机械硬盘的工作原理

机械硬盘的工作原理

硬盘是一种存储设备，它利用粒子的磁化强度在其表面保存数据。也称为机械硬盘。数据以磁模式的形式存储在硬盘中。1956年，美国计算机制造公司IBM或国际商业机器公司（International Business Machines Corporation）的一个团队发明了机械硬盘。雷·约翰逊（Rey Johnson）领导了这个团队，因此他也被称为磁盘驱动器之父。1956年9月13日，IBM推出了第一个硬盘。最初，硬盘驱动器能够存储有限数量的数据，并且体积庞大；然而，随着技术的即兴发挥，硬盘的数据存储能力得到了增强，设备的尺寸也得到了有效的减小。迄今为止，机械硬盘能够存储的最大数据量等于18 TB。硬盘能够存储所有类型的数据，如图像、音频文件、文本文档等。它可以支持多种文件格式的存储，如jpeg、png、WAV、mp3、mp4、MKV、WEBM等。机械硬盘具有优势，因为与其他数据存储设备相比，它们具有更长的使用寿命，并且在市场上以可承受的价格随时可用。此外，它们比SSD等其他设备具有更多的数据存储容量。机械硬盘的局限性包括高功耗、高成本和使用过程中产生的噪音。与RAM相比，硬盘传输和访问数据的速度较慢。硬盘需要小心处理，因为即使是表面上的小裂缝也会导致设备报废和数据丢失。

机械硬盘的结构

机械硬盘通常基于简单磁性原理来存储数据和信息。硬盘通常由一块磁性材料制成的大型板组成，称为盘片。盘片通常是圆形的。磁性板的表面被分成数十亿个小隔间。微小区域的磁化可以独立进行。盘片的磁化小区域表示二进制高，相当于二进制值1；然而，退磁的微小区域表示二进制低，并且相当于二进制值零。这表示机械硬盘存储的字母、数字和其他形式的数据是二进制值的组合，即0或1。硬盘存储的信息的最小部分称为位。材料的磁化过程通常优选将信息存储在磁盘中，因为它不会受到关闭电源的影响。即使驱动器长时间未连接到电源，数据也会被驱动器保留。硬盘的磁化部分倾向于保持磁化状态，直到其被外部消磁，从而允许数据的可靠存储。

机械硬盘的组件

机械硬盘通常由9个主要部件组成，即致动器、磁头臂、中央主轴、磁盘、插头、读写磁头、电路板、连接器和小主轴。

1.致动器

致动器是一个简单的装置，有助于将电能转换为机械能。这里，致动器的主要目的是驱动磁头臂。最初，机械硬盘通常使用步进电机来移动读写臂，但随着步进电机以相对较慢的速度移动，它们很快被音圈马达取代，可靠性较低，精度较低，并且对环境的物理参数（如温度、压力等）更为敏感。在一些最新版本的机械硬盘中，音圈马达用于代替致动器。

2.磁头臂

磁头臂用作驱动机构，在盘片表面上来回移动读写磁头。

3.中心主轴

连接到盘片中心的主轴将设备固定到位，并有助于磁盘沿其轴线以相当高的速度均匀旋转。

4.磁盘（盘片）

磁盘是一种圆盘，通常由铝或玻璃制成，表面涂有磁性涂层。它是机械硬盘最重要的部分之一。硬盘的磁盘主要负责在磁化过程的帮助下存储数据。机械硬盘由多个磁盘组成，这些磁盘堆叠在一起，安装在一个公共主轴上。盘片每分钟的旋转与设备的运行速度成正比。

5.插头

硬盘的插头有助于将硬盘驱动器连接到计算机系统。

6.读写磁头

读写磁头是一小块磁铁，连接在磁头臂的顶部，执行从硬盘读取数据和将数据写入盘片表面的主要任务。硬盘通常由每个盘片的两个读写头组成。其中一个头部连接到盘片的顶部，而另一个头部则与底部紧密接触。这使设备能够访问盘片两侧的可用数据。为了保护设备免受过度磨损，使读写头悬停在表面上，并在读写磁头和盘片之间插入一层流体或空气。

7.电路板

硬盘的电路板通常由铝、玻璃或陶瓷材料制成。它嵌入机械硬盘的内部电路中，用于通过控制进出磁化盘片的数据流来循环磁盘所包含的数据。

8.柔性连接器

连接到靠近盘片的硬盘内部机构的柔性连接器主要用于将数据从电路板传送到设备的读写磁头，反之亦然。

9.小主轴

一个小转轴连接在机器的侧面，帮助设备的读写臂在磁化盘片上横向摆动。

机械硬盘的工作原理

机械硬盘由一堆高速旋转的磁盘或盘片组成。记录头通常连接到每个盘片的顶部和底部。一层微观磁化金属颗粒被施加到磁盘表面。磁盘表面磁化金属颗粒涂层的主要目的是形成磁性图案以保持信息或存储数据。为此，颗粒倾向于以组的形式排列。在这里，由颗粒形成的每一组被称为比特。可以实现晶粒磁化的两种状态表示二进制位0和1。通过将数字数据或二进制位组合转换为模拟数据或电流，将数据存储到磁盘上。比特的传输借助于连接到硬盘内部机构的电磁铁进行。电磁铁产生的磁场非常强，能够反转或改变金属颗粒的磁化方向。要检索存储在硬盘上的信息，需要使用磁性读取器。存储在硬盘表面上的信息以特定顺序排列。包含信息的数据位被布置在同心圆形路径中。这些路径称为磁道。磁道可以进一步划分为更小的区域，称为扇区。每当用户提供保存数据的命令时，设备的读写磁头尝试定位盘片的空扇区，并根据输入信号建立该特定区域中存在的磁性颗粒的磁化和去磁化。硬盘的一部分专门用于跟踪硬盘的空闲和用完部分。显示硬盘容量使用情况的映射称为文件分配表或FAT。当用户向计算机提供将信息保存在磁盘表面的命令时，计算机接近文件分配表以找到保存数据所需的适当位置。一旦计算机找到合适的位置，读写头就相应地在盘片表面上移动。最后，根据输入数据，磁盘表面的晶粒被磁化和消磁，数据被成功保存。要读取数据或取回保存的信息，过程将颠倒。如果灰尘颗粒、水分分子等异物颗粒进入设备内部电路，机械硬盘很容易丢失数据，这就是为什么存储在硬盘中的数据备份通常是首选的原因。这意味着硬盘是一种需要正确小心处理的精密设备。