[計(jì)算機(jī)]硬盤的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖解

1、.平時(shí)大家在論壇上對(duì)硬盤的認(rèn)識(shí)和選購(gòu)，大都是通過產(chǎn)品的外型、性能指標(biāo)特征和網(wǎng)站公布的性能評(píng)測(cè)報(bào)告等方面去了解，但是硬盤的內(nèi)部結(jié)構(gòu)究竟是怎么樣的呢，所謂的磁頭、盤片、主軸電機(jī)又是長(zhǎng)什么樣子呢，硬盤的讀寫原理是什么，估計(jì)就不是那么多人清楚了。所以我就以一塊二手西數(shù)硬盤WD200BB為例向大家講解一下硬盤的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，讓硬件初學(xué)者們能夠?qū)τ脖P有一個(gè)更深的認(rèn)識(shí)。在動(dòng)手之前，先了解一些硬盤的結(jié)構(gòu)理論知識(shí)?？偟脕碚f，硬盤主要包括：盤片、磁頭、盤片主軸、控制電機(jī)、磁頭控制器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、接口、緩存等幾個(gè)部份。所有的盤片都固定在一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸上，這個(gè)軸即盤片主軸。而所有盤片之間是絕對(duì)平行的，在每個(gè)盤片的存儲(chǔ)面上都有

2、一個(gè)磁頭，磁頭與盤片之間的距離比頭發(fā)絲的直徑還小。所有的磁頭連在一個(gè)磁頭控制器上，由磁頭控制器負(fù)責(zé)各個(gè)磁頭的運(yùn)動(dòng)。磁頭可沿盤片的半徑方向動(dòng)作，而盤片以每分鐘數(shù)千轉(zhuǎn)到上萬(wàn)轉(zhuǎn)的速度在高速旋轉(zhuǎn)，這樣磁頭就能對(duì)盤片上的指定位置進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫操作。由于硬盤是精密設(shè)備，塵埃是其大敵，所以必須完全密封?，F(xiàn)在先貼上今日的主角西數(shù)WD200BB硬盤的“玉照”，它是容量為20G的7200轉(zhuǎn)的普通3.5寸IDE硬盤，屬于比較常見的產(chǎn)品，也是用戶最經(jīng)常接觸的。除此之外，硬盤還有許多種類，例如老式的普通IDE硬盤是5.25英寸，高度有半高型和全高型，還有體積小巧玲瓏的筆記本電腦，塊頭巨大的高端SCSI硬盤及非常特殊的微

3、型硬盤。 在硬盤的正面都貼有硬盤的標(biāo)簽，標(biāo)簽上一般都標(biāo)注著與硬盤相關(guān)的信息，例如產(chǎn)品型號(hào)、產(chǎn)地、出廠日期、產(chǎn)品序列號(hào)等，上圖所示的就是WD200BB的產(chǎn)品標(biāo)簽。在硬盤的一端有電源接口插座、主從設(shè)置跳線器和數(shù)據(jù)線接口插座，而硬盤的背面則是控制電路板。從以下圖中可以清楚地看出各部件的位置。總得來說，硬盤外部結(jié)構(gòu)可以分成如下幾個(gè)部份：一、硬盤接口、控制電路板及固定面板：(1)、接口。接口包括電源接口插座和數(shù)據(jù)接口插座兩部份，其中電源插座就是與主機(jī)電源相連接，為硬盤正常工作提供電力保證。數(shù)據(jù)接口插座則是硬盤數(shù)據(jù)與主板控制芯片之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸交換的通道，使用時(shí)是用一根數(shù)據(jù)電纜將其與主板IDE接口或與其它

4、控制適配器的接口相連接，經(jīng)常聽說的40針、80芯的接口電纜也就是指數(shù)據(jù)電纜，數(shù)據(jù)接口主要分成IDE接口、SATA接口和SCSI接口三大派系。(2)、控制電路板。大多數(shù)的控制電路板都采用貼片式焊接，它包括主軸調(diào)速電路、磁頭驅(qū)動(dòng)與伺服定位電路、讀寫電路、控制與接口電路等。在電路板上還有一塊ROM芯片，里面固化的程序可以進(jìn)行硬盤的初始化，執(zhí)行加電和啟動(dòng)主軸電機(jī)，加電初始尋道、定位以及故障檢測(cè)等。在電路板上還安裝有容量不等的高速數(shù)據(jù)緩存芯片，在此塊硬盤內(nèi)結(jié)合有2MB的高速緩存。(3)、固定面板。就是硬盤正面的面板，它與底板結(jié)合成一個(gè)密封的整體，保證了硬盤盤片和機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定運(yùn)行。在面板上最顯眼的莫過于產(chǎn)品

