磁记录，存储革命化的起点

三、磁记录，存储革命化的起点

人们早就知道磁具有一种特殊的特性：极性，被磁化的物质会保留一定的状态。利用这种相对稳定的状态是否能够存储数据呢？

回答是肯定的！

磁存储技术是计算机存储系统中最重要、也是延续最久的技术和设备。伴随着计算机的发展，从磁芯、磁鼓、磁带直到今天的磁盘。在其他应用领域，磁性记录体也无处不在，磁环、磁罐、磁框、磁鼓、磁带等的应用也经久不衰。记录越来越精密，存储容量越来越大。

磁储存技术是利用磁场和物质磁化后保持的状态来记录数据的，必须有一种磁性记录媒介作为书记记录的基础，这类媒介是由附在基片（带）上的磁性（物质）覆盖层构成的。然后利用一个或多个磁感应器（即磁头）来获取和记录磁媒介上的信息。磁头是由一个高磁导率的磁芯和在其周围缠绕成圈的导体构成，并在磁芯上形成一个非常狭窄的缝隙或隙点。记录时以电流通过导体，在磁芯中产生磁通量，经缝隙散发而穿透磁介质，使之磁化，根据变化情况被编码成数位1（磁跃迁）或0（无变化）。读取时的过程与之相反，由磁头在磁介质上检测记录数位因磁跃迁发出的磁通，从而恢复信息。

磁记录技术是存储竞争中的胜出者，成熟的技术以及良好的工业基础使它脱颖而出，成为信息存储的主流。如果从1898年发明钢丝录音算起，磁记录技术的历史已经超过百年。磁记录的发现是信息存储史上最伟大的事件，它和后来的光存储技术、半导体存储统称为三大存储技术革命。

磁记录：一次存储的革命；半导体存储：向微观世界挺进；光存储：推开了存储无限的窗户。

稍后，我们会逐渐地认识它们。

1．小小磁环和王安博士

20世纪50年代，一个小小的磁环改变了计算机数据存储的命运，使计算机发展更上了一个台阶，也使冯·诺依曼发明的存储程序式计算机真正有了一个小型的、非机械性的、非易失性的存储器件。也就是说，哪怕关闭了计算机的电源，存储在这个小小的磁环中的数据仍然保持着，仍然不变。

它就是磁芯，一个计算机存储史中的亮点，一项奇妙的磁性存储原理，它一直持续到20世纪80年代初期，甚至在航天飞机上也有它的身影。

虽然它现在已经从计算机上退休了，却还在工业控制、野外勘测等恶劣环境中默默地工作着，最后行使着它的历史使命。

让我们来看看这个可爱的小精灵，来认识一下一位美籍华人科学家王安博士。

图3-3　王安先生

王安（1920～1990年），王安电脑公司的创始人，研究员，磁存储器之父。

王安先生1920年出生于上海一个小学教员家庭，1936年进入上海交通大学电机工程系，1945年赴美国哈佛大学应用物理系学习，1948年获得应用物理学博士学位，同时进入哈佛大学计算机实验室工作。

20世纪40年代末，计算机科学刚刚起步，应用前景并不明确，此时的实验室主任、Mark I计算机的发明者艾肯博士给予他一项重要研究课题：解决电子计算机信息的存储问题。

王安的应用物理知识得到了用武之地，根据自己对磁性材料的了解，在不到一个月的时间里，就提出了一项“磁芯存储”的方案，发明了一种新型的存储装置：磁芯存储器（Core Memory）。

这个直径不到1毫米的磁芯里可穿进一根极细的导线，只要有代表“1”或“0”的讯号电流流经导线，就能使磁芯按两种不同的方向磁化，信息便以磁场形式被保存下来。这种作为存储单元的磁芯是一种镍铁合金，利用磁芯被磁化后的“剩磁效应”来表示二进制数据的一位（bit）。由于一个磁芯只能存储一位数据，要记录一个字节（8位）的数据需要8粒磁芯，而存储大量的数据则必须将大量的磁芯组成一个阵列。

磁芯被磁化后，如果没有相反磁场变化，它将一直保持这个状态。在早期的计算机中，磁芯被作为内部存储器，用于存储指令和运行数据。来自输入设备（当时，只有开关矩阵、电传打字机、穿孔纸带作为输入设备）的指令和数据直接进入内存。而经过运算和处理的数据，也直接从磁芯存储器送到当时的输出设备（氖灯、字符打印机等）。因此，当时磁芯存储器的容量很小。

