磁盤存儲器

磁盤存儲器利用磁記錄技術在旋轉的圓盤介質上進行數據存儲的輔助存儲器。這是一種應用廣泛的直接存取存儲器。其容量較主存儲器大千百倍，在各種規模的計算機系統中，常用作存放操作系統、程序和數據，是對主存儲器的擴充。磁盤存儲器存入的數據可長期保存，與其他輔助存儲器比較，磁盤存儲器具有較大的存儲容量和較快的數據傳輸速率。典型的磁盤驅動器包括盤片主軸旋轉機構與驅動電機、頭臂與頭臂支架、頭臂驅動電機、淨化盤腔與空氣淨化機構、寫入讀出電路、伺服定位電路和控制邏輯電路等。

磁盤以恆定轉速旋轉。懸掛在頭臂上具有浮動面的頭塊（浮動磁頭），靠加載彈簧的力量壓向盤面，盤片表面帶動的氣流將頭塊浮起。頭塊與盤片間保持穩定的微小間隙。經濾塵器過濾的空氣不斷送入盤腔，保持盤片和頭塊處於高度淨化的環境內，以防頭塊與盤面劃傷。根據控制器送來的磁道地址（即圓柱面地址）和尋道命令，定位電路驅動直線電機將頭臂移至目標磁道上。伺服磁頭讀出伺服磁道信號並反饋到定位電路，使頭臂跟隨伺服磁道穩定在目標磁道上。讀寫與選頭電路根據控制器送來的磁頭地址接通應選的磁頭，將控制器送來的數據以串行方式逐位記錄在目標磁道上；或反之，從選定的磁道讀出數據並送往控制器。頭臂裝在梳形架小車上，在尋道時所有頭臂一同移動。所有數據面上相同直徑的同心圓磁道總稱圓柱面，即頭臂定位一次所能存取的全部磁道。每個磁道都按固定的格式記錄。在標誌磁道起始位置的索引之後，記錄該道的地址（圓柱面號和頭號）、磁道的狀況和其他參考信息。在每一記錄段的尾部附記有該段的糾錯碼，對連續少數幾位的永久缺陷所造成的錯誤靠糾錯碼糾正，對有多位永久缺陷的磁道須用備分磁道代替。寫讀操作是以記錄段為單位進行的。記錄段的長度有固定段長和可變段長兩種。

磁盤兩面塗有可磁化介質的平面圓片，數據按閉合同心圓軌道記錄在磁性介質上，這種同心圓軌道稱磁道。磁盤的主要技術參數記錄密度包括位密度、道密度和麪密度。位密度指盤片同心圓軌道上單位長度上記錄多少位單元，用位/毫米(bpmm)表示；道密度是指記錄面徑向每單位長度上所能容納的磁道數，常用道/毫米(tpmm)表示；面密度是指記錄面上單位面積所記錄的位單元，常用位/毫米2表示。磁盤的存儲容量是磁盤上所能記錄二進制數碼的總量，常用千字節(KB)或兆字節(MB)來表示。存取時間包括磁頭從一道移到另一道所需的時間、磁頭移動後的穩時間、盤片旋轉等待時間、磁頭加載時間常用毫秒(ms)表示。誤碼率指在向設備寫入一批數據並回讀後，所檢出的錯誤位數與這一批數據總位數的比值。

磁盤是兩面塗着可磁化介質的平面圓片，數據按閉合同心圓軌道記錄在磁性介質上，這種同心圓軌道稱磁道。因盤基不同，磁盤可分為硬盤和軟盤兩類。硬盤盤基用非磁性輕金屬材料製成；軟盤盤基用撓性塑料製成。按照盤片的安裝方式,磁盤有固定和可互換（可裝卸）兩類。可互換的磁盤結構有下列幾種：

單片盤片安裝在塑料或金屬扁盒內的部件稱盤盒；幾片盤片同軸連裝在一起的部件稱盤組；磁盤與磁頭臂同裝在一密閉容器內的部件稱頭盤組件。小型磁盤驅動器的盤片，直接安裝在驅動器的主軸上，與驅動器結成一個整體。磁盤驅動器是驅動磁盤轉動並在盤面進行寫入讀出動作的裝置。盤組或盤盒裝在驅動器上，以恆速旋轉。磁頭浮動在盤片表面,在磁盤控制器的控制下,經磁頭的電磁轉換在盤面磁層上按同心圓軌道寫入、讀出數據。磁盤驅動器分頭臂固定型和頭臂移動型兩類；頭臂移動型磁盤驅動器又有磁盤可換型和磁盤固定型兩種。

