解决方案：深入了解机械硬盘的读写原理以及碎片的产生

每个人都不会不熟悉硬盘。我们可以将它与大型仓库进行比较，以供我们的计算机存储数据和信息。一般来说，无论哪种硬盘，它都是由磁盘，磁头，磁盘主轴，控制电机，磁头控制器，数据转换器，接口和高速缓存等几部分组成的

图1硬盘组成图

所有光盘都固定在旋转轴上，即光盘轴。所有光盘都是绝对平行的。每个磁盘的存储表面上都有一个磁头。磁头和磁盘之间的距离小于头发的直径。所有磁头都连接到磁头控制器，并且磁头控制器负责每个磁头的移动。磁头可以沿着磁盘的半径移动，并且磁盘以每分钟数千转的速度高速旋转，因此磁头可以将数据读写到磁盘上的指定位置。

图2光盘组成图

由于硬盘是一种高精度设备，灰尘是它的敌人，因此必须将其完全密封。

二、硬盘如何工作

硬盘在逻辑上分为磁道，圆柱体和扇区。

图3轨道，圆柱和扇区

在硬盘的每个盘片的每一侧都有一个读写头。磁盘区域的划分如图所示。

图4磁盘表面积的划分

磁头靠近主轴触点的表面（即线速度最小的位置）是不存储任何数据的特殊区域，称为起停区域或着陆区域（着陆区），在起停区之为2到14个盘片，通常为2到3个盘片，因此磁盘的表面编号（磁头编号）为0-3或0-5。

2.跟踪

在格式化过程中，磁盘分为多个同心圆。这些同心圆轨迹称为轨迹。轨道从0到外部顺序编号。硬盘的每个磁盘表面都有300到1 024个磁道，而新的大容量硬盘在每个表面上都有更多的磁道。信息以脉冲序列的形式记录在这些磁道中。这些同心圆不是连续记录数据，而是分成弧段，并且这些弧的角速度是相同的。因为径向长度不同。

因此，线速度是不同的。外圆的线速度高于内圆的线速度，也就是说，在相同的旋转速度下，外圆画的圆弧的长度在相同的时间段内比内圆的线长。弧长很大。每个弧称为一个扇区，并且扇区从“ 1”开始编号。每个扇区中的数据作为一个单元同时读取或写入。标准的3.5英寸硬盘表面通常具有数百到数千条磁道。磁道是不可见的，只是磁盘表面上的某些磁化区域以特殊方式磁化了，并且在格式化磁盘后完成了规划。

3.圆柱

所有磁盘表面上的同一磁道构成一个圆柱体，通常称为圆柱体，每个圆柱体上的磁头从上到下从“ 0”开始编号。在圆柱上执行数据读取/写入，即，当磁头读取/写入数据时，操作从同一圆柱中的“ 0”磁头开始，然后在同一圆柱的不同磁盘表面上执行该操作，即磁头。在读取/写入同一圆柱体上的所有磁头之后，磁头将移动到下一个圆柱体，因为磁头的选择仅需要进行电子切换，并且圆柱体的选择必须进行机械切换。

电子开关速度非常快，比机械地将磁头移动到相邻磁道要快得多。因此，数据的读取/写入是在圆柱面上进行的，而不是在磁盘面上进行的。也就是说，在一个磁道已满数据之后，将其写入同一柱面的下一个磁盘表面，而在一个柱面已满之后，它将移至下一个扇区以开始写入数据。读取数据也以这种方式进行，从而提高了硬盘的读取/写入效率。

硬盘驱动器的柱面数（或每个磁盘表面的磁道数）取决于每个磁道的宽度（还与磁头的大小有关），还取决于确定的磁道之间的步距通过定位机构的尺寸。

4.部门

操作系统以扇区的形式在硬盘上存储信息。每个扇区包括512字节的数据和一些其他信息。一个扇区有两个主要部分：数据存储位置的标识符和数据存储的数据段。

图6部门的工作原理

该行业的第一主要部分是标识符。标识符是扇区头，包括组成扇区三维地址的三个数字：扇区所在的头（或磁盘），磁道（或柱面编号）以及扇区在磁盘上的位置轨道，即扇区号。标头还包括带有标志的字段，该标志指示扇区是否可以可靠地存储数据，或者是否已发现某个故障并且不适合使用。一些硬盘控制器还在扇区头中记录指针，这些指针可以将磁盘定向到替换扇区或在原始扇区错误时进行跟踪。最后，扇区标头以循环冗余校验（CRC）值结尾，以便控制器可以检查扇区标头的读数以确保准确性。

