磁盘工作原理

柔情只为你懂 2022-04-15 00:22 127阅读 0赞

大多数永久性或办永久性电脑数据都是将磁盘上的一小片金属物质磁化来实现。然后再将这些磁性图拷贝转换成原始数据，这便是磁存储的原理。

### 磁存储历史 ###

在磁存储出现以前，初级电脑存储介质是1890年Herman Hollerith发明的穿孔卡片。

磁存储的历史可以追溯到1949年6月，一群IBM工程师和科学家那时正开始研发新的存储设备。他们当时研究的正是用于电脑的第一个磁存储设备，而这个设备改变了整个行业。在1952年5月21日，IBM发布了带IBM 701防御计算器的IBM 726磁带机，这标志着穿孔卡片计算器像电子计算机的变迁。

四年之后，一小群IBM工程师率先将第一个电脑磁盘存储系统引入308 RAMAC（随机存储控制）计算机。

305 RAMAC驱动可以在50个磁盘上保存5百万字符。个人数据保存密度仅为2kb/平方英尺。与磁盘驱动器不同，RAMAC的记录磁头可以直接到达每个磁盘表面的位置而不需要读取中间的信息。随机可访性曾有效提高电脑性能，这使得数据的保存和检索的速度都远快于保存在磁带上的速度。

在60多年的发展中，磁存储行业可以在3.5英尺大小的驱动上存储3TB数据。

### 磁场如何保存数据 ###

所有的磁存储设备都通过电磁学原理读写数据。基础物理原理认为电流通过导体的时候，导体周围会产生磁场。注意电子是从阴极流向阳极，如图所示，尽管我们通常认为电子是从阳极流向阴极。  
![图1 电流通过时，在导线周围产生磁场][1]

电磁现象是1819年由汉斯·克里斯琴·奥斯特发现，当时他发现指南针在靠近通电的电线时无法准确指示方向。而电流通知后，指南针恢复正常。

电线导体产生的磁场对其周围内的磁性物质会产生影响，当电流方向或电压极性变换时，磁极也随之变换。

法拉第在1831年发现了另一个电磁效应。他发现如果导体通过移动的磁场，会产生电流。电流方向随磁极方向而改变。

例如，将交流发电机应用于磁存储设备时，这种双向的电磁作用便能在磁盘上记录和读取数据。记录的时候，磁头将电脉冲变为磁场；而读取的时候又将磁场转为电脉冲。  
![在这里插入图片描述][cef2659fd1573f79.jpg]  
磁存储设备中读写磁头是U型导体。U型磁头被线圈包裹，从而让电流通过。当电流通过线圈时，会在驱动磁头中产生磁场。实际上，磁头的电压可在两级快速改变。  
![在这里插入图片描述][c9cc54433477ab91.jpg]  
组成存储介质的磁盘或磁带形成了一些介质形式，在此之上，存放了一层磁化物质。该物质通常是一些杂质氧化铁。存储介质上的灭个磁性粒子都有自己的磁场。介质为空时，这些磁场的磁极通常是杂乱的。由于每个粒子的磁场指示方向都随机，所以出现了相互抵消的情况，从而出现了无明显磁极的现象。

当驱动的读写磁头产生磁场时，磁场会在U型磁铁的两级之间跳动。因为磁场通过导体逼通过空寂要容易，所以磁场会向外弯曲，然后利用临近的存储介质作为最短途径到达另一端。磁场直接穿过介质将磁性粒子极化，使其与磁场保持一致。磁极的方向由通过线圈的电流方向决定，在磁存储设备的开发过程中，读写磁头和介质之间的距离显著减少。这样被记录磁畴也会变小。而被记录的磁畴越小，数据保存的密度就越大。

磁场穿过介质的时候，磁头下部区域的方向都相同。当粒子磁畴统一时，就不会长生相互抵消，于是会形成明显的磁场。由许多磁性粒子生成的这个本地磁场现在聚会整齐划一的产生一个可探测累积磁场。磁头中颠倒的磁通量会导致磁碟上磁化粒子磁极的颠倒。

通量逆转时存储介质表面磁性粒子的磁极发生了改变。一个驱动磁头在介质上创建颠倒的磁通量是为了记录数据。驱动写入任何一个字节，它都会在介质上创造正-负和负-正的颠倒磁通量。在转换区域里的磁通量逆转被用来保存给定数据，这种方式被称之为编码。根据所使用的编码方式，驱动逻辑或控制器保存好数据后将其编码成一系列的通量逆转。

在写入过程中，磁头被加入电压。由于电压极性改变，磁场电极也随之改变。磁通变换区在极性改变的地方被准确写下来。在读取过程中，磁头生成的信号与写入时的有出入。相反，磁头只在通过磁通逆转时产生了电压脉冲或尖峰电压。当正极变为负极，磁头探测到的脉冲就时负极。当负极变成正极，脉冲就是正极尖峰电压。这种效应之所以发生是因为导体只在以某种角度通过磁力线时才生成电流。由于磁头与磁场平行移动，所以磁头产生电压的唯一机会就是当它通过磁极或磁通变换区进行读取的时候。

其实，从介质读取信息时，磁头就成磁通变换区的他测器，可以在通过变换区时产生电压脉冲。没有发生转变的区域则不会出现脉冲。下图展示了读取波形图和存储介质上记录的磁通变换区之间的关系。  
![在这里插入图片描述][d8cd1f5dd9e9fafe.jpg]  
你可以把写入模式看作是正负极电压的方波形。当电压为正极时，磁头会产生磁场，这样就把磁性介质导往同一个方向。波形改为负极时，磁场会把介质导向另一个方向。波形从正极转到负极时，磁碟上的磁通量也会改变方向，反之亦然。读取过程中，磁头会感知磁通变换区，并生成正负极脉冲波。而不是持续的波形。换言之，除非电压为零，否则磁头就可以探测到磁通量的变换，而且还生成了相应的正负脉冲。脉冲只在磁头通过介质上的磁通变换区时才出现。如果俩姐驱动转一圈的使用的时间，控制器电路就能确定脉冲是否在限定转换时间内衰减。

磁头以读取模式经过存储介质时会生成脉冲电流，且可能产生大量噪音。驱动中的敏感电流和控制器会放大信号并对微弱脉冲解码成二进制数据，也就是最先被导入的数据。

硬盘驱动和其它存储设备对数据的读写其实采用的是基本的电磁法则。电流通过磁体（磁头）时，磁体生成可以生成可以保存咋介质中的磁场，驱动写入数据。磁头再通过介质表面式则驱动读取数据。由于磁头在保存的磁场中会出现更改，所以它会产生微弱电流指示信号中食肉出现磁通变换区。

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