2022年硬盘的结构、工作原理与维护(共39张PPT)

硬盘HARDDISK一、硬盘发展综述二、硬盘的结构及工作原理三、硬盘的接口及各种技术四、硬盘的管理与维护硬盘简介硬盘的英文全称是（HardDisk），直译为“坚固的磁盘”，从外形看颇似一个四四方方的金属盒子，底层控制电路板裸露在腹部，尾部是与电脑主板连接的信息接口、电源接口和设置属性的跳线。盒子内部密封了硬质合金盘片（主要是铝，也有用玻璃材料的）、磁头、磁臂、磁臂伺服定位系统等部件。大小有5.25，3.5，2.5和1.8英寸（后两种常用于笔记本及部分袖珍精密仪器中）几种，现在台式机中常用3.5英寸的盘片。

什么是硬盘？在发明磁盘系统之前，计算机使用穿孔纸带、磁带等来存储程序与数据，这些存储方式不仅容量低、速度慢，而且有个大缺陷：它们都是顺序存储，为了读取后面的数据，必须从头开始读，无法实现随机存取数据。1956年9月，IBM的一个工程小组向世界展示了第一台磁盘存储系统IBM350RAMAC，其磁头可以直接移动到盘片上的任何一块存储区域，从而成功地实现了随机存储。这个重达上百公斤、由50片直径为24英寸的磁盘组成的庞然大物，其容量仅为5MB，但在当时却是划时代的产物。

硬盘的发展历史---

硬盘的发展历史---

1973年，IBM又发明了Winchester（温氏）硬盘，其特点是工作时磁头悬浮在高速转动的盘片上方，而不与盘片直接接触，这便是现代硬盘的原型。“密封、固定并高速旋转的镀磁盘片、磁头沿盘片径向移动”是“温彻斯特”硬盘技术的精髓。今天个人电脑中的硬盘容量虽然已经高达几十GB以上，但仍然没有脱离“温彻斯特”模式。

硬盘的发展历史---1979年，IBM发明了薄膜磁头，为进一步减小硬盘体积、增大容量、提高读写速度提供了可能。上图是1982年用在IBM-XT上的一块10M的硬盘，除了外型略大，无论外观还是内部结构和现在最先进的硬盘并无大的差别。<>快速，目前的1394支持传输率为400Mbps3um，以利于读取较大的高信噪比信号，提供数据传输存储的可靠性。平均访问时间（AverageAccessTime）建立RESCUEDISK4、文件目录区(FDT)二、硬盘的结构及工作原理随着硬盘容量的扩大和速度的提高，主轴电机的速度也在不断提升，有不少厂商开始采用精密机械工业的液态轴承电机技术。硬盘容量（Volume）

容量的单位为兆字节（MB）或千兆字节（GB）。SeagateSoftSonic（液体轴承马达）现在的硬盘接口综合起来说可以分成如下几种：IDE(即ATA)、SCSI、USB、IEEE1394(即火线)与FibreChannel（光纤），而最常见的也就是我们普通用户所用得就属IDE，因为它价格相对比较便宜，而且性能也不差，所以在PC中得到了非常广泛的应用；内部传输率主要依赖于硬盘的旋转速度。用七个字概括就是——更快、更大、更稳定1、更快的主轴电机转速和缓存技术2、更大的硬盘高速缓存和单碟容量3、新型磁头技术4、“湿盘”（wetdisk）技术5、ULTRADSP(超级数字信号处理器)的应用6、PRML（PartialResponseMaximumLikelyhood，局部响应最大相似）读取通道技术。

硬盘的发展方向---

一、硬盘发展综述二、硬盘的结构及工作原理三、硬盘的接口及各种技术四、硬盘的管理与维护硬盘简介

硬盘的结构---

硬盘主要由：盘片，磁头，盘片转轴及控制电机，磁头控制器，数据转换器，接口，缓存等几个部分组成。

硬盘中所有的盘片都装在一个旋转轴上，每张盘片之间是平行的，在每个盘片的存储面上有一个磁头，磁头与盘片之间的距离比头发丝的直径还小，所有的磁头联在一个磁头控制器上，由磁头控制器负责各个磁头的运动。磁头可沿盘片的半径方向运动，加上盘片每分钟几千转的高速旋转，磁头就可以定位在盘片的指定位置上进行数据的读写操作。硬盘作为精密设备，尘埃是其大敌，必须完全密封。

