Hard Disk Drive
Updated: Sep 21st, 2023
组成
（图源 ）
关键组成：磁盘+主轴+磁头+磁头臂
存储介质
- 刚性磁盘
- 存储原理：使用极性方向来存储0/1
- 读写方法
- 读：磁头经过盘片上方，盘片本身的磁场能导致读取线圈中的电信号发生改变（磁头在移动过程中切割磁感线产生电流）
- 写：磁头经过盘片上方，通过电流来产生电磁场，改变盘片上单个存储单元的磁极性方向
数据在盘片上的组织与操作
在盘片上的组织
（图源 ）
- 磁道（track）
- 扇区（sector）
- 柱面（cylinder）
磁盘容量
- Recording density (bits/in): number of bits that can be squeezed into a 1 inch segment of a track.
- Track density (tracks/in): number of tracks that can be squeezed into a 1 inch radial segment.
- Areal density (bits/in2): product of recording and track density.
磁头的操作
磁盘旋转，磁头移动
（图源 ）
（图源 ）
一个读操作的延迟 breakdown
（图源 ）
\(T_{access} = T_{avg\ seek} + T_{avg\ rotation} + T_{avg\ transfer}\)
磁盘访问时间的计算
\(T_{avg\ seek}\) 一般是 3~9 ms
\(T_{avg\ rotation}\) = 1/2 x 1/RPMs x 60 sec/1 min
\(T_{avg\ transfer}\) = 1/RPM x 1/(avg # sectors/track) x 60 secs/1 min
一个例子：
Given:
Rotational rate = 7,200 RPM Average seek time = 9 ms Avg # sectors/track = 400 （假设一个磁道有400个扇区）
Derived:
\(T_{avg\ rotation}\) = 1/2 x (60 secs/7200 RPM) x 1000 ms/sec = 4 ms 就是算转半圈的延迟
\(T_{avg\ transfer}\) = 60/7200 x 1/400 x 1000 ms/sec = 0.02 ms
\(T_{access}\) = 9 ms + 4 ms + 0.02 ms
- Access time dominated by seek time and rotational latency.
- First bit in a sector is the most expensive, the rest are free.
磁盘 I/O
通过 Interrupt
相关技术：
坏块管理
每个扇区前都会有一个头标，头标中含有一些字段，其中包括对扇区是否能可靠存储数据的标记，还会有一个指示字，可在该扇区错误时指引磁头转到替换扇区或磁道，另外头标末尾还会有循环冗余校验CRC值，可以检查扇区头标的读出情况。
提高容量密度
目前的磁盘已经难以通过增加磁盘大小与增加磁盘数量来提高容量。磁盘大小已经到达极限，再增大，既会增加体积，还会大幅降低磁盘稳定性，另外对于磁盘数量，目前9碟已经是极限了。
对于磁盘记录技术的发展，目前的主要趋势如下图所示，目前比较常见的有Perpendicular magnetic recording和Shingled Magnetic Recording两种。