5、標(biāo)簽，上面印著產(chǎn)品型號(hào)、產(chǎn)品序列號(hào)、產(chǎn)品、生產(chǎn)日期等信息，這在上面已提到了。除此，還有一個(gè)透氣孔，它的作用就是使硬盤內(nèi)部氣壓與大氣氣壓保持一致。硬盤內(nèi)部結(jié)構(gòu)由固定面板、控制電路板、磁頭、盤片、主軸、電機(jī)、接口及其它附件組成，其中磁頭盤片組件是構(gòu)成硬盤的核心，它封裝在硬盤的凈化腔體內(nèi)，包括有浮動(dòng)磁頭組件、磁頭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、盤片、主軸驅(qū)動(dòng)裝置及前置讀寫控制電路這幾個(gè)部份。將硬盤面板揭開后，內(nèi)部結(jié)構(gòu)即可一目了然，如下圖。二、磁頭組件及磁頭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)：(1)、磁頭組件。這個(gè)組件是硬盤中最精密的部位之一，它由讀寫磁頭、傳動(dòng)手臂、傳動(dòng)軸三部份組成。磁頭是硬盤技術(shù)中最重要和關(guān)鍵的一環(huán)，實(shí)際上是集成工藝制成的多個(gè)磁

6、頭的組合，它采用了非接觸式頭、盤結(jié)構(gòu)，加后電在高速旋轉(zhuǎn)的磁盤表面移動(dòng)，與盤片之間的間隙只有0.10.3um，這樣可以獲得很好的數(shù)據(jù)傳輸率?，F(xiàn)在轉(zhuǎn)速為7200RPM的硬盤飛高一般都低于0.3um，以利于讀取較大的高信噪比信號(hào)，提供數(shù)據(jù)傳輸率的可靠性。至于硬盤的工作原理，它是利用特定的磁粒子的極性來記錄數(shù)據(jù)。磁頭在讀取數(shù)據(jù)時(shí)，將磁粒子的不同極性轉(zhuǎn)換成不同的電脈沖信號(hào)，再利用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器將這些原始信號(hào)變成電腦可以使用的數(shù)據(jù)，寫的操作正好與此相反。從以下圖中我們也可以看出，西數(shù)WD200BB硬盤采用單碟雙磁頭設(shè)計(jì)，但該磁頭組件卻能支持四個(gè)磁頭，注意其中有兩個(gè)磁頭傳動(dòng)手臂沒有安裝磁頭。(2)、磁頭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

7、。硬盤的尋道是靠移動(dòng)磁頭，而移動(dòng)磁頭則需要該機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)才能實(shí)現(xiàn)。磁頭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由電磁線圈電機(jī)、磁頭驅(qū)動(dòng)小車、防震動(dòng)裝置構(gòu)成，高精度的輕型磁頭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)能夠?qū)Υ蓬^進(jìn)行正確的驅(qū)動(dòng)和定位，并能在很短的時(shí)間內(nèi)精確定位系統(tǒng)指令指定的磁道。其中電磁線圈電機(jī)包含著一塊永久磁鐵，這是磁頭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)傳動(dòng)手臂起作用的關(guān)鍵，磁鐵的吸引力足起吸住并吊起拆硬盤使用的螺絲刀。防震動(dòng)裝置在老硬盤中沒有，它的作用是當(dāng)硬盤受動(dòng)強(qiáng)裂震動(dòng)時(shí)，對(duì)磁頭及盤片起到一定的保護(hù)使用，以避免磁頭將盤片刮傷等情況的發(fā)生。這也是為什么舊硬盤的防震能力比現(xiàn)在新硬秀盤差得多的緣故。 (3)、磁盤片。盤片是硬盤存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的載體，現(xiàn)在硬盤盤片大多采用鋁金屬薄膜材