硬盘的外部结构---

包括电源插口和数据接口两部分大多采用贴片式元件焊接，包括主轴调速电路、磁头驱动与伺服定位电路、读写电路、控制与接口电路等就是硬盘的面板，和底板结合成一个密封的整体，保证硬盘盘片和机构的稳定运行

硬盘的内部结构---硬盘内部结构由固定面板、控制电路板、盘头组件、接口及附件等几大部分组成，而盘头组件(HardDiskAssembly，HDA)是构成硬盘的核心，封装在硬盘的净化腔体内，包括浮动磁头组件、磁头驱动机构、盘片及主轴驱动机构、前置读写控制电路等。揭开外盖后的硬盘，结构一目了然

硬盘的内部结构---

1.浮动磁头组件：由读写磁头、传动手臂、传动轴三部分组成。磁头是硬盘技术最重要和关键的一环，实际上是集成工艺制成的多个磁头的组合，它采用了非接触式头、盘结构，加电后在高速旋转的磁盘表面飞行，飞高间隙只有0.1～0.3um，可以获得极高的数据传输率。现在转速5400rpm的硬盘飞高都低于0.3um，以利于读取较大的高信噪比信号，提供数据传输存储的可靠性。读写磁头传动轴传动手臂

硬盘的内部结构---

2.磁头驱动机构：由音圈电机和磁头驱动小车组成，新型大容量硬盘还具有高效的防震动机构。高精度的轻型磁头驱动机构能够对磁头进行正确的驱动和定位，并在很短的时间内精确定位系统指令指定的磁道，保证数据读写的可靠性。

硬盘的内部结构---

3.盘片和主轴组件：盘片是硬盘存储数据的载体，现在的盘片大都采用金属薄膜磁盘，这种金属薄膜较之软磁盘的不连续颗粒载体具有更高的记录密度，同时还具有高剩磁和高矫顽力的特点。主轴组件包括主轴部件如轴瓦和驱动电机等。随着硬盘容量的扩大和速度的提高，主轴电机的速度也在不断提升，有不少厂商开始采用精密机械工业的液态轴承电机技术。

硬盘的内部结构---

4.前置控制电路：前置放大电路控制磁头感应的信号、主轴电机调速、磁头驱动和伺服定位等，由于磁头读取的信号微弱，将放大电路密封在腔体内可减少外来信号的干扰，提高操作指令的准确性。

硬盘的工作原理---

概括地说，硬盘的工作原理是利用特定的磁粒子的极性来记录数据。磁头在读取数据时，将磁粒子的不同极性转换成不同的电脉冲信号，再利用数据转换器将这些原始信号变成电脑可以使用的数据，写的操作正好与此相反。另外，硬盘中还有一个存储缓冲区（缓存），这是为了协调硬盘与主机在数据处理速度上的差异而设的。由于硬盘的结构比软盘复杂得多，所以它的格式化工作也比软盘要复杂，分为低级格式化，硬盘分区，高级格式化并建立文件管理系统。

硬盘的工作原理---

硬盘驱动器加电正常工作后，利用控制电路中的单片机初始化模块进行初始化工作，此时磁头置于盘片中心位置，初始化完成后主轴电机将启动并以高速旋转，装载磁头的小车机构移动，将浮动磁头置于盘片表面的00道，处于等待指令的启动状态。当接口电路接收到微机系统传来的指令信号，通过前置放大控制电路，驱动音圈电机发出磁信号，根据感应阻值变化的磁头对盘片数据信息进行正确定位，并将接收后的数据信息解码，通过放大控制电路传输到接口电路，反馈给主机系统完成指令操作。结束硬盘操作的断电状态，在反力矩弹簧的作用下浮动磁头驻留到盘面中心。一、硬盘发展综述二、硬盘的结构及工作原理三、硬盘的接口及各种技术四、硬盘的管理与维护硬盘简介