图3-4　直径为0.6mm的磁芯，电子科技大学（成都电讯工程学院）计算机系的专家用它们组成了磁芯存储矩阵

王安关于单个磁芯存贮的原理与设计成为此后计算机内部存储器的基础，稍后，在此创新思想的基础上，由美国麻省理工学院（MIT）林肯实验室的杰·弗雷斯特（J.Forrester）博士进一步地发展了磁芯的寻址技术。为了实现磁芯存储，需要一种磁性物质，这种物质应该有一个非常明确的磁化阈值，这个磁化阈值是设计的关键，当时美国新泽西州一家生产电视机用铁氧体变换器公司的一位德国老陶瓷专家，利用熔化铁矿和氧化物（被称为铁氧体）获取了这种特定的磁性质。

图3-5　设计的磁芯读写驱动电路板

磁芯的磁化是相对可靠和稳定的，状态的保持相对来说也是永久的，所以在系统的电源关闭后，磁芯中存储的数据仍然保留着。磁芯中的磁场能以电子的速度来阅读，从而使交互式计算有了可能。为了构建磁芯阵列，采用导电线将它们串起来，形成一种电线网络，穿入磁芯的导线在通上电流的同时，因电磁效应而产生磁场，对磁芯进行不同方向的磁化过程，完成数据的记录和读取。导线连接了整个磁芯板，使磁芯存储阵列的任何部分都能访问，也就是说，不同的数据可以存储在磁芯阵列的不同位置，通过导线信号就能立即存取某一位置的一个数据位。这种存储读取方式被称为随机存取存储器RAM（Random Access Memory），它是交互式计算的创新性概念。

1949年10月，王安为磁芯申请了专利，他在存贮用磁芯的结构和使用方面总共获得过34项专利，并在1956年将专利转让给了IBM公司，磁芯存储器在20世纪50～70年代得到了广泛的应用，成为当时计算机的主存储器。

因磁芯存储器的发明，王安被誉为“磁芯存储器之父”。

1986年，美国总统里根向王安先生颁发了美国“杰出成就奖章”，1988年，美国发明家纪念馆将王安先生列为继爱迪生、莱特兄弟等人之后的第69位大发明家。这也是我们中国人的骄傲和自豪！敢于思考、敢于实践的人将是成功者！

20世纪50年代初，美苏两国冷战日趋加剧，美国政府希望把计算机优势用于军事，计划建立一个能使国家边境免遭空袭的半自动地面防御系统（SAGE）。这个系统最早是由人工操作的实时控制计算机系统，它能接收各个侦察站雷达传来的信息，识别来袭的飞行物，由操作者指挥地面防御武器瞄准敌对飞行器，实施地面防御。

当时，美国麻省理工学院（MIT）林肯实验室的杰·弗雷斯特博士和艾佛雷特博士（B. Everett）领导下的研究小组，正在研制一台高速计算机，为海军提供飞机座舱飞行模拟。这台大型电子管电子计算机被命名为“旋风”（Whirlwind），它由5000个电子管组成，成为当时速度最高的计算机，技术先进程度已经大大超过了模拟飞行的需要。当时，美国空军向麻省理工学院求援，许以每年100万美元的巨额研制经费，让旋风计算机充当SAGE系统的主要部件。

杰·弗雷斯特也是位富于创造的思想家，他的最大贡献之一是基于王安博士的专利技术，率先为“旋风”计算机配置了磁芯存储器阵列，首创了用打字机键盘与“旋风”计算机“对话”，形成了以后计算机键盘的雏形。为此，麻省理工学院的工程师们戏称“旋风”计算机是一台“昂贵的打字机”。

图3-6　磁芯板

王安博士发明的磁芯存储器是一种单线式的存储装置，杰· 弗雷斯特在此基础上又向前迈进了一步，他巧妙地把磁芯排列为可以寻址的磁芯阵列，以便形成高性能的随机存储器。英国剑桥大学威尔克斯教授那时正在麻省理工学院访问，他激动地说：“几乎在一夜之间，存储器就变得稳定而可靠。”有了磁芯存储器作主存，数据存储的可靠性得到了保证，读取和写入的速度加快，计算机的性能显著提高。

自20世纪50年代以来，所有大型和中型计算机都采用了磁芯阵列存储，这种存储技术统治了计算机存储器领域将近20余年，一直是计算机主存的标准方式，直到半导体存储器问世。

1975年，中国第一台大型向量计算机（757机）问世，它是一台64位，主频10兆，浮点运算峰值每秒一千万次，以中、小规模集成电路为主的大型机。它的主存储器由17台32 768字的磁心存储器组成，总容量50万字；外部存储器是由8台200万字的硬盘组成。整个计算机系统采用了上千块磁芯板，每块板上有32 768颗内径只有0.4毫米的小小磁芯，在每颗磁芯中穿过了三根导线，难度很大。这台大型向量机的问世震撼了国际计算机界，被誉为是中国制造的每秒千万次计算机的里程碑。