该扇区的第二个主要部分是用于存储数据的数据段，可以将其分为数据和用于数据保护的纠错码（ECC）。在初始准备过程中，计算机将用512个虚拟信息字节（存储实际数据）和对应于这些虚拟信息字节的ECC编号填充此部分。

有关硬盘扇区的基本知识。整个硬盘通常由许多光盘组成。每个圆盘都像西瓜一样被“切”成扇形，并沿半径被分成许多部分。同心圆是传说中的足迹。每个磁道分为许多扇区，称为扇区（扇区是从磁盘读取和写入信息的最小单元，通常为512字节）。它在不同的磁盘上。相同半径的轨道形成圆柱体。这些是磁盘的物理概念。你知道的通过这些概念，您可以计算磁盘的容量：

磁头数×磁道（圆柱）数×每个磁道的扇区数×每个扇区的字节数

l磁头数：每个磁盘通常具有上侧和下侧，对应于1个磁头，总共2个磁头；

l轨道数：轨道从光盘的外圈到轨道0的内圈，轨道1 ...的编号，靠近主轴的同心圆用于停放磁头而不存储数据;

l圆柱数：相同磁道数；

l扇区数：每个磁道不应分为多个扇区，每个磁道中的扇区数相同；

l盘数：盘数。

如图所示：

硬盘上的数据位置

每个扇区可以存储128×2 N次方（N = 0. 1. 2. 3）字节的数据（通常为512B），该扇区是数据存储的最小单位，从中可以看出上图表明外圈的扇区面积大于内圈的扇区面积。为什么存储的数据量相同？这是因为在内圈和外圈中使用的磁性材料的密度不同，但是现在硬盘在内圈和外圈中使用了相同密度的材料来存储数据。为了减少“大面积和小数据”的浪费。（此时，内磁道和外磁道的扇区数会有所不同，并且省略了详细信息）

有了扇区，圆柱体和磁头，您显然可以找到数据。这是数据定位（寻址）方法之一，CHS（也称为3D），对早期磁盘非常有效（如上图所示）。可以知道要使用哪个磁头以及在哪个圆柱体上读取哪个扇区。 CHS模式支持的硬盘容量是有限的，8bit用于存储头地址，10bit用于存储柱面地址，6bit用于存储扇区地址，扇区总数为512Byte，因此，CHS寻址的硬盘的最大容量为256 * 1024 * 63 * 512B = 8064 MB（1MB = 1048576B）（如果计算出1MB = 1000000B，则为8.4GB）

但是现在许多硬盘使用相同的密度盘，这意味着内磁道和外磁道上的扇区数不同。扇区数增加，容量增加。 3D很难定位和解决。新的寻址模式：LBA（逻辑块寻址）。在LBA地址中，该地址不再代表实际硬盘的实际物理地址（圆柱，磁头和扇区）。 LBA寻址方法将CHS的三维寻址方法转换为一维线性寻址。通过一定的规则将硬盘所有物理扇区的C / H / S编号转换为线性编号，从而获得系统效率。它得到了极大的改进，避免了繁琐的磁头/圆柱/扇区寻址模式。当访问硬盘时，硬盘控制器会将这个逻辑地址转换为实际硬盘的物理地址。

LBA下的数字，扇区号从0开始。

逻辑扇区号LBA的公式：

LBA（逻辑扇区号）=磁头数×每磁道的扇区数×当前磁道数+每磁道的扇区数×当前磁头数+当前磁道数– 1

例如：CHS = 0/0/1，根据公式LBA = 255×63×0 + 63×0 + 1-1 – 0 =

也就是说，物理0圆柱0头和1扇区是逻辑0扇区。

四、硬盘读写原理

当系统将文件存储在磁盘上时，将以柱面，磁头和扇区的方式完成操作，即在第一磁道的第一磁头（即第一磁盘的第一磁道）下的所有扇区。 ，然后，同一柱面的下一个磁头，...，在一个柱面已满后，它将前进到下一个柱面，直到将文件内容写入磁盘。

