前言
本文材料来自b站UP : Redknot-乔红 的视频机械硬盘的原理，创作目的是让自己有一个完整的计算机组成和工作原理框架，以及方便未来复习
一、硬盘的组成
（机械硬盘和固态硬盘的解释图)
找了几张图...
我们从机械硬盘的结构开始，这是一块硬盘，外面包着一层金属壳。硬盘的外壳保护着内部的组件，并提供了一个防尘、防潮的环境。外壳通常由金属或塑料制成，并设计有通风孔以帮助散热。
二、硬盘的读写
我们把这个拆开
我们来看着里面最重要的两个部分：盘片and摆臂
我们往硬盘中写入所有的信息都会被存储到这张盘片上，盘片一般用铝合金或者玻璃作为基底
硬盘中最重要的部分就是磁盘，它是由一个或多个金属盘片组成的。每个盘片上都有两个表面，可以被读写头访问。磁盘在主轴电机的驱动下高速旋转，旋转速度通常在每分钟5400到15000转之间
在基底上面会附着一层由钴铬铂合金制成的磁性材料
这层磁性材料可以被划分成一块一块的区域
通过在外部施加磁场就可以将这些区域进行磁化，使其具备磁性
不同的磁化反向就可以表示不同的数据，这就是盘片存储数据的基本原理了
在现代硬盘中，最基本的磁化方向主要有两种，它们都基于**垂直磁记录（Perpendicular Magnetic Recording, PMR）**技术：
- 垂直向上
- 垂直向下
这两种方向是相反的，分别垂直于盘片表面。您可以想象盘片表面有无数个微小的"小磁铁"（即磁畴），每个"小磁铁"的N极要么朝上，要么朝下。
这两种相反的磁化方向被用来表示二进制数据：
- 垂直向上 的磁化方向可以代表数字 "1"。
- 垂直向下 的磁化方向则代表数字 "0"。
当需要写入数据时，硬盘的磁头会产生一个精确的、方向可控的磁场。这个磁场会改变盘片上特定区域（即磁畴）的磁化方向，就像用一块小磁铁去吸另一个小磁铁，让它翻转过来一样。
通过这种方式，硬盘就能将我们日常使用的文字、图片、视频等信息，全部转换成一连串的"0"和"1"，并以磁畴向上或向下的磁化方向"刻录"在盘片上。由于铁磁性材料具有剩磁特性，即使断电，这些磁化方向也能长期稳定保持，从而实现数据的持久化存储。
（无刷电机）主轴电机：主轴电机是硬盘的核心组件之一，它负责驱动磁盘高速旋转。主轴电机通常采用无刷直流电机（BLDC）或感应电机（IM）技术，以确保高速旋转的稳定性和可靠性
这个磁场会和两块强磁铁作用，带动摆臂进行摆动
这一圈圈的称为磁道（磁道是由无数个**扇区（Sectors）**组成的）
摆臂可以将磁头精准定位到某一条磁道上面去
磁头在读到这些信息之后就知道,我现在是在一个扇区的开始位置了，
这里存放了数据的校验信息，磁头通过校验里面的信息就可以知道前面的数据区存放的信息是否正确
下面我们来看磁头是如何对盘片进行读写的
一个盘片上的扇区可以被划分成若干个
通电
2.1LMR技术
此时就算断开电磁铁的电源，这个单元中的磁性也不会消退
如果调整电磁铁线圈中的电流的方向，就可以调整磁场的方向，进而可以调整单元的磁化方向
这些单元的不同的磁极方向
大佬补充：（ps:太硬核了)
磁盘上写入的不是原始01，而是个调制编码，会把数据中可能出现的长串0和1打散成最多两三位以后就改变磁极，防止长串数据信号不变，磁头数丢了走了多少位，失去时钟同步。
磁感线作用到这个盘片上的时候，是水平方向的，所以这个单元的磁极方向就是水平的，以上这种方式比较耗费空间，是旧的技术，现在已经被淘汰了，
2.2PMR技术
而现在的机械硬盘里面
作用到盘片上面
磁力被分散，就不会对盘片进行磁化，这就是
三、读写原理
不过这种记录方式并不是N级朝上就代表1，而是根据单元交界处的磁场的强弱
为什么：
如果直接用"N极代表1，S极代表0"，当需要连续写入一长串 0（即一长串S极）时，磁头很难精确判断到底读过了多少个相同的磁畴，很容易出现多读或少读的情况，导致数据出错。
是使用磁极的变化所产生的磁场强弱来表示数据。
