硬盘驱动器（HDD）工作原理详解：从硬件结构到数据读写

硬盘驱动器（HDD）工作原理详解：从硬件结构到数据读写

硬盘驱动器（HDD）是计算机存储设备的重要组成部分，其工作原理涉及复杂的机械和电磁技术。本文将通过图文结合的方式，深入浅出地介绍HDD的内部结构、工作原理以及数据读写过程。

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。
• 磁盘由铝镁合金和其他合金的多个涂层组成，其中磁性功能层是120nm的钴铬钽合金薄层，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以7200rpm的等速度旋转。

1.2 机械臂装置

机械臂装置包括以下几个组成部分：

• 机械臂（arm）：每个盘片上下各有一个臂。
• 滑橇（slider）和读写头（read/write head）：每个臂的末端有一个称为slider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）。
• 读写头停靠装置：只有当盘片全速旋转时，机械臂才会转到磁盘表面上。平时盘片不旋转时，机械臂会停在磁盘边上的一个小塑料装置上。
• 尾部音圈电机（马达）：机械臂的尾部有一个音圈电机，由线圈和上下两个强钕磁铁组成。这种马达的速度和精度：读/写头能够在不同磁道上来回移动约20次/秒，位置精度约30nm。

1.3 机械臂-电路板之间的数据线

一条柔性电线沿着机型臂的侧面布线，一边连接到读/写头，另一边连接到一个连接器，该连接器进一步连接到硬盘的主板（PCB）。

1.4 PCB 和上面的芯片

PCB上的主要芯片包括：

• 主处理器芯片
• 内存芯片，作为主处理器的cache
• 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

硬盘有两个防尘装置：

• 垫圈：将磁盘密封起来
• 灰尘过滤器：用于捕获灰尘颗粒

2. 盘片的微观组成

2.1 磁盘（disk） -> 磁道（track）

每个磁盘以同心圆的方式分割为多个磁道，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）

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

每个扇区中，依次包含五部分：

• 前导/同步区（preamble or synchronization zone）：记录旋转磁盘的确切速度和每个比特位的长度。
• 地址区：帮助读/写头确定当前位于哪个磁道和扇区。
• 数据区：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。
• 纠错码（ECC）区：用于校验存储在块中的数据。
• 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

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。

3.2 写入 1bit 的过程

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，磁化之后的微块变成永磁体，能保持这个状态很多年。

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

4.1 如何表示 0 和 1

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。

4.2 读头（read head）内部结构

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bit 1；
• 电阻率较高且无磁场时，对应存储的是bit 0。

4.4 连续 0 的问题

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. Linux 存储相关的子系统和软件栈

5.1 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：

• 常规文件系统（ext4, xfs, btrfs, …）
• 网络文件系统（NFS, CIFS, …）
• 伪文件系统（procfs, sysfs, …）
• 特殊文件系统（tmpfs, devtmpfs, …）

再贴一个kernel v6.9的：

5.2 内核 block layer 深入解读

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

5.3 其他优质文章

• How does a hard drive work, https://www.explainthatstuff.com/, 2024
• How a Hard Drive Works, cs.stanford.edu, 2012
• HDD from Inside: Hard Drive Main Parts, https://hddscan.com/