硬盤結構給我們帶來的驚訝

硬盤是計算機系統中用于存儲大量數據（文件）的部件。雖然現在基于半導體器件的固態硬盤（SSD）應用數量逐步增加，但機械硬盤仍然保持在容量和應用量方面的領先地位。

每一個動手拆過，或者在網絡上看到相關現代硬盤維修視頻的人都會驚訝于硬盤內部那機電一體化的神奇構造。光潔如鏡盤片由三相同步電機帶動高速旋轉，同時音頻線圈直接驅動的懸臂帶著磁頭做弧線運動，從而完成了在盤片表面數據的讀寫過程。

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

▲ 打開一個機械硬盤，顯露出其中主要的結構

很多計算機教科書都會介紹數據是如何在磁盤表面進行存儲的。磁盤表面從內到外分成若干個同心圓，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，每個扇區存儲固定字節數（比如512， 1024 等）數據。計算機對于磁盤數據讀寫是以扇區（或者多個扇區）為單位進行讀寫的。

下面是磁盤數據結構示意圖。

▲ 教科書上關于磁盤表面數據存儲的結構示意圖

硬盤容量大小（C）=磁頭數（N1）×柱面數（N2）×扇區數（N3）×每個扇區字節數（N4）

對于上剛剛拆開的80G硬盤，磁頭數（N1）為1。對于扇區數（N3），每個扇區字節數（N4）都取常見到的數值（N3=1000，N4=512），那么柱面數（N2）大約是：

▲ 磁盤的基本尺寸

如果按照上面磁盤的大小尺寸，可以計算出磁道與磁道之間的距離w的大小：

上面的數字顯示磁盤表面的磁道是多么的密集呀。

以上細節即使大家不拆硬盤來看也能夠通過教科書或者網絡了解到，可以滿足計算機專業學生的理解需求。但當一個自動化系的同學拆開硬盤之后，在欣賞完磁盤內部結構之后，就會產生諸多疑問。比如：

問題1：硬盤表面的磁道從內到外的長度隨著半徑增加而增加。最內側與最外側的磁道長度相差超過三倍。如果磁道上扇區個數相同的話，那么內、外磁道上的扇區長度也會相差三倍。顯然外圈的磁道上就會浪費三倍的數據存儲面積。

問題2：對比過軟盤驅動、光盤驅動器，它們內部的讀寫頭都是在步進電機驅動的絲杠帶動下做精密的滑動，來定位盤片上不同半徑的磁道。但機械硬盤的讀寫懸臂，只是在一個音頻線圈驅動下做往返運動，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密磁道呢？

問題3：打開懸臂電機，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。如果兩個相互吸引的磁鐵中間是一個均勻磁場，那么問題又來了。這個線圈通電之后，為何能夠產生左右移動的電磁力呢？

▲ 打開音頻線圈驅動器

也許不同的人還會有其他的問題。但上述問題的確困擾了我很多很長的時間。

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

對于第一個問題，為了有效利用磁盤表面來存儲數據，實際磁盤盤片按照半徑不同，從內到外分成不同的區（Zone）。每一區內所有磁道上的扇區個數相同，從內到外不同區的扇區個數逐步增加。

比如下圖，左邊是使用了一個區，即所有的磁道上的扇區個數相同。右邊分成了兩個區，外部的區中的扇區個數比內部多。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分布

如果磁盤表面的區（Zoon）劃分的越多，對應數據記錄密度就會越均勻。下圖顯示了實際磁盤劃分了14個區之后，磁盤表面數據記錄密度的情況。

之所以不同區內數據記錄密度平均值不太一樣，這與磁頭在不同區內與磁道的夾角不同有關系。在最內側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據記錄密度來彌補。

▲ 分成了14個區的磁盤表面數據記錄密度

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

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（Embedded Servo System）技術：磁頭在運動同時讀取磁盤上的信息，根據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運動即可。

▲ 磁道上信息結構示意圖

Artem Rubtsov在博文中詳細描述了磁道上的信號結構，以及如何標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容足以讓那些急于想弄清技術細節的人感到暢快淋漓，驚嘆于磁盤中所蘊含的高超控制技術。

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機械機構幫助下寫入的。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構，這也是讓我們對如此簡潔的硬盤磁頭驅動系統感到驚訝的原因。

最后一個問題，即懸臂上音頻線圈左右運動的原理是什么？原來是兩個永磁鐵組成的磁極縫隙內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，就會產生左右推動力。

▲ 硬盤中磁頭懸臂電機運動原理

將其中一個電機磁極拆下之后，使用外部一個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