磁芯存储器成为第二代和第三代计算机的存储器主力。由于磁芯的存取速度比磁带、磁鼓要快得多，存储器开始分为内存储器和外存储器，这是存储器的第一次分工。内存储器很长时间里都采用磁芯存储器，它直接与中央处理器连接，对它的要求是存取速度和可靠性能。外存储器作为备用和备份存储装置，则把磁带和磁鼓作为外存储器，对它们的要求是成本更低、容量更大，由于它们不直接和中央处理器连接，存取速度的要求就低一些。

磁芯存储器的制造是很费人工的事，一个小小的磁芯外径小于1mm，常用的有0.3mm、0.6mm等，芯环厚度不过0.2mm，还需要在环中间的小孔内穿过3根或4根导线，这个工艺只能用人工来做。人们将一个个磁芯利用穿导线的方式排列组成一块磁芯板，再把许多块磁心板组成一个磁芯体，在穿导线的过程中，穿线的方向和位置是非常重要的，一旦出现错误，整个磁芯板就不得不报废。因此，工艺的困难阻碍了磁芯存储的进一步发展。

磁芯具有的记录不挥发性一直是人们津津乐道的话题，掉电以后仍然保持数据记录是它的优势，因此，现代航天飞机上仍然有它的身影。现在的半导体动态存储器是现代计算机主存的主流，但它掉电以后数据也不存在了。几十年前半导体存储器击败了磁芯存储器而位居主流，几十年后，磁芯存储器能否击败半导体存储器的问题，又一次摆在人们面前。

磁芯存储器还能东山再起吗？

在磁存储的家族中，还有一位成员，它就是：磁鼓。当磁鼓诞生的时候，人们对它寄予了很大的希望，然而，它却昙花一现。

磁鼓、磁盘、磁卡片等等都是采用基片（板）加上磁性涂覆层的结构，利用这种结构首先制成了计算机使用的磁鼓存储器。

1953年，第一台磁鼓应用于IBM 701计算机，作为内存储器使用。磁鼓利用在铝鼓筒表面涂覆磁性材料来存储数据。鼓筒的旋转速度很高，因此存取速度也很快。这种磁鼓采用饱和磁记录技术，从固定式磁头发展到浮动式磁头，从采用磁胶物质发展到采用电镀的连续磁介质，从而为后来的磁盘存储器打下了基础。

磁鼓最大的缺点是利用率不高，在一个大圆柱体上，只有表面一层用于数据记录，体积大、重量大，移动很不方便。后来的磁盘创新性地把这个圆柱体切成许多薄片，在薄片的两面都用来记录信息，大大提高了利用率。当磁盘出现以后，磁鼓不可避免地被淘汰了。

2．缠绕世界的磁带

磁带将缠绕世界！你相信吗？

在人类的日常生活、娱乐、工作的各个领域，磁带无所不在。

图3-7　磁鼓存储器

磁带的诞生是一个划时代的技术进步，磁带是信息存储技术领域最先用于作为海量（大容量）数据记录和信息存储的设备，它的生命力旺盛，一直持续了半个多世纪，现在仍然伴随在人们身边。

图3-8　早期的磁带与磁带机

最早的磁带是在赛璐珞片基上涂覆磁胶制成的，这种带基和记录的磁性层分离技术为磁记录技术的应用打下了基础。数据在磁带上的记录方式是采用在塑料基带上涂覆的磁性物质上，利用电磁感应技术磁化一个磁性小点（小段），这就是数据的记录点。然后，在磁带经过读写磁头下时，再利用电磁感应现象获取这些微小磁场，把它们转换为数据位，从而完成数据的记录和读取。由于磁带是可以装卸的，早期的磁带卷卷绕在磁带架上，装在磁带套里，使用时取出放入磁带读写机，但空气中的灰尘会使磁带受到影响，也会加速磁头的磨损。后来，磁带卷本身被封装在一个盒子里，称为磁带盒，读写时连盒子一起装入磁带机。

早期，磁带的应用被划分为两类：一类是用于记录和再生声音（音频）和图像（视频）的磁带，如磁带摄像机、录音机、录像机，早期的磁带“随身听”等也是最先进入人类生活中的信息存储设备。另一类是用于记录数据的数据磁带，主要用于计算机系统中的外部存储装置和数据备份设备，在一段时间被称为“工业磁带”。

