第5章硬盤驅(qū)動(dòng)器

1、第第5 5章章 硬盤驅(qū)動(dòng)器硬盤驅(qū)動(dòng)器5.15.25.35.45.5硬盤的物理結(jié)構(gòu)硬盤的物理結(jié)構(gòu)硬盤的邏輯結(jié)構(gòu)硬盤的邏輯結(jié)構(gòu)硬盤的技術(shù)參數(shù)硬盤的技術(shù)參數(shù)不同類型的硬盤不同類型的硬盤硬盤的選購(gòu)硬盤的選購(gòu) 第第5章章 硬盤驅(qū)動(dòng)器硬盤驅(qū)動(dòng)器5.1.1 外部結(jié)構(gòu)外部結(jié)構(gòu)電源接口、數(shù)據(jù)接口、控制電路板、固定蓋板、安裝螺孔電源接口、數(shù)據(jù)接口、控制電路板、固定蓋板、安裝螺孔5.1.1 外部結(jié)構(gòu)外部結(jié)構(gòu)15針電源接頭針電源接頭5.1.1 外部結(jié)構(gòu)外部結(jié)構(gòu)4針針D型型-15針電源轉(zhuǎn)接線針電源轉(zhuǎn)接線15針電源接頭針電源接頭5.1.1 外部結(jié)構(gòu)外部結(jié)構(gòu)4針針D型型-15針電源轉(zhuǎn)接線針電源轉(zhuǎn)接線5.1.1 外部結(jié)構(gòu)外部

2、結(jié)構(gòu)5.1.1 外部結(jié)構(gòu)外部結(jié)構(gòu)5.1.1 外部結(jié)構(gòu)外部結(jié)構(gòu)5.1.1 外部結(jié)構(gòu)外部結(jié)構(gòu)5.1.1 外部結(jié)構(gòu)外部結(jié)構(gòu)5.1.1 外部結(jié)構(gòu)外部結(jié)構(gòu)5.1.2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)u盤片及主軸機(jī)構(gòu)盤片及主軸機(jī)構(gòu)（盤片、主軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)）（盤片、主軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)）u磁頭及附屬組件磁頭及附屬組件 （讀（讀/寫磁頭、磁頭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)寫磁頭、磁頭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)u前置控制電路前置控制電路5.1.2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)5.1.2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)讀寫磁頭讀寫磁頭傳動(dòng)傳動(dòng)手臂手臂傳動(dòng)軸傳動(dòng)軸5.1.2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)5.1.2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)5.1.2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)u硬盤加電硬盤加電控制電路初始化控制電路初始化磁頭位于著陸區(qū)磁

3、頭位于著陸區(qū)主軸電機(jī)旋轉(zhuǎn)主軸電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁頭驅(qū)動(dòng)小車移動(dòng)磁頭驅(qū)動(dòng)小車移動(dòng)磁頭置磁頭置00道道硬盤啟動(dòng)，等待指令。硬盤啟動(dòng)，等待指令。u接口接收指令接口接收指令放大電路放大指令放大電路放大指令音圈電機(jī)發(fā)出信號(hào)音圈電機(jī)發(fā)出信號(hào)磁頭定位數(shù)據(jù)磁頭定位數(shù)據(jù)將接收的信息解碼將接收的信息解碼放大電路放大電路接口接口反饋到主機(jī)。反饋到主機(jī)。5.1.2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)5. 2 邏輯結(jié)構(gòu)邏輯結(jié)構(gòu)5.2.1 邏輯結(jié)構(gòu)組成邏輯結(jié)構(gòu)組成5. 2 邏輯結(jié)構(gòu)邏輯結(jié)構(gòu)5.2.1 邏輯結(jié)構(gòu)組成邏輯結(jié)構(gòu)組成5. 2 邏輯結(jié)構(gòu)邏輯結(jié)構(gòu)5.2.1 邏輯結(jié)構(gòu)組成邏輯結(jié)構(gòu)組成硬盤容量硬盤容量 = 柱面數(shù)柱面數(shù)磁頭數(shù)磁頭數(shù)扇區(qū)數(shù)扇區(qū)數(shù)512

