[硬盘]读写的原理和磁盘碎片的产生

3、 盘面、磁道、柱面和扇区 

    　硬盘的读写是和扇区有着紧密关系的。在说扇区和读写原理之前先说一下和扇区相关的”盘面”、“磁道”、和“柱面”。

    1. 盘面

     　硬盘的盘片一般用铝合金材料做基片，高速硬盘也可能用玻璃做基片。硬盘的每一个盘片都有两个盘面（Side），即上、下盘面，一般每个盘面都会利 用，都可以存储数据，成为有效盘片，也有极个别的硬盘盘面数为单数。每一个这样的有效盘面都有一个盘面号，按顺序从上至下从“0”开始依次编号。在硬盘系 统中，盘面号又叫磁头号，因为每一个有效盘面都有一个对应的读写磁头。硬盘的盘片组在2～14片不等，通常有2～3个盘片，故盘面号（磁头号）为0～3或 0～5。

    2. 磁道

     　磁盘在格式化时被划分成许多同心圆，这些同心圆轨迹叫做磁道（Track）。磁道从外向内从0开始顺序编号。硬盘的每一个盘面有300～1 024个磁道，新式大容量硬盘每面的磁道数更多。信息以脉冲串的形式记录在这些轨迹中，这些同心圆不是连续记录数据，而是被划分成一段段的圆弧，这些圆弧 的角速度一样。由于径向长度不一样，所以，线速度也不一样，外圈的线速度较内圈的线速度大，即同样的转速下，外圈在同样时间段里，划过的圆弧长度要比内圈 划过的圆弧长度大。每段圆弧叫做一个扇区，扇区从“1”开始编号，每个扇区中的数据作为一个单元同时读出或写入。一个标准的3.5寸硬盘盘面通常有几百到 几千条磁道。磁道是“看”不见的，只是盘面上以特殊形式磁化了的一些磁化区，在磁盘格式化时就已规划完毕。

    3. 柱面

    　 所有盘面上的同一磁道构成一个圆柱，通常称做柱面（Cylinder），每个圆柱上的磁头由上而下从“0”开始编号。数据的读/写按柱面进行，即磁 头读/写数据时首先在同一柱面内从“0”磁头开始进行操作，依次向下在同一柱面的不同盘面即磁头上进行操作，只在同一柱面所有的磁头全部读/写完毕后磁头 才转移到下一柱面，因为选取磁头只需通过电子切换即可，而选取柱面则必须通过机械切换。电子切换相当快，比在机械上磁头向邻近磁道移动快得多，所以，数据 的读/写按柱面进行，而不按盘面进行。也就是说，一个磁道写满数据后，就在同一柱面的下一个盘面来写，一个柱面写满后，才移到下一个扇区开始写数据。读数 据也按照这种方式进行，这样就提高了硬盘的读/写效率。

    　一块硬盘驱动器的圆柱数（或每个盘面的磁道数）既取决于每条磁道的宽窄（同样，也与磁头的大小有关），也取决于定位机构所决定的磁道间步距的大小。

    4.扇区

    　操作系统以扇区（Sector）形式将信息存储在硬盘上，每个扇区包括512个字节的数据和一些其他信息。一个扇区有两个主要部分：存储数据地点的标识符和存储数据的数据段。

     　扇区的第一个主要部分是标识符。标识符，就是扇区头标，包括组成扇区三维地址的三个数字：扇区所在的磁头（或盘面）、磁道（或柱面号）以及扇区在磁 道上的位置即扇区号。头标中还包括一个字段，其中有显示扇区是否能可靠存储数据，或者是否已发现某个故障因而不宜使用的标记。有些硬盘控制器在扇区头标中 还记录有指示字，可在原扇区出错时指引磁盘转到替换扇区或磁道。最后，扇区头标以循环冗余校验（CRC）值作为结束，以供控制器检验扇区头标的读出情况， 确保准确无误。

    　 扇区的第二个主要部分是存储数据的数据段，可分为数据和保护数据的纠错码（ECC）。在初始准备期间，计算机用512个虚拟信息字节（实际数据的存放地）和与这些虚拟信息字节相应的ECC数字填入这个部分。

4、硬盘的读写原理

   　 系统将文件存储到磁盘上时，按柱面、磁头、扇区的方式进行，即最先是第1磁道的第一磁头下（也就是第1盘面的第一磁道）的所有扇区，然后，是同一柱面的下一磁头，……，一个柱面存储满后就推进到下一个柱面，直到把文件内容全部写入磁盘。