采用模拟方式记录音频数据时，话筒把声音变成音频电流，经放大后送到录音磁头，这个磁头实际上是个马蹄形电磁铁，两极相距很近，中间留个狭缝，整个磁头封在金属壳内。在磁带的带基上涂着一层磁粉，实际上就是许多铁磁性小颗粒。当磁带紧贴着磁头走过时，音频电流使得录音磁头缝隙处的磁场在强弱、方向上不断变化，磁带上的磁粉也就被磁化成一个个磁极方向和磁性强弱各不相同的“小磁铁”，声音信号就这样记录在磁带上了。放音的过程则相反，当磁带通过放音磁头的狭缝时，磁带上“小磁铁”产生的磁场穿过放音头的线圈，由于“小磁铁”的极性和磁性强弱各不相同，它在线圈内产生的磁通量也在不断变化，于是在线圈中产生感应电流，放大后就可以在扬声器中发出声音。这就是音、视频数据记录的原理。

用于音、视频记录的磁带与用于计算机数据存储的技术和要求是不一样的。早期计算机使用的磁带机还是一般的录音机，这种记录设备不符合计算机的要求，因为两者对数据存储的需求不同。录音录像要求记录的信号不失真，开始采用模拟记录方式。而计算机要求记录的数据信号可靠存储、不丢失，要采用饱和磁记录。不同的需要导致两类应用分道扬镳，也推动了计算机专用磁带机的研究。

磁带是所有存储媒体中单位存储信息成本最低、容量最大、标准化程度最高的常用存储介质之一。它是一种可以拆卸、携带的大容量数据存储部件，互换性好、易于保存。近年来，由于采用了具有高纠错能力的编码技术和即写即读的通道技术，大大提高了磁带存储的可靠性和读写速度。

磁带与计算机联姻是在20世纪40年代后期。最早用于计算机的磁带是UNIVAC-I计算机系统的外部存储器。当时，这种先进的存储设备首先采用了奇偶校验方法和双重运算线路，大大提高了计算机系统的可靠性，成为大容量数据存储的先驱。

1953年，第一台计算机专用磁带机在IBM公司问世，这是著名的带有真空缓冲积带箱的726型磁带机，缓冲积带箱把主动轮和大惯量的带盘隔离开来，主动轮用于加速一小段磁带，使磁带启动和停止的时间大大减少，满足联机存储器快启快停的要求。以后这种带盘直径267mm、磁带宽度12.7mm、带缓冲的大型磁带机得到广泛应用，并成为一种技术标准。当时，这种快起停的大型磁带机受机械结构精度限制，其数据存储密度低（128～256bit/mm左右），走带速度慢，数据交换速度大大低于硬盘，便携性能又不如软盘，稍后便被流式磁带机所取代。

根据读写磁带的工作原理可分为螺旋扫描技术、线性记录（数据流）技术、DLT技术以及比较先进的LTO技术。这些技术是为了解决什么呢？

磁带的宽度、长度、磁带卷大小、伺服机构确定的情况下，要提高存储容量，必然提高记录密度，提高了记录密度，就必须提高磁带磁头读写的精确度和伺服机构定位的精度。这些问题推动了磁带技术的进展。

目前，在我们身边有四种应用较多的磁带规格：

一种是常见的DAT磁带，即数字音频磁带（Digital Audio Tape），它的磁带宽度为0.15英寸（4mm），也叫4毫米磁带。磁带存储系统采用了螺旋扫描技术、即写即读和压缩技术，既提高了系统的可靠性和数据传输率，又提高了存储容量。目前单盒DAT磁带的存储容量可达12GB。

另一种是称为QIC（Quarter Inch Cartridge）的盒式磁带，通常称为1/4磁带，带宽为1/4英寸并配有带盒。它有两种规格，早期的5.25英寸的磁带驱动器（DC6000）已经淘汰。目前3.5英寸的磁带驱动器（DC2000）价格低、标准化程度高、硬件兼容性强，是应用的热点，但容量约500MB稍小。

第三种适合于大中型网络和多用户系统的大容量磁带是“8毫米磁带”，其存储记录也采用螺旋扫描技术，带宽8mm，存储容量可达14GB，但种类较少。

第四类称为数字线性磁带DLT（Digital Linear Tape），磁带宽度1/2英寸，采用线性记录方式，容量大、速度高、多磁头并行读写，单盒容量高达35GB，已成为网络备份磁带机和磁带库系统的重要标准，应用于中高档备份系统。而IBM的3480等系列磁带，其对应的驱动系统实际上已经是一个磁带库，可以存放多盒磁带，由机械手自动选择其中任意一盒磁带放入驱动器读写。此外，另一种新型磁带技术称为“线性开放式磁带技术”（Linear Tape-Open）也已经问世，它可以极大地提高磁带备份数据量，磁带容量已经超过100GB。LTO技术采用了先进的磁道伺服跟踪系统来有效地监视和控制磁头的精确定位，防止相邻磁道的误写问题，从而提高了磁道数据记录密度。

