硬盤的結(jié)構(gòu)工作原理與維護

硬盤HARDDISK一、硬盤發(fā)展綜述二、硬盤的結(jié)構(gòu)及工作原理三、硬盤的接口及各種技術(shù)四、硬盤的管理與維護

硬盤簡介

硬盤的英文全稱是（HardDisk），直譯為“堅固的磁盤”，從外形看頗似一個四四方方的金屬盒子，底層控制電路板裸露在腹部，尾部是與電腦主板連接的信息接口、電源接口和設(shè)置屬性的跳線。盒子內(nèi)部密封了硬質(zhì)合金盤片（主要是鋁，也有用玻璃材料的）、磁頭、磁臂、磁臂伺服定位系統(tǒng)等部件。大小有5.25，3.5，2.5和1.8英寸（后兩種常用于筆記本及部分袖珍精密儀器中）幾種，現(xiàn)在臺式機中常用3.5英寸的盤片。

什么是硬盤？在發(fā)明磁盤系統(tǒng)之前，計算機使用穿孔紙帶、磁帶等來存儲程序與數(shù)據(jù)，這些存儲方式不僅容量低、速度慢，而且有個大缺陷：它們都是順序存儲，為了讀取后面的數(shù)據(jù)，必須從頭開始讀，無法實現(xiàn)隨機存取數(shù)據(jù)。1956年9月，IBM的一個工程小組向世界展示了第一臺磁盤存儲系統(tǒng)IBM350RAMAC，其磁頭可以直接移動到盤片上的任何一塊存儲區(qū)域，從而成功地實現(xiàn)了隨機存儲。這個重達上百公斤、由50片直徑為24英寸的磁盤組成的龐然大物，其容量僅為5MB，但在當(dāng)時卻是劃時代的產(chǎn)物。

硬盤的發(fā)展歷史---

硬盤的發(fā)展歷史---

1973年，IBM又發(fā)明了Winchester（溫氏）硬盤，其特點是工作時磁頭懸浮在高速轉(zhuǎn)動的盤片上方，而不與盤片直接接觸，這便是現(xiàn)代硬盤的原型。“密封、固定并高速旋轉(zhuǎn)的鍍磁盤片、磁頭沿盤片徑向移動”是“溫徹斯特”硬盤技術(shù)的精髓。今天個人電腦中的硬盤容量雖然已經(jīng)高達幾十GB以上，但仍然沒有脫離“溫徹斯特”模式。

硬盤的發(fā)展歷史---1979年，IBM發(fā)明了薄膜磁頭，為進一步減小硬盤體積、增大容量、提高讀寫速度提供了可能。上圖是1982年用在IBM-XT上的一塊10M的硬盤，除了外型略大，無論外觀還是內(nèi)部結(jié)構(gòu)和現(xiàn)在最先進的硬盤并無大的差別。用七個字概括就是——更快、更大、更穩(wěn)定1、更快的主軸電機轉(zhuǎn)速和緩存技術(shù)2、更大的硬盤高速緩存和單碟容量3、新型磁頭技術(shù)4、“濕盤”（wetdisk）技術(shù)5、ULTRADSP(超級數(shù)字信號處理器)的應(yīng)用6、PRML（PartialResponseMaximumLikelyhood，局部響應(yīng)最大相似）讀取通道技術(shù)。

硬盤的發(fā)展方向---

一、硬盤發(fā)展綜述二、硬盤的結(jié)構(gòu)及工作原理三、硬盤的接口及各種技術(shù)四、硬盤的管理與維護

硬盤簡介

硬盤的結(jié)構(gòu)---

硬盤主要由：盤片，磁頭，盤片轉(zhuǎn)軸及控制電機，磁頭控制器，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，接口，緩存等幾個部分組成。

硬盤中所有的盤片都裝在一個旋轉(zhuǎn)軸上，每張盤片之間是平行的，在每個盤片的存儲面上有一個磁頭，磁頭與盤片之間的距離比頭發(fā)絲的直徑還小，所有的磁頭聯(lián)在一個磁頭控制器上，由磁頭控制器負責(zé)各個磁頭的運動。磁頭可沿盤片的半徑方向運動，加上盤片每分鐘幾千轉(zhuǎn)的高速旋轉(zhuǎn)，磁頭就可以定位在盤片的指定位置上進行數(shù)據(jù)的讀寫操作。硬盤作為精密設(shè)備，塵埃是其大敵，必須完全密封。

