数据恢复-01-机械硬盘的物理与逻辑结构

磁盘存储原理

磁盘存储数据的原理：
磁盘存储数据的原理是利用磁性材料在磁场作用下的磁化性质，通过在磁盘表面上划分成许多小区域，根据不同的磁化方向来表示0和1的二进制数据，通过读写磁头在磁盘上的移动，可以实现数据的读取和写入。
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注意：电脑开机状态下，不要搬运，挪动，碰撞。否则可以由于震动使磁头刮伤高速旋转的磁盘，从而导致数据丢失。

机械硬盘的物理部件

主控电路板：控制
密封盘腔：接口
磁头组件：读写
磁盘盘片：存储
音圈电机：驱动磁头
主轴电机：启动盘片
连接排线：连接

关于盘片

黄色为磁性晶粒层 类似有NS的磁铁，比如黄色的为0蓝色方向的为1

硬盘的逻辑结构

划分 指分割出区域
定义是在头尾写入数据
磁道:磁盘上一圈圈用于存储数据的磁化区域构成磁道(Track)




扇区:磁盘上的每个磁道被等分为若干个弧段，这些弧段便是硬盘的扇区(Sector)


柱面:不同盘面上同一半径的磁道就构成了一个个的柱面(cylinder)

盘面

盘面号：硬盘的盘片一般用铝合金材料做基片，高速硬盘也可能用玻璃做基片。玻璃基片更容易达到所需的平面度和光洁度，且有很高的硬度。磁头传动装置是使磁头部件作径向移动的部件，通常有两种类型的传动装置。一种是齿条传动的步进电机传动装置；另一种是音圈电机传动装置。前者是固定推算的传动定位器，而后者则采用伺服反馈移动到正确的位置上。磁头传动装置以很小的距离使磁头部件做径向移动，用以变换磁道
硬盘的每一个盘片都有两个盘面（Side），即上、下盘面，一般每个盘面只会利用一面存储数据，成为有效盘片，也有极个别的硬盘上下两面都利用。每一个这样的有效盘面都有一个盘面号，按顺序从上至下从“0”开始依次编号。在硬盘系统中，盘面号又叫磁头号，因为每一个有效盘面都有一个对应的读写磁头。硬盘通常有2～3个盘片，故盘面号（磁头号）为0～1或0～2。

磁道

磁道：磁盘在格式化时被划分成许多同心圆，这些同心圆轨迹叫做磁道（Track）。磁道从外向内从0开始顺序编号。硬盘的每一个盘面有300～1 024个磁道，新式大容量硬盘每面的磁道数更多。信息以01串的形式记录在这些轨迹中。一个标准的3.5in硬盘盘面通常有几百到几千条磁道。磁道是“看”不见的，只是盘面上以特殊形式磁化了的一些磁化区，在磁盘格式化时就已规划完毕。

柱面

柱面：所有盘面上的同一磁道构成一个柱，通常称做柱面（Cylinder），每个圆柱上的磁头由上而下从“0”开始编号。数据的读/写按柱面进行，即磁头读/写数据时首先在同一柱面内从“0”磁头开始进行操作，依次向下在同一柱面的不同盘面即磁头上进行操作，只在同一柱面所有的磁头全部读/写完毕后磁头才转移到下一柱面，因为选取磁头只需通过电子切换即可，而选取柱面则必须通过机械切换。电子切换相当快，比在机械上磁头向邻近磁道移动快得多，所以，数据的读/写按柱面进行，而不按盘面进行。也就是说，一个磁道写满数据后，就在同一柱面的下一个盘面来写，一个柱面写满后，才移到下一个扇区开始写数据。读数据也按照这种方式进行，这样就提高了硬盘的读/写效率。一块硬盘驱动器的圆柱数（或每个盘面的磁道数）既取决于每条磁道的宽窄（同样，也与磁头的大小有关），也取决于定位机构所决定的磁道间步距的大小。

关于扇区

磁盘在低格化处理的时候，会划分和定义扇区，扇区标识坏的时候，是逻辑坏道，可以被恢复

这些同心圆不是连续记录数据，而是被划分成一段段的圆弧，这些圆弧的角速度一样。由于径向长度不一样，所以，线速度不一样，外圈的线速度较内圈的线速度大，即同样的转速下，外圈在同样时间段里，划过的圆弧长度要比内圈划过的圆弧长度大。每段圆弧叫做一个扇区，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出或写入。
操作系统【1】以扇区（Sector）形式将信息存储在硬盘上，每个扇区包括512个字节的数据和一些其他信息。一个扇区有两个主要部分：存储数据地点的标识符和存储数据的数据段

是数据存储的最小单元，有512字节和4k两种格式。操作系统识别 的最小单位

硬盘寻址方式

CHS
CHS（Cylinder-Head-Sector）寻址方式是一种早期的磁盘寻址方式，用于定位和访问磁盘上的数据。它将磁盘的物理结构抽象为柱面、磁头和扇区的组合。
CHS寻址方式使用柱面号、磁头号和扇区号的组合来定位和访问磁盘上的数据。 通过指定柱面号、磁头号和扇区号，操作系统或磁盘控制器可以精确地定位到磁盘上的特定数据位置。
然而，随着技术的发展，CHS寻址方式逐渐被LBA（Logical Block Addressing）寻址方式取代。LBA寻址方式使用逻辑块号来定位和访问磁盘上的数据，更加简单和灵活，能够支持更大容量的磁盘。