温徹斯特磁盤存儲器簡稱温盤。因採用温徹斯特技術而得名。温徹斯特技術主要包括：①密封的頭盤組件。即將磁頭、盤組和定位機構等密封在一個盤腔內，後來發展到連主軸電機等全部都裝入盤腔，可進行整體更換。②採用小尺寸和小浮力的接觸起停式浮動磁頭。藉以得到超小的頭盤間隙（亞微米級），以提高記錄密度。③採用具有潤滑性能的薄膜磁記錄介質。④採用磁性流體密封技術。可防止塵埃、油、氣侵入盤腔，從而保持盤腔的高度淨化。⑤採用集成度高的前置放大器等。硬盤驅動器均採用了温徹斯特技術。它與可換式磁盤比，大幅度提高了記錄密度，提高了磁盤機的可靠性，使其進一步小型化。

軟磁盤存儲器簡稱軟盤，是一種封裝在方形保護套內的、在軟質基片上塗有氧化鐵磁層的記錄介質。軟盤驅動器的磁頭與盤面是在接觸狀態下工作，因而轉速很低，其他工作原理與硬盤相類似。早期軟盤盤徑為8英寸(1英寸=2.54釐米），後來發展成5.25英寸，又廣泛採用3.5英寸軟盤。驅動器厚度也逐年減小。特別是薄型3.5英寸和5.25英寸軟盤機發展很快，在微機和終端設備中得到了廣泛應用。

固定頭臂磁盤存儲器或稱每道一頭型磁盤存儲器。它不需要頭臂定位機構，而是對應每個盤面安裝儘可能多的頭臂。為了減少平均等待時間，盤片的轉速一般較高，例如每分鐘6000轉。固定頭臂磁盤與磁鼓的性能特點相同，由於磁頭的造價昂貴，應用範圍很小。

磁盤驅動器驅動磁盤轉動並在盤面上通過磁頭進行寫入讀出動作的裝置。磁盤裝在驅動器上，以恆速旋轉。磁頭浮動在盤片表面。在磁盤控制器的控制下，經磁頭的電磁轉換在盤面磁層上進行讀寫數據操作。

硬磁盤驅動器分頭臂固定型和頭臂移動型兩類。頭臂移動型硬磁盤驅動器又可分為可互換式與固定式兩類。新型固定式磁盤由於採用了温徹斯特技術，因此又稱温徹斯特磁盤驅動器，簡稱温式磁盤機。

磁盤機每秒向計算機傳輸的最多數據位數稱為數據傳輸率，用千字節/秒（KB/s）或兆字節/秒（MB/s）表示。

磁盤控制器即磁盤驅動器適配器。是計算機與磁盤驅動器的接口設備。它接收並解釋計算機來的命令，向磁盤驅動器發出各種控制信號。檢測磁盤驅動器狀態，按照規定的磁盤數據格式，把數據寫入磁盤和從磁盤讀出數據。磁盤控制器類型很多，但它的基本組成和工作原理大體上是相同的。它主要由與計算機系統總線相連的控制邏輯電路，微處理器，完成讀出數據分離和寫入數據補償的讀寫數據解碼和編碼電路，數據檢錯和糾錯電路，根據計算機發來的命令對數據傳遞、串並轉換以及格式化等進行控制的邏輯電路，存放磁盤基本輸入輸出程序的只讀存儲器和用以數據交換的緩衝區等部分組成。

磁盤存儲器的主要指標包括平均潛伏期，存儲密度，存儲容量，存取時間，數據傳輸率，噪音與温度等。

這一指標是指當磁頭移動到指定磁道後，要等多長時間指定的讀/寫扇區會移動到磁頭下方（盤片是旋轉的），盤片轉得越快，潛伏期越短。平均潛伏期是指磁盤轉動半圈所用的時間。顯然，同一轉速的硬盤的平均潛伏期是固定的。7200RPM時約為4.167ms，5400RPM時約為5.556ms。 ^[1] 

存儲密度分道密度，位密度和麪密度。道密度是沿磁盤半徑方向單位長度上的磁道數，單位為道/英寸.位密度是磁道單位長度上能記錄的二進制代碼位數，單位為位/英寸.面密度是位密度和道密度的乘積，單位為位/平方英寸。

一個磁盤存儲器所能存儲的字節總數，稱為磁盤存儲器的存儲容量.存儲容量有格式化容量和非格式化容量之分，格式化容量是指按照某種特定的記錄格式所能存儲信息的總量,也就是用户可以真正使用的容量。非格式化容量是磁記錄表面可以利用的磁化單元總數。將磁盤存儲器用於某計算機系統中，必須首先進行格式化操作,然後才能供用户記錄信息。格式化容量一般是非格式化容量的60%―70%。3.5英寸的硬盤機容量可達4.29GB。