硬盤的外部結(jié)構(gòu)---

包括電源插口和數(shù)據(jù)接口兩部分大多采用貼片式元件焊接，包括主軸調(diào)速電路、磁頭驅(qū)動與伺服定位電路、讀寫電路、控制與接口電路等就是硬盤的面板，和底板結(jié)合成一個密封的整體，保證硬盤盤片和機構(gòu)的穩(wěn)定運行硬盤的的內(nèi)部部結(jié)構(gòu)構(gòu)---硬盤內(nèi)內(nèi)部結(jié)結(jié)構(gòu)由由固定定面板板、控控制電電路板板、盤盤頭組組件、、接口口及附附件等等幾大大部分分組成成，而而盤頭頭組件件(HardDiskAssembly，HDA)是構(gòu)成成硬盤盤的核核心，，封裝裝在硬硬盤的的凈化化腔體體內(nèi)，，包括括浮動動磁頭頭組件件、磁磁頭驅(qū)驅(qū)動機機構(gòu)、、盤片片及主主軸驅(qū)驅(qū)動機機構(gòu)、、前置置讀寫寫控制制電路路等。。揭開外蓋后后的硬盤，，結(jié)構(gòu)一目目了然硬盤的內(nèi)部部結(jié)構(gòu)---1.浮動磁頭組組件：由讀讀寫磁頭、、傳動手臂臂、傳動軸軸三部分組組成。磁頭頭是硬盤技技術(shù)最重要要和關(guān)鍵的的一環(huán)，實實際上是集集成工藝制制成的多個個磁頭的組組合，它采采用了非接接觸式頭、、盤結(jié)構(gòu)，，加電后在在高速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)的磁盤表表面飛行，，飛高間隙隙只有0.1～0.3um，可以獲得得極高的數(shù)數(shù)據(jù)傳輸率率?，F(xiàn)在轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速5400rpm的硬盤飛高高都低于0.3um，以利于讀讀取較大的的高信噪比比信號，提提供數(shù)據(jù)傳傳輸存儲的的可靠性。。讀寫磁頭傳動軸傳動手臂硬盤的內(nèi)部部結(jié)構(gòu)---2.磁頭驅(qū)動機機構(gòu)：由音音圈電機和和磁頭驅(qū)動動小車組成成，新型大大容量硬盤盤還具有高高效的防震震動機構(gòu)。。高精度的的輕型磁頭頭驅(qū)動機構(gòu)構(gòu)能夠?qū)Υ糯蓬^進行正正確的驅(qū)動動和定位，，并在很短短的時間內(nèi)內(nèi)精確定位位系統(tǒng)指令令指定的磁磁道，保證證數(shù)據(jù)讀寫寫的可靠性性。硬盤的內(nèi)部部結(jié)構(gòu)---3.盤片和主軸軸組件：盤盤片是硬盤盤存儲數(shù)據(jù)據(jù)的載體，，現(xiàn)在的盤盤片大都采采用金屬薄薄膜磁盤，，這種金屬屬薄膜較之之軟磁盤的的不連續(xù)顆顆粒載體具具有更高的的記錄密度度，同時還還具有高剩剩磁和高矯矯頑力的特特點。主軸軸組件包括括主軸部件件如軸瓦和和驅(qū)動電機機等。隨著著硬盤容量量的擴大和和速度的提提高，主軸軸電機的速速度也在不不斷提升，，有不少廠廠商開始采采用精密機機械工業(yè)的的液態(tài)軸承承電機技術(shù)術(shù)。硬盤的內(nèi)部部結(jié)構(gòu)---4.前置控制電電路：前置置放大電路路控制磁頭頭感應(yīng)的信信號、主軸軸電機調(diào)速速、磁頭驅(qū)驅(qū)動和伺服服定位等，，由于磁頭頭讀取的信信號微弱，，將放大電電路密封在在腔體內(nèi)可可減少外來來信號的干干擾，提高高操作指令令的準(zhǔn)確性性。硬盤的工工作原理理---概括地說說，硬盤盤的工作作原理是是利用特特定的磁磁粒子的的極性來來記錄數(shù)數(shù)據(jù)。磁磁頭在讀讀取數(shù)據(jù)據(jù)時，將將磁粒子子的不同同極性轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換成不不同的電電脈沖信信號，再再利用數(shù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換換器將這這些原始始信號變變成電腦腦可以使使用的數(shù)數(shù)據(jù)，寫寫的操作作正好與與此相反反。