「科普向」磁盘（二）机械硬盘工作原理

“资本家的圈套，机械硬盘的天坑”，SMR磁盘，不看就会吃亏！

写在前面

在上一期，我们解释了一个很多同学长久以来的疑问，那就是为什么现在计算机磁盘盘符都是从C盘开始的，A盘和B盘哪去了。那么接下来的几期，我们将从最底层入手，从工作原理开始详细了解一下机械硬盘和固态硬盘。而本期我们将着重了解一下比较传统的机械硬盘，并顺便为大家排一下选用机械硬盘的天坑，防止大家在选购机械硬盘时踩雷。

引言

相信各位在选购机械硬盘时，一定会注意到在机械硬盘商品页标注的机械硬盘缓存，目前比较常见的有64MB和256MB的。不过在有些情况下，两块硬盘的储存空间是一样大的，缓存不一样大，但是价格却相同，这时候很多同学就会选购缓存较大的硬盘。人们的普遍想法是价格相同，那当然选缓存大的啦！

听着好像确实没什么问题，不过你要是这么想，那你就是跳进了资本家的天坑里了。这些256MB缓存的硬盘相对于64MB的硬盘在性能上非但不是升级，反而时一种变相降级。这是为什么呢？

先不要着急，在回答这个问题之前，我们得从机械硬盘的发展历史讲起。

机械硬盘的发展史

1956年，全球第一块机械硬盘诞生于IBM实验室，盘面直径24英寸，盘数为50片，它十分庞大，大概相当于两个冰箱的体积，但容量却只有5MB。

1973年，IBM进行了技术升级，研制了新一代机械硬盘——温彻斯特硬盘。它奠定了机械硬盘的基本工作原理，其中的大量技术一直沿用至今。

1991年，IBM在温彻斯特硬盘基础上进行改进，推出了首款3.5英寸的1GB机械硬盘。至此，3.5英寸的硬盘规格也成为现代计算机的标准规格。

在这之后，各大厂商互相竞争，在磁头技术、盘片密度、盘片技术、寻道寻址能力等方面做出大量革新。消费级个人电脑的硬盘容量也逐渐从10GB走向40GB、160GB、500GB、1TB、2TB……而随着笔记本的兴起，2.5英寸的硬盘成为笔记本和移动硬盘的标准配置。

而昔日的巨头IBM也于2003年将自己的个人硬盘业务出售给日立。目前主流的硬盘厂商有希捷、东芝、西部数据和日立。

LMR水平式机械硬盘与PMR垂直式机械硬盘

机械硬盘之所以叫机械硬盘，就是因为它内部完全由机械结构制成。一块机械硬盘由磁盘面、马达和磁头构成，通常情况下这些结构都被密封在一个铁盒子里，防止其内部结构与外界接触。

（机械硬盘结构）

机械硬盘在生产过程中全程位于无尘厂房，任何一粒微小的灰尘落到盘面在其一分钟上千转的工作状态下对整个磁盘都是毁灭性的打击，常见的机械硬盘有5400转/分和7200转/分，所以各位小伙伴千万不要自己拆机械硬盘。

磁盘面上有很多小格，在机械硬盘工作时，磁头会悬浮在磁盘面上对磁盘中的小格中的数据进行读取。与其说是磁头在读取数据，倒不如说磁头在读取小格的磁性。每个小格都由小磁粒组成，磁粒可以显示出不同的磁性，两种不同方向的磁性对应着计算机二进制中的0和1，这样磁头就可以读取数据了。在写入数据时，写磁头可以改变小格中小磁粒的极性的方向，这样就做到了将数据写入磁盘。

最早的这种小格是水平的铺在磁面上的，这种就是最早期的LMR水平式机械硬盘。

（LMR水平式机械硬盘结构简图，小格子水平摆放）

后来随着科技的发展，磁头的体积不断被缩小，工艺的不断升级让磁盘面上的小格竖起来排列在磁面上，这样磁性的上下两个方向就对应着二进制中的0和1。这就是目前应用最广泛的PMR垂直式机械硬盘。

（PMR垂直式机械硬盘结构简图，小格子竖直摆放）

相比与LMR水平式机械硬盘，PMR垂直式机械硬盘的磁粒所占面积更小，在同等面积的磁面的条件下PMR可以存放更多的数据。

数据显示LMR水平式机械硬盘的数据密度为133GB/平方英寸，而PMR垂直式机械硬盘的数据密度可以达到1108GB/平方英寸，是LMR的8倍多。

一张磁面虽然看起来是一个完整的整体，但其实一张磁面纵向来看是被划分成了无数扇形的区域，我们称之为扇区。

（扇区）

而横向来看，一张磁面又被划分成了无数环形的区域，我们称之为磁道。

（磁道）

在硬盘对数据进行写入、读取以及改写的时候，磁盘会先对数据进行定位锁定一个坐标，比如第9扇区第12磁道，然后磁头就会转向到第12磁道上面，等待磁面旋转使第9扇区转动到磁头下面，这样就可以操作这个位置的数据了。这个完整的过程我们称之为机械硬盘的寻道和寻址。硬盘的4K随机读写速度其实就是硬盘的寻道和寻址的能力的体现，由此可见硬盘的寻道和寻址能力很大程度上对硬盘的速度起着重要的作用。

接下来我们进行深入研究，选取一小段磁道进行放大。由于技术原因，写磁头是要比读磁头宽一些的，所以写磁头在对数据进行写入时，会占满整个磁道，而读磁头在对数据进行读取时只需要读取到中间一小条就可以获取完整的数据。那么这样磁道之间的区域由于不能被读磁头读取就被白白的浪费掉了。