4、 B5.2.2 工作原理工作原理5.2.2 工作原理工作原理 非工作狀態(tài)下非工作狀態(tài)下，盤片不旋轉(zhuǎn)盤片不旋轉(zhuǎn)，各磁頭依靠，各磁頭依靠微弱的彈力與盤片表面相接觸，微弱的彈力與盤片表面相接觸，磁頭停在磁頭停在啟停區(qū)（著陸區(qū)啟停區(qū)（著陸區(qū)landzlandz），），需要需要讀寫數(shù)據(jù)讀寫數(shù)據(jù)時(shí)時(shí)，磁盤旋轉(zhuǎn)磁盤旋轉(zhuǎn)，速度達(dá)到額定高速時(shí)（，速度達(dá)到額定高速時(shí)（7200RPM7200RPM），磁頭因盤片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的氣流而），磁頭因盤片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的氣流而抬起，磁頭才向數(shù)據(jù)區(qū)移動(dòng)，磁頭傳動(dòng)機(jī)抬起，磁頭才向數(shù)據(jù)區(qū)移動(dòng)，磁頭傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使構(gòu)使磁頭作徑向移動(dòng)磁頭作徑向移動(dòng)，以微小的等距離使，以微小的等距離使磁頭作徑向移動(dòng)，盤

5、面旋轉(zhuǎn)時(shí)，數(shù)據(jù)讀寫磁頭作徑向移動(dòng)，盤面旋轉(zhuǎn)時(shí)，數(shù)據(jù)讀寫按按柱面柱面進(jìn)行。進(jìn)行。讀寫完成后讀寫完成后，盤片停止旋轉(zhuǎn)，盤片停止旋轉(zhuǎn)，磁頭，磁頭返回啟停區(qū)返回啟停區(qū)。每小時(shí)數(shù)百公里每小時(shí)數(shù)百公里5.2.2 工作原理工作原理 盤片產(chǎn)生的氣流相當(dāng)強(qiáng)，足以使磁頭托起，盤片產(chǎn)生的氣流相當(dāng)強(qiáng)，足以使磁頭托起，與盤面保持一微小距離，距離越小，讀寫速與盤面保持一微小距離，距離越小，讀寫速度越快，對(duì)各部件的要求越高，氣流使磁頭度越快，對(duì)各部件的要求越高，氣流使磁頭脫離盤面，又能使磁頭的飛行處于嚴(yán)格的受脫離盤面，又能使磁頭的飛行處于嚴(yán)格的受控狀態(tài)?？貭顟B(tài)。 盤面與磁頭距離很小，灰塵會(huì)導(dǎo)致硬盤的嚴(yán)盤面與磁頭距離很小，灰

6、塵會(huì)導(dǎo)致硬盤的嚴(yán)重故障，所以硬盤的全部零件，均封閉在一重故障，所以硬盤的全部零件，均封閉在一個(gè)充滿潔凈空氣的密封腔內(nèi)個(gè)充滿潔凈空氣的密封腔內(nèi)。5.2.2 工作原理工作原理u記錄的二進(jìn)制信息的最大數(shù)量記錄的二進(jìn)制信息的最大數(shù)量u單位為單位為GBu存儲(chǔ)容量存儲(chǔ)容量C n T S Bu單盤容量單盤容量 C= T S B 2（雙面記錄數(shù)據(jù)）（雙面記錄數(shù)據(jù)）5. 3 硬盤的性能指標(biāo)硬盤的性能指標(biāo)1.容量容量u平均訪問時(shí)間平均訪問時(shí)間=平均尋道時(shí)間平均尋道時(shí)間+平均旋轉(zhuǎn)等待時(shí)間平均旋轉(zhuǎn)等待時(shí)間u磁盤尋道時(shí)間磁盤尋道時(shí)間u旋轉(zhuǎn)等待時(shí)間旋轉(zhuǎn)等待時(shí)間5. 3 硬盤的性能指標(biāo)硬盤的性能指標(biāo)2.平均訪問時(shí)間平均訪問

7、時(shí)間3轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)速度：主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)速度：7200 /10000 r/min7200 /10000 r/min。SCSI:10000 SCSI:10000 15000 r/min15000 r/min。轉(zhuǎn)速高的硬盤讀轉(zhuǎn)速高的硬盤讀/ /寫速度快，噪音和發(fā)熱量也寫速度快，噪音和發(fā)熱量也比較大比較大.。4存儲(chǔ)密度存儲(chǔ)密度位密度：位密度：沿磁道方向單位長(zhǎng)度所能存儲(chǔ)的二沿磁道方向單位長(zhǎng)度所能存儲(chǔ)的二進(jìn)制位數(shù)。位進(jìn)制位數(shù)。位/ /英寸（英寸（bpibpi）。道密度：道密度：指沿磁盤徑向單位長(zhǎng)度所包含的磁指沿磁盤徑向單位長(zhǎng)度所包含的磁道數(shù)，道道數(shù)，道/ /英寸（英寸（tpitpi）或道）或道/ /毫米