另外外，硬盤盤中還有有一個存存儲緩沖沖區(qū)（緩緩存），，這是為為了協(xié)調(diào)調(diào)硬盤與與主機在在數(shù)據(jù)處處理速度度上的差差異而設(shè)設(shè)的。由由于硬盤盤的結(jié)構(gòu)構(gòu)比軟盤盤復(fù)雜得得多，所所以它的的格式化化工作也也比軟盤盤要復(fù)雜雜，分為為低級格格式化，，硬盤分分區(qū)，高高級格式式化并建建立文件件管理系系統(tǒng)。硬盤的工作原原理---硬盤驅(qū)動器加加電正常工作作后，利用控控制電路中的的單片機初始始化模塊進行行初始化工作作，此時磁頭頭置于盤片中中心位置，初初始化完成后后主軸電機將將啟動并以高高速旋轉(zhuǎn)，裝裝載磁頭的小小車機構(gòu)移動動，將浮動磁磁頭置于盤片片表面的00道，處于等待待指令的啟動動狀態(tài)。當(dāng)接接口電路接收收到微機系統(tǒng)統(tǒng)傳來的指令令信號，通過過前置放大控控制電路，驅(qū)驅(qū)動音圈電機機發(fā)出磁信號號，根據(jù)感應(yīng)應(yīng)阻值變化的的磁頭對盤片片數(shù)據(jù)信息進進行正確定位位，并將接收收后的數(shù)據(jù)信信息解碼，通通過放大控制制電路傳輸?shù)降浇涌陔娐?，，反饋給主機機系統(tǒng)完成指指令操作。結(jié)結(jié)束硬盤操作作的斷電狀態(tài)態(tài)，在反力矩矩彈簧的作用用下浮動磁頭頭駐留到盤面面中心。一、硬盤發(fā)展展綜述二、硬盤的結(jié)結(jié)構(gòu)及工作原原理三、硬盤的接接口及各種技技術(shù)四、硬盤的管管理與維護硬盤簡介硬盤接口目的：使大家對硬盤盤接口的發(fā)展展有一個整體體上的了解用一個詞形容容---繽紛萬種種現(xiàn)在的硬盤接接口綜合起來來說可以分成成如下幾種：：IDE(即ATA)、SCSI、USB、IEEE1394(即火線)與FibreChannel（光纖），，而最常見的的也就是我們們普通用戶所所用得就屬IDE，因為它價格格相對比較便便宜，而且性性能也不差，，所以在PC中得得到到了了非非常常廣廣泛泛的的應(yīng)應(yīng)用用；；對對于于SCSI，在在服服務(wù)務(wù)器器上上最最常?？纯吹降剿牡嫩欅欅E跡，，因因為為它它具具有有很很好好的的并并行行處處理理能能力力，，同同時時也也具具有有相相對對比比較較高高的的磁磁盤盤性性能能，，因因此此非非常常適適合合服服務(wù)務(wù)器器的的需需要要，，當(dāng)當(dāng)然然它它的的價價格格也也不不菲菲；；USB與IEEE1394相對對而而言言是是新新一一點點的的接接口口類類型型，，不不過過正正因因為為是是比比較較新新的的接接口口技技術(shù)術(shù)，，所所以以在在某某些些方方面面做做得得比比IDE與SCSI好，，例例如如可可同同時時掛掛接接多多個個設(shè)設(shè)備備等等；；至至于于光光纖纖大大家家都都知知道道它它的的特特點點，，寬寬帶帶寬寬，，但但價價格格也也極極其其貴貴。。下面面分分別別介介紹紹一一下下這這幾幾種種接接口口的的特特點點及及優(yōu)優(yōu)缺缺點點----硬盤盤接接口口硬盤盤接接口口1、IDE/ATA(IntegratedDriveElectronics/AdvancedTechnologyAttachment)ATA接口優(yōu)優(yōu)點：：<>價格低低廉<>兼容性性非常常好ATA接口缺缺點：：<>速度慢慢<>只能內(nèi)內(nèi)置使使用<>對接口口電纜纜的長長度有有很嚴(yán)嚴(yán)格的的限制制類型特性存取周期數(shù)據(jù)傳輸率PIOMode0ATA-1600ns3.3MB/secPIOMode1ATA-1383ns5.2MB/secPIOMode2ATA-1240ns8.3MB/secPIOMode3ATA-2180ns11.1MB/secPIOMode4ATA-2120ns16.6MB/secPIOMode4ATA-3120ns16.6MB/secUltraDMA33UltraATA60ns33MB/secUltraDMA66UltraATA6630ns66MB/secUltraDMA100UltraATA/