LBA是Logical Block Addressing（逻辑块寻址）的缩写。它是一种磁盘寻址方式，用于定位和访问磁盘上的数据。
在LBA寻址方式中，磁盘被抽象为逻辑块的序列，每个逻辑块都有一个唯一的逻辑块号（LBA）。逻辑块是磁盘上的最小可寻址单位，对应磁盘上的扇区，通常为512字节或4KB。
与CHS寻址方式不同，LBA寻址方式不需要考虑磁盘的物理结构，如柱面、磁头和扇区。通过指定逻辑块号，操作系统或磁盘控制器可以直接定位到磁盘上的特定逻辑块，而无需关心磁盘的物理布局。
LBA寻址方式的优点是简单和灵活。它可以支持更大容量的磁盘，并且不受物理结构的限制。此外，LBA寻址方式还可以提供更高的数据传输速率和更好的数据可靠性。
因此，现代计算机系统通常使用LBA寻址方式来管理磁盘上的数据，而不再使用传统的CHS寻址方式。

更进一步的寻址方式 扇区是如何编号的

工作原理：
为了对扇区进行查找和管理，需要对扇区进行编号，扇区的编号从0磁道开始，起始扇区为1扇区，其后为2扇区，3扇区…，0磁道的扇区编号结束后，1磁道的起始扇区累计编号，直到最后一个磁道的最后一个扇区（n扇区）。例如，某个硬盘有1024个磁道，每个磁道划分为63个扇区，则0磁道的扇区号为1-63，1磁道的起始扇区号为64，最后一个磁道的最后一个扇区号为64512。
如果扇区按顺序绕着磁道依次编号，那么，控制器在处理一个扇区的数据期间，磁盘旋转太远，超过扇区间的间隔（这个间隔很小），控制器要读出或写入的下一扇区已经通过磁头，也许是相当大的一段距离。在这种情况下，磁盘控制器就只能等待磁盘再次旋转几乎一周，才能使得需要的扇区到达磁头下面。

交叉因子：数据读取经常需要按顺序读取一系列相邻的扇区（逻辑数据相邻）。如对磁道扇区按物理顺序进行编号，很可能出现磁头读取完第一个扇区后，由于盘片转速过快来不及读取下一个扇区
显然，要解决这个问题，靠加大扇区间的间隔是不现实的，那会浪费许多磁盘空间。许多年前，IBM的一位杰出工程师想出了一个绝妙的办法，即对扇区不使用顺序编号，而是使用一个交叉因子（interleave）进行编号。交叉因子用比值的方法来表示，如3﹕1表示磁道上的第1个扇区为1号扇区，跳过两个扇区即第4个扇区为2号扇区，这个过程持续下去直到给每个物理扇区编上逻辑号为止。例如，每磁道有17个扇区的磁盘按2﹕1的交叉因子编号就是：l，10，2，11，3，12，4，13，5，14，6，15，7，16，8，17，9，而按3﹕1的交叉因子编号就是：l，7，13，2，8，14，3，9，15，4，10，16，5，11，17，6，12。当设置1﹕l的交叉因子时，如果硬盘控制器处理信息足够快，那么，读出磁道上的全部扇区只需要旋转一周；但如果硬盘控制器处理没有这么快，磁盘所转的圈数就等于一个磁道上的扇区数，才能读出每个磁道上的全部数据。将交叉因子设定为2﹕1时，磁头要读出磁道上的全部数据，磁盘只需转两周。如果2﹕1的交叉因子仍不够慢，磁盘旋转的周数约为磁道的扇区数，这时，可将交叉因子调整为3﹕1。
如下图，增加了交叉因子后的扇区编号一般是下面这样：

硬盘分区与格式化

硬盘低级格式化：在磁盘上写入了柱面，磁道，和扇区信息数据，扇区是存取数据的前提，实现磁粒的有序管理是在出厂的时候就确定了，但这个时候，电脑还是看不到磁盘的
硬盘初始化：在硬盘的0磁道和0扇区写入MBR引导信息（主引导记录代码）和分区表。针对整个硬盘。
硬盘高级格式化：将硬盘的每个分区的起始扇区写入了DBR引导信息和文件系统引导信息。针对硬盘的每一个分区。如果DBR损坏了，对应的分区就无法查看了。C盘做操作系统，D盘安装软件等

MBR的产生

MBR扇区的组成

分区表图例及要点

通过分区的DBR扇区中记录的分区信息来修改MBR中的分区表项信息

为什么 FAT32 不支持 4GB 以上的文件

因为FAT32文件系统里，表示文件长度信息的内容是保存在一个4字节的数值里的，4字节二进制能表示的最大数就是4294967295，这个数正好是4GB-1字节。

下图是一个FAT32文件系统目录项的截图：
黄色框表示文件名，红色框是文件尺寸，可以看到文件尺寸一共就4个字节，所以最多能表示的数字就是4GB-1，再大就变成0了。

为什么 FAT32 不支持 4GB 以上的文件

实验

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