硬盘接口目的：使大家对硬盘接口的发展有一个整体上的了解

用一个词形容---缤纷万种

现在的硬盘接口综合起来说可以分成如下几种：IDE(即ATA)、SCSI、USB、IEEE1394(即火线)与FibreChannel（光纤），而最常见的也就是我们普通用户所用得就属IDE，因为它价格相对比较便宜，而且性能也不差，所以在PC中得到了非常广泛的应用；对于SCSI，在服务器上最常看到他的踪迹，因为它具有很好的并行处理能力，同时也具有相对比较高的磁盘性能，因此非常适合服务器的需要，当然它的价格也不菲；USB与IEEE1394相对而言是新一点的接口类型，不过正因为是比较新的接口技术，所以在某些方面做得比IDE与SCSI好，例如可同时挂接多个设备等；至于光纤大家都知道它的特点，宽带宽，但价格也极其贵。下面分别介绍一下这几种接口的特点及优缺点----

硬盘接口

硬盘接口1、IDE/ATA(IntegratedDriveElectronics/AdvancedTechnologyAttachment)ATA接口优点：<>价格低廉<>兼容性非常好ATA接口缺点：<>速度慢<>只能内置使用<>对接口电缆的长度有很严格的限制

类型特性存取周期数据传输率PIOMode0ATA-1600ns3.3MB/secPIOMode1ATA-1383ns5.2MB/secPIOMode2ATA-1240ns8.3MB/secPIOMode3ATA-2180ns11.1MB/secPIOMode4ATA-2120ns16.6MB/secPIOMode4ATA-3120ns16.6MB/secUltraDMA33UltraATA60ns33MB/secUltraDMA66UltraATA6630ns66MB/secUltraDMA100UltraATA/100-100MB/sec

硬盘接口2、SCSI(SmallComputerSystemInterface小型计算机系统接口)SCSI接口优点：<>适应面广，在一块SCSI控制卡上就可以同时挂接15个设备<>高性能（具有很多任务、宽带宽及少CPU占用率等特点）<>具有外置和内置两种SCSI接口缺点：<>价格昂贵<>安装复杂

硬盘接口3、USB（UniversalSerialBus通用串行总线）USB接口优点：<>价格低廉<>连接简单快捷，兼容性强，具有很好的扩展性<>高速度，USB2.0接口的传输速度高达480Mbps，是串口的4000多倍USB接口缺点：<>设备之间的通信效率低<>连接电缆的长度比较短

硬盘接口4、IEEE1394（Firewire、iLink、Lynx）IEEE1394优点：<>即时数据传输(Real-TimeDataTransfer)<>支持热插拔，驱动程序安装简易<>快速，目前的1394支持传输率为400Mbps<>通用I/O连接头，点对点的通讯架构IEEE1394缺点：<>价格昂贵的IEEE1394硬盘适配器5、FibreChannel（光纤通道）光纤通道优点：<>具有很好的升级性<>可以用非常长的光纤电缆（带有FiberOpticCabling时，光纤长度可以超过10公里）<>具有非常宽的带宽（现在一般的光纤都具有1.06GBps，而如果采用多光纤通道可以达到更宽的带宽）<>具有很强的通用性

光纤通道缺点：<>价格非常昂贵<>组建复杂

硬盘接口

硬盘技术参数

硬盘容量（Volume）

容量的单位为兆字节（MB）或千兆字节（GB）。目前的主流硬盘容量为40-60GB。影响硬盘容量的因素有单碟容量和碟片数量。许多人发现，计算机中显示出来的容量往往比硬盘容量的标称值要小。这是由于不同的单位转换关系造成的。我们知道，在计算机中1GB＝1024MB=1048576KB，而硬盘厂家通常是按照1G＝1000MB=1000000KB进行换算的，因此我们在BIOS中或格式化硬盘时看到的容量往往会比厂家的标称值小5%左右。

硬盘技术参数

转速（Rotationalspeed）

硬盘的转速是指硬盘盘片每分钟转过的圈数，单位为RPM（RotationPerMinute）。一般硬盘的转速都达到5400RPM（每分钟5400转），而部分硬盘如迈拓的金钻系列则达到了7200RPM。有些SCSI接口的硬盘使用了液态轴承技术，转速可达10000－15000RPM。