100-100MB/sec硬盤接接口2、SCSI(SmallComputerSystemInterface小型計計算機機系統(tǒng)統(tǒng)接口口)SCSI接口優(yōu)優(yōu)點：：<>適應(yīng)面面廣，，在一一塊SCSI控制卡卡上就就可以以同時時掛接接15個設(shè)備備<>高性能能（具具有很很多任任務(wù)、、寬帶帶寬及及少CPU占用率率等特特點））<>具有外外置和和內(nèi)置置兩種種SCSI接口缺缺點：：<>價格昂昂貴<>安裝復(fù)復(fù)雜硬盤接接口3、USB（UniversalSerialBus通用串串行總總線）USB接口優(yōu)優(yōu)點：：<>價格低低廉<>連接簡簡單快快捷，，兼容容性強強，具具有很很好的的擴展展性<>高速度度，USB2.0接口的的傳輸輸速度度高達達480Mbps，是串串口的的4000多倍USB接口缺缺點：：<>設(shè)備之之間的的通信信效率率低<>連接電電纜的的長度度比較較短硬盤接接口4、IEEE1394（Firewire、iLink、Lynx）IEEE1394優(yōu)點：：<>即時數(shù)數(shù)據(jù)傳傳輸(Real-TimeDataTransfer)<>支持熱熱插拔拔，驅(qū)驅(qū)動程程序安安裝簡簡易<>快速，，目前前的1394支持傳傳輸率率為400Mbps<>通用I/O連接頭頭，點點對點點的通通訊架架構(gòu)IEEE1394缺點：：<>價格昂昂貴的的IEEE1394硬盤適適配器器5、FibreChannel（光纖通通道）光纖通道道優(yōu)點：：<>具有很好好的升級級性<>可以用非非常長的的光纖電電纜（帶帶有FiberOpticCabling時，光纖纖長度可可以超過過10公里）<>具有非常常寬的帶帶寬（現(xiàn)現(xiàn)在一般般的光纖纖都具有有1.06GBps，而如果果采用多多光纖通通道可以以達到更更寬的帶帶寬）<>具有很強強的通用用性光纖通道道缺點：：<>價格非常常昂貴<>組建復(fù)雜雜硬盤接口口硬盤技術(shù)術(shù)參數(shù)硬盤容量量（Volume）容量的單單位為兆兆字節(jié)（（MB）或千兆兆字節(jié)（（GB）。目前前的主流流硬盤容容量為40-60GB。影響硬硬盤容量量的因素素有單碟碟容量和和碟片數(shù)數(shù)量。許許多人發(fā)發(fā)現(xiàn)，計計算機中中顯示出出來的容容量往往往比硬盤盤容量的的標(biāo)稱值值要小。。這是由由于不同同的單位位轉(zhuǎn)換關(guān)關(guān)系造成成的。我我們知道道，在計計算機中中1GB＝1024MB=1048576KB，而硬盤廠家家通常是按照照1G＝1000MB=1000000KB進行換算的，，因此我們在在BIOS中或格式化硬硬盤時看到的的容量往往會會比廠家的標(biāo)標(biāo)稱值小5%左右。硬盤技術(shù)參數(shù)數(shù)轉(zhuǎn)速（Rotationalspeed）硬盤的轉(zhuǎn)速是是指硬盤盤片片每分鐘轉(zhuǎn)過過的圈數(shù)，單單位為RPM（RotationPerMinute）。一般硬盤盤的轉(zhuǎn)速都達達到5400RPM（每分鐘5400轉(zhuǎn)），而部分分硬盤如邁拓拓的金鉆系列列則達到了7200RPM。有些SCSI接口的硬盤使使用了液態(tài)軸軸承技術(shù)，轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速可達10000－15000RPM。硬盤技術(shù)參數(shù)數(shù)平均尋道時間間（AverageSeekTime）硬盤的平均尋尋道時間是指指硬盤的磁頭頭從初始位置置移動到盤面面指定磁道所所需的時間，，是影響硬盤盤內(nèi)部數(shù)據(jù)傳傳輸率的重要要參數(shù)。這個個時間越小越越好。目前IDE硬盤的平均尋尋道時間通常常在8ms到11ms之間。硬盤的等待時時間（Latency）硬盤的等待時時間又叫潛伏伏期，是指磁磁頭已處于要要訪問的磁道道，等待所要要訪問的扇區(qū)區(qū)旋轉(zhuǎn)至磁頭頭下方的時間間。