比如这一组，++他俩之间的磁化方向是相反的，就会形成一个比较强的磁场，如果相邻的两个单元的磁极方向是相同的，那么这两个单元交界处的磁场就会弱很多，我们可以根据单元交界处磁场的强弱来进行数据的存储++
这样当我想读取数据的时候，我所要检测的就并非是磁极的方向，而是磁场的强弱，这样就简单多了
现代硬盘普遍采用读写分离的结构，即读取和写入由不同的磁头部件完成。读取数据时，磁头利用磁阻效应（如GMR、TMR）将盘片上的磁信号转换为电信号。它采用非接触式结构，在盘片高速旋转产生的气流托举下，悬浮于盘片表面极小的间隙（约5--10纳米）进行读写操作
读写头位于磁盘上方，由一个或多个磁头组成。每个磁头都有一个写入线圈 和一个读取线圈，它们可以感应和改变磁盘表面的磁场。读写头通过悬浮在磁盘表面上的气垫来保持与磁盘之间的微小距离，以避免接触和损坏磁盘表面。
读取数据所利用的原理叫做磁电阻效应，不同的材料在不同的磁场中会呈现不同的电阻值，使用这种材料作为读取头，只需要测量读取头的电阻的大小，就可以知道当前位置的磁场强度，磁场强的就代表1，磁场弱的就代表0，就这样实现了01的读取。写入时只需要改变一个单元中的磁性即可写入
下面来看一下硬盘是怎么写入和读取的
假设我们要写入二进制序列 01101001。
- 起始状态：假设盘片上某个位置的磁畴方向是 ↑。
- 写入
0：规则是"无变化代表0"。所以磁头不改变磁场方向，下一个磁畴依然是 ↑。 - 写入
1：规则是"有变化代表1"。磁头翻转磁场方向，下一个磁畴变成 ↓。 - 写入
1：再次翻转，下一个磁畴变回 ↑。 - 写入
0：不变化，保持 ↑。 - 写入
1：翻转，变成 ↓。 - 写入
0：不变化，保持 ↓。 - 写入
0：不变化，保持 ↓。 - 写入
1：翻转，变成 ↑。
最终，盘片上记录下的物理磁畴序列是：↑ ↑ ↓ ↑ ↑ ↓ ↓ ↓ ↑。
当磁头读取时，它会检测这个序列：
↑到↑：无变化 → 读出0↑到↓：有变化 → 读出1↓到↑：有变化 → 读出1- ...以此类推，最终完美还原出
01101001。
作为一篇笔记形式的文章，笔记内容就到这里了，但如果想真的了解硬盘，推荐一下文章参考
四、总结
📚 一、文章基本信息
- 文章类型：学习笔记/科普文章
- 核心主题：硬盘（重点为机械硬盘）的物理结构与数据存储原理
- 参考来源：B站UP主 Redknot-乔红 的视频教程
⚙️ 二、机械硬盘的物理结构
文章首先拆解了硬盘的外部与内部构造：
- 外壳：由金属或塑料制成，提供防尘、防潮环境，并设有通风孔散热。
- 核心组件 ：
- 盘片（Platters）：由铝合金或玻璃基底加钴铬铂合金磁性材料制成。这是存储数据的介质。
- 主轴电机：驱动盘片高速旋转，通常采用无刷直流电机（BLDC），转速在5400至15000 RPM之间。
- 摆臂与磁头：磁头负责读写，悬浮在盘片表面极小的间隙（约5-10纳米）中，不与盘片直接接触。
💾 三、数据存储原理（写入过程）
文章详细解释了数据如何以二进制形式存储在盘片上：
- 磁化原理：利用磁性材料的剩磁特性。通过磁头线圈产生磁场，改变盘片表面微小区域（磁畴）的磁化方向。
- 二进制表示：检查读取头的电阻的大小，就可以知道当前位置的磁场强度，磁场强的就代表1，磁场弱的就代表0
- 技术演进 ：
- 旧技术为水平磁记录，较耗费空间。
- 现代硬盘普遍采用**垂直磁记录（PMR）**技术。
- 大佬补充：实际写入并非原始的0和1，而是经过调制编码，将长串0或1打散，防止信号丢失导致时钟不同步。
📥 四、数据读取原理（读取过程）
文章介绍了磁头如何从盘片获取数据：
- 读写分离：现代硬盘读取和写入由不同的磁头部件完成。
- 磁阻效应 ：读取时利用GMR（巨磁电阻） 或TMR等效应。磁头检测磁场的强弱（而非单纯的磁极方向），将其转换为电阻值的变化，进而转化为电信号。
- 非接触式悬浮：依靠盘片高速旋转产生的气流托举磁头，避免磨损。