8、（毫米（tpmtpm）。）。面密度：面密度：指位密度與道密度的乘積，單位為指位密度與道密度的乘積，單位為位位/ /平方英寸。平方英寸。5硬盤緩存硬盤緩存硬盤內(nèi)部的高速緩沖存儲(chǔ)器，提供一個(gè)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)域，解決硬盤與計(jì)算機(jī)其他部件速度不匹配的問題。容量為2 MB、8 MB、16 MB或更大硬盤電路板上的芯片6數(shù)據(jù)傳輸速率數(shù)據(jù)傳輸速率分為持續(xù)數(shù)據(jù)傳輸速率和突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸速率。持續(xù)數(shù)據(jù)傳輸速率：硬盤單位時(shí)間內(nèi)所能傳送的數(shù)據(jù)量，即磁頭至硬盤緩存間的數(shù)據(jù)傳輸速率。設(shè)磁盤轉(zhuǎn)速為n轉(zhuǎn)/秒，每條磁道容量為N字節(jié)，數(shù)據(jù)傳輸速率Dr n N（B/s）設(shè)D為位密度（位/英寸），v為磁盤旋轉(zhuǎn)的線速度（英寸/秒或厘米/秒），

9、則有Dr D v / 8（B/s）h5.4.1 IDE接口接口1接線方法接線方法主板上連接硬盤和光驅(qū)的IDE插口IDE1（Primary IDE）和IDE2（Secondary IDE）。EIDE端口IDE名稱可連接設(shè)備IDE1（Primary IDE）Primary Master第一個(gè)硬盤Primary Slave第二個(gè)硬盤或光驅(qū)IDE2（Secondary IDE）Secondary Master第三個(gè)硬盤或光驅(qū)Secondary Slave第四個(gè)硬盤或光驅(qū)中間帶分叉的連線是用于連接主、從設(shè)備的IDE連接線，該“分叉線”藍(lán)色接口連接到主板（Motherboard）的一個(gè)IDE接口，線中間的

10、分叉（灰色接口）連接從設(shè)備（Slave），另一頭（黑色接口）連接主設(shè)備（Master）。圖5.12 跳線和跳線設(shè)置 2PIO模式和模式和DMA模式模式PIO（Programming Input / Output，程序輸入/輸出）模式，通過CPU執(zhí)行I/O端口指令來讀/寫數(shù)據(jù)的硬盤數(shù)據(jù)傳輸模式，其數(shù)據(jù)傳輸速率低，CPU占用率高，大量傳輸數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)因?yàn)檎加眠^多的CPU資源而導(dǎo)致系統(tǒng)停頓，無法進(jìn)行其他的操作。DMA（Direct Memory Access，直接內(nèi)存訪問）模式，不經(jīng)過CPU而直接從內(nèi)存存取數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)交換模式。把控制權(quán)交給DMA控制器（DMAC）來處理數(shù)據(jù)傳送，傳送完畢把信息反饋給CPU

11、，減輕了CPU占用率。ATA方式模 式數(shù)據(jù)傳輸速率（MB/s）PIO mode 311.1 PIO mode 416 UDMA mode 017.5 UDMA mode 126 ATA-33UDMA mode 233.3 UDMA mode 350 ATA-66UDMA mode 566.7 ATA-100UDMA mode 6100 ATA-133UDMA mode 7133 表5.3 DMA模式與PIO模式的傳輸速率速列表SATA以連續(xù)串行的方式傳送數(shù)據(jù)，在較低的位寬下使用較高的工作頻率來提高數(shù)據(jù)傳輸帶寬。SATA一次只會(huì)傳送1位數(shù)據(jù)，減少SATA接口的針腳數(shù)目，使連接線變得簡(jiǎn)捷，對(duì)機(jī)箱內(nèi)

12、的氣流及散熱也有明顯改善。圖5.14 IDE硬盤（a）和SATA硬盤（b）連線對(duì)比圖5.14 IDE硬盤（a）和SATA硬盤（b）連線對(duì)比Intel公司的ICH6系列南橋芯片相對(duì)于ICH5系列南橋芯片，所支持的SATA接口從2個(gè)增加到了4個(gè)，而IDE接口則從2個(gè)減少到了1個(gè)；ICH7系列南橋則進(jìn)一步支持4個(gè)SATA II接口；ICH8/9/10系列則支持6個(gè)以上SATA II接口，并完全拋棄IDE接口。（a） （b）圖5.16 支持6個(gè)SATA接口的ICH10南橋芯片硬盤性能的瓶頸集中在由硬盤內(nèi)部機(jī)械機(jī)構(gòu)、硬盤存儲(chǔ)技術(shù)及磁盤轉(zhuǎn)速所決定的硬盤內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸速率上，即使是SATA硬盤也很難再產(chǎn)生什么突破。為了追求更高的速度和更強(qiáng)的穩(wěn)定性，硬盤的存儲(chǔ)介質(zhì)開始向閃存、DRAM等半導(dǎo)體方