硬盤內(nèi)部——機(jī)電一體化的神奇構(gòu)造

硬盤結(jié)構(gòu)給我們帶來的驚訝

硬盤是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中用于存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)（文件）的部件。雖然現(xiàn)在基于半導(dǎo)體器件的固態(tài)硬盤（SSD）應(yīng)用數(shù)量逐步增加，但機(jī)械硬盤仍然保持在容量和應(yīng)用量方面的領(lǐng)先地位。

每一個(gè)動(dòng)手拆過，或者在網(wǎng)絡(luò)上看到相關(guān)現(xiàn)代硬盤維修視頻的人都會(huì)驚訝于硬盤內(nèi)部那機(jī)電一體化的神奇構(gòu)造。光潔如鏡盤片由三相同步電機(jī)帶動(dòng)高速旋轉(zhuǎn)，同時(shí)音頻線圈直接驅(qū)動(dòng)的懸臂帶著磁頭做弧線運(yùn)動(dòng)，從而完成了在盤片表面數(shù)據(jù)的讀寫過程。

下面是一個(gè)容量為80G的報(bào)廢的機(jī)械硬盤簡潔的內(nèi)部，拆開之后可以看到其中包括有一個(gè)讀寫磁頭，一個(gè)盤片。用于信號處理的電路附著在懸臂上的柔性電路板上。

▲ 打開一個(gè)機(jī)械硬盤，顯露出其中主要的結(jié)構(gòu)

很多計(jì)算機(jī)教科書都會(huì)介紹數(shù)據(jù)是如何在磁盤表面進(jìn)行存儲(chǔ)的。磁盤表面從內(nèi)到外分成若干個(gè)同心圓，成為磁道不同盤片上下表面中同一半徑的磁道組成磁道柱。每條磁道又分為若干扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)存儲(chǔ)固定字節(jié)數(shù)（比如512， 1024 等）數(shù)據(jù)。計(jì)算機(jī)對于磁盤數(shù)據(jù)讀寫是以扇區(qū)（或者多個(gè)扇區(qū)）為單位進(jìn)行讀寫的。

下面是磁盤數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)示意圖。

▲ 教科書上關(guān)于磁盤表面數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的結(jié)構(gòu)示意圖

硬盤容量大?。–）=磁頭數(shù)（N1）×柱面數(shù)（N2）×扇區(qū)數(shù)（N3）×每個(gè)扇區(qū)字節(jié)數(shù)（N4）

對于上剛剛拆開的80G硬盤，磁頭數(shù)（N1）為1。對于扇區(qū)數(shù)（N3），每個(gè)扇區(qū)字節(jié)數(shù)（N4）都取常見到的數(shù)值（N3=1000，N4=512），那么柱面數(shù)（N2）大約是：

▲ 磁盤的基本尺寸

如果按照上面磁盤的大小尺寸，可以計(jì)算出磁道與磁道之間的距離w的大小：

上面的數(shù)字顯示磁盤表面的磁道是多么的密集呀。

以上細(xì)節(jié)即使大家不拆硬盤來看也能夠通過教科書或者網(wǎng)絡(luò)了解到，可以滿足計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生的理解需求。但當(dāng)一個(gè)自動(dòng)化系的同學(xué)拆開硬盤之后，在欣賞完磁盤內(nèi)部結(jié)構(gòu)之后，就會(huì)產(chǎn)生諸多疑問。比如：

問題1：硬盤表面的磁道從內(nèi)到外的長度隨著半徑增加而增加。最內(nèi)側(cè)與最外側(cè)的磁道長度相差超過三倍。如果磁道上扇區(qū)個(gè)數(shù)相同的話，那么內(nèi)、外磁道上的扇區(qū)長度也會(huì)相差三倍。顯然外圈的磁道上就會(huì)浪費(fèi)三倍的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)面積。

問題2：對比過軟盤驅(qū)動(dòng)、光盤驅(qū)動(dòng)器，它們內(nèi)部的讀寫頭都是在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的絲杠帶動(dòng)下做精密的滑動(dòng)，來定位盤片上不同半徑的磁道。但機(jī)械硬盤的讀寫懸臂，只是在一個(gè)音頻線圈驅(qū)動(dòng)下做往返運(yùn)動(dòng)，天哪，簡單的不能再簡單了。那么磁頭如何能夠循跡定位那細(xì)密磁道呢？

問題3：打開懸臂電機(jī)，可以看到懸臂上的音頻線圈固定在兩片永磁鐵中間縫隙中。如果兩個(gè)相互吸引的磁鐵中間是一個(gè)均勻磁場，那么問題又來了。這個(gè)線圈通電之后，為何能夠產(chǎn)生左右移動(dòng)的電磁力呢？

