硬盘的结构工作原理与维护

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。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---

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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的内部部结构构---硬盘内内部结结构由由固定定面板板、控控制电电路板板、盘盘头组组件、、接口口及附附件等等几大大部分分组成成，而而盘头头组件件(HardDiskAssembly，HDA)是构成成硬盘盘的核核心，，封装装在硬硬盘的的净化化腔体体内，，包括括浮动动磁头头组件件、磁磁头驱驱动机机构、、盘片片及主主轴驱驱动机机构、、前置置读写写控制制电路路等。。揭开外盖后后的硬盘，，结构一目目了然硬盘的内部部结构---1.浮动磁头组组件：由读读写磁头、、传动手臂臂、传动轴轴三部分组组成。磁头头是硬盘技技术最重要要和关键的的一环，实实际上是集集成工艺制制成的多个个磁头的组组合，它采采用了非接接触式头、、盘结构，，加电后在在高速旋转转的磁盘表表面飞行，，飞高间隙隙只有0.1～0.3um，可以获得得极高的数数据传输率率。现在转转速5400rpm的硬盘飞高高都低于0.3um，以利于读读取较大的的高信噪比比信号，提提供数据传传输存储的的可靠性。。读写磁头传动轴传动手臂硬盘的内部部结构---2.磁头驱动机机构：由音音圈电机和和磁头驱动动小车组成成，新型大大容量硬盘盘还具有高高效的防震震动机构。。高精度的的轻型磁头头驱动机构构能够对磁磁头进行正正确的驱动动和定位，，并在很短短的时间内内精确定位位系统指令令指定的磁磁道，保证证数据读写写的可靠性性。硬盘的内部部结构---3.盘片和主轴轴组件：盘盘片是硬盘盘存储数据据的载体，，现在的盘盘片大都采采用金属薄薄膜磁盘，，这种金属属薄膜较之之软磁盘的的不连续颗颗粒载体具具有更高的的记录密度度，同时还还具有高剩剩磁和高矫矫顽力的特特点。主轴轴组件包括括主轴部件件如轴瓦和和驱动电机机等。随着着硬盘容量量的扩大和和速度的提提高，主轴轴电机的速速度也在不不断提升，，有不少厂厂商开始采采用精密机机械工业的的液态轴承承电机技术术。硬盘的内部部结构---4.前置控制电电路：前置置放大电路路控制磁头头感应的信信号、主轴轴电机调速速、磁头驱驱动和伺服服定位等，，由于磁头头读取的信信号微弱，，将放大电电路密封在在腔体内可可减少外来来信号的干干扰，提高高操作指令令的准确性性。硬盘的工工作原理理---概括地说说，硬盘盘的工作作原理是是利用特特定的磁磁粒子的的极性来来记录数数据。磁磁头在读读取数据据时，将将磁粒子子的不同同极性转转换成不不同的电电脉冲信信号，再再利用数数据转换换器将这这些原始始信号变变成电脑脑可以使使用的数数据，写写的操作作正好与与此相反反。另外外，硬盘盘中还有有一个存存储缓冲冲区（缓缓存），，这是为为了协调调硬盘与与主机在在数据处处理速度度上的差差异而设设的。由由于硬盘盘的结构构比软盘盘复杂得得多，所所以它的的格式化化工作也也比软盘盘要复杂杂，分为为低级格格式化，，硬盘分分区，高高级格式式化并建建立文件件管理系系统。硬盘的工作原原理---硬盘驱动器加加电正常工作作后，利用控控制电路中的的单片机初始始化模块进行行初始化工作作，此时磁头头置于盘片中中心位置，初初始化完成后后主轴电机将将启动并以高高速旋转，装装载磁头的小小车机构移动动，将浮动磁磁头置于盘片片表面的00道，处于等待待指令的启动动状态。当接接口电路接收收到微机系统统传来的指令令信号，通过过前置放大控控制电路，驱驱动音圈电机机发出磁信号号，根据感应应阻值变化的的磁头对盘片片数据信息进进行正确定位位，并将接收收后的数据信信息解码，通通过放大控制制电路传输到到接口电路，，反馈给主机机系统完成指指令操作。