磁带有它固有的弱点，这些弱点主要表现在速度、韧性、抗潮性和抗卷性等。

磁带最适合那些需要顺序记录的数据，如音乐、电影等。但这也是它一个固有的弱点：磁带不能随机存储，也就是说它不能随时随地想存在哪儿就存在哪儿，想取出数据就马上能够得到。磁带的存储是顺序的，从磁带卷首开始，依次向卷尾顺序写入和读出，不能跳跃性地读写。如果要从已经记录有数据的磁带上读取数据，而此时磁带卷正处于卷首，但数据又存储在卷尾，那么，磁带机必须将该磁带前卷，一直卷绕到该数据存储的位置为止。如果要找到位于磁带卷前部的数据，就只得采用后卷寻址，将磁带卷倒回。因而，磁带不适合用于高速和实时存储的场合，而适用于数据的后备存储，而作为历史数据库。

图3-9　三种不同规格的数码磁带

磁带怕潮湿，这是它的另一个缺点。空气中存在的水汽、灰尘、霉菌和其他物质，尤其是霉菌和酸碱性物质会对磁带造成很大的威胁。存放在潮湿位置时间较长的磁带，磁层表面会生成一些霉点，人们称它为“磁花”。别看它名字好听，它可是磁带的杀手，会在磁带上形成一个个的“溃疡”，破坏数据记录点，使磁头经过时不能感应出电磁信号。“溃疡”产生的霉粉会将卷绕的磁带粘连起来，使读写时旋转的磁带卷速度不稳，甚至不能卷绕。而且，这种溃疡点在经过磁头时，会与磁头发生严重摩擦，掉落的霉粉会阻塞磁头缝隙，使磁头读写失效。严重的时候，会彻底损害磁头。所以，作为数据备份而保管的磁带，一定要存放在温度、湿度都相对稳定的地方，经过一定的时间需要将磁带前卷或回卷一次，以防止磁带的粘连。

磁带怕热、怕高温，温度升高后，磁带卷会变软舒展，也会粘连在一起。过高的温度还会使磁带变形，使磁带盒变形，造成回卷困难，读写失败。因此，阳光直射、暴晒等都会影响磁带的寿命。

磁带还怕“磁”，数据记录在磁带表面涂覆的磁性材料上，如果不慎将磁铁等带磁性的物体接触到磁带的记录面，甚至磁性物体放置在磁带上，就会因为外来磁场“抹掉”存储在磁带表面的数据。这可是千万要小心的呵！

随着磁存储技术和光存储技术的出现，磁带的应用领域有所减少，但它仍然是大容量存储的有效的设备。在图书馆、资料室、数据中心、数据资料库中，还有各式各样的磁带。从模拟记录到数字记录，从单轨记录到多轨记录，磁带宽度从12.7mm（0.5英寸）、8mm（0.315英寸）、6mm（0.24英寸）、4mm（0.158英寸）等不同规格的大型磁带到小型数字磁带。数据记录容量从2GB、4GB、10GB一直到200GB以上。

磁带存储技术一直在发展，也一直在创新！

随着计算机应用领域的扩展，信息记录量迅速扩大，以至形成“信息爆炸”形式，一个重要的问题摆在人们面前：如何保存大量的暂时不用、但又必须保存的数据，例如天气记录、人口记录、档案材料、历史信息等等。这些数据随机保存在硬磁盘上，成本太高也没有必要，用纸质保存则太占地方也不好检索。此时，磁带这种容量大成本低的存储介质再次受到重视，1984年，随着IBM公司的3480磁带机的问世，开始了流式磁带机的新时代。

一个磁带的容量已经很大了，如果把它们组合在一起，存储容量将会更大！

由若干磁带组成的多磁带存储读写系统称为磁带库。

磁带库是基于磁带的备份系统，若干磁带卷安装在库驱动装置里，存储容量可达到数百PB（10⁹MB）。而且，借助先进的磁带管理技术，它能够提供基本自动备份和数据恢复功能，可以实现连续备份、自动搜索磁带，也可以在驱动管理软件控制下实现智能恢复、实时监控和统计，整个数据存储备份过程完全摆脱了人工的干涉。