  　  系统也以相同的顺序读出数据。读出数据时通过告诉磁盘控制器要读出扇区所在的柱面号、磁头号和扇区号（物理地址的三个组成部分）进行。磁盘控制器则 直接使磁头部件步进到相应的柱面，选通相应的磁头，等待要求的扇区移动到磁头下。在扇区到来时，磁盘控制器读出每个扇区的头标，把这些头标中的地址信息与 期待检出的磁头和柱面号做比较（即寻道），然后，寻找要求的扇区号。待磁盘控制器找到该扇区头标时，根据其任务是写扇区还是读扇区，来决定是转换写电路， 还是读出数据和尾部记录。找到扇区后，磁盘控制器必须在继续寻找下一个扇区之前对该扇区的信息进行后处理。如果是读数据，控制器计算此数据的ECC码，然 后，把ECC码与已记录的ECC码相比较。如果是写数据，控制器计算出此数据的ECC码，与数据一起存储。在控制器对此扇区中的数据进行必要处理期间，磁 盘继续旋转。

    5、磁盘碎片的产生

    俗话说一图胜千言，先用一张ACSII码图来解释为什么会产生磁盘碎片。

    　上面的ASCII图表示磁盘文件系统，由于目前上面没有任何数据文件，所以我把他表示成0。

    　在图的最上侧和左侧各有a-z 26个字母，这是用来定位每个数据字节的具体位置，如第1行1列是aa,26行26列是zz。

    　我们创建一个新文件，理所当然的，我们的文件系统就产生了变化，现在是

  

   　 如图所示：”内容表”(TOC)占据了前四行,在TOC里存贮着每件文件在系统里所在的位置。

   　 在上图，TOC包括了一个名字叫hello.txt的文件，其具体内容是”Hello, world”，在系统里的位置是ae到le。

   　 接下来再新建一个文件

    

   　 如图，我们新建的文件bye.txt紧贴着第一个文件hello.txt。

  　  其实这是最理想的系统结构，如果你将你的文件都按照上图所表示的那样一个挨着一个，紧紧的贴放在一起的话，那么读取他们将会非常的容易和迅速，这是因为在硬盘里动得最慢的(相对来说)就是传动手臂，少位移一些，读取文件数据的时间就会快一些。

   　 然而恰恰这就是问题的所在。现在我想在”Hello, World”后加上些感叹号来表达我强烈的感情，现在的问题是：在这样的系统上，文件所在的行就没有地方让我放这些感叹号了，因为bye.txt占据了剩下的位置。

    　现在有俩个方法可以选择，但是没有一个是完美的

    　1.我们从原位置删除文件，重新建个文件重新写上”Hello, World!!”. –这就无意中延长了文件系统的读和写的时间。

   　 2.打碎文件，就是在别的空的地方写上感叹号，也就是”身首异处”–这个点子不错，速度很快，而且方便，但是，这就同时意味着大大的减慢了读取下一个新文件的时间。

   　 如果你对上面的文字没概念,上图

    这里所说的方法二就像是我们的windows系统的存储方式，每个文件都是紧挨着的，但如果其中某个文件要更改的话，那么就意味着接下来的数据将会被放在磁盘其他的空余的地方。

    如果这个文件被删除了，那么就会在系统中留下空格，久而久之，我们的文件系统就会变得支离破碎，碎片就是这么产生的。

    试着简单点，讲给mm听的硬盘读写原理简化版

    　硬盘的结构就不多说了,我们平常电脑的数据都是存在磁道上的,大致上和光盘差不多.读取都是靠磁头来进行.

    　我们都知道,我们的数据资料都是以信息的方式存储在盘面的扇区的磁道上,硬盘读取是由摇臂控制磁头从盘面的外侧向内侧进行读写的.所以外侧的数据读取速度会比内侧的数据快很多.

    　其实我们的文件大多数的时候都是破碎的，在文件没有破碎的时候,摇臂只需要寻找1次磁道并由磁头进行读取,只需要1次就可以成功读取;但是如果文件破碎成 11处,那么摇臂要来回寻找11次磁道磁头进行11次读取才能完整的读取这个文件,读取时间相对没有破碎的时候就变得冗长。