計算機的加點和複位和硬碟的的工作原理

計算機的加點和複位

  在處理器衆多的引腳中，有一個是 RESET，用于接受複位信号。每當處理器加電，或者RESET 引腳的電平由低變高時①，處理器都會執行一個硬體初始化，以及一個可選的内部自測試（Build-in Self-Test，BIST），然後将内部所有寄存器的内容初始到一個預置的狀态。

  為了節約成本，并提高容量和內建度，在記憶體中，每個比特的存儲都是靠一個極其微小的半導體，外加一個同樣極其微小的電容來完成的。可以想象，這樣微小的電容，其洩漏電荷的速度當然也非常快。是以，個人計算機中使用的記憶體需要定期補充電荷，這稱為重新整理，是以這種存儲器也稱為動态随機通路存儲器（Dynamic Random Access Memory，DRAM）。随機通路的意思是，通路任何一個記憶體單元的速度和它的位置（位址）無關。舉個例子來說，從頭至尾在一盤錄音帶上找某首歌曲，它越靠前，找到它所花的時間就越短。但記憶體就不一樣，讀寫位址為 0x00001 的記憶體單元，和讀寫位址為 0xFFFF0 的記憶體單元，所需要的時間是一樣的。在記憶體重新整理期間，處理器将無法通路它。這還不是最麻煩的，最麻煩的是，在它斷電之後，所有儲存的内容都會統統消失。是以，每當處理器加電之後，它無法從記憶體中取得任何指令。

  與 DRAM 不同，隻讀存儲器（Read Only Memory，ROM）不需要重新整理，它的内容是預先寫入的，即使掉電也不會消失，但也很難改變。這個特點很有用，比如，可以将一些程式指令固化在 ROM 中，使處理器在每次加電時都自動執行。處理器醒來後不能餓着，這是很重要的。

硬碟及其工作原理

  這是一塊被拆開的硬碟，中間是用于記錄資料的鋁合金盤片，固定在中心的軸上，由一個高速旋轉的馬達驅動。附着在盤片表面的扁平錐狀物，就是用于在盤片上讀寫資料的磁頭。

  硬碟可以隻有一個盤片（這稱為單碟），也可能有好幾個盤片。但無論如何，它們都串在同一個軸上，由電動機帶動着一起高速旋轉。一般來說，轉速可以達到每分鐘 3600 轉或者 7200 轉，有的能達到一萬多轉，這個參數就是我們常說的“轉/分鐘”（Round Per Minute，RPM）。

  每個盤片都有兩個磁頭（Head），上面一個，下面一個，是以經常用磁頭來指代盤面。磁頭都有編号，第 1 個盤片，上面的磁頭編号為 0，下面的磁頭編号為 1；第 2 個盤片，上面的磁頭編号為 2，下面的磁頭編号為 3，依次類推。

  每個磁頭不是單獨移動的。相反，它們都通過磁頭臂固定在同一個支架上，由步進電動機帶動着一起在盤片的中心和邊緣之間來回移動。也就是說，它們是同進退的。步進電動機由脈沖驅動，每次可以旋轉一個固定的角度，即可以步進一次。

  可以想象，當盤片高速旋轉時，磁頭每步進一次，都會從它所在的位置開始，繞着圓心“畫”出一個看不見的圓圈，這就是磁道（Track）。磁道是資料記錄的軌迹。因為所有磁頭都是關聯的，故每個盤面上的同一條磁道又可以形成一個虛拟的圓柱，稱為柱面（Cylinder）。

  磁道，或者柱面，也要編号。編号是從盤面最邊緣的那條磁道開始，向着圓心的方向，從 0 開始編号。

  柱面是一個用來優化資料讀寫的概念。初看起來，用硬碟來記錄資料時，應該先将一個盤面填滿後，再填寫另一個盤面。實際上，移動磁頭是一個機械動作，看似很快，但對處理器來說，卻很漫長，這就是尋道時間。為了加速資料在硬碟上的讀寫，最好的辦法就是盡量不移動磁頭。這樣，當 0 面的磁道不足以容納要寫入的資料時，應當把剩餘的部分寫在 1 面的同一磁道上。如果還寫不下，那就繼續把剩餘的部分寫在 2 面的同一磁道上。換句話說，在硬碟上，資料的通路是以柱面來組織的。

  實際上，磁道還不是硬碟資料讀寫的最小機關，磁道還要進一步劃分為扇區（Sector）。磁道很窄，也看不見，但在想象中，它仍呈帶狀，占有一定的寬度。将它劃分許多分段之後，每一部分都呈扇形，這就是扇區的由來。

  每條磁道能夠劃分為幾個扇區，取決于磁盤的制造者，但通常為 63 個。而且，每個扇區都有一個編号，與磁頭和磁道不同，扇區的編号是從 1 開始的。

  扇區與扇區之間以間隙（空白）間隔開來，每個扇區以扇區頭開始，然後是 512 個位元組的資料區。扇區頭包含了每個扇區自己的資訊，主要有本扇區的磁道号、磁頭号和扇區号，用來供硬碟定位機構使用。現代的硬碟還會在扇區頭部包括一個訓示扇區是否健康的标志，以及用來替換該扇區的扇區位址。用于替換扇區的，是一些保留和隐藏的磁道。