硬盘技术参数

平均寻道时间（AverageSeekTime）

硬盘的平均寻道时间是指硬盘的磁头从初始位置移动到盘面指定磁道所需的时间，是影响硬盘内部数据传输率的重要参数。这个时间越小越好。目前IDE硬盘的平均寻道时间通常在8ms到11ms之间。硬盘的等待时间（Latency）硬盘的等待时间又叫潜伏期，是指磁头已处于要访问的磁道，等待所要访问的扇区旋转至磁头下方的时间。平均等待时间通常为盘片旋转一周所需时间的一半，因此硬盘转速越快，等待时间就越短，一般应在4ms以下。

硬盘技术参数

平均访问时间（AverageAccessTime）

硬盘读取数据的实际过程大致是：硬盘接收到读取指令后，磁头从初始位置移到目标磁道位置（经过一个寻道时间），然后从目标磁道上找到所需读取的数据（经过一个等待时间）。这样我们看到硬盘在读取数据时，要经过一个平均寻道时间和一个平均等待时间，平均访问时间＝平均寻道时间＋平均等待时间。在等待时间内，磁头已到达目标磁道上方，只等所需数据扇区旋转到磁头下方即可读取。这个时间当然越小越好，但它受限于硬盘的机械结构。因此转速也是影响硬盘内部数据传输率的重要参数。

硬盘技术参数

缓存（Cache）

由于CPU与硬盘之间存在巨大的速度差异，为解决硬盘在读写数据时CPU的等待问题，在硬盘上设置适当的高速缓存，以解决二者之间速度不匹配的问题。硬盘缓存与CPU上的高速缓存作用一样，是为了提高硬盘的读写速度，当然缓存越大越好。目前硬盘缓存通常为一般为2MB，甚至有的高端硬盘采用8MB的缓存设计，性能的提升自然更加明显。

硬盘技术参数

数据传输率（DateTransferRate）

硬盘的数据传输率是指硬盘读写数据的速度，单位为兆字节每秒（MB/s）。硬盘数据传输率包括内部传输率和外部传输率两个指标。内部传输率(InternalTransferRate)内部传输率也称为持续传输率（SustainedTransferRate），是磁头到硬盘的高速缓存之间的数据传输速度，它反映了硬盘缓冲区没有使用时的性能，这可以说是影响硬盘整体速度的瓶颈。内部传输率主要依赖于硬盘的旋转速度。值得注意的是Mb/S或Mbps为单位，这是兆位/秒

硬盘技术参数

外部传输率(ExternalTransferRate)外部传输率也称为突发数据传输率（BurstDataTransferRate）或接口传输率。它指的是系统总线与硬盘缓冲区之间的数据传输率，与硬盘接口类型和硬盘缓存的大小有关。1、数据保护技术S.M.A.R.T（Self-MonitoringAnalysisandReportTechnology，自我检测分析及报告技术简称）DFT(IBM)Maxsafe(Maxtor)DriveSelfTest(Seagate)2、减震技术SPSII(Maxtor)Seashield(Seagate)3、降噪技术IBMDriveNoiseSuppressionSystem(DNSS)降噪技术MaxtorSilentStore技术SeagateSoftSonic（液体轴承马达）

硬盘附加技术

硬盘的逻辑组织

从逻辑上分，硬盘分为五大部分1、主引导区（MBR）2、系统引导区/DOS引导区（DBR）3、文件分配表(FAT)4、文件目录区(FDT)5、数据区一、硬盘发展综述二、硬盘的结构及工作原理三、硬盘的接口及各种技术四、硬盘的管理与维护硬盘简介磁头可沿盘片的半径方向运动，加上盘片每分钟几千转的高速旋转，磁头就可以定位在盘片的指定位置上进行数据的读写操作。MaxtorSilentStore技术内部传输率主要依赖于硬盘的旋转速度。浮动磁头组件：由读写磁头、传动手臂、传动轴三部分组成。内部传输率主要依赖于硬盘的旋转速度。4、文件目录区(FDT)<>适应面广，在一块SCSI控制卡上就可以同时挂接15个设备3um，可以获得极高的数据传输率。4、“湿盘”（wetdisk）技术6、PRML（PartialResponseMaximumLikelyhood，局部响应最大相似）读取通道技术。UltraDMA66UltraDMA66建立RESCUEDISK<>具有外置和内置两种06GBps