硬（磁）盘（一）

一、背景

以前也整理过磁盘相关的资料，但是并没有逻辑性，并没有将磁盘讲清楚，以至于我今天还是对磁盘的理解不够深刻，从而导致我经常混淆操作系统与磁盘之间的概念，引起一些差错，因此，我决定从头开始好好整理一下磁盘的相关概念。

以下磁盘=硬盘。

二、一点硬盘历史

世界上第一块硬盘（Hard Disk Drives,HDD）是由IBM在1956年发明的，其型号为IBM 350 disk storage，其搭载在IBM 305 RAMAC计算机之中。这个硬盘被认为是现代硬盘的雏形，其重量高达600公斤，体积达到两个冰箱的体积之和。

附：

后来，在1980年，IBM发明了世界上第一块容量突破GB的硬盘IBM3380。

2007年，日立（2003年日立收购了IBM的硬盘分部）在CES展会上展出了一块容量达到TB级别的硬盘。

2021年，硬盘的容量已经可以达到20TB。

容量上，硬盘的容量越来越大，体积也从原来的巨无霸缩小到如今的标准尺寸3.5与2.5英寸。

以上内容来自于wiki。

三、基本原理

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。而电流停止后，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。 ——— 电生磁

 

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。   —— 法拉第电磁感应

根据电磁现象，将线圈缠绕在一个顺磁体（顺磁体在磁场中可以被磁化，从而具备磁性。）上，这个顺磁体将被磁化，具备磁性，磁场方向与线圈的磁场方向一致。电磁铁就是这个原理，而U型电磁铁的磁性最强处就是在U型的开口处。

而根据电磁感应，经过后人的研究，只要线圈的磁通量发生变化，线圈就会产生感应电动势，磁通量变化越快，感应电动势越强。

上图是传统磁存储的示意图 ，其中4为磁头（就是一个U型的电磁铁，哈哈），1和2是被磁化的磁性介质区域，这两个区域的磁场强度方向不一样，3位他们的交界处。

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。存储介质上的每个磁性粒子都有自己的磁场。介质没有被磁化的时候，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。 

4为磁头，其实就是一个电磁铁，当线圈有电流流过的时候，其U型口部分的外部磁场就会影响接触面的磁性介质，使这个区域的磁性介质材料被磁化。写入的时候，通过在磁头加不同方向的电流，从而能够在磁性介质上留下不同方向的磁场，实现信息的写入。

其中1和2是两个磁场方向相反的被磁化区域，当磁头在在1中或者在2中的时候，磁通量不会发生变化，但是从1切换到2的时候，开始经过3处，由于磁场方向发生反转，磁通量就会发生巨大变化，从而使线圈产生感应电动势，线圈中出现微弱的电流，通过外围电路就能够将这种电流放大，从而读出之前存储的信息。

可以看到，磁头在从一个被磁化区域迁移到另外一个具有相反磁场方向的被磁化区域的时候，磁通量会翻转，从而产生一个峰值的电压，也只有在这样一个区域才会产生峰值的电压，在其他区域磁通量虽然也变化，但是变化很小，电压信号非常微弱，这些信号被视为噪音，通过外围电路可以过滤噪音，同时放大峰值电压信号，还原出写入的电压信号。

氧化铁是一种磁性材料，磁性材料可以被磁场磁化，当磁场撤去之后，其仍然能够保持磁性。在被磁化的过程中，其磁性将随着外加磁场的磁场强度H增大而逐渐增大，但是会达到一个磁化强度M后，外加磁场继续增大其磁化强度不再改变，这个磁化强度就是饱和磁化强度。随后撤去外加磁场，其能够继续保持自身磁性，此时的材料的磁化强度就是剩余磁化强度，必须达到饱和磁化强度之后才能够保持自身磁性。

在外加磁场逐渐增强的过程中，一开始磁性材料并不是立刻就具备磁性的，当外加磁场达到一定磁化强度Hc之后，磁性材料开始具备磁化强度，这个Hc称为磁性材料的矫顽力。当磁性材料被磁化之后，材料保持剩余磁化强度，如果想去除剩余磁化强度，则必须外加反方向的磁场，磁场的磁场强度必须大于Hc才能够去除磁性材料该方向上的剩余磁化强度。