结结束硬盘操作作的断电状态态，在反力矩矩弹簧的作用用下浮动磁头头驻留到盘面面中心。一、硬盘发展展综述二、硬盘的结结构及工作原原理三、硬盘的接接口及各种技技术四、硬盘的管管理与维护硬盘简介硬盘接口目的：使大家对硬盘盘接口的发展展有一个整体体上的了解用一个词形容容---缤纷万种种现在的硬盘接接口综合起来来说可以分成成如下几种：：IDE(即ATA)、SCSI、USB、IEEE1394(即火线)与FibreChannel（光纤），，而最常见的的也就是我们们普通用户所所用得就属IDE，因为它价格格相对比较便便宜，而且性性能也不差，，所以在PC中得得到到了了非非常常广广泛泛的的应应用用；；对对于于SCSI，在在服服务务器器上上最最常常看看到到他他的的踪踪迹迹，，因因为为它它具具有有很很好好的的并并行行处处理理能能力力，，同同时时也也具具有有相相对对比比较较高高的的磁磁盘盘性性能能，，因因此此非非常常适适合合服服务务器器的的需需要要，，当当然然它它的的价价格格也也不不菲菲；；USB与IEEE1394相对对而而言言是是新新一一点点的的接接口口类类型型，，不不过过正正因因为为是是比比较较新新的的接接口口技技术术，，所所以以在在某某些些方方面面做做得得比比IDE与SCSI好，，例例如如可可同同时时挂挂接接多多个个设设备备等等；；至至于于光光纤纤大大家家都都知知道道它它的的特特点点，，宽宽带带宽宽，，但但价价格格也也极极其其贵贵。。下面面分分别别介介绍绍一一下下这这几几种种接接口口的的特特点点及及优优缺缺点点----硬盘盘接接口口硬盘盘接接口口1、IDE/ATA(IntegratedDriveElectronics/AdvancedTechnologyAttachment)ATA接口优优点：：<>价格低低廉<>兼容性性非常常好ATA接口缺缺点：：<>速度慢慢<>只能内内置使使用<>对接口口电缆缆的长长度有有很严严格的的限制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硬盘接接口2、SCSI(SmallComputerSystemInterface小型计计算机机系统统接口口)SCSI接口优优点：：<>适应面面广，，在一一块SCSI控制卡卡上就就可以以同时时挂接接15个设备备<>高性能能（具具有很很多任任务、、宽带带宽及及少CPU占用率率等特特点））<>具有外外置和和内置置两种种SCSI接口缺缺点：：<>价格昂昂贵<>安装复复杂硬盘接接口3、USB（UniversalSerialBus通用串串行总总线）USB接口优优点：：<>价格低低廉<>连接简简单快快捷，，兼容容性强强，具具有很很好的的扩展展性<>高速度度，USB2.0接口的的传输输速度度高达达480Mbps，是串串口的的4000多倍USB接口缺缺点：：<>设备之之间的的通信信效率率低<>连接电电缆的的长度度比较较短硬盘接接口4、IEEE1394（Firewire、iLink、Lynx）IEEE1394优点：：<>即时数数据传传输(Real-TimeDataTransfer)<>支持热热插拔拔，驱驱动程程序安安装简简易<>快速，，目前前的1394支持传传输率率为400Mbps<>通用I/O连接头头，点点对点点的通通讯架架构IEEE1394缺点：：<>价格昂昂贵的的IEEE1394硬盘适适配器器5、FibreChannel（光纤通通道）光纤通道道优点：：<>具有很好好的升级级性<>可以用非非常长的的光纤电电缆（带带有FiberOpticCabling时，光纤纤长度可可以超过过10公里）<>具有非常常宽的带带宽（现现在一般般的光纤纤都具有有1.06GBps，而如果果采用多多光纤通通道可以以达到更更宽的带带宽）<>具有很强强的通用用性光纤通道道缺点：：<>价格非常常昂贵<>组建复杂杂硬盘接口口硬盘技术术参数硬盘容量量（Volume）容量的单单位为兆兆字节（（MB）或千兆兆字节（（GB）。目前前的主流流硬盘容容量为40-60GB。影响硬硬盘容量量的因素素有单碟碟容量和和碟片数数量。