磁带库不仅数据存储量大得多，而且在备份效率和人工占用方面拥有无可比拟的优势。目前，在网络系统中，磁带库可以通过“存储区域网络”SAN（Storage Area Network）系统形成网络存储系统，为企业存储提供有力保障，很容易完成远程数据访问、数据存储备份或通过磁带镜像技术实现多磁带库备份。磁带库也是数据仓库、企业资源计划系统（ERP）等大型网络应用的良好的、大容量存储设备。

磁带曾经伴随着我们，现在仍然跟随着我们，未来是否还会追随我们？

热心信息存储技术的读者，你们说呢？

3．磁盘：存储的垄断帝国

随着计算机应用范围的扩大，机器间的数据交换需求极大增加。所谓交换，就是一台计算机的输出内容作为另一台计算机的输入。以前交换是利用纸带、纸卡片和磁带进行。纸带和纸卡片容量太小，它们共同的缺点是存取速度太慢，因此需要一种体积小、成本低、容量大、存取速度快的用来交换的介质，软磁盘正好适应了这个需要。

我们常常谈到软盘和硬盘，它们有什么区别吗？

图3-10　软盘套和软盘片（分别为8、5.25和3.5英寸软盘）

软磁盘的介质（制造软盘的底版）确实是“软”的，是可以卷曲的，它的工作原理与硬盘存储器基本相同，只是在读写和驱动器结构上与硬盘有较大的差别，磁头工作方式也不同。

软盘的盘片是一种圆形的软盘片，被封装在一个纸制或塑料保护套中，20世纪70年代的软盘有8英寸大，逐渐减小为5.25英寸、3.5英寸，并继续往小尺寸方向发展。

对软盘的读写过程是通过软盘读写器（称为软盘驱动器）来完成的，它是一个小小的硬件装置，含有旋转电机、移动伺服机构和读写磁头。当软盘片插入软盘驱动后，伺服机构自动下压并夹住软盘片，并在电机的带动下高速旋转。此时，固定在移动臂上的读写磁头因下压而接触到软盘盘面，然后根据计算机系统的读写指令对软盘进行数据读写。

软盘驱动器每次只能插入一片软盘片，软盘片可以插入、取出，是可以携带的盘片。软盘盘片早期分为单面和双面两种，对应的软盘驱动器也分为单面和双面两种，单面盘片只有一个记录面，其驱动器只有一个读写磁头，而双面盘片两面都可以记录，分别称作“0”面和“1”面，其驱动器也有两个记录磁头。但软盘驱动器中的磁头与硬盘驱动器中的磁头不同，它是接触式磁头，当插入软盘片后，不论读写与否，都与软盘片表面接触。

使用没有记录数据（被称为空盘）的软盘前需要进行格式化，即按照不同操作系统的文件和书记的存储格式，在软盘片上建立相应的磁道分区，这些分区称为软盘的扇区。扇区的称谓是因为所有磁道沿软盘中心向外呈同心圆环，数据记录区段也呈现一种扇形。当格式化操作完成后，就可以进行数据记录和读取了。

1970年IBM公司推出了8英寸（203mm）软盘，1976年Shugart公司生产出5.25英寸（133mm）软盘，1982年Sony公司推出3.5英寸（90mm）软盘。存储容量从250KB、360KB、720KB、1.2MB、1.44MB。

软磁盘和软磁盘驱动器从诞生算起已有30年，但从技术的角度看变化并不大，可以说是计算机中使用年限最长的设备了。但容量小的缺点在使用中逐渐显现出来。为了解决这个问题，人们采用了光伺服定位技术提高道密度，使存储容量提高到20.8MB（InsitePeripheral公司/1990），后来又相继提高到100MB（Iomega公司/1995）、120MB（Imation公司/1996）、200MB（Sony/1997）等。然而，本是非常具有希望的这种压缩软盘，正憧憬着占领桌面存储的半壁江山，却未料到半导体盘（USB接口盘）成了它们的终结者。

软盘的最大优点是其轻便、易携带，但随着计算机技术和存储技术的发展，软盘逐渐被淘汰出市场，便携式的半导体存储盘（U盘）和移动硬盘已经取代软盘而成为便携信息存储的宠儿。

容量大、体积小、重量轻、速度快是信息存储对技术的要求，也是硬盘出现后人们一直期望解决的问题，于是，温切斯特磁盘出现了。

温切斯特磁盘实际上是一种技术，这种技术1968年由IBM公司位于美国加州坎贝尔市温切斯特大街的研究所研制的，它是于1973年首先应用于IBM3340硬磁盘存储器中，因此将这种技术称作温切斯特技术，采用该技术的硬盘被称为“温切斯特硬盘”，简称“温盘”。