平均等待待時間通常為為盤片旋轉(zhuǎn)一一周所需時間間的一半，因因此硬盤轉(zhuǎn)速速越快，等待待時間就越短短，一般應(yīng)在在4ms以下。硬盤技術(shù)參數(shù)數(shù)平均訪問時間間（AverageAccessTime）硬盤讀取數(shù)據(jù)據(jù)的實際過程程大致是：硬硬盤接收到讀讀取指令后，，磁頭從初始始位置移到目目標(biāo)磁道位置置（經(jīng)過一個個尋道時間）），然后從目目標(biāo)磁道上找找到所需讀取取的數(shù)據(jù)（經(jīng)經(jīng)過一個等待待時間）。這這樣我們看到到硬盤在讀取取數(shù)據(jù)時，要要經(jīng)過一個平平均尋道時間間和一個平均均等待時間，，平均訪問時間間＝平均尋道道時間＋平均均等待時間。。在等待時間內(nèi)內(nèi)，磁頭已到到達目標(biāo)磁道道上方，只等等所需數(shù)據(jù)扇扇區(qū)旋轉(zhuǎn)到磁磁頭下方即可可讀取。這個個時間當(dāng)然越越小越好，但但它受限于硬硬盤的機械結(jié)結(jié)構(gòu)。因此轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速也是影響響硬盤內(nèi)部數(shù)數(shù)據(jù)傳輸率的的重要參數(shù)。。硬盤技術(shù)參參數(shù)緩存（Cache）由于CPU與硬盤之間間存在巨大大的速度差差異，為解解決硬盤在在讀寫數(shù)據(jù)據(jù)時CPU的等待問題題，在硬盤盤上設(shè)置適適當(dāng)?shù)母咚偎倬彺?，以以解決二者者之間速度度不匹配的的問題。硬硬盤緩存與與CPU上的高速緩緩存作用一一樣，是為為了提高硬硬盤的讀寫寫速度，當(dāng)當(dāng)然緩存越越大越好。。目前硬盤盤緩存通常常為一般為為2MB，甚至有的的高端硬盤盤采用8MB的緩存設(shè)計計，性能的的提升自然然更加明顯顯。硬盤技術(shù)參參數(shù)數(shù)據(jù)傳輸率率（DateTransferRate）硬盤的數(shù)據(jù)據(jù)傳輸率是是指硬盤讀讀寫數(shù)據(jù)的的速度，單單位為兆字字節(jié)每秒（（MB/s）。硬盤數(shù)數(shù)據(jù)傳輸率率包括內(nèi)部部傳輸率和和外部傳輸輸率兩個指指標(biāo)。內(nèi)部傳輸率率(InternalTransferRate)內(nèi)部部傳傳輸輸率率也也稱稱為為持持續(xù)續(xù)傳傳輸輸率率（（SustainedTransferRate），，是是磁磁頭頭到到硬硬盤盤的的高高速速緩緩存存之之間間的的數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)傳傳輸輸速速度度，，它它反反映映了了硬硬盤盤緩緩沖沖區(qū)區(qū)沒沒有有使使用用時時的的性性能能，，這這可可以以說說是是影影響響硬硬盤盤整整體體速速度度的的瓶瓶頸頸。。內(nèi)內(nèi)部部傳傳輸輸率率主主要要依依賴賴于于硬硬盤盤的的旋旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速速度度。。值值得得注注意意的的是是Mb/S或Mbps為單單位位，，這這是是兆兆位位/秒硬盤盤技技術(shù)術(shù)參參數(shù)數(shù)外部部傳傳輸輸率率(ExternalTransferRate)外部部傳傳輸輸率率也也稱稱為為突突發(fā)發(fā)數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)傳傳輸輸率率（（BurstDataTransferRate）或或接接口口傳傳輸輸率率。。它它指指的的是是系系統(tǒng)統(tǒng)總總線線與與硬硬盤盤緩緩沖沖區(qū)區(qū)之之間間的的數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)傳傳輸輸率率，，與與硬硬盤盤接接口口類類型型和和硬硬盤盤緩緩存存的的大大小小有有關(guān)關(guān)。。1、數(shù)據(jù)保保護技術(shù)術(shù)S.M.A.R.T