存取時間是指從發出讀寫命令後，磁頭從某一起始位置移動至新的記錄位置,到開始從盤片表面讀出或寫入信息所需要的時間.這段時間由兩個數值所決定：一個是將磁頭定位至所要求的磁道上所需的時間,稱為定位時間或找道時間；另一個是找道完成後至磁道上需要訪問的信息到達磁頭下的時間，稱為等待時間,這兩個時間都是隨機變化的，因此往往使用平均值來表示。平均存取時間等於平均找道時間與平均等待時間之和。平均找道時間是最大找道時間與最小找道時間的平均值。平均找道時間為10―20ms，平均等待時間和磁盤轉速有關，它用磁盤旋轉一週所需時間的一半來表示，固定頭盤轉速高達6000轉/分,故平均等待時間為5ms。

磁盤存儲器在單位時間內向主機傳送數據的字節數,叫數據傳輸率，傳輸率與存儲設備和主機接口邏輯有關。從主機接口邏輯考慮，應有足夠快的傳送速度向設備接收/發送信息。從存儲設備考慮，假設磁盤旋轉速度為每秒n轉，每條磁道容量為N個字節，則數據傳輸率Dr=nN(字節/秒)。也可以寫成Dr=D・v(字節/秒)，其中D為位密度，v為磁盤旋轉的線速度，磁盤存儲器的數據傳輸率可達幾十兆字節/秒。

這兩個屬於非性能指標。對於噪音，以前廠商們並不在意，但從2000年開始，出於市場的需要（比如OEM廠商希望生產更安靜的電腦以增加賣點）廠商通過各種手段來降低硬盤的工作噪音，ATA-5規範第三版也加入了自動聲學（噪音）管理子集（AAM，Automatic Acoustic Management），因此所有新硬盤都支持AAM功能。硬盤的噪音主要來源於主軸馬達與音圈馬達，降噪也是從這兩點入手（盤片的增多也會增加噪音，但這沒有辦法）。至於熱量，其實每個廠商都有自己的標準，並聲稱硬盤的表現是他們預料之中的，完全在安全範圍之內，沒有問題。這一點倒的是不用擔心，不過關鍵在於硬盤是機箱中的一個組成部分，它的高熱會提高機箱的整體温度，也許硬盤本身沒事，但可能周圍的配件卻經受不了，別的不説，如果是兩個高熱的硬盤安裝得很緊密，那麼它還能承受近乎於雙倍的熱量嗎？所以硬盤的熱量仍需注意。 ^[1] 

世界第一台硬盤存儲器是由IBM公司在1956年發明的，其型號為：IBM350RAMA（RandomAccessMethodofAccountingandControl）。這套系統的總容量只有5MB，共使用了50個直徑為24英寸的磁盤。

1968年，IBM公司提出“温徹斯特/Winchester”技術，其要點是將高速旋轉的磁盤、磁頭及其尋道機構等全部密封在一個無塵的封閉體中，形成一個頭盤組合件（HDA），與外界環境隔絕，避免了灰塵的污染，並採用小型化輕浮力的磁頭浮動塊，盤片表面塗潤滑劑，實行接觸起停，這是現代絕大多數硬盤的原型。

1979年，IBM發明了薄膜磁頭，進一步減輕了磁頭重量，使更快的存取速度、更高的存儲密度成為可能。

20世紀80年代末期，IBM公司又對磁盤技術作出一項重大貢獻，發明了MR（MagnetoResistive)磁阻磁頭，這種磁頭在讀取數據時對信號整理目錄變化相當敏感，使得盤片的存儲密比以往提高了數十倍。1991年，IBM生產的3.5英寸硬盤使用了MR磁頭,度，使硬盤的容量首次達到了1GB，從此，硬盤容量開始進入了GB數量級。IBM還發明瞭PRML（PartialResponseMaximumLikelihood）的信號讀取技術，使信號檢測的靈敏度大幅度提高，從而可以大幅度提高記錄密度。

21世紀初，硬盤的面密度已經達到每平方英寸100Gb以上，是容量、性價比最大的一種存儲設備。因而，在計算機的外存儲設備中，還沒有一種其他的存儲設備能夠對其統治地位產生挑戰。硬盤不僅用於各種計算機和服務器中，在磁盤陣列和各種網絡存儲系統中，它也是基本的存儲單元。

值得注意的是，隨着微硬盤的出現和快速發展為移動存儲提供了一種較為理想的存儲介質。在閃存芯片難以承擔的大容量移動存儲領域，微硬盤可大顯身手。尺寸為1英寸的硬盤，存儲容量已達8GB，20GB容量的1英寸硬盤不久也會面世。