（PMR垂直式机械硬盘的写入、读取操作）

由于磁面的浪费，所以PMR垂直式机械硬盘并没有将一张磁面利用到极致，如果能利用上被写磁头和读磁头之间浪费掉的磁面岂不是又能将数据密度进行一次提升？

同时需要知道的是，磁面是整个磁盘中非常值钱的部件，所以磁面被浪费的面积要越少越好。而SMR瓦楞式堆叠硬盘就是在这样的多重需求下被创造出来的。

SMR瓦楞式堆叠硬盘——机械硬盘的天坑

SMR瓦楞式堆叠硬盘是近些年才出现的产物，从原理上看是PMR垂直式机械硬盘的进一步发展，不过这种发展本质上是一种开倒车的行为。

先说结论：SMR瓦楞式堆叠硬盘的硬盘性能对比PMR垂直式机械硬盘不升反降。

SMR瓦楞式堆叠硬盘利用了类似房檐的瓦叠原理，让数据密度相较于传统的垂直式硬盘了有了巨大的提升。由于瓦楞式堆叠硬盘和垂直式硬盘都属于PMR硬盘的种类，所以传统的垂直式硬盘又被称之为CMR硬盘。

目前SMR瓦楞式堆叠硬盘正在逐步取代传统的CMR硬盘，这对于消费者来说并不是一件好事，因为SMR瓦楞式堆叠硬盘的性能比传统的CMR硬盘要弱很多，但是售价并没有下降。

这是因为SMR瓦楞式堆叠硬盘中磁道是像瓦片一样堆叠在一起的，但是这会造成磁道在写入数据时的互相干扰，比如写磁头在对磁道A写入数据时，由于写磁头的体积很大，势必会将磁道B的原有数据覆盖住。所以硬盘厂商给出了一个解决方案。

和传统的CMR硬盘想对哪个磁道的数据进行修改就直接让磁头悬浮在该磁道对数据进行操作不同的是，SMR瓦楞式堆叠硬盘在对数据进行改写时，写磁头对磁道A进行数据写入，要先将磁道B的数据复制出来。

等磁道A的数据被写入后，磁道B的原始数据已经被覆盖，这时再将磁道B之前复制出来的数据重新写入磁道B。

不过在对磁道B进行数据还原时又会覆盖掉磁道C中的数据，所以我们要将磁道C中的数据也复制一份，等磁道B中的数据写入完成后再将磁道C复制出来的数据写回磁道C。磁道D磁道E以此类推。

也就是说其实你只想改动磁道A中的数据，但是为了保证磁道BCDE中原始的数据不会丢失，所以被牵连着变动了五条磁道中的数据。原本传统的CMR只需要进行一次的磁道数据操作，但是SMR瓦楞式堆叠硬盘需要重复操作五次，这就造成了读写能力的下降。

好在，在读取数据时就不需要这么麻烦了。读磁头只有窄窄的一条，所以在对数据进行读写时直接顺着磁道就可以读取了，不会对相邻的磁道形成干扰。

（SMR瓦楞式堆叠硬盘的读取操作）

这么做虽然使得磁道之间的没有了干扰，数据可以进行完美的读取、写入和改写，但是这种做法不仅使得SMR瓦楞式堆叠硬盘的速度大幅度下降，硬盘的寿命也被锐减。

到这里我们就可以解释在开头提出的问题了，为什么有的硬盘的缓存变大了但是性能并没有得到提升。那就是这些大缓存的硬盘其实就是SMR瓦楞式堆叠硬盘。由于SMR瓦楞式堆叠硬盘在对数据进行改写时需要将其他磁道中的原有的数据复制出来，而这些复制出来的数据需要一个空间进行临时存放，而这个扩大的256MB缓存就是用来存放这些临时数据的。通俗来讲，厂商给你扩大的硬盘缓存根本就不是为了提升性能，而是为了临时存放在改写数据时会被影响到的数据。

不过好在目前市面上常见的SMR瓦楞式堆叠硬盘扇区和扇区之间是独立的，也就是说只有在同一个扇区内磁道和磁道之间是瓦叠起来的，而两个相邻的扇区之间则是有空隙存在的。这样的好处就是如果需要改写最外圈磁道的数据，只需要将一个扇区内的磁道重新写入一遍，而不需要将整个磁盘都重新写一遍了。

在笔记本和便携式一体机中使用SMR瓦楞式堆叠硬盘属于被逼无奈，在有限的空间内容纳更多的数据是笔记本和便携式一体机最先考虑的问题。而在台式机上，使用SMR瓦楞式堆叠硬盘只是为了节约成本。上文已经提到过，盘面是整块机械硬盘中最值钱的部件，相较于传统的CMR硬盘，SMR瓦楞式堆叠硬盘可以用更少的盘面存放更多的数据。所以硬盘厂商可以用更低的成本卖出与之前同样的价格。最后吃亏的都是消费者，以为256MB相较于64MB是加量不加价。

那我们在选购磁盘的时候应该如何避免购买到SMR瓦楞式堆叠硬盘呢？

简单来讲就是不要购买缓存太大的机械硬盘，缓存大的硬盘很有可能就是SMR瓦楞式堆叠硬盘。尽量选择缓存64MB的机械硬盘就可以了。

常见的机械硬盘分类

很多小伙伴在选购机械硬盘时总能看到蓝盘或者红盘之类的，而且价格也不相同。这些是什么意思呢？