乾的想喝水，一篇文章帶你讀懂硬盤工做原理！

乾的想喝水，一篇文章帶你讀懂硬盤工做原理！

1、硬盤的基本結構和工做原理

1956年9月，IBM一個工程小組向世界展現了第一臺磁盤存儲系統Ramac，1968年，Winch?鄄ester技術（溫盤技術）被提出，今後人類開始從順序存儲時代來到隨機存儲時代，歷經50年滄海桑田，它一直是現代硬盤的原形。現代硬盤主要由「盤體」、「集成電路」、「接口」等部件組成，其外觀以下圖所示：

若是把圖中的集成電路板卸下來，咱們能夠看到盤體，盤體是一個密封腔，裏面裝有磁介質盤片、讀寫磁頭、電動機等主要部件，將硬盤拆開，其內部構造一覽無遺。

「盤片」是用於放置大量數據的磁盤存儲介質，爲高密度、高穩定的鋁合金或玻璃材質，表面光滑平整無暇疵，均勻噴鍍了薄薄一層密度極高的磁粉，上面再塗上石墨進行保護和潤滑。目前臺式機硬盤盤片主要使用「3.5寸盤」。盤片套在電動機主軸上，在電機帶動下高速旋轉，轉速最高可超過「15000轉/分鐘」，取證時遇到的多爲7200 RPM或5400 RPM。

目前電機有「步進電機」、「力矩電機」和「音圈電機」三種，如今主要使用音圈電機。磁頭是一片薄膜讀寫頭，固定在磁頭臂上，尋道時隨磁頭臂一塊兒移動。上面所述的是最簡單的機構，如今的盤片基本上都是雙面鍍磁，因此磁頭常被分爲上讀寫磁頭和下讀寫磁頭，盤片就夾在上、下讀寫頭中間旋轉，若是盤片不止一張（一般爲3張，中間用墊圈隔開），這種磁頭組就更多，但都固定在同一組磁頭臂上，移動時整組磁頭臂總體移動，這樣可使磁盤容量和讀寫速度成倍增加。

咱們能夠用Winchester原理來描述硬盤工做的過程：「密封、固定並高速旋轉的鍍磁盤片，磁頭沿盤片徑向移動，磁頭懸浮在高速旋轉的盤片上方而不與盤片直接接觸」。這就是現代絕大多數硬盤的原形。

硬盤是「精密而脆弱」的電子設備，正是由於上面的結構和工做原理，因此對於看起來結結實實的硬盤，咱們在進行取證時一樣須要對它當心翼翼。例如：接上電源前，要把它放在防靜電袋中保存，在取證機上取證時要用固定裝置將其固定好，且操做過程當中要放在不易晃動的工做臺上，工做環境應乾燥、少灰塵、無靜電，且附近不要有強磁場，若是咱們須要打開盤體，就必定要進「風淋室」（clean room）了。

2、硬盤的存儲原理與存儲結構

你們都知道磁鐵有兩個極性，一個是「南極」（S極），一個是「北極」（N極），硬盤正是利用磁粒子的極性來記錄數據的。盤片表面的那些磁粉就是磁粒子。盤片被劃分紅若干個同心圓（稱爲磁道）,在每一個同心圓的磁道上就好像有無數的任意排列的小磁鐵,當這些小磁鐵受到來自磁頭磁場的影響時,排列的方向隨之改變，利用磁頭的磁力統一某區域小磁鐵的方向,就可使該區域磁場呈現相同極性，若是把S/N兩種極性與二進制中的0和1對應，就能夠表示二進制數據，這些磁粒子都是永磁體，即使磁頭離開，它依然能夠長時間保持造成的極性，這樣就能達到儲存信息的目的了。磁頭在讀取數據時，能夠感應磁粒子的不一樣極性，從而轉換成不一樣的電脈衝信號，利用解碼器將這些原始信號翻譯出來，就成爲了電腦能使用的數據。

在講解硬盤的存儲結構前，有必要介紹一下下面幾個先導概念：

盤面：
每一個盤片都有上、下兩面（Side），兩面都會用來存儲數據，成爲有效盤面（也有個別硬盤盤片只用一面）。每一個有效盤面都有一個盤面號，由上而下從「0」開始依次編號，又由於每一個有效盤面都對應一個讀寫磁頭，因此磁頭號等價於盤面號。一般一塊硬盤有3個相同的盤片，故磁頭號（盤面號）編號爲0至5。

