干的想喝水，一篇文章带你读懂硬盘工作原理！

一、硬盘的基本结构和工作原理

1956年9月，IBM一个工程小组向世界展示了第一台磁盘存储系统Ramac，1968年，Winch?鄄ester技术（温盘技术）被提出，从此人类开始从顺序存储时代来到随机存储时代，历经50年沧海桑田，它一直是现代硬盘的原形。现代硬盘主要由「盘体」、「集成电路」、「接口」等部件组成，其外观如下图所示：

如果把图中的集成电路板卸下来，我们可以看到盘体，盘体是一个密封腔，里面装有磁介质盘片、读写磁头、电动机等主要部件，将硬盘拆开，其内部构造一览无遗。

「盘片」是用于放置大量数据的磁盘存储介质，为高密度、高稳定的铝合金或玻璃材质，表面光滑平整无暇疵，均匀喷镀了薄薄一层密度极高的磁粉，上面再涂上石墨进行保护和润滑。目前台式机硬盘盘片主要使用「3.5寸盘」。盘片套在电动机主轴上，在电机带动下高速旋转，转速最高可超过「15000转/分钟」，取证时遇到的多为7200 RPM或5400 RPM。

目前电机有「步进电机」、「力矩电机」和「音圈电机」三种，现在主要使用音圈电机。磁头是一片薄膜读写头，固定在磁头臂上，寻道时随磁头臂一起移动。上面所述的是最简单的机构，现在的盘片基本上都是双面镀磁，所以磁头常被分为上读写磁头和下读写磁头，盘片就夹在上、下读写头中间旋转，如果盘片不止一张（通常为3张，中间用垫圈隔开），这种磁头组就更多，但都固定在同一组磁头臂上，移动时整组磁头臂整体移动，这样可以使磁盘容量和读写速度成倍增长。

我们可以用Winchester原理来描述硬盘工作的过程：“密封、固定并高速旋转的镀磁盘片，磁头沿盘片径向移动，磁头悬浮在高速旋转的盘片上方而不与盘片直接接触”。这就是现代绝大多数硬盘的原形。

硬盘是「精密而脆弱」的电子设备，正是因为上面的结构和工作原理，所以对于看起来结结实实的硬盘，我们在进行取证时同样需要对它小心翼翼。例如：接上电源前，要把它放在防静电袋中保存，在取证机上取证时要用固定装置将其固定好，且操作过程中要放在不易晃动的工作台上，工作环境应干燥、少灰尘、无静电，且附近不要有强磁场，如果我们需要打开盘体，就一定要进「风淋室」（clean room）了。

二、硬盘的存储原理与存储结构

大家都知道磁铁有两个极性，一个是「南极」（S极），一个是「北极」（N极），硬盘正是利用磁粒子的极性来记录数据的。盘片表面的那些磁粉就是磁粒子。盘片被划分成若干个同心圆（称为磁道）,在每个同心圆的磁道上就好像有无数的任意排列的小磁铁,当这些小磁铁受到来自磁头磁场的影响时,排列的方向随之改变，利用磁头的磁力统一某区域小磁铁的方向,就可以使该区域磁场呈现相同极性，如果把S/N两种极性与二进制中的0和1对应，就可以表示二进制数据，这些磁粒子都是永磁体，即便磁头离开，它依然可以长时间保持形成的极性，这样就能达到储存信息的目的了。磁头在读取数据时，可以感应磁粒子的不同极性，从而转换成不同的电脉冲信号，利用解码器将这些原始信号翻译出来，就成为了电脑能使用的数据。

在讲解硬盘的存储结构前，有必要介绍一下下面几个先导概念：

盘面：
每个盘片都有上、下两面（Side），两面都会用来存储数据，成为有效盘面（也有个别硬盘盘片只用一面）。每个有效盘面都有一个盘面号，由上而下从“0”开始依次编号，又因为每个有效盘面都对应一个读写磁头，所以磁头号等价于盘面号。通常一块硬盘有3个相同的盘片，故磁头号（盘面号）编号为0至5。

磁道：
盘片低级格式化时被划分成许多同心圆，这些同心圆称为磁道（Track）。磁道由外向圆心从0开始顺序编号，一个盘面上通常有几千条磁道。这里要注意，磁道是看不见的，它不过是盘面上被极化的一些磁化区，但存有数据的磁盘在磁力显微镜下面能够被识别出磁道的轨迹。盘片旋转时，磁道角速度相同，但由于半径不同，其线速度不同。通常我们所说的0磁道就是指的盘片有效区的最外圈。

柱面：
多个盘片时，立体来看，所有盘面上相同半径的磁道构成一个圆柱，称做柱面（Cylinder），所以一块硬盘的柱面数等价于每个盘面的磁道数。例如，一个三张盘片的硬盘，0柱面就是指的这三张盘片的0磁道所构成的圆柱。

物理扇区：
低级格式化划分磁道的同时，每个磁道又被划分成若干段「圆弧」，每段圆弧叫做一个「物理扇区」（Sector），从1开始编号（前面几个概念都是从0开始编号），目前行业标准里，一条磁道常被分为63个物理扇区，当然一条磁道也可以分成更多或更少的扇区，但一般应为奇数，主要是出于考虑间隔因子（也叫交叉因子）的缘故，限于篇幅，这里就不详细介绍了。操作系统并不是在磁道上连续的记录数据，而是以每个物理扇区中的数据作为一个基本单元读出或写入，所以扇区是硬盘读写数据的基本单位（存储数据的单位为“「簇」”，属于逻辑部分文件系统中的内容，这里不讨论）。每个扇区包含两个主要部分：数据地址段和数据段，正常情况下，每个扇区包括512Byte的数据和4Byte其他信息。

明确以上几个概念后，我们来看看硬盘是如何表示自己的空间的。硬盘在每个物理扇区的头几个字节存放该扇区的CHS编号，这里的C、H、S分别是柱面、磁头、扇区三个英文单词的首字母。也就是说，在一个硬盘的三维空间里，根据前面的编号规则，我们只要知道了这个物理扇区所在的柱面、磁头和扇区的编号，就可以确定它的唯一位置，还可以通过他们的值来计算整个硬盘的总容量。计算公式如下：磁盘容量＝柱面数×每柱面磁道数×每磁道物理扇区数×每物理扇区扇区字节数例如：一块硬盘有3张铝合金盘片，盘片两面都存储数据，每一面都被低级格式化为2048条磁道，而每条磁道被分割为63个物理扇区，每个物理扇区可存储512个字节，则这块硬盘的总容量为：2048×6×63×512=396361728个字节，约378MB（该例中①相关参数并非实际硬盘参数，只是为了说明原理；②这里假设一簇只包含一个扇区。特此说明。）

目前，硬盘的容量可达到几百个GB，而数据存储的级别达到了TB级。对于计量的单位，这里有必要说明一下，1Bit即存储0或1的一个二进制位，1Byte指一个字节，常用换算关系如下：

　　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

关于硬盘容量，我们时常会遇到这样的问题：为什么同一块硬盘，有时显示60GB，有时却只有56GB？这是计量单位不统一造成的，操作系统进行统计的时候1KB=1024 Byte，但硬盘生产厂商在计算硬盘容量时用1KB=1000Byte来计算，这就造成了上述问题，并不是硬盘中空间丢失，或是犯罪分子把空间隐藏了。

三、小结

以上内容从物理特征的角度介绍了硬盘的基本构造、工作过程和存储原理，希望对大家进一步理解电子取证工作的原则和流程，以及熟练操作取证和数据恢复软件方面能有所助益。

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