▲ 打開音頻線圈驅(qū)動(dòng)器

也許不同的人還會(huì)有其他的問題。但上述問題的確困擾了我很多很長的時(shí)間。

近期在Artem Rubtsov所寫的博文 HDD Inside： Tracks and Zones［1］ 看到了問題的詳細(xì)解答。

對于第一個(gè)問題，為了有效利用磁盤表面來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，實(shí)際磁盤盤片按照半徑不同，從內(nèi)到外分成不同的區(qū)（Zone）。每一區(qū)內(nèi)所有磁道上的扇區(qū)個(gè)數(shù)相同，從內(nèi)到外不同區(qū)的扇區(qū)個(gè)數(shù)逐步增加。

比如下圖，左邊是使用了一個(gè)區(qū)，即所有的磁道上的扇區(qū)個(gè)數(shù)相同。右邊分成了兩個(gè)區(qū)，外部的區(qū)中的扇區(qū)個(gè)數(shù)比內(nèi)部多。顯然右邊的方式對于磁盤表面利用效率高于左邊的方式。

▲ 磁盤表面的不同磁道上的扇區(qū)分布

如果磁盤表面的區(qū)（Zoon）劃分的越多，對應(yīng)數(shù)據(jù)記錄密度就會(huì)越均勻。下圖顯示了實(shí)際磁盤劃分了14個(gè)區(qū)之后，磁盤表面數(shù)據(jù)記錄密度的情況。

之所以不同區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)記錄密度平均值不太一樣，這與磁頭在不同區(qū)內(nèi)與磁道的夾角不同有關(guān)系。在最內(nèi)側(cè)磁頭與磁道夾角最大，使得有效的磁跡寬度減小，所以需要通過降低數(shù)據(jù)記錄密度來彌補(bǔ)。

▲ 分成了14個(gè)區(qū)的磁盤表面數(shù)據(jù)記錄密度

第二個(gè)問題：磁頭是如何精確定位磁道，最為復(fù)雜，也是自動(dòng)化領(lǐng)域的人最為關(guān)心的。Artem Rubtsov在其博文 HDD Inside： Tracks and Zones［1］ 也是花了大量的篇幅進(jìn)行講解。雖然他已經(jīng)使用了非常直白簡略的語言進(jìn)行說明，但全部引用到這兒還是會(huì)使得推文很長，建議大家去看一下原文。這里只將要點(diǎn)引述：

硬盤中定位磁頭到所需要的磁道使用了一種稱為嵌入式伺服系統(tǒng)（Embedded Servo System）技術(shù)：磁頭在運(yùn)動(dòng)同時(shí)讀取磁盤上的信息，根據(jù)讀取的信息來獲取所在的磁道以及偏移量。所以磁頭只要能夠劃過某些磁道，就可以完成對該磁道內(nèi)容的讀寫。盤片本身就是磁頭位置的傳感器，磁盤中的懸臂只要能夠保證往復(fù)運(yùn)動(dòng)即可。

▲ 磁道上信息結(jié)構(gòu)示意圖

Artem Rubtsov在博文中詳細(xì)描述了磁道上的信號結(jié)構(gòu)，以及如何標(biāo)志磁道的編碼和指示磁頭位置的偏差。這部分反智工程語言描述的內(nèi)容足以讓那些急于想弄清技術(shù)細(xì)節(jié)的人感到暢快淋漓，驚嘆于磁盤中所蘊(yùn)含的高超控制技術(shù)。

那么問題來了，既然盤片上的磁道用來定位磁頭，那么磁道信息是如何寫上去的呢？

最初磁道定位信息是在硬盤裝配完成之后，在特殊的精密外部引導(dǎo)機(jī)械機(jī)構(gòu)幫助下寫入的。這部分信息只需要寫入一次，因此硬盤中就不需要保留這部分的結(jié)構(gòu)，這也是讓我們對如此簡潔的硬盤磁頭驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)感到驚訝的原因。

最后一個(gè)問題，即懸臂上音頻線圈左右運(yùn)動(dòng)的原理是什么？原來是兩個(gè)永磁鐵組成的磁極縫隙內(nèi)的磁場并不是均勻磁場，而是從左到右，磁場的極性逐步改變的磁場。因此，在線圈通入電流之后，就會(huì)產(chǎn)生左右推動(dòng)力。

▲ 硬盤中磁頭懸臂電機(jī)運(yùn)動(dòng)原理

將其中一個(gè)電機(jī)磁極拆下之后，使用外部一個(gè)小型磁鐵測試其表面的極性，可以看到磁極從左到右，極性變化。也就是說磁極的N-S是沿著磁鐵左右改變的，而不是上下改變。

參考資料

［1］HDD Inside： Tracks and Zones： https://hddscan.com/doc/HDD_Tracks_and_Zones.html