可以看到磁性在被磁化之后，能够保持磁性，而且其磁性的保持因为矫顽力的存在，不会轻易的受到的外界磁场的干扰。同时，因为矫顽力的存在，磁性材料也不会轻易的被磁化。

正是因为磁性材料的这种特性，其能够作为记录信息的材料。

那么什么样的磁性材料能够作为磁性存储介质呢？

• 饱和磁化强度大，饱和磁化强度越大，磁性材料越不容易具备剩余磁化强度，那么磁性材料受到环境影响而具备剩余磁化强度的可能性就越低，那么在长久的使用过程中，磁性材料没有被磁化的区域不会因环境而获得剩余磁化强度，从而引起信息出错。
• 矫顽力Hc应该比较高，矫顽力越高，磁性材料保持磁化状态的能力越强，其不会因为外界影响而消磁，从而丢失信息。
• 矩形比（剩余磁化强度比饱和磁化强度）要大，这样的话，磁性材料在被磁化的时候，就不会太浪费外加磁场了，如果矩形比小的话，外加磁场强度需要加到到远高于剩磁强度的程度才能达到饱和磁化强度，这就很浪费能量；反之，如果矩形比很大，外加磁场强度只需要稍微超过剩磁强度的程度就能达到饱和磁化强度，能效就比较高。
• 此外，其绝缘性、耐热性、磁学耐热性和磁学抗压性、机械特性、化学特性都应该比较优良。

前面说到矫顽力的大小是衡量磁性材料保持磁化状态的重要标准，根据矫顽力的大小，可以将磁性材料分为软磁和永磁两类，显然氧化铁就是一种永磁材料，所以其能够被作为磁性存储的介质。

# 那么具体是怎样写入信息的呢？

数字信号的记录原理：

也就是说，要不利用磁化方向记录数字信号1和0，要不就利用磁化反转来记录1和0。

但是，具体1或0是使用磁化方向还是使用磁化反转来进行记录由设备制造厂商决定（实际就是跟具体的编码方式有关，但是编码方式也是由厂商决定的）。

这里编码的作用是将数据转换为能被写入磁盘又可以被读出的形式。

先来看一个最简单的编码方式：

归零制（RZ，return zero）

  所谓归零制其实就是，高电平代表1，低电平代表0，两个数字信号中间总是相隔一个零电平。

如上图所示，这种方式写入磁性介质之后，两个磁化区域之间总是有一个非磁化区域。写入的时候，根据电平信号，确定磁化方向，电流总在写完一个数据的时候归零。读出的时候，磁头（假设从左向右，像右的方向为正）从左向右移动，当从未被磁化区域进入1号区域（磁化方向为正）的时候，磁头的线圈的磁通量瞬间增大，从而发出一个正向脉冲电压，外围电路根据这个正向脉冲电压就可以输出高电平；当磁头从1号区域离开进入一个未磁化区域的时候，磁通量继续减小，从而发出一个负向的脉冲电压，外围电路根据这个负向脉冲将电平信号归零。后面磁头进入2号区域（磁化方向为负），磁头的线圈的磁通量瞬间减小，从而发出一个负向脉冲电压，外围电路根据这个负向脉冲输出低电平；再接着磁头离开2号区域，磁头的线圈的磁通量瞬间增大，从而发出一个正向的脉冲电压，外围电路根据正向脉冲将电平信号归零。后面的3、4、5区域类似。

可以看到，这种方式编码的数据，其写入磁盘之后，可以很轻松的被读出。

而这种归零制（RZ）也正是早期磁盘所采用的编码方式，用来将数据记录到磁盘。

不归零制（NRZ，non return zero）

 所谓不归零制就是高电平代表1，低电平代表0，两个数字信号中间没有零电平。

如上图所示，这种方式写入磁性介质之后，两个磁化区域之间没有一个非磁化区域。写入的时候，根据电平信号，确定磁化方向。读出的时候，磁头（假设从左向右，像右的方向为正）从左向右移动，当从未被磁化区域进入1号区域（磁化方向为负），磁头的线圈的磁通量瞬间减小，线圈发出负向脉冲，外围电路输出低电平，从1进入2的时候，磁通量发生翻转，磁头的线圈的磁通量瞬间增大，线圈发出正向脉冲，外围电路输出高电平，从2进入3的时候，磁通量再次发生翻转，磁头的线圈的磁通量瞬间减小，线圈发出负向脉冲，外围电路输出高电平。其它类似。当从5进入一个未磁化区域的时候，磁头的线圈的磁通量瞬间增大，线圈发出正向脉冲，外围电路就会输出高电平。

这就存在一个问题了，当遇到连续的1或者连续的0的时候，读取的时候，就会输出连续的高电平和连续的低电平，那么外围电路就无法判断出究竟有几个1或者0了，这就必须加入时钟，才能使电路能够判断出有几个1还是0。

