磁盘详解——电脑数据如何存储在磁盘

 

        很多人也知道数据能够保存是由于设备中有一个叫做「硬盘」的组件存在，但也有很多人不知道硬盘是怎样储存这些数据的。本着「知其然，也要知其所以然」的精神，这里给大家讲讲其中的原理。

 

首先我们要明白的是，计算机中只有0和1，那么我们存入硬盘的数据，实际上也就是一堆0和1，换句话说，我们如果有办法记录0和1就可以记录数据了，比如我们有2个灯泡，一个不亮一个亮就可以表示01，即数字1，两个都亮11，即表示数字2，越大的数可以用越多的灯泡来表示。

 

硬盘分为机械硬盘和固态硬盘，由于结构的不同它们储存数据的原理也不同。先来看机械硬盘，其最重要的结构是两面涂有磁性材料的磁盘，在工作时会以每分钟7200转的速度旋转。

 

磁盘的作用就是记录数据，在盘片上有序的排列了很多的小颗粒材料，它们都是磁性物质，可以被永久磁化和改变磁极，这两个磁极就分别表示了计算机二进制中的0和1。

 

写入数据时，距离盘面3纳米的磁头会利用电磁铁，改变磁盘上磁性材料的极性来记录数据，两种极性分别对应0或1。而读取数据时，旁边的读取器可以识别磁性材料的不同极性，再还原成0或1。

 

        由于磁盘是转动后读写数据的，所以，当初设计就是在类似磁盘同心圆上面切出一个一个的小区块，这些小区块整合成一个圆形，让机器手臂上的磁头去存取。

        这个小区块就是磁盘的最小物理储存单位，称之为扇区 （sector），大小一般是512字节，而同一个扇区组合成的圆就是所谓的磁道（track）。

这里不得不说到字节知识。

        位："位 (bit)"是电子计算机中最小的数据单位。

每一位的状态只能是0或1。 字节：8个二进制位构成1个"字节 (Byte)"，它是存储空间的基本计量单位

字节：在多数的计算机系统中，一个字节是一个8位长的数据单位，大多数的计算机用一个字节表示一个字符、数字或其他字符。 一个字节也可以表示一系列二进制位。 

位（bit）字节（Byte）(这两个不能搞错)

1B=8b

1KB=1024B

1M=1024KB

1G=1024M

1TB=1024G

因此，磁头要想读取某个文件，必须在电机驱动下，先找到对应的磁道，再等磁盘转到对应扇区才行，一般会有十几毫秒的延迟，这就让机械硬盘在读取分散于磁盘各处的数据时，速度将大幅降低。

 

相较于机械硬盘里面的复杂结构，固态硬盘就要简单许多。它主要是靠FLASH芯片来作为储存数据的介质，由主控芯片来承担数据的中转，并调配数据储存在闪存芯片上面。

 

闪存的基本存储单元是浮栅晶体管，其中的浮栅被二氧化硅包裹，和上下绝缘，在断电时也能够保存电子，当电子数量高于一个中间值就表示0，低于中间值就表示1。

 

晶体管每次写入数据前都要先擦除，在P极上加一个电压，浮栅中原有的电子会因为量子隧穿效应通过绝缘层被吸出来，让浮栅中的电子数量低于中间值，还原成1；如果要写入0，就在控制极加一个电压，让电子穿过绝缘层再注回浮栅，使电子数量高于中间值，表示0。

但在读取时，闪存无法直接得知浮栅中有多少电子。因为往控制极加一定大小的电压，会导通这两个N极。控制极上的电压越大，N极间的电流也越大。然而，存储0的浮栅，相比存储1的浮栅，有更多的电子，会抵消控制极上的电压，所以控制极需要更大的电压才能导通两个N极。

 

因此，当不知道浮栅中有多少电子时，就可以往控制极加一个中间值电压，如果两个N极导通，就能反推出浮栅中的电子较少，识别为1；如果没有导通，就说明浮栅中的电子较多，识别为0。

传统的单阶存储单元SLC ，电子数量只有两种状态，只能保存一比特的数据。而多阶存储单元MLC、TLC和QLC ，它们的电子数量有4~16种状态，一个单元可保存2~4比特。

 

多阶存储单元大大降低了固态硬盘单位容量的成本，但也影响了硬盘寿命和性能。这是因为晶体管擦写数据时，二氧化硅绝缘层会困住一部分电子，这些电子的累积会逐渐抵消控制极上的电压，使得控制极为了导通两个N极所需的电压越来越大，当这个偏移超过中间值，那么读取时也就无法分辨0和1。

 

而多阶存储单元由于不同状态之间分得非常细，也就更容易受这种偏移的影响，所以从SLC到QLC，它们总的擦写次数呈几何级数递减。

总结来说，机械硬盘是磁头通过磁盘旋转来读写数据的，所以磁盘读写数据的速度跟磁盘的旋转速度有很大的关系，磁盘转得越快磁头就能更快的访问到更多区域，速度自然就越快了。但也正是转速比较快，所以抗震抗摔以及抗尘能力比较差，试想每分钟几千转的磁盘震了一下或者撞上了灰尘，磁头即使只是发生了一点点小小的偏移，也会带来不可逆转的损坏。

 

而固态硬盘由于没有了机械结构，完全不用担心这些的问题。但是固态硬盘也有一个硬伤就是：它是靠在存储单元里面存放电子的方式来存储数据。而电子大家知道是一个非常非常小的东西，这样如果同一个位置存放电子再擦除，如此反复长久以来就会出现不稳定的情况，比如电子会写不上。尤其是将要到来的QLC储存芯片，每个存储单元里面放了4个电子，由于电子之间也会互相影响，导致寿命大大减少。