數據恢復-01-機械硬盤的物理與邏輯結構

磁盤存儲原理

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磁盤存儲數據的原理：
磁盤存儲數據的原理是利用磁性材料在磁場作用下的磁化性質，通過在磁盤表面上劃分成許多小區域，根據不同的磁化方向來表示0和1的二進制數據，通過讀寫磁頭在磁盤上的移動，可以實現數據的讀取和寫入。
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注意：電腦開機狀態下，不要搬運，挪動，碰撞。否則可以由于震動使磁頭刮傷高速旋轉的磁盤，從而導致數據丟失。

機械硬盤的物理部件

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主控電路板：控制
密封盤腔：接口
磁頭組件：讀寫
磁盤盤片：存儲
音圈電機：驅動磁頭
主軸電機：啟動盤片
連接排線：連接

關于盤片

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黃色為磁性晶粒層類似有NS的磁鐵，比如黃色的為0藍色方向的為1

硬盤的邏輯結構

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劃分指分割出區域
定義是在頭尾寫入數據
磁道:磁盤上一圈圈用于存儲數據的磁化區域構成磁道(Track)????
扇區:磁盤上的每個磁道被等分為若干個弧段，這些弧段便是硬盤的扇區(Sector)??
柱面:不同盤面上同一半徑的磁道就構成了一個個的柱面(cylinder)

盤面

盤面號：硬盤的盤片一般用鋁合金材料做基片，高速硬盤也可能用玻璃做基片。玻璃基片更容易達到所需的平面度和光潔度，且有很高的硬度。磁頭傳動裝置是使磁頭部件作徑向移動的部件，通常有兩種類型的傳動裝置。一種是齒條傳動的步進電機傳動裝置；另一種是音圈電機傳動裝置。前者是固定推算的傳動定位器，而后者則采用伺服反饋移動到正確的位置上。磁頭傳動裝置以很小的距離使磁頭部件做徑向移動，用以變換磁道
硬盤的每一個盤片都有兩個盤面（Side），即上、下盤面，一般每個盤面只會利用一面存儲數據，成為有效盤片，也有極個別的硬盤上下兩面都利用。每一個這樣的有效盤面都有一個盤面號，按順序從上至下從“0”開始依次編號。在硬盤系統中，盤面號又叫磁頭號，因為每一個有效盤面都有一個對應的讀寫磁頭。硬盤通常有2～3個盤片，故盤面號（磁頭號）為0～1或0～2。

磁道

磁道：磁盤在格式化時被劃分成許多同心圓，這些同心圓軌跡叫做磁道（Track）。磁道從外向內從0開始順序編號。硬盤的每一個盤面有300～1 024個磁道，新式大容量硬盤每面的磁道數更多。信息以01串的形式記錄在這些軌跡中。一個標準的3.5in硬盤盤面通常有幾百到幾千條磁道。磁道是“看”不見的，只是盤面上以特殊形式磁化了的一些磁化區，在磁盤格式化時就已規劃完畢。

柱面

柱面：所有盤面上的同一磁道構成一個柱，通常稱做柱面（Cylinder），每個圓柱上的磁頭由上而下從“0”開始編號。數據的讀/寫按柱面進行，即磁頭讀/寫數據時首先在同一柱面內從“0”磁頭開始進行操作，依次向下在同一柱面的不同盤面即磁頭上進行操作，只在同一柱面所有的磁頭全部讀/寫完畢后磁頭才轉移到下一柱面，因為選取磁頭只需通過電子切換即可，而選取柱面則必須通過機械切換。電子切換相當快，比在機械上磁頭向鄰近磁道移動快得多，所以，數據的讀/寫按柱面進行，而不按盤面進行。也就是說，一個磁道寫滿數據后，就在同一柱面的下一個盤面來寫，一個柱面寫滿后，才移到下一個扇區開始寫數據。讀數據也按照這種方式進行，這樣就提高了硬盤的讀/寫效率。一塊硬盤驅動器的圓柱數（或每個盤面的磁道數）既取決于每條磁道的寬窄（同樣，也與磁頭的大小有關），也取決于定位機構所決定的磁道間步距的大小。

關于扇區

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磁盤在低格化處理的時候，會劃分和定義扇區，扇區標識壞的時候，是邏輯壞道，可以被恢復

這些同心圓不是連續記錄數據，而是被劃分成一段段的圓弧，這些圓弧的角速度一樣。由于徑向長度不一樣，所以，線速度不一樣，外圈的線速度較內圈的線速度大，即同樣的轉速下，外圈在同樣時間段里，劃過的圓弧長度要比內圈劃過的圓弧長度大。每段圓弧叫做一個扇區，扇區從“1”開始編號，每個扇區中的數據作為一個單元同時讀出或寫入。
操作系統【1】以扇區（Sector）形式將信息存儲在硬盤上，每個扇區包括512個字節的數據和一些其他信息。一個扇區有兩個主要部分：存儲數據地點的標識符和存儲數據的數據段