许许多人发发现，计计算机中中显示出出来的容容量往往往比硬盘盘容量的的标称值值要小。。这是由由于不同同的单位位转换关关系造成成的。我我们知道道，在计计算机中中1GB＝1024MB=1048576KB，而硬盘厂家家通常是按照照1G＝1000MB=1000000KB进行换算的，，因此我们在在BIOS中或格式化硬硬盘时看到的的容量往往会会比厂家的标标称值小5%左右。硬盘技术参数数转速（Rotationalspeed）硬盘的转速是是指硬盘盘片片每分钟转过过的圈数，单单位为RPM（RotationPerMinute）。一般硬盘盘的转速都达达到5400RPM（每分钟5400转），而部分分硬盘如迈拓拓的金钻系列列则达到了7200RPM。有些SCSI接口的硬盘使使用了液态轴轴承技术，转转速可达10000－15000RPM。硬盘技术参数数平均寻道时间间（AverageSeekTime）硬盘的平均寻寻道时间是指指硬盘的磁头头从初始位置置移动到盘面面指定磁道所所需的时间，，是影响硬盘盘内部数据传传输率的重要要参数。这个个时间越小越越好。目前IDE硬盘的平均寻寻道时间通常常在8ms到11ms之间。硬盘的等待时时间（Latency）硬盘的等待时时间又叫潜伏伏期，是指磁磁头已处于要要访问的磁道道，等待所要要访问的扇区区旋转至磁头头下方的时间间。平均等待待时间通常为为盘片旋转一一周所需时间间的一半，因因此硬盘转速速越快，等待待时间就越短短，一般应在在4ms以下。硬盘技术参数数平均访问时间间（AverageAccessTime）硬盘读取数据据的实际过程程大致是：硬硬盘接收到读读取指令后，，磁头从初始始位置移到目目标磁道位置置（经过一个个寻道时间）），然后从目目标磁道上找找到所需读取取的数据（经经过一个等待待时间）。这这样我们看到到硬盘在读取取数据时，要要经过一个平平均寻道时间间和一个平均均等待时间，，平均访问时间间＝平均寻道道时间＋平均均等待时间。。在等待时间内内，磁头已到到达目标磁道道上方，只等等所需数据扇扇区旋转到磁磁头下方即可可读取。这个个时间当然越越小越好，但但它受限于硬硬盘的机械结结构。因此转转速也是影响响硬盘内部数数据传输率的的重要参数。。硬盘技术参参数缓存（Cache）由于CPU与硬盘之间间存在巨大大的速度差差异，为解解决硬盘在在读写数据据时CPU的等待问题题，在硬盘盘上设置适适当的高速速缓存，以以解决二者者之间速度度不匹配的的问题。硬硬盘缓存与与CPU上的高速缓缓存作用一一样，是为为了提高硬硬盘的读写写速度，当当然缓存越越大越好。。目前硬盘盘缓存通常常为一般为为2MB，甚至有的的高端硬盘盘采用8MB的缓存设计计，性能的的提升自然然更加明显显。硬盘技术参参数数据传输率率（DateTransferRate）硬盘的数据据传输率是是指硬盘读读写数据的的速度，单单位为兆字字节每秒（（MB/s）。硬盘数数据传输率率包括内部部传输率和和外部传输输率两个指指标。内部传输率率(InternalTransferRate)内部部传传输输率率也也称称为为持持续续传传输输率率（（SustainedTransferRate），，是是磁磁头头到到硬硬盘盘的的高高速速缓缓存存之之间间的的数数据据传传输输速速度度，，它它反反映映了了硬硬盘盘缓缓冲冲区区没没有有使使用用时时的的性性能能，，这这可可以以说说是是影影响响硬硬盘盘整整体体速速度度的的瓶瓶颈颈。。内内部部传传输输率率主主要要依依赖赖于于硬硬盘盘的的旋旋转转速速度度。。值值得得注注意意的的是是Mb/S或Mbps为单单位位，，这这是是兆兆位位/秒硬盘盘技技术术参参数数外部部传传输输率率(ExternalTransferRate)外部部传传输输率率也也称称为为突突发发数数据据传传输输率率（（BurstDataTransferRate）或或接接口口传传输输率率。。它它指指的的是是系系统统总总线线与与硬硬盘盘缓缓冲冲区区之之间间的的数数据据传传输输率率，，与与硬硬盘盘接接口口类类型型和和硬硬盘盘缓缓存存的的大大小小有有关关。。1、数据保保护技术术S.M.A.R.T