8、料，這種金屬薄膜較軟盤的不連續(xù)顆粒載體具有更高的存儲(chǔ)密度、高剩磁及高矯頑力等優(yōu)點(diǎn)。從以下圖中可以發(fā)現(xiàn)，硬盤盤片是完全平整的，簡(jiǎn)直可以當(dāng)鏡子使用。(4)、主軸組件。主軸組件包括主軸部件如軸承和驅(qū)動(dòng)電機(jī)等。隨著硬盤容量的擴(kuò)大和速度的提高，主軸電機(jī)的速度也在不斷提升，于是有廠商開始采用精密機(jī)械工業(yè)的液態(tài)軸承電機(jī)技術(shù)，現(xiàn)在已經(jīng)被所有主流硬盤廠商所普遍采用了，它有利于降低硬盤工作噪音。(5)、前置控制電路。前置電路控制磁頭感應(yīng)的信號(hào)、主軸電機(jī)調(diào)速、磁頭驅(qū)動(dòng)和伺服定位等，由于磁頭讀取的信號(hào)微弱，將放大電路密封在腔體內(nèi)可減少外來信號(hào)的干擾，提高操作指令的準(zhǔn)確性。三、控制電路：硬盤的控制電路位于硬盤背面，將背

9、面電路板的安裝螺絲擰下，翻開控制電路板即可見到控制電路。具體如以下圖所示。硬盤控制電路總得來說可以分為如下幾個(gè)部份：主控制芯片、數(shù)據(jù)傳輸芯片、高速數(shù)據(jù)緩存芯片等，其中主控制芯片負(fù)責(zé)硬盤數(shù)據(jù)讀寫指令等工作，如上圖所示，WD200BB的主控制芯片為WD70C23-GP，這是一塊中國(guó)臺(tái)灣產(chǎn)的芯片。數(shù)據(jù)傳輸芯片則是將硬盤磁頭前置控制電路讀取出數(shù)據(jù)經(jīng)過校正及變換后，經(jīng)過數(shù)據(jù)接口傳輸?shù)街鳈C(jī)系統(tǒng)，至于高速數(shù)據(jù)緩存芯片是為了協(xié)調(diào)硬盤與主機(jī)在數(shù)據(jù)處理速度上的差異而設(shè)的，該款西數(shù)WD200BB的緩存容量大小為2MB。緩存對(duì)磁盤性能所帶來的作用是無須置疑的，在讀取零碎文件數(shù)據(jù)時(shí)，大緩存能帶來非常大的優(yōu)勢(shì)，這也是為什

10、么在高端SCSI硬盤中早就有結(jié)合16MB甚至32MB緩存的產(chǎn)品。硬盤拆解到這里就基本告一段落了，大家在意猶未盡的同時(shí)，可能對(duì)一些硬盤性能指標(biāo)的含義還不是很明白吧，接下來就一鼓作氣送上硬盤常見的一些性能指標(biāo)定義：1、主軸轉(zhuǎn)速：硬盤的主軸轉(zhuǎn)速是決定硬盤內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸率的決定因素之一，它在很大程度上決定了硬盤的速度，同時(shí)也是區(qū)別硬盤檔次的重要標(biāo)志。從目前的情況來看，7200RPM的硬盤具有性價(jià)比高的優(yōu)勢(shì)，是國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的主流產(chǎn)品，而SCSI硬盤的主軸轉(zhuǎn)速已經(jīng)達(dá)到10000rpm甚至15000rpm了，但由于價(jià)格原因讓普通用戶難以接受。 2、尋道時(shí)間：該指標(biāo)是指硬盤磁頭移動(dòng)到數(shù)據(jù)所在磁道而所用的時(shí)間，單位

11、為毫秒(ms)。平均尋道時(shí)間則為磁頭移動(dòng)到正中間的磁道需要的時(shí)間。注意它與平均訪問時(shí)間的差別。硬盤的平均尋道時(shí)間越小性能則越高，現(xiàn)在一般選用平均尋道時(shí)間在10ms以下的硬盤。 3、單碟容量：?jiǎn)蔚萘渴怯脖P相當(dāng)重要的參數(shù)之一，一定程度上決定著硬盤的檔次高低。硬盤是由多個(gè)存儲(chǔ)碟片組合而成的，而單碟容量就是一個(gè)存儲(chǔ)碟所能存儲(chǔ)的最大數(shù)據(jù)量。硬盤廠商在增加硬盤容量時(shí)，可以通過兩種手段：一個(gè)是增加存儲(chǔ)碟片的數(shù)量，但受到硬盤整體體積和生產(chǎn)成本的限制，碟片數(shù)量都受到限制，一般都在5片以內(nèi)；而另一個(gè)辦法就是增加單碟容量。目前的IDE和SATA硬盤最多只有四張碟片，靠增加碟片來擴(kuò)充容量滿足不斷增長(zhǎng)的存儲(chǔ)容量的需求