是數據存儲的最小單元，有512字節和4k兩種格式。操作系統識別的最小單位

硬盤尋址方式

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CHS
CHS（Cylinder-Head-Sector）尋址方式是一種早期的磁盤尋址方式，用于定位和訪問磁盤上的數據。它將磁盤的物理結構抽象為柱面、磁頭和扇區的組合。
CHS尋址方式使用柱面號、磁頭號和扇區號的組合來定位和訪問磁盤上的數據。通過指定柱面號、磁頭號和扇區號，操作系統或磁盤控制器可以精確地定位到磁盤上的特定數據位置。
然而，隨著技術的發展，CHS尋址方式逐漸被LBA（Logical Block Addressing）尋址方式取代。LBA尋址方式使用邏輯塊號來定位和訪問磁盤上的數據，更加簡單和靈活，能夠支持更大容量的磁盤。

LBA是Logical Block Addressing（邏輯塊尋址）的縮寫。它是一種磁盤尋址方式，用于定位和訪問磁盤上的數據。
在LBA尋址方式中，磁盤被抽象為邏輯塊的序列，每個邏輯塊都有一個唯一的邏輯塊號（LBA）。邏輯塊是磁盤上的最小可尋址單位，對應磁盤上的扇區，通常為512字節或4KB。
與CHS尋址方式不同，LBA尋址方式不需要考慮磁盤的物理結構，如柱面、磁頭和扇區。通過指定邏輯塊號，操作系統或磁盤控制器可以直接定位到磁盤上的特定邏輯塊，而無需關心磁盤的物理布局。
LBA尋址方式的優點是簡單和靈活。它可以支持更大容量的磁盤，并且不受物理結構的限制。此外，LBA尋址方式還可以提供更高的數據傳輸速率和更好的數據可靠性。
因此，現代計算機系統通常使用LBA尋址方式來管理磁盤上的數據，而不再使用傳統的CHS尋址方式。

更進一步的尋址方式扇區是如何編號的

工作原理：
為了對扇區進行查找和管理，需要對扇區進行編號，扇區的編號從0磁道開始，起始扇區為1扇區，其后為2扇區，3扇區…，0磁道的扇區編號結束后，1磁道的起始扇區累計編號，直到最后一個磁道的最后一個扇區（n扇區）。例如，某個硬盤有1024個磁道，每個磁道劃分為63個扇區，則0磁道的扇區號為1-63，1磁道的起始扇區號為64，最后一個磁道的最后一個扇區號為64512。
如果扇區按順序繞著磁道依次編號，那么，控制器在處理一個扇區的數據期間，磁盤旋轉太遠，超過扇區間的間隔（這個間隔很小），控制器要讀出或寫入的下一扇區已經通過磁頭，也許是相當大的一段距離。在這種情況下，磁盤控制器就只能等待磁盤再次旋轉幾乎一周，才能使得需要的扇區到達磁頭下面。

交叉因子：數據讀取經常需要按順序讀取一系列相鄰的扇區（邏輯數據相鄰）。如對磁道扇區按物理順序進行編號，很可能出現磁頭讀取完第一個扇區后，由于盤片轉速過快來不及讀取下一個扇區
顯然，要解決這個問題，靠加大扇區間的間隔是不現實的，那會浪費許多磁盤空間。許多年前，IBM的一位杰出工程師想出了一個絕妙的辦法，即對扇區不使用順序編號，而是使用一個交叉因子（interleave）進行編號。交叉因子用比值的方法來表示，如3﹕1表示磁道上的第1個扇區為1號扇區，跳過兩個扇區即第4個扇區為2號扇區，這個過程持續下去直到給每個物理扇區編上邏輯號為止。例如，每磁道有17個扇區的磁盤按2﹕1的交叉因子編號就是：l，10，2，11，3，12，4，13，5，14，6，15，7，16，8，17，9，而按3﹕1的交叉因子編號就是：l，7，13，2，8，14，3，9，15，4，10，16，5，11，17，6，12。當設置1﹕l的交叉因子時，如果硬盤控制器處理信息足夠快，那么，讀出磁道上的全部扇區只需要旋轉一周；但如果硬盤控制器處理沒有這么快，磁盤所轉的圈數就等于一個磁道上的扇區數，才能讀出每個磁道上的全部數據。將交叉因子設定為2﹕1時，磁頭要讀出磁道上的全部數據，磁盤只需轉兩周。如果2﹕1的交叉因子仍不夠慢，磁盤旋轉的周數約為磁道的扇區數，這時，可將交叉因子調整為3﹕1。
如下圖，增加了交叉因子后的扇區編號一般是下面這樣：

硬盤分區與格式化

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硬盤低級格式化：在磁盤上寫入了柱面，磁道，和扇區信息數據，扇區是存取數據的前提，實現磁粒的有序管理是在出廠的時候就確定了，但這個時候，電腦還是看不到磁盤的
硬盤初始化：在硬盤的0磁道和0扇區寫入MBR引導信息（主引導記錄代碼）和分區表。針對整個硬盤。
硬盤高級格式化：將硬盤的每個分區的起始扇區寫入了DBR引導信息和文件系統引導信息。針對硬盤的每一個分區。如果DBR損壞了，對應的分區就無法查看了。C盤做操作系統，D盤安裝軟件等