有结构简单、体积小、速度快、响应快等特点。译注。

这种马达的速度和精度：

• 速度：读/写头能够在不同磁道上来回移动~20次/秒；
• 精度：读/写头位置精度~30nm。

1.3 机械臂-电路板之间的数据线

如下图所示，一条柔性电线（a flexible ribbon of wires）沿着机型臂的侧面布线，

• 一边连接到读/写头，
• 一边连接到一个连接器（connector），该connector进一步连接到硬盘的主板，或称印刷电路板（PCB）。

1.4 PCB 和上面的芯片

PCB上面的东西如下图所示，

这里主要介绍三个芯片：

2. 主处理器芯片；
3. 内存芯片，作为主处理器的cache；
4. 控制音圈马达和磁盘主轴电机的芯片。

1.5 数据线接口（e.g. SATA）和电源线接口

PCB边缘还有两个硬件接口，

• 数据接口：例如SATA接口，用于和电脑主板相连传输数据；
• 电源接口：用于给HDD供电。

1.6 防尘装置

再看一下硬盘的两个防尘装置，

2. 垫圈：将磁盘密封起来；
3. 灰尘过滤器：用于捕获灰尘颗粒。

密封和过滤都是非常必要的，因为读写头距离盘片仅15nm，而灰尘颗粒的大小可达10,000nm，如果与7200rpm高速旋转磁盘碰撞，可能会造成严重损坏，

2 盘片的微观组成

了解了粗粒度的硬件构成之后，现在让来深入到盘片的内部，看看它的微观组成。

2.1 磁盘（disk） -> 磁道（track）

首先，每个磁盘以同心圆的方式分割为多个磁道（concentric circles of tracks），

每个磁盘的磁道数量能达到500,000个甚至更多。

2.2 磁道（track） -> 扇区（sector）

然后，沿着直径的方向，所有磁道又被分割为多个扇区，

2.3 扇区内

现在看一下每个扇区内的结构，

如上图所示，每个扇区中，依次包含五部分。

2.3.1 前导/同步区（preamble or synchronization zone）

记录这个旋转磁盘的确切速度和每个比特位的长度（length of each bit of data）。

2.3.2 地址区

帮助读/写头确定当前位于哪个磁道和扇区。

2.3.3 数据区

扇区大小

扇区的大小因盘而异，例如老一些的盘是512字节或2KB，新一些的通常是4KB。

查看磁盘扇区大小（译注）

有很多工具可以查看，

lsblk指定显示磁盘名字、物理扇区大小和逻辑扇区大小：

$ lsblk -o NAME,PHY-SeC,LOG-SeC
NAME                   PHY-SEC LOG-SEC
sda                       4096     512  # 这块是 SATA SSD
sdb                        512     512  # 这块是 SATA HDD

fdisk -l，这个命令好记：

$ fdisk -l
Disk /dev/sdb: 2.18 TiB, 2399276105728 bytes, 4686086144 sectors
Disk model: XXX                                                    # 硬盘型号
Units: sectors of 1 * 512 = 512 bytes                              # 当前扇区大小
Sector size (logical/physical): 512 bytes / 512 bytes              # 逻辑值 & 物理支持的最大值
I/O size (minimum/optimal): 512 bytes / 512 bytes

iostat

磁盘读写带宽（译注）

可以通过cat /proc/diskstats查看磁盘的读写情况，其中就包括了每个磁盘已经读写的sectors数量：

$ cat /proc/diskstats
#                            r_sectors               w_sectors
   8       0 sda 31663 10807 2928442     8471 203024 106672     6765800 ...

这个数量乘以sector大小，就是已经读写的字节数，iostat等工具显示的磁盘读写带宽，就是根据这个来计算（估算）的。

一个扇区只会属于一个文件（译注）

根据wikipediaDisk sector，对于绝大部分文件系统来说，任何一个文件都是占用整数个扇区的——也就是说一个扇区只会属于一个文件，如果没用满，后面的就空着。所以在调整扇区大小时，这是一个需要考虑的因素。

扇区与block的关系（译注）

这里说的block是文件系统的概念，比如常见的一个block是4KB，如果磁盘格式化的时候，扇区大小选择的512B，那一个block就对应8个扇区。对操作系统屏蔽了底层的硬件细节。