图3-11　早期硬盘机

温彻斯特磁盘技术的要点是将高速旋转的磁盘、磁头及其寻道机构等全部密封在一个无尘的封闭体中，形成一个头盘组合件（HDA）。这个创新的设计，让磁盘体与外界环境隔绝，避免了灰尘的污染，数据存储于洁净的硬盘驱动器内腔的若干个磁盘片上。同时，采用小型化轻浮力的磁头浮动块，并在盘片表面涂上润滑剂，实行接触起停。即平常盘片不转时，磁头停靠在盘片上，当盘片转速达到一定速度值时，磁头自动浮起并保持一定的浮动间隙。从而简化了机械结构，缩短了启动的时间。这种技术中的磁头与磁盘是一一对应的，即磁头的读写针对固定的磁盘，无须更换盘片，提高了信噪比和存储密度，也增加了存储容量。从此，这种封闭型的硬盘结构成为现代绝大多数硬盘的原型，“温彻斯特”技术使硬盘进入了一个黄金时代。

“温彻斯特”技术是硬盘发展史上的一个里程碑，它在小型硬盘驱动器中得到继承和发展，直到今天，硬盘技术还没有完全脱离温彻斯特技术的框架。

“温彻斯特”技术能否突破？能否打破？硬盘里面到底装的是什么？

硬磁盘是在磁鼓的基础上发展起来的，磁鼓是在整个柱面上存储，而磁盘把这个柱面分切成了若干同心的磁盘片，在每个盘片的平面上记录数据，从此开始了硬盘的生命周期。

第一台硬磁盘存储器可以追溯到1957年IBM公司研制的IBM350：RAMAC（Random Access Method of Accounting and Control）磁盘，共使用了50片直径为610mm（24英寸）的盘片，盘片固定在一个主轴上，由一台电机（称为主轴电机）带着旋转，磁头上下前后运动以寻找要读写的磁道，这种磁盘机盘片直径大，驱动器体积也很大，但存储密度不高，存储容量很小，只有5MB。

信息存储的迅速发展要求硬磁盘容量必须快速突破，怎么才能增加容量呢？人们想到了更换磁盘片组。也就是说，当固定在主轴上的盘组存满后，将其拆下来，再换上一个空白盘组。如果有足够多的备用盘组，容量不是就增加了吗？根据这个思路，1966年IBM公司研制成功了活动盘组硬盘IBM2314，磁盘片组不固定在主轴上，使用时像戴帽子一样安上去，不用时卸下来，这种可更换盘片组的设计技术扩大了容量。

硬盘的盘片一般是以铝为主要成分制作片基，在其表面涂上磁性介质，以便存储数据。在磁盘片的每一面上，以转动轴为轴心、以一定的磁密度为间隔的若干个同心圆就被划分成磁道（Track），每个磁道又被划分为若干个扇区（Sector），数据就按扇区存放在硬盘上。硬盘通过磁头读取和写入数据，写入数据的过程实际上是通过磁头对硬盘片表面的可磁化单元进行磁化，就像录音机的录音过程；不同的是，录音机是将模拟信号顺序地录制在涂有磁介质的磁带上，而硬盘是将二进制的数字信号以环状同心圆轨迹的形式，一圈一圈地记录在涂有磁介质的高速旋转的盘面上。读取数据时，只需把磁头移动到相应的位置读取此处的磁化编码状态即可。

图3-12　1：移动磁臂　2：中轴　3：磁臂　4：磁头　5：盘片

硬盘自20世纪70年代问世以来，一直是计算机系统不可分割的主要存储设备，是计算机系统运行工作的核心。进入信息时代以来，硬盘并不仅仅被用在个人电脑和服务器领域，其用途越来越广，目前已经开始普及到家用录像机和便携型音乐播放机等领域。硬盘发展的主线是记录密度不断提高，每当记录密度面临极限问题时，总是通过改进现有技术实现记录密度的突破，这种技术创新的周期也被人们归结于“摩尔定律”的规律。

然而，科学是严谨的，人们已经提出这样一个问题：硬盘存储的极限在哪里？科学和技术能否突破这个极限？如果不能，就必须探索新的记录方式。

早期的硬盘盘片有多个，在中轴上组装的多个盘片（Platter）形成一个圆柱片组，在此圆柱上的所有盘片的每一个表面就是一个磁面。软盘盘片只有两个磁面，而早期硬盘拥有多个磁面，每个磁面对应一个磁头，所以，磁面数用磁头数来表示。