对于时钟信号，要不在外围电路中加入一个时钟信号，要不改进这种编码方式，在编码之中加入时钟信号。那么，显然改进编码方式是一种更好的选择。

对于归零制来说，其永远不会出现连续的高电平或者连续的低电平，因为它总是将电平信号归零，这种0电平就正好充当了时钟信号。

当然，还有一些其他的编码方式，如NRZ1（不归零制反转，遇到1就翻转。）、曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码、4/5bit编码、8/10bit编码、调相、调频、改进式调频等就不一一介绍了。

这些编码方式在磁盘被制造的时候就会被确定好，所以编码方式是由磁盘制造商确定的。

介绍完编码方式，我们已经获得了数据可以写入磁盘的形式，即一连串的高低电平信号，那么这一连串的高低电平信号应该怎么样转换为磁性介质中的磁化区域呢？

经过这么多年发展，形成了两种记录方式：水平磁记录方式与垂直磁记录方式。

水平磁记录方式（Longitudinal Magnetic Record）

水平磁记录方式采用环形磁头与具有纵向磁各向异性的记录介质相组合的形式，记录介质中的剩磁方向平行于介质平面。

示意图：

 环形磁头的间隙与剩磁方向垂直。

水平磁记录方式的缺点：

如图所示：两个磁化区域之间会因为相互之间的排斥存在一个过渡区， 过渡区的大小宽度直接影响读出的时候脉冲信号的强度，如果过渡区过宽，就会导致脉冲信号无法识别，从而无法读出数据。所以，过去的很长的一段时间，磁盘制造的研究人员都在考虑如何减少这个过渡区，以提高水平磁记录密度。而影响过渡宽度大小的因素主要厚度和磁性介质的矫顽力，研究人员通过减少磁性介质层的厚度和提高磁性介质的矫顽力的方式，以确保密度提高的同时，保证过渡区的宽度不影响后面信号的读出。

但是，不论如何减少厚度或者提高矫顽力，始终都无法令磁盘的容量突破TB级，于是研究人员后来转向了垂直磁记录方式。

垂直磁记录方式（Perpendicular Magnetic Record）

垂直磁记录通常采用垂直磁头与具有垂直磁各向异性的记录介质相组合的方式，记录介质中的剩磁方向垂直于介质平面。

 示意图：

如图所示，垂直磁记录方式具备两层磁性介质层，上层的磁性介质具有垂直磁各向异性，其剩磁方向为垂直方向，当上层被磁化之后，下层的磁性介质被上层的剩磁磁化，形成马蹄形的的剩磁方向，上下层之间的磁化方向一起构成一个耦合的马蹄形的磁化方向，从而形成稳定的状态。

垂直磁记录的方式很好解决了过渡区的影响，从而能够使磁记录的密度提高，最终在2007年使硬盘的容量突破到TB级，现在2020年硬盘的容量已经突破到20TB了。

虽然垂直磁记录的方式解决了过渡区的问题，但是对垂直各向异性的材料却有特别一定的要求，垂直磁各向异性的性能必须满足一定的数量关系才能被用作垂直磁记录的上层磁性介质材料，不过研究人员最终还是找到了这种材料。

在其他方面，磁头的发展也极大了影响了磁盘的容量，在早期的很长一段时间内，磁头采用电磁感应磁头，这种磁头的灵敏度在读和写这两方面是无法两全的，如果提高写的能力，则会减弱它的读灵敏度；如果提高它的读的灵敏度，则又会降低它写的能力，所以很快就达到它的极限了。电磁感应磁头最具代表性的就是巨型磁头和薄膜磁头。

后来，研究人员尝试使用磁电阻效应来制作磁头（即MR磁头），这种磁头的读的灵敏度很高，但是这种磁头不能用于写，所以研究人员将薄膜磁头与MR磁头合成在一起制成AMR磁头，薄膜磁头用于写，MR磁头用于读，使得磁头的写能力和读能力都很优秀，但是AMR磁头很快就发展到了瓶颈。于是GMR磁头（也属于MR磁头）应运而生，现如今的硬盘基本都是使用GMR磁头了。

现如今，PMR已经发展成了CMR（传统磁记录）和SMR（叠瓦式磁记录）两种方式，这两种方式都可以实现大容量的硬盘，但是SMR硬盘的寿命要比CMR硬盘短一些。

参考：磁学基础与磁性材料 严密 彭晓领 编著