HDD 是如何工作的：旋转硬盘内部结构与工作原理的动画展示

HDD 是如何工作的：旋转硬盘内部结构与工作原理的动画展示

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/hao_wujing/article/details/144820003

硬盘（HDD）是计算机中重要的存储设备，其内部结构和工作原理复杂而精妙。本文将详细介绍硬盘的各个组成部分及其功能，并通过动画展示帮助读者直观理解硬盘的工作过程。

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。盘片由铝镁合金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，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以7200rpm的等速度旋转。

1.2 机械臂装置

机械臂装置包括机械臂、滑橇、读写头、读写头停靠装置、尾部音圈电机等组成部分。

1.2.1 机械臂（arm）

每个盘片上下各有一个臂，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。线圈通电之后会产生一个力，使机械臂在磁盘上移动，速度可达20次/秒，精度可达30nm。

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的模块，它里面又包括了一个读/写头。磁盘高速旋转产生的气流能使这个滑块浮起来，稳定运行在离磁盘表面15nm的地方。

1.2.3 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。

1.2.4 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很高，读/写头能够在不同磁道上来回移动约20次/秒，位置精度可达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，另一边连接到硬盘的主板。

1.4 PCB 和上面的芯片

PCB上面主要有三个芯片：主处理器芯片、内存芯片和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）和电源接口。

1.6 防尘装置

硬盘有两个防尘装置：垫圈和灰尘过滤器。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

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、地址区、数据区、纠错码区和扇区之间的间隔区。

• 前导/同步区：记录这个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，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

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。

6 Linux 存储相关的子系统和软件栈

6.1 从进程 read/write 请求到 HDD 读写数据

虚拟文件系统（VFS）里面分为几类：

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

6.2 内核 block layer 深入解读

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

6.3 其他优质文章

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