12、是不可行的。只有提高每張碟片的容量才能從根本上解決這個(gè)問題。現(xiàn)在的大容量硬盤都采用的是新型GMR巨阻型磁頭，磁碟的記錄密度大大提高，硬盤的單碟容量也相應(yīng)提高了。目前主流硬盤的單碟容量大都在80GB以上，而最新的希捷酷魚7200.9系列硬盤的最高單碟容量更是達(dá)到160GB，使硬盤總?cè)萘靠梢赃_(dá)到500GB以上。 單碟容量的一個(gè)重要意義在于提升硬盤的數(shù)據(jù)傳輸速度，而且也有利于生產(chǎn)成本的控制。硬盤單碟容量的提高得益于數(shù)據(jù)記錄密度的提高，而記錄密度同數(shù)據(jù)傳輸率是成正比的，并且新一代GMR磁頭技術(shù)則確保了這個(gè)增長(zhǎng)不會(huì)因?yàn)榇蓬^的靈敏度的限制而放慢速度。在下面的測(cè)試中，你將會(huì)發(fā)現(xiàn)單碟容量越高，它的數(shù)據(jù)傳輸率也

13、將會(huì)越高，其中希捷酷魚7200.9系列硬盤就是一個(gè)明顯的例證。 4、潛伏期：該指標(biāo)表示當(dāng)磁頭移動(dòng)到數(shù)據(jù)所在的磁道后，等待所要的數(shù)據(jù)塊繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)(半圈或多些、少些)到磁頭下的時(shí)間，其單位為毫秒(ms)。平均潛伏期就是盤片轉(zhuǎn)半圈的時(shí)間。 5、硬盤表面溫度：該指標(biāo)表示硬盤工作時(shí)產(chǎn)生的溫度使硬盤密封殼溫度上升的情況。這項(xiàng)指標(biāo)廠家并不提供，一般只能在各種媒體的測(cè)試數(shù)據(jù)中看到。硬盤工作時(shí)產(chǎn)生的溫度過高將影響薄膜式磁頭的數(shù)據(jù)讀取靈敏度，因此硬盤工作表面溫度較低的硬盤有更穩(wěn)定的數(shù)據(jù)讀、寫性能。 6、道至道時(shí)間：該指標(biāo)表示磁頭從一個(gè)磁道轉(zhuǎn)移至另一磁道的時(shí)間，單位為毫秒(ms)。 7、高速緩存：該指標(biāo)指在硬盤內(nèi)部的

14、高速存儲(chǔ)器。目前硬盤的高速緩存一般為2MB8MB，SCSI硬盤的更大。購(gòu)買時(shí)最好選用緩存為8M以上的硬盤。 8、全程訪問時(shí)間：該指標(biāo)指磁頭開始移動(dòng)直到最后找到所需要的數(shù)據(jù)塊所用的全部時(shí)間，單位為毫秒(ms)。而平均訪問時(shí)間指磁頭找到指定數(shù)據(jù)的平均時(shí)間，單位為毫秒。通常是平均尋道時(shí)間和平均潛伏時(shí)間之和?，F(xiàn)在不少硬盤廣告之中所說的平均訪問時(shí)間大部分都是用平均尋道時(shí)間所代替的。 9、最大內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸率：該指標(biāo)名稱也叫持續(xù)數(shù)據(jù)傳輸率(sustained transfer rate)，單位為Mb/s。它是指磁頭至硬盤緩存間的最大數(shù)據(jù)傳輸率，一般取決于硬盤的盤片轉(zhuǎn)速和盤片線密度(指同一磁道上的數(shù)據(jù)容量)。

15、注意，在這項(xiàng)指標(biāo)中常常使用Mb/s或Mbps為單位，這是兆位/秒的意思，如果需要轉(zhuǎn)換成MB/s(兆字節(jié)/秒)，就必須將Mbps數(shù)據(jù)除以8(一字節(jié)8位數(shù))。例如，某硬盤給出的最大內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸率為683Mbps，如果按MB/s計(jì)算就只有85.37MB/s左右。 10、連續(xù)無故障時(shí)間（MTBF）：該指標(biāo)是指硬盤從開始運(yùn)行到出現(xiàn)故障的最長(zhǎng)時(shí)間，單位是小時(shí)。一般硬盤的MTBF至少在300000小時(shí)以上。這項(xiàng)指標(biāo)在一般的產(chǎn)品廣告或常見的技術(shù)特性表中并不提供，需要時(shí)可專門上網(wǎng)到具體生產(chǎn)該款硬盤的公司網(wǎng)址中查詢。 11、外部數(shù)據(jù)傳輸率：該指標(biāo)也稱為突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸率，它是指從硬盤緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)的速率。在廣告或硬盤