系统还以相同顺序读取数据。读取数据时，通过告诉磁盘控制器读取扇区所在的柱面号，磁头号和扇区号（物理地址的三个组成部分）来完成。磁盘控制器将磁头组件直接移至相应的磁柱，选通相应的磁头，并等待所需的扇区在磁头下方移动。

当扇区到达时，磁盘控制器读取每个扇区的标头，将这些标头中的地址信息与预期的磁头和柱面号（即，搜索）进行比较，然后查找请求的扇区号。当磁盘控制器找到扇区的标头时，它将根据其任务是写入扇区还是读取扇区来决定是切换写电路还是读取数据和尾部记录。

找到扇区后，磁盘控制器必须对扇区中的信息进行后处理，然后再继续搜索下一个扇区。如果正在读取数据，则控制器计算数据的ECC代码，然后将ECC代码与记录的ECC代码进行比较。如果正在写入数据，则控制器将计算此数据的ECC代码并将其与数据一起存储。当控制器对该扇区中的数据执行必要的处理时，磁盘将继续旋转。

五、磁盘碎片生成

俗话说，一张图片值得一千个字。首先，使用ACSII代码图片来解释为什么发生磁盘碎片。

图7 ASCII图像

上面的ASCII图表示磁盘文件系统。由于目前没有任何数据文件，因此将其表示为0。

该图的顶部和左侧有26个字母a-z，用于定位每个数据字节的特定位置。例如，第一行和第一列是aa，而第26和26列是zz。

我们创建了一个新文件，当然，我们的文件系统已经更改，现在是

图8 ASCII图像

如图所示：“目录”（TOC）占据前四行，并且TOC存储系统中每个文件的位置。

在上图中，目录包含一个名为hello.txt的文件，其具体内容为“ Hello，world”，并且在系统中的位置是从ae到le。

下一步创建一个新文件

图9 ASCII图像

如图所示，我们新创建的文件再见。 txt在第一个文件hello.txt旁边。

实际上，这是最理想的系统结构。如果如上图所示将所有文件并排放置，那么它们将非常容易阅读。快速，这是因为硬盘中最慢的（相对而言）移动臂是传输臂。位移更少，读取文件数据的时间将更快。

但这正是问题所在。现在，我想在“ Hello，World”之后添加一些感叹号，以表达我的强烈感受。现在的问题是：在这样的系统上，我没有位置将这些感叹号放在文件所在的行上，因为bye.txt占用了其余位置。

现在有两种方法可供选择，但都不是完美的

1.我们从原始位置删除文件，重建文件并输入“ Hello，World !!”。再次。 -这无意中延长了文件系统的读写时间。

2.破坏文件就是在另一个空白的地方写一个感叹号，即“身体的头部不同”，这是一个好主意，快速，方便，但同时也意味着很多减少读取下一个新文件的时间。

如果您不知道上面的文字，那么上面的图片

图10 ASCII图像

这里提到的第二种方法类似于Windows系统的存储方法，每个文件彼此相邻，但是如果要更改其中一个文件，则意味着下一个数据将被保存在另一个文件中。磁盘的备用位置。

如果删除此文件，它将在系统中保留空格。随着时间的流逝，我们的文件系统将变得碎片化，并生成碎片。

尝试简单一点，简化了硬盘读写mm的原理

图11硬盘原理简化图

关于硬盘的结构，我不会说太多。我们通常的计算机数据存储在磁道上，该磁道与光盘大致相同。读是用磁头完成的。

图12硬盘原理简化图

我们都知道我们的数据是以信息的形式存储在磁盘扇区的磁道上的。摇臂控制硬盘读取，以从磁盘的外部到内部读取和写入磁头。因此，外侧的数据读取速度将比内侧的数据快得多。

图13损坏的磁盘

事实上，我们的文件大多数时候都被破坏了。当文件没有损坏时，摇杆只需要查找一次轨道，并通过磁头读取它。成功阅读仅需1次；但是如果文件分成11个位置，则翘板必须搜索11次并读取磁头11次才能完全读取文件。当阅读时间相对不间断时，它会变得很长。

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