硬盘内部——机电一体化的神奇构造

硬盘结构给我们带来的惊讶

硬盘是计算机系统中用于存储大量数据（文件）的部件。虽然现在基于半导体器件的固态硬盘（SSD）应用数量逐步增加，但机械硬盘仍然保持在容量和应用量方面的领先地位。

每一个动手拆过，或者在网络上看到相关现代硬盘维修视频的人都会惊讶于硬盘内部那机电一体化的神奇构造。光洁如镜盘片由三相同步电机带动高速旋转，同时音频线圈直接驱动的悬臂带着磁头做弧线运动，从而完成了在盘片表面数据的读写过程。

下面是一个容量为80G的报废的机械硬盘简洁的内部，拆开之后可以看到其中包括有一个读写磁头，一个盘片。用于信号处理的电路附着在悬臂上的柔性电路板上。

▲ 打开一个机械硬盘，显露出其中主要的结构

很多计算机教科书都会介绍数据是如何在磁盘表面进行存储的。磁盘表面从内到外分成若干个同心圆，成为磁道不同盘片上下表面中同一半径的磁道组成磁道柱。每条磁道又分为若干扇区，每个扇区存储固定字节数（比如512， 1024 等）数据。计算机对于磁盘数据读写是以扇区（或者多个扇区）为单位进行读写的。

下面是磁盘数据结构示意图。

▲ 教科书上关于磁盘表面数据存储的结构示意图

硬盘容量大小（C）=磁头数（N1）×柱面数（N2）×扇区数（N3）×每个扇区字节数（N4）

对于上刚刚拆开的80G硬盘，磁头数（N1）为1。对于扇区数（N3），每个扇区字节数（N4）都取常见到的数值（N3=1000，N4=512），那么柱面数（N2）大约是：

▲ 磁盘的基本尺寸

如果按照上面磁盘的大小尺寸，可以计算出磁道与磁道之间的距离w的大小：

上面的数字显示磁盘表面的磁道是多么的密集呀。

以上细节即使大家不拆硬盘来看也能够通过教科书或者网络了解到，可以满足计算机专业学生的理解需求。但当一个自动化系的同学拆开硬盘之后，在欣赏完磁盘内部结构之后，就会产生诸多疑问。比如：

问题1：硬盘表面的磁道从内到外的长度随着半径增加而增加。最内侧与最外侧的磁道长度相差超过三倍。如果磁道上扇区个数相同的话，那么内、外磁道上的扇区长度也会相差三倍。显然外圈的磁道上就会浪费三倍的数据存储面积。

问题2：对比过软盘驱动、光盘驱动器，它们内部的读写头都是在步进电机驱动的丝杠带动下做精密的滑动，来定位盘片上不同半径的磁道。但机械硬盘的读写悬臂，只是在一个音频线圈驱动下做往返运动，天哪，简单的不能再简单了。那么磁头如何能够循迹定位那细密磁道呢？

问题3：打开悬臂电机，可以看到悬臂上的音频线圈固定在两片永磁铁中间缝隙中。如果两个相互吸引的磁铁中间是一个均匀磁场，那么问题又来了。这个线圈通电之后，为何能够产生左右移动的电磁力呢？

▲ 打开音频线圈驱动器

也许不同的人还会有其他的问题。但上述问题的确困扰了我很多很长的时间。

近期在Artem Rubtsov所写的博文 HDD Inside： Tracks and Zones［1］ 看到了问题的详细解答。

对于第一个问题，为了有效利用磁盘表面来存储数据，实际磁盘盘片按照半径不同，从内到外分成不同的区（Zone）。每一区内所有磁道上的扇区个数相同，从内到外不同区的扇区个数逐步增加。

比如下图，左边是使用了一个区，即所有的磁道上的扇区个数相同。右边分成了两个区，外部的区中的扇区个数比内部多。显然右边的方式对于磁盘表面利用效率高于左边的方式。

▲ 磁盘表面的不同磁道上的扇区分布

如果磁盘表面的区（Zoon）划分的越多，对应数据记录密度就会越均匀。下图显示了实际磁盘划分了14个区之后，磁盘表面数据记录密度的情况。

之所以不同区内数据记录密度平均值不太一样，这与磁头在不同区内与磁道的夹角不同有关系。在最内侧磁头与磁道夹角最大，使得有效的磁迹宽度减小，所以需要通过降低数据记录密度来弥补。

▲ 分成了14个区的磁盘表面数据记录密度

第二个问题：磁头是如何精确定位磁道，最为复杂，也是自动化领域的人最为关心的。Artem Rubtsov在其博文 HDD Inside： Tracks and Zones［1］ 也是花了大量的篇幅进行讲解。虽然他已经使用了非常直白简略的语言进行说明，但全部引用到这儿还是会使得推文很长，建议大家去看一下原文。这里只将要点引述：

硬盘中定位磁头到所需要的磁道使用了一种称为嵌入式伺服系统（Embedded Servo System）技术：磁头在运动同时读取磁盘上的信息，根据读取的信息来获取所在的磁道以及偏移量。所以磁头只要能够划过某些磁道，就可以完成对该磁道内容的读写。盘片本身就是磁头位置的传感器，磁盘中的悬臂只要能够保证往复运动即可。

▲ 磁道上信息结构示意图

Artem Rubtsov在博文中详细描述了磁道上的信号结构，以及如何标志磁道的编码和指示磁头位置的偏差。这部分反智工程语言描述的内容足以让那些急于想弄清技术细节的人感到畅快淋漓，惊叹于磁盘中所蕴含的高超控制技术。

那么问题来了，既然盘片上的磁道用来定位磁头，那么磁道信息是如何写上去的呢？

最初磁道定位信息是在硬盘装配完成之后，在特殊的精密外部引导机械机构帮助下写入的。这部分信息只需要写入一次，因此硬盘中就不需要保留这部分的结构，这也是让我们对如此简洁的硬盘磁头驱动系统感到惊讶的原因。

最后一个问题，即悬臂上音频线圈左右运动的原理是什么？原来是两个永磁铁组成的磁极缝隙内的磁场并不是均匀磁场，而是从左到右，磁场的极性逐步改变的磁场。因此，在线圈通入电流之后，就会产生左右推动力。

▲ 硬盘中磁头悬臂电机运动原理

将其中一个电机磁极拆下之后，使用外部一个小型磁铁测试其表面的极性，可以看到磁极从左到右，极性变化。也就是说磁极的N-S是沿着磁铁左右改变的，而不是上下改变。

参考资料

［1］HDD Inside： Tracks and Zones： https://hddscan.com/doc/HDD_Tracks_and_Zones.html