磁道：
盤片低級格式化時被劃分紅許多同心圓，這些同心圓稱爲磁道（Track）。磁道由外向圓心從0開始順序編號，一個盤面上一般有幾千條磁道。這裏要注意，磁道是看不見的，它不過是盤面上被極化的一些磁化區，但存有數據的磁盤在磁力顯微鏡下面可以被識別出磁道的軌跡。盤片旋轉時，磁道角速度相同，但因爲半徑不一樣，其線速度不一樣。一般咱們所說的0磁道就是指的盤片有效區的最外圈。

柱面：
多個盤片時，立體來看，全部盤面上相同半徑的磁道構成一個圓柱，稱作柱面（Cylinder），因此一塊硬盤的柱面數等價於每一個盤面的磁道數。例如，一個三張盤片的硬盤，0柱面就是指的這三張盤片的0磁道所構成的圓柱。

物理扇區：
低級格式化劃分磁道的同時，每一個磁道又被劃分紅若干段「圓弧」，每段圓弧叫作一個「物理扇區」（Sector），從1開始編號（前面幾個概念都是從0開始編號），目前行業標準裏，一條磁道常被分爲63個物理扇區，固然一條磁道也能夠分紅更多或更少的扇區，但通常應爲奇數，主要是出於考慮間隔因子（也叫交叉因子）的緣故，限於篇幅，這裏就不詳細介紹了。操做系統並非在磁道上連續的記錄數據，而是以每一個物理扇區中的數據做爲一個基本單元讀出或寫入，因此扇區是硬盤讀寫數據的基本單位（存儲數據的單位爲「「簇」」，屬於邏輯部分文件系統中的內容，這裏不討論）。每一個扇區包含兩個主要部分：數據地址段和數據段，正常狀況下，每一個扇區包括512Byte的數據和4Byte其餘信息。

明確以上幾個概念後，咱們來看看硬盤是如何表示本身的空間的。硬盤在每一個物理扇區的頭幾個字節存放該扇區的CHS編號，這裏的C、H、S分別是柱面、磁頭、扇區三個英文單詞的首字母。也就是說，在一個硬盤的三維空間裏，根據前面的編號規則，咱們只要知道了這個物理扇區所在的柱面、磁頭和扇區的編號，就能夠肯定它的惟一位置，還能夠經過他們的值來計算整個硬盤的總容量。計算公式以下：磁盤容量＝柱面數×每柱面磁道數×每磁道物理扇區數×每物理扇區扇區字節數例如：一塊硬盤有3張鋁合金盤片，盤片兩面都存儲數據，每一面都被低級格式化爲2048條磁道，而每條磁道被分割爲63個物理扇區，每一個物理扇區可存儲512個字節，則這塊硬盤的總容量爲：2048×6×63×512=396361728個字節，約378MB（該例中①相關參數並不是實際硬盤參數，只是爲了說明原理；②這裏假設一簇只包含一個扇區。特此說明。）

目前，硬盤的容量可達到幾百個GB，而數據存儲的級別達到了TB級。對於計量的單位，這裏有必要說明一下，1Bit即存儲0或1的一個二進制位，1Byte指一個字節，經常使用換算關係以下：

　　1Byte=8bit
　　1KB＝210B＝1024 Byte
　　1MB＝210KB＝220B＝1048576 Byte
　　1GB＝210MB＝220KB＝230B =1073741824 Byte
　　1TB＝210GB＝220MB＝230KB＝240B =1099511627776 Byte
　　1PB＝210TB＝220GB＝230MB＝240KB =250B =1125899906842624 Byte
　　1EB＝210PB＝220TB＝230GB＝240MB =250KB =260B =152921504606846976 Byte

關於硬盤容量，咱們時常會遇到這樣的問題：爲何同一塊硬盤，有時顯示60GB，有時卻只有56GB？這是計量單位不統一形成的，操做系統進行統計的時候1KB=1024 Byte，但硬盤生產廠商在計算硬盤容量時用1KB=1000Byte來計算，這就形成了上述問題，並非硬盤中空間丟失，或是犯罪分子把空間隱藏了。

3、小結

以上內容從物理特徵的角度介紹了硬盤的基本構造、工做過程和存儲原理，但願對你們進一步理解電子取證工做的原則和流程，以及熟練操做取證和數據恢復軟件方面能有所助益。