2.3.4 纠错码（ECC）区

用于校验存储在块中的数据。

2.3.5 扇区之间的间隔区

给了读/写磁头一定的容错能力。

3 写数据

现在让我们进一步看看读/写磁头的内部机制，以及写头（write head）是是如何写数据的。

3.1 磁场微块和磁化

扇区是由一个个磁场微块组成的，写头通过改变磁盘微块的磁化方向来实现数据写入，

每个磁盘微块大小约为90nm x 100nm x 125nm，

磁化之外，微块内原子的南北极是随机的；磁化之，微块所有原子的北南极都指向同一方向，

每个微块对应的就是一个bit数据，

3.2 写入1bit的过程

下面具体看一下如何磁化一个微块（相当于写入1bit数据）。电流施加到write head的线圈之后，就会在此处产生一个强磁场，

这个磁场沿着write head向下，聚焦到尖端的一个小点，改变它正下方的磁盘微块极性（中间的缝隙就是前面提到过的读写头15nm悬浮高度），

磁化之后的微块变成永磁体，能保持这个状态很多年，也就是数据已经持久化，以后可以重复用读头感应这个永久磁场，读出存储的数据。

3.3 覆盖写

原理跟上面一样，也是逐bit来。如果新写入的bit跟已经存储的一样，磁极就不变，否则就改变一下方向。

4 读数据

再来看看如何从磁盘读数据。

4.1 如何表示0和1

4.1.1 不是用南北极指向表示

前面我们假设了不同南北极的磁块分别表示0和1，

这在概念上非常简单，但实际实现并非如此。

4.1.2 用南北极指向的变化表示

实际的read head，检测的是相邻两个微块的磁极变化，这是因为磁极变化的强度比单个微块的磁场强度要大得多，所以这种方式的检测准确率非常高。

所以，如上图所示，

• 相邻微块磁场方向变化，表示1；
• 相邻微块磁场方向不变，表示0。

4.2 读头（read head）内部结构

那么，检测这些磁场的读头内部结构是怎样的呢？

如上图所示，

• 读头里面是多层导电材料，由铁磁材料和非磁性材料的交替组成。
• 这种多层材料具有一种称为巨磁阻（giant magnetoresistance,GMR）的特性，简单来说，穿过它的磁场强度发生变化时，它的电阻率就会变化。

4.3 读取数据：GMR 和读头电阻率

基于GMR特性，根据读头的电阻率就能判断下面存储的0还是1，

• 电阻率较低时，表示读取头下方磁场变化强，对应存储的是bit1；
• 电阻率较高且无磁场时，对应存储的是bit0。

4.4 连续0的问题

以上过程有一个问题：如果较长连续区域的磁极都一样，对应的就是一长串的0，由于读头的精度，有可能会导致多读或少读几个0，导致数据错乱。

解决方少：利用每个sector的前导区和纠错码区中的信息。

5 致谢

原作者Branch Education感谢所有个人赞助者和会员赞助商，让他们制作了如此精良的科普视频。

6 Linux 存储相关的子系统和软件栈（译注）

6.1 从进程 read/write 请求到 HDD 读写数据

来自Linux Storage Stack Diagram，涵盖了3.x ~ 6.x多个内核版本，这里先贴一个3.x的，因为简单，方便看出从用户进程发出read/write请求到HDD读写数据的内核模块链路：

虚拟文件系统（VFS）里面分为几类：

2. 常规文件系统（ext4, xfs, btrfs, …）；
3. 网络文件系统（NFS, CIFS, …）；
4. 伪文件系统（procfs, sysfs, …）；
5. 特殊文件系统（tmpfs, devtmpfs, …）。

再贴一个kernel v6.9的，

6.2 内核 block layer 深入解读

2. A block layer introduction part 1: the bio layer, LWN.net, 2017
3. A block layer introduction part 2: the request layer, LWN.net, 2017

6.3 其他优质文章

2. How does a hard drive work, https://www.explainthatstuff.com/, 2024
   除了硬件拆解和介绍工作原理，还对比了HDD和SDD，并且更重要的，介绍了IBM发明硬盘的历史。
3. How a Hard Drive Works, cs.stanford.edu, 2012
   斯坦福的一个老师实物教学，开盖展示读写数据时，硬盘的工作过程（然后这个盘就报废了）。
4. HDD from Inside: Hard Drive Main Parts, https://hddscan.com/
   硬件拆解部分比本文更详细，想了解更多硬件细节的，可作为补充。