每个盘片上的相对于圆柱中心的磁道组成一组，被称为柱面（磁道），数据记录是按照柱面磁道来记录的。这样硬盘的容量的计算就非常简单，即：

磁头（磁面）数×柱面（磁道）数×扇区数×扇区字节数 = 磁盘总容量

并分别用符号字母来表示它们，即：

磁头：H（Head），柱面：C（Cylinder），扇区：T（Track），字节：B（Byte）。

例如：一个硬盘有8个磁头，柱面磁道1024，每道扇区数63，每扇区字节数512，那么，这个硬盘的最大容量则是：

8×1024×63×512 = 264 241 152字节（约250MB）

别看这四个参数，它可是磁盘正常工作的基本保证啊，如果四个参数有错误，磁盘的读写也会出现错误和故障。

早期硬盘的直径达到24英寸（610mm）、14英寸（356mm），以后逐渐减小到8英寸（203mm）、5.25英寸（133mm）、3.5英寸（89mm）和2.5英寸（64mm），后两者主要配备台式计算机和笔记本计算机。目前，更小的硬盘，如1.8英寸、1.0英寸（25.4mm）和0.85英寸的微小硬盘已经面世，它们主要应用于移动信息设备，如手机、个人数字助手（PDA）、MP3/MP4影音设备以及数码相机中。

读者朋友，你能想出新的磁盘结构吗？它的容量能再大点吗？

图3-13　1.8英寸微型硬盘

硬盘的存储容量是人们最关心的问题，用户希望越大越好，技术人员也希望越大越好。科学家和工程师们不断地探索创新，缩小记录点、改进磁头感应、改进记录方式、使用高磁磁体、采用垂直记录方式等，不断地扩大磁盘的存储容量，提高数据读取速度，缩小磁盘体积，人们也做到了。

图3-14　SUN公司制造的磁盘阵列

另外一项技术是把磁盘叠起来。

中央处理器（CPU）的速度已经很快了，而且还在不断加快。半导体存储器的容量和存取速度也在紧紧地追赶着CPU。然而，硬磁盘存储器在容量上虽然突破了千兆大关（GB），但在存取速度上提升得并不快，这样，数据的输入/输出速度成为计算机运行速度的制约因素。靠单台磁盘来解决这个瓶颈问题是很困难的。在一个系统中，尤其在大容量数据存储中心，如信息中心、数据中心、档案中心和需要大型数据库的地方，需要特大容量的存储装置，常规的存取方式是远远不能解决问题的。

人们在思考，能否把磁盘累叠起来，一起装在一个柜子里，把数据分块存储其中，并采用同时、并行存取的方式对众多的磁盘进行存取呢。如果这个方法可行，一则可以解决大容量问题，二则可以提高访问速度，三还可以借助特殊的校验数据块提高存储数据的安全性，这不是一举多得的事吗？于是，基于“磁盘柜”的“磁盘阵列”就应运而生了。

1987年，美国的Petterson博士领衔的研究小组，对过去的存储工作进行了总结。提出了“廉价冗余磁盘阵列”的概念，并组装出了这样的设备。这种磁盘阵列称为RAID，即Redundant Arrays of Inexpansive Disks的缩写。当时因为硬盘价格昂贵，所以，采用多台“廉价”的硬磁盘驱动器，其中一部分用做数据存储，一部分用于冗余校验。虽然硬盘的费用并不“廉价”，但此项创新技术一出，带来的安全性和大容量存储特性在存储领域又引发了一次大震动，并得到了迅速的推广。在磁盘阵列中，数据校验常常是分配到各个磁盘驱动器的，众多的磁盘形成了一个“阵列”，称为磁盘阵列，也称为RAID系统。磁盘阵列采用多台硬磁盘驱动器组成一个整体，封装在专门的机柜里，从外界看好像是一台容量扩大若干倍的硬磁盘。它采用了专门的CPU对其进行存储管理，分块存储，并行存取，大大提高了存取速度。此外，通过采用冗余校验，提高了硬磁盘的可靠性，很好地解决了“瓶颈问题”，现在已经广泛地应用于网络存储和大型计算机。而且，这些磁盘阵列都具有热插拔（即不断电插拔）和自动重建的功能，当阵列中一台磁盘故障或损坏，可以带电插拔更换，换上的新的空磁盘，系统会自动把原来存储在故障盘中的数据恢复，并重新写进去。这样，会保证系统24小时不间断地正常工作。

经过十余年的发展，磁盘阵列已成为信息存储中的“大哥大”，但信息存储的问题仍然因信息爆炸式的增长依然存在。

硬盘的存储容量有极限吗？这依然是人们最关心的问题。

读者朋友，请拭目以待！