16、特性表中常以數(shù)據(jù)接口速率代替，單位為MB/s。目前主流的硬盤已經(jīng)全部采用SATA150接口技術(shù)，外部數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)150MB/s。 12、S.M.A.R.T：該指標(biāo)的英文全稱是SelfMonitoring AnalysisReporting Technology，中文含義是自動(dòng)監(jiān)測(cè)分析報(bào)告技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)使得硬盤可以監(jiān)測(cè)和分析自己的工作狀態(tài)和性能，并將其顯示出來。用戶可以隨時(shí)了解硬盤的運(yùn)行狀況，遇到緊急情況時(shí)，可以采取適當(dāng)措施，確保硬盤中的數(shù)據(jù)不受損失。采用這種技術(shù)以后，硬盤的可靠性得到了很大的提高。送完以上內(nèi)容之后，就進(jìn)入到文章的尾聲，來談一下我的硬盤使用體會(huì)了。我接觸電腦已經(jīng)有10年時(shí)間

17、，使用過的臺(tái)式機(jī)硬盤到目前為止一共有四塊（還不包括三塊2.5寸筆記本移動(dòng)硬盤），從最初CONNER的630M硬盤，到昆騰火球七代5400轉(zhuǎn)6.4G硬盤，接著到希捷酷魚7200.7 80G SATA硬盤，再到目前正在使用中的西數(shù)猛禽10K轉(zhuǎn)速系列150G硬盤，可以說是見證了這十年間的硬盤發(fā)展史。硬盤的存儲(chǔ)容量和接口速率標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展真可謂“日新月異”，不過其內(nèi)部結(jié)構(gòu)卻沒有發(fā)生根本性的變化，依舊是經(jīng)典的溫徹斯特硬盤結(jié)構(gòu)。這樣一來，在其他電腦配件的運(yùn)行速度高速發(fā)展的同時(shí)，硬盤就日益成為電腦整體性能的最大瓶頸了。一般來講，要提升硬盤的實(shí)際讀寫性能無非是從幾個(gè)主要方面去改進(jìn)：一是提升硬盤主軸轉(zhuǎn)速，二是增加硬

18、盤的單碟容量，三是增加硬盤的讀寫緩存容量，最后就是提高硬盤的外部接口速率。從我多年來的硬盤使用體會(huì)來看，提升硬盤主軸轉(zhuǎn)速無疑是改善硬盤讀寫性能最有效的方法，就以本人正在使用的西數(shù)猛禽10K轉(zhuǎn)速系列150G硬盤為例，跟舊的希捷酷魚7200.7 80G SATA硬盤相比，在兩者單碟容量相差不大（西數(shù)猛禽的單碟容量是75G，而希捷酷魚7200.7則是80G）的情況下，將硬盤主軸速度從7200轉(zhuǎn)提升到10000轉(zhuǎn)之后，隨機(jī)訪問時(shí)間就從13.8ms一下子縮短到8.0ms，而持續(xù)傳輸速度從50MB/S左右躥到了77.5MB/S，測(cè)試性能提升非常明顯。即使你是做日常的一些軟件操作，例如開機(jī)啟動(dòng)進(jìn)入WinXP

19、桌面、安裝或者啟動(dòng)Office2003和PhotoShop CS2等大型應(yīng)用軟件、游戲軟件的啟動(dòng)載入等等，都可以明顯感覺到整部機(jī)器如同換了一個(gè)大腦似的，反應(yīng)速度大大加快，整體性能足足提升了一個(gè)檔次，其使用效果有時(shí)候甚至比換上了一塊高性能CPU或者一塊高檔顯卡還要好！所以大家如果經(jīng)濟(jì)能力許可的話，買一塊高轉(zhuǎn)速的硬盤來升級(jí)電腦，對(duì)于提升電腦整體性能是很有幫助的。至于提高硬盤的單碟容量嘛，雖然在一定程度上能夠改善硬盤的持續(xù)傳輸速度，但是對(duì)硬盤處理突發(fā)傳輸任務(wù)時(shí)的讀寫性能幫助不大，而且由于單碟容量提升帶來的磁道數(shù)目增加在一定程度上會(huì)影響到硬盤的隨機(jī)尋址速度，所以對(duì)硬盤的實(shí)際讀寫性能提升非常有限。增加硬盤讀寫緩存這種辦法個(gè)人感覺只是讓硬盤在執(